Створення та фотоелектричні властивості структур на основі багатокомпонентних халькогенідів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Створення та фотоелектричні властивості структур на основі багатокомпонентних халькогенідів

Петрусь Р.Ю.

01.04.18 - фізика і хімія поверхні

Івано-Франківськ - 2010

Вступ

Актуальність теми. Вирощування досконалих однорідних монокристалів із заданими і відтворюваними властивостями - актуальна проблема напівпровіднико- вого матеріалознавства. Значний практичний інтерес становлять такі напівпровідни- кові матеріали AIIIBVI як InSe, In2Se3 та напівмагнітний напівпровідник Cd1-xMnxTe.

Широкосмугові фоточутливі поверхнево-бар'єрні структури на основі названих матеріалів - перспективні фотоперетворювачі внаслідок чутливості до оптичного випромінювання у широкому інтервалі (від інфрачервоного до ультрафіолетового) енергій світлових квантів, характеризуються достатньо високим коефіцієнтом корисної дії, прості і дешеві у виготовленні. Довгохвильовий край фоточутливості перетворювачів світла визначається, в основному, енергією міжзонних переходів фотоперетворюючого поглинаючого напівпровідника, а короткохвильовий - обмежується шириною забороненої зони матеріалу "вікна" за умови досконалого формування межі розділу.

Прямозонний напівпровідник InSe гексагональної модифікації (Eg=1,25 eB, T=300 K) належить до групи алмазоподібних сполук і може задовольнити вимогу щодо його застосування у високоефективних радіаційно стійких фотоперетворювачах, які забезпечують високу квантову ефективність фотоперетворення природного і лінійно поляризованого випромінювань. Специфіка кристалічної будови InSe - шаруватість по площині (0001), що дозволяє методом розщеплення з монокристалічного зливка одержувати достатньо тонкі і досить гнучкі пластини з дзеркально гладкими і досконалими поверхнями. Площа такого сколу може сягати декількох квадратних сантиметрів.

Напівмагнітний напівпровідник кадмію-марганцю телурид (Cd1-xMnxTe) привертає увагу дослідників тим, що дає змогу зміною відносного вмісту у ньому марганцю змінювати його ширину забороненої зони. Крім того, атоми Mn вбудовуються у вузли кристалічної решітки CdTe, не виходячи у міжвузловини, і утворюють "ідеальний" напівпровідниковий твердий розчин Cd1-xMnxTe. Унаслідок цього Cd1-xMnxTe перспективний для практичного використання в оптоелектронних і магнітоелектричних приладах.

Для забезпечення умов створення широкосмугових фотоперетворюючих структур, у дисертації функцію вікна виконували широкозонні власні оксиди (Ox) InSe або Cd1-xMnxTe, а також напівпрозорі плівки металів In та Al. Вибір In зумовлений намаганням мінімізувати термічний вплив на властивостi напiвпровiдникiв у процесі створення структур, а Al - наблизитись до промислової технології.

Роботу присвячено одержанню масивних монокристалів селенідів індію - InSe, In2Se3 (AIIIBVI) та твердих розчинів Cd1-xMnxTe (AIIMnBVI), створенню фоточутливих структур на основі вирощених монокристалів та комплексному дослідженню їх електрофізичних та фотоелектричних властивостей.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертацію виконано в науково-дослідній лабораторії "Процеси парофазного росту напівпровідникових матеріалів та структури на їх основі" кафедри фізики Національного університету "Львівська політехніка" у рамках виконання держбюджетних проектів Міністерства освіти і науки України "Кероване кластероутворення в процесах парофазного росту напівпровідникових сполук групи АIIВVI та твердих розчинів" держреєстраційний № 0102U001172 (2002-2003 рр.); "Нові матеріали на основі керованих рівноважних кластерних включень в АIIBVI: одержання та фізичні властивості" держреєстраційний № 0104U002302 (2004-2005 рр.); "Формування нових властивостей напівпровідникових матеріалів і структур: кластероутворення і інтеркаляція в шарах і плівках", держреєстраційний № 0105U007636 (2006-2008 рр.); "Одержання тонких плівок, CdS, СuIn1-хGахSе2 та створення на їх основі сонячних елементів", держреєстраційний № 0109U001162 (2009-2010 рр.); міжнародних наукових проектів "Суперконденсатор" (2006 р.), "Суперконденсатор-II" (2007 р.), "Суперконденсатор-III" (2008 р.).

Мета і завдання дослідження.

Мета роботи - розвиток лабораторних технологій вирощування монокристалів халькогенідів InSe, In2Se3, багатокомпонентних твердих розчинів Cd1-xMnxTe, створення на їх основі різнотипних широкосмугових фотоперетворюючих поверхнево-бар'єрних структур та комплексне дослідження фізичних властивостей цих матеріалів і структур на предмет оцінки можливостей їх практичного використання.

Для цього необхідно було вирішити такі завдання:

вирощування монокристалів InSe, In2Se3, Cd1-xMnxTe з використанням парофазного методу та методу спрямованої кристалізації;

дослідження фізичних властивостей вирощених монокристалів;

відпрацювання процесів термічного окиснення на повітрі монокристалів селеніду індію (InSe) та твердого розчину Cd1-xMnxTe з різним умістом марганцю для одержання високоякісних плівок власного оксиду для їх використання як елементів гетероструктур (ГС);

відпрацювання процесів електричного розряду між тонкими дротинами (Ag, Pt) для створення точкових зварних контактів (надалі - ТК) до монокристалів селеніду індію (InSe) і твердого розчину Cd1-xMnxTe (х=0,00-0,70) та формування в такий спосіб фоточутливих точкових структур ТКAg, Pt/n-InSe та ТКAg, Pt/Cd1?xMnxTe;

формування фоточутливих бар'єрів Шотткі In/In2Se3, Al/In2Se3 та In/Cd1?xMnxTe, на основі монокристалів In2Se3 та магнітного твердого розчину Cd1?xMnxTe з різним умістом марганцю;

розроблення методики та формування фоточутливих гетероструктур n-Ox/n-InSe та Ох/Cd1?xMnxTe (х=0,00-0,70) із використанням попередньо створених плівок власних оксидів;

комплексне дослідження електрофізичних та фотоелектричних властивостей створених різнотипних структур на селенідах індію InSe, In2Se3 та магнітних твердих розчинах Cd1?xMnxTe (х=0,00-0,70).

Об'єкт дослідження - поверхнево-бар'єрні структури (площинні та точкові), бар'єри Шотткі та окисні гетероструктури, створені на основі халькогенідів InSe, In2Se3, та твердих розчинів Cd1-xMnxTe.

Предмет дослідження - фізичні властивості створених різними методами (окиснення поверхні, вакуумне осадження, електричний розряд між тонкими дротинами) поверхнево-бар'єрних структур на основі багатокомпонентних халькогенідів InSe, In2Se3 і магнітних твердих розчинів Cd1?xMnxTe та фізичні явища в них.

Методи дослідження. Для досягнення мети та вирішення поставлених завдань дисертації провадилися експериментальні дослідження технології вирощування (метод хімічних транспортних реакцій та метод спрямованої кристалізації) монокристалів InSe, In2Se3 і твердих розчинів Cd1-xMnxTe. Дослідження фізичних властивостей вирощених монокристалів базувалися на аналізі температурних залежностей питомої електропровідності і коефіцієнта Холла (метод ефекту Холла), питомого опору (чотиризондовий метод), типу провідності (метод термо-ЕРС), структурних досліджень (метод Х-променевої дифрактометрії), контролі елементного складу і гомогенності вирощених монокристалів (метод мікрозондового рентгеноспектрального аналізу). Досліджено процеси формування поверхнево-бар'єрних структур (метод термічного окиснення монокристалічних пластин, метод електричного розряду, магнетронне та термічне вакуумне осадження). Крім цього, досліджено поверхнево-бар'єрні структури (метод вольт-амперних характеристик) і спектральний розподіл відносної квантової ефективності фотоперетворення (методи фотоелектричної i оптичної спектроскопії).

Комп'ютерне моделювання і опрацювання результатів експериментів виконано за допомогою прикладних математичних пакетів.

Наукова новизна одержаних результатів

Розвинуто метод хімічних транспортних реакцій із програмованим встановленням температурних розподілів ростової установки для вирощування гомогенних монокристалів InSe, In2Se3 та твердих розчинів Cd1-хMnхTe

(х=0,00-0,70).

Розвинуто фізико-хімічні основи лабораторної технології отримання на поверхнях пластин природного сколу моноселеніду індію n-InSe та твердого розчину Cd1-xMnxTe (х=0,00-0,70) високоякісних плівок власного оксиду (n-Ох). Уперше, з використанням розвинутої технології термообробки, одержано фоточутливі гетероструктури n-Ox/n-InSe та Ox/Cd1-xMnxTe (х=0,00-0,70) з доброю відтворюваністю фізичних властивостей.

Запропоновано і відпрацьовано лабораторну технологію створення точкових зварних контактів (ТК) до монокристалічних пластин моноселеніду індію та твердого розчину Cd1?xMnxTe (x=0,00-0,70) з використанням техніки електричного розряду між дротинами (Ag або Pt) мікрометричних діаметрів (10-20 мкм). Уперше створено бар'єрні точкові гетероструктури ТКAg,Pt/n-InSe, ТКAg,Pt/Cd1?xMnxTe з добре відтворюваними випрямними та фотовольтаїчними властивостями.

На поверхнях свіжого сколу монокристалiв In2Se3 та Cd1?xMnxTe створено поверхнево-бар'єрні структури (бар'єри Шотткі) In/n-In2Se3, Al/n-In2Se3,

In/Cd1-xMnxTe та виявлено їх фоточутливість у спектральному інтервалі 1-4 еВ.

Вперше виявлено можливості застосування створених фоточутливих поверхнево-бар'єрних структур як високоефективних широкосмугових фотоперетворювачів оптичного випромінювання та в розробках приладів магнітної фотоелектроніки.

Практичне значення одержаних результатів

Створено нові технологічні засади для відтворюваного здійснення ростових процесів. Для цього розроблено і виготовлено комп'ютерний регулятор температури, який забезпечує керування температурною динамікою ростової установки (програмоване встановлення температурного розподілу нагрівача ростової установки, виведення її на режим росту, проведення росту та вихід з режиму росту) з можливістю задання швидкостей цих процесів та керованої зміни температурних розподілів нагрівача у процесі росту.

Розроблено та впроваджено нові технологічні основи створення високоякісних плівок власного оксиду на поверхні пластин напівпровідників n-InSe та Cd1-xMnxTe для їх використання як елементів гетероструктур.

Запропоновано технологічні процеси та реалізовано фоточутливі гетероструктури Ox/n-InSe, Ox/Cd1-xMnxTe на основі власних оксидів напівпровідників n-InSe та Cd1-xMnxTe.

Запропоновано і відпрацьовано технологію створення точкових контактів до пластин n-InSe та Cd1-xMnxTe з використанням техніки електричного розряду між тонкими дротинами срібла або платини та створено в такий спосіб гетероструктури ТКAg,Pt/InSe, ТКAg,Pt/Cd1-xMnxTe, фоточутливі у широкому діапазоні спектра.

Показано, що створені нові типи фоточутливих структур (оксидних, точкових, бар'єрів Шотткі) можуть знайти застосування як широкосмугові фотоперетворювачі оптичного випромінювання.

Подальше дослідження гетероструктур на твердих розчинах Cd1-xMnxTe дозволить створити фотосенсори нового покоління з можливим впливом на їх фоточутливість зовнішніх магнітних полів.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі представлено узагальнені результати досліджень [1-26] за темою дисертації, одержані автором в період із 2003 по 2010 рік. Автор самостійно провів пошук і огляд літературних джерел за темою дисертації. Здійснив підготовку ростових експериментів та провів вирощування монокристалів методом хімічних транспортних реакцій (ХТР) [2, 4, 6-9, 13, 14, 18, 22] та методом спрямованої кристалізації з розплавів стехiометричного складу [2, 4, 6-9]. Провів термічні відпали зразків у різних атмосферах та у вакуумі [3, 6, 9, 18-21, 24]. Створив бар'єрні структури для більшості експериментальних досліджень [1, 2, 4, 6-10, 12, 14, 18, 22]. Провів комплексні дослідження фізичних властивостей вирощених монокристалів та структур на їх основі: кристалічної структури та розподілу елементного складу [2, 4, 6-9], оптичних [1-12] та електрофізичних властивостей [1, 2, 4, 6-12]. Провів вимірювання спектрального розподілу відносної квантової ефективності фотоперетворення створених структур [1, 2, 4, 6-9].

Постановку завдань та інтерпретацію отриманих експериментальних даних [1-26] проведено спільно з науковим керівником проф. Рудьом В.Ю., керівником лабораторії "Процеси парофазного росту напівпровідникових матеріалів та структури на їх основі" проф. Ільчуком Г.А., п.н.с. Українцем В.О., м.н.с. Кусьнежем В.В. У консультаціях щодо підготовки і проведення експериментів, обговоренні і аналізі результатів експериментальних досліджень брали участь і співавтори відповідних наукових робіт.

Апробація результатів досліджень. Основні результати роботи було представлено на наукових конференціях та семінарах: IV, V Міжнародні школи-конференції "Актуальні проблеми фізики напівпровідників" (Дрогобич, 2003, 2005); ІІ Українська наукова конференція з фізики напівпровідників (Чернівці-Вижниця, 2004 р.); 3-я Міжнародна конференція "Physics of disordered systems" (Гданьск, Польща, 2005); 6-а Європейська конференція "Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation" (Львів, 2006); Відкрита наукова конференція професорсько-викладацького складу Інституту прикладної математики та фундаментальних наук (Львів, 2006, 2008, 2009); XІ Міжнародна конференція "Фізика і технологія тонких плівок та наносистем" (Івано-Франківськ, 2007); Відкрита науково-технічна конференція професорсько-викладацького складу Ін-ту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки Нац. ун-ту "Львівська політехніка" з проблем електроніки (Львів, 2007); Parallel Conferences on Advanced Materials: The 4th International Workshop on Functional and Nanostructured Materials, The 8th Conference on Intermolecular and Magnetic Interactions in Matter (Gdansk, Poland, 2007); Четверта міжнародна науково-практична конференція: Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології (Кременчук, 2010 р.); засідання та семінари каф. фізики Нац. ун-ту "Львівська політехніка" (Львів, 2003-2010 рр.); Розширене засідання наук. семінару Фізико-хімічного ін-ту, Ін-ту природничих наук, фізико-технічного ф-ту, каф. матеріалознавства та новітніх технологій, каф. теоретичної та прикладної хімії, каф. теоретичної та прикладної фізики, каф. фізики та хімії твердого тіла, каф. органічної та аналітичної хімії, каф. радіофізики Прикарпатського нац. ун-ту імені Василя Стефаника, каф. напівпровідників Львівського нац. ун-ту імені Івана Франка, каф. фізики Нац. ун-ту "Львівська політехніка" (Івано-Франківськ, 2010 р.).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковано в 26 наукових працях, із них 12 статей у фахових наукових журналах, 14 матеріалах наукових конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 198 найменувань та двох додатків. Дисертацію викладено на 147 сторінках, містить 5 таблиць, 29 рисунків.

1. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і завдання дослідження, визначено наукову новизну і практичну цінність роботи. Розкрито зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, особистий внесок дисертанта та апробацію результатів дослідження на профільних наукових конференціях, висвітлено структуру дисертації.

Перший розділ - "Селеніди індію та тверді розчини Cd1-xMnxTe: структура, особливості одержання та властивості" присвячено огляду літератури з питань аналізу діаграми стану системи In-Se та фазової діаграми CdTe-MnTe, особливостей вирощування монокристалів селенідів InSe, In2Se3 та твердих розчинів Cd1-xMnxTe, їх кристалічної і зонної структури. Особливу увагу приділено особливостям утворення власного оксиду InSe, структурі його поверхні та характерним розмірам. Проаналізовано літературні дані щодо гетероструктур (ГС) власний оксид/InSe та бар'єрів Шотткі Me/InSe.

CdTe і MnTe утворюють обмежений ряд твердих розчинів. Стала кристалічної решітки твердого розчину Cd1-xMnxTe змінюється лінійно зі зміною складу твердого розчину і може бути розрахована за законом Вегарда

CdMnTe=(1-х)·a0,CdTe+х·a0,

MnTe лінійним інтерполюванням між значеннями сталих решіток відповідних бінарних напівпровідників. Зміна ширини забороненої зони зі зміною вмісту марганцю в першому наближенні також описується лінійною залежністю. Залежність ширини забороненої зони Cd1-xMnxTe від вмісту марганцю визначається співвідношенням

Eg(x) = (1,526+1,316·x) eВ (300 K)

Другий розділ - "Вирощування монокристалів InSe, In2Se3, твердих розчинів Cd1-xMnxTe та методики дослідження їх властивостей" присвячено опису методик вирощування названих кристалів із парової фази (метод хімічних транспортних реакцій - ХТР) та методом спрямованої кристалізації з розплавів стехiометричного складу. Описано методики досліджень кристалічної структури, елементного складу та ступеня гомогенності, електропровідності, ефекту Холла, одержання вольтамперних характеристик (ВАХ), визначення відносного квантового виходу фотоперетворення, коефіцієнта неідеальності ВАХ та струму насичення поверхнево-бар'єрних структур.

Основна особливість контролю процесу вирощування з парової фази полягала у використанні розробленого автором комп'ютерного регулятора температури, який дозволяв програмовано встановлювати та змінювати температуру нагрівача ростової установки під час ростового експерименту.

Концентрацію переносника NH4I для вирощування монокристалів методом ХТР розраховували на основі рівняння стану ідеального газу та даних щодо об'єму ростової ампули. Найбільші за величиною парціальні тиски компонент, які вносять вагомий вклад у парову фазу, вибирали на основі аналізу складу парової фази. Розвинута технологія ХТР забезпечила одержання структурно досконалих однорідних монокристалів селенідів індію InSe, In2Se3 та твердих розчинів

Cd1-xMnxTe і дозволяла проводити "вільний ріст" монокристалів без контакту зі стінками ростового контейнера за температур, значно нижчих ніж температури плавлення названих сполук. Описано схеми температурних полів, реалізованих в процесі ростових експериментів, конструктивні особливості ростових ампул, способи їх приготування та проведення ростових експериментів.

У третьому розділі - "Створення поверхнево-бар'єрних структур на основі селенідів індію, їх електрофізичні та фотоелектричні властивості" описано технології виготовлення площинних фоточутливих ГС n-Ox/n-InSe, структур

In/n-In2Se3, Al/n-In2Se3 та точкових ГС ТКAg/n-InSe, ТКPt/n-In2Se3 на основі селенідів індію n-InSe і n-In2Se3. Досліджено фоточутливість реалізованих поверхнево-бар'єрних структур. Як вихідний матеріал для формування ГС використано тонкі (близько 50 мкм) пластини монокристалічного n-InSe, одержані сколюванням на повітрі вирощених методом спрямованої кристалізації однорідних зливків n-InSe, а також пластинки n-InSe, вирощені методом ХТР. Концентрація вільних електронів вихідних пластин n?1014 см-3, а холлівська рухливість уздовж шарів м?150 см2/(Вс) (Т=300 K). Обидві площини як сколених, так і отриманих методом ХТР пластинок InSe дзеркально-гладкі і не потребують механічної та хімічної підготовки для формування на їх основі ГС.

Відпрацьовано лабораторну технологію термообробки пластин n-InSe в нормальних атмосферних умовах для одержання на їх поверхні тонких (h?0,5 мкм) плівок власного оксиду селеніду індію. Встановлено, що плівки Ох в усіх випадках електронного типу провідності. Для створення омічних контактів до n-InSe і плівки оксиду використано чистий індій. У такий спосіб сформовано ГС n-Ox/n-InSe із середніми розмірами близько 10100,02 мм. Розроблена технологія створення ГС із використанням плівок власного оксиду дає змогу значно здешевити та спростити технологічний процес, що важливо для упровадження в масове виробництво.

На однорідних монокристалічних пластинках n-In2Se3 уперше створено інший тип поверхнево-бар'єрних фоточутливих структур - бар'єри Шотткі In/n-In2Se3,

Al/n-In2Se3, які формували методом вакуумного термічного напилення напівпрозорого шару металу (In, Al) на свіжосколоту дзеркальну поверхню (0001) In2Se3.

Уперше запропоновано і відпрацьовано лабораторну технологію створення точкових контактів до монокристалічних пластин n-InSe із використанням техніки електричного розряду між тонкими (10-50 мкм) дротинами (Ag, Pt) в повітряному середовищі і в такий спосіб створено точкові ГС ТКAg/n-InSe, ТКPt/n-InSe. Стаціонарні ВАХ поверхнево-бар'єрних структур In/n-In2Se3, Al/n-In2Se3,

ТКAg/n-InSe та ТКPt/n-InSe, виявили чітке випрямляння. Пропускний напрям відповідав прикладенню негативної полярності зовнішнього зміщення до пластинки напівпровідника і у всіх випадках узгоджувався з полярністю їх фотоЕРС.

Під час освітлення n-Ox/n-InSe світловим зондом (d?50 мкм) природного випромінювання в різних точках фоточутливої поверхні оксиду спостерігали фотовольтаїчний ефект, полярність якого відповідає напрямку випрямлення. Для кращих ГС фотоЕРС Uос?20 мВ, а фотострум короткого замикання Іsc?0,1 мA. Максимальна вольтова фоточутливість ізотипних ГС n-Ox/n-InSe за T=300 K ?500 В/Вт. На рис. 1 зображено типові залежності спектрального розподілу відносної квантової ефективності фотоперетворення з(hщ) ГС n-Ox/n-InSe. Значення крутості довгохвильового краю S=?(lnз)/?(hщ) становить приблизно 60 eB-1, що відповідає прямим міжзонним переходам в InSe, а його значення 1,13 еВ - ширині забороненої зони InSe. За енергії фотонів hщ>1,2 eB (освітлення з боку пластини InSe, крива 2 на рис.1) наступає різкий короткохвильовий спад фоточутливості ГС n-Ox/n-InSe, що викликано швидким зростанням поглинання випромінювання в n-InSe, зумовлене включенням механізму прямих міжзонних переходів. Це супроводжується швидким віддаленням зони фотогенерування пар від активної області гетеропереходу, що і зумовлює спостережуваний різкий спад фотоструму. Якщо ГС n-Ox/n-InSe освітлювати з боку плівки n-Ox, то відбувається збільшення напівширини спектра з(hщ) від дЅ=60 меВ до дЅ?900 меВ (за товщини підкладок h?20-30 мкм) і спектри з(hщ) стають широкосмуговими. За цих умов максимальна фоточутливість ГС лежить у глибині інтервалу фундаментального поглинання InSe (hщmax?1,55 eB).

Типові залежності квантових ефективностей зРР, з фотоперетворення структур n-Ox/n-InSe від кута падіння лінійно поляризованого випромінювання (ЛПВ) на їх приймальну площину за умови hщ=const. Тут зРР -відносна квантова ефективність фотоперетворення у разі, коли вектор електричного поля Е ЛПВ паралельний площині падіння променя, а з - коли вектор Е перпендикулярний площині падіння променя ЛПВ. У всьому інтервалі кутів падіння променя ЛПВ (0 ? ? 90є) виконується співвідношення зРР >з. Під час освітлення ГС n-Ox/n-InSe уздовж нормалі до приймальної площини (Ox), яка компланарна з площиною сколу (0001) InSe, коефіцієнт фотоплеохроїзму Р дорівнює нулеві у всьому інтервалі фоточутливості. Це дозволяє зробити висновок, що природний фотоплеохроїзм у таких ГС відсутній, оскільки світло розповсюджується вздовж ізотропного напряму (001) шаруватого кристала InSe. Зі зростанням кута падіння ЛПВ коефіцієнт наведеного фотоплеохроїзму в структурах n-Ox/n-InSe у короткохвильовому спектральному інтервалі (hщ?1,55 eB) відповідає закономірності P2 (рис. 2, б, крива 4). Це дозволяє пов'язувати спостережуваний фотоплеохроїзм з оптичними процесами на межі повітря/Ох InSe.

У структур з точковим контактом TKPt, Ag/n-InSe максимальний фотовольтаїчний ефект спостерігається за умов безпосереднього освітлення точкового контакту світловим зондом (d?0,3 мм), а точковий контакт у всіх отриманих структурах заряджається позитивно. Знак фотовольтаїчного ефекту узгоджується зі знаком прямого зміщення структури під час одержання ВАХ. Якщо світловий зонд виходить за межі точкового контакту, то фотовольтаїчний ефект практично зникає. Ця особливість дає підстави вважати, що активна область такої структури локалізується в околиці точкового контакту. Максимальна вольтова фоточутливість структур TK /n-InSe ?1500 В/Вт (T=300 K). Висока фоточутливість точкових структур без вираженого короткохвильового спаду з спостерігається до hщ?3,8 eB, що вказує на високу досконалість інтерфейсу в них. Напівширина дЅ спектрів з(hщ) в точкових структурах TK/n-InSe становить 1,38 eB, що значно більше, ніж у площинних структурах Ox/InSe, де дЅ?900 меВ. Прояв особливостей в спектрах з(hщ) за hщm?1,25 eB, які пов'язані з екситонами, також є свідченням того, що розвинений в цій праці новий метод дозволяє формувати в InSe високоефективні широкосмугові фотоперетворюючі структури.

Фоточутливість бар'єрів Шотткі ln/n-ln2Se3 та Al/n-ln2Se3 завжди більша під час освітлення з боку бар'єрного контакту, а максимальна вольтова фоточутливість в кращих структурах сягає ?500 В/Вт за Т=300 К. На рис. 3 наведено типові спектральні залежності відносної квантової ефективності фотоперетворення з(hщ) однієї із площинних структур на основі бар'єру Шотткі In/n-In2Se3 за двох способів її освітлення. Характерно, що в довгохвильовому інтервалі (hщ < 1,8 еВ) тип залежностей з(hщ) за обох способів освітлення виявляється близьким. В інтервалі енергій фотонів hщ ? 1,8 еВ у разі освітлення структури з боку напівпровідника наступає різкий короткохвильовий спад фоточутливості. Такий спад фоточутливості в процесі зростання енергії квантів hщ викликаний віддаленням зони фотогенерування пар від активної ділянки структури на відстані, що перевищують довжину дифузійного зміщення носіїв заряду в In2Se3. Під час освітлення структури з боку бар'єрного контакту фотонами hщ > 1,8 еВ фоточутливість, навпаки, починає знову різко зростати (до hщ ? 2 еВ), а надалі аж до hщ ? 3,8 еВ залишається на високому рівні (рис. 3, крива 1), так що спектр стає широкосмуговим. Це свідчить про суттєво малий вплив поверхневої рекомбінації в отриманих бар'єрах In/n-In2Se3 і високу ефективність збирання фотогенерованих пар. Спектри фоточутливості бар'єру Шотткі In/n-In2Se3 в координатах (зhщ)Ѕ - hщ і (зhщ)2 - hщ (рис. 4, криві 2 і 3) мають прямолінійні ділянки, які можна зв'язати з непрямим і прямим міжзонними оптичними переходами в In2Se3. Ширина забороненої зони для непрямих переходів, отримана в результаті екстраполяції (зhщ)Ѕ>0, (рис. 4, крива 2) ?1,79 еВ. Екстраполяція (зhщ)2>0 (рис. 4, крива 3) дозволяє визначити значення ширини забороненої зони для прямих переходів - ?1,90 еВ (T=300 K). Аналогічні закономірності спектрального розподілу фоточутливості спостерігали і для бар'єрів Al/n-In2Se3. Слід відзначити, що бар'єри Al/n-In2Se3 в умовах кімнатних температур відзначаються суттєвою стабільністю параметрів - ми не виявили будь-яких ознак деградації фоточутливості протягом 3 рокiв спостереження.

Четвертий розділ - "Створення поверхнево-бар'єрних структур на основі твердих розчинів Cd1-xMnxTe, їх електрофізичні та фотоелектричні властивості". Для формування фоточутливих ГС на основі плоскопаралельних пластин твердого розчину Cd1-xMnxTe (h=2-4 мм) з дзеркально-гладкою поверхнею, одержаних сколюванням, апробовано і використано технології, розроблені для створення фоточутливих ГС на основі селенідів індію.

Дослідження стаціонарних ВАХ структур Ox/Cd1-xMnxTe (x = 0,00-0,70) показали, що запропонований режим термообробки пластин Cd1-xMnxTe приводить до відтворюваного отримання ГС з випрямними властивостями. Пропускний напрям ВАХ в усіх ГС Ox/Cd1-xMnxTe відповідає прикладенню зовнішнього зміщення негативної полярності до плівки Ox. Типову стаціонарну ВАХ однієї з ГС Ox/Cd1-xMnxTe зображено на рис. 5. Бачимо, що початкова ділянка прямої вітки ВАХ (U < 1 B) (рис. 5, а, крива 1) для отриманих структур відповідає діодному рівнянню I=IS exp(eU/вkT-1), де струм насичення IS в кращих структурах сягав 10-9 A, а фактор неідеальності ? 4,5-6 (T = 300 K). Це дозволяє стверджувати, що в отриманих ГС Ox/Cd1-xMnxTe переважальним є тунельно-рекомбінаційний механізм перенесення заряду. В інтервалі напруг UR5 B зворотного зміщення спостерігається степенева залежність між струмом і напругою IU m. За напруг зворотного зміщення UR0,6 B показник степеня m ? 0,35, що зумовлено генераційними процесами в активній ділянці ГС. За UR0,6 B показник m росте і виявляється близьким до одиниці, що властиво механізму тунелювання носіїв заряду або ж струму, обмеженого просторовим зарядом у режимі насичення швидкості.

З типових спектральних залежностей відносної квантової ефективності фотоперетворення з(hщ) для двох гетероструктур на монокристалах Cd1-xMnxTe, що відрізняються вмістом марганцю (x=0 та x=0,40) (рис. 6, а) бачимо, що зі зростанням вмісту марганцю спектри з(hщ) та їх абсолютний максимум hщm зміщуються в короткохвильову спектральну ділянку порівняно зі спектром з(hщ) структури Ox/CdTe. Цей факт пов'язаний із збільшенням ширини забороненої зони внаслідок зростання вмісту Mn в твердому розчині Cd1-xMnxTe. Екстраполяція лінійних ділянок залежності (зhщ)2=f(hщ) (рис. 6, b) дозволяє визначити енергію прямих міжзонних переходів у твердому розчині Cd1-xMnxTe (x=0 і x=0,40): і 2,2 eB відповідно (T=300 K).

Типові спектри відносної квантової ефективності фотоперетворення з(hщ) точкових ГС ТКAg/Cd1-xMnxTe із різним вмістом Mn в твердому розчині зображено на рис. 7. Довгохвильова компонента спектрів з(hщ) ГС ТКAg/Cd1-xMnxTe сильно розширюється порівняно зі спектром з(hщ) структур на кристалі p-CdTe. З досягненням вмісту x?0,60 у спектрах з(hщ) структур ТКAg/Cd1-xMnxTe спостерігається чіткий максимум, який добре корелює з відомим із вимірювань фотолюмінесценції максимумом (смуга C). Аналогічні спектральні закономірності спостерігали і для бар'єрів Шотткі In/Cd1-xMnxTe. Отже, вміст марганцю в кристалах твердих розчинів Cd1-xMnxTe контролює протяжність спектрального діапазону високої фоточутливостi площинних бар'єрів Шотткі In/Cd1-xMnxTe і точкових ГС ТКAg,Pt/Cd1-xMnxTe.

Типові значення одержаних електрофізичних та фотоелектричних параметрів досліджених структур In/Cd1-xMnxTe та ТКAg/Cd1-xMnxTe наведено в табл. 1. Бачимо, що площинним бар'єрам Шотткі і точковим ГС властиве чітке випрямляння, (коефіцієнт K).

Таблиця 1 Фізичні властивості бар'єрів Шотткі і точкових зварних гетероструктур на кристалах Cd1-xMnxTe з різним вмістом марганцю за T = 300 K

Пропускний напрям у цих структурах реалізується за від'ємної полярності зовнішнього зміщення на площинному індієвому чи точковому контактах для всіх вивчених складів твердого розчину. Типові значення напівширини (дЅ) спектрів з(hщ) кількісно характеризують спектральний діапазон високої фоточутливості створених типів структур. Найбільше значення дЅ ? 1,6 eB досягнуто в структурах на основі кристалів CdTe (х=0). Максимальної вольтової фоточутливості досягнуто в структурах ТКAg/Cd1-xMnxTe та In/Cd1-xMnxTe, створених на монокристалах вмісту x=0 під час їх освітлення з боку індієвого і точкового контактів, відповідно. Збільшення вмісту марганцю у Cd1-xMnxTe приводить до зменшення величини максимальної вольтової чутливості названих структур.

Основні результати і висновки

монокристал парофазний окиснення електрофізичний

1.Розвинуто фізико-хімічні основи технології вирощування монокристалів багатокомпонентних халькогенідів методом хімічних транспортних реакцій та методом спрямованої кристалізації близьких до стехіометрії розплавів, вирощено гомогенні однофазні кристали селенідів індію InSe, In2Se3 та твердих розчинів

Cd1-xMnxTe (x=0,00-0,70) високого ступеня однорідності.

2.Запропоновано і відпрацьовано лабораторну технологію отримання на поверхнях пластин природного сколу моноселеніду індію n-InSe та твердого розчину Cd1-xMnxTe (х=0,00-0,70) тонких (d?0,5 мкм) плівок власного оксиду (n-Ох), які характеризуються високим рівнем адгезії до підкладок n-InSe та Cd1-xMnxTe, а їх колір і товщина контролюються температурою і часом термообробки пластин у повітряному середовищі. Сформовано фоточутливі гетероструктури n-Ox/n-InSe, Ох/Cd1-xMnxTe (х=0,00-0,70), які характеризуються доброю відтворюваністю випрямних та фотоелектричних властивостей у широкому спектральному діапазоні.

3.Запропоновано і реалізовано нову технологію створення точкових зварних контактів (ТК) до монокристалічних пластин n-InSe та твердого розчину Cd1?xMnxTe (x=0,00-0,70) із використанням техніки електричного розряду між дротинами (Ag або Pt) мікронних діаметрів (10-20 мкм). Уперше створено бар'єрні точкові структури ТКAg,Pt/n-InSe, ТКAg,Pt/Cd1?xMnxTe з добре відтворюваними випрямними та фотовольтаїчними властивостями, які протягом 3 років спостереження не виявили будь-яких проявів деградаційних явищ.

4.Уперше створено поверхнево-бар'єрні структури In/n-In2Se3,

Al/n-In2Se3 та In/Cd1-xMnxTe на дзеркальній поверхні свіжого сколу In2Se3 або твердого розчину Cd1-xMnxTe (x=0,00-0,70), фоточутливі в широкому інтервалі енергій падаючих фотонів за 300 К. Для отриманих бар'єрів Шотткі в умовах кімнатних температур не виявлено жодних ознак деградації фоточутливості упродовж 3 років спостереження.

5.Комплексно досліджено електрофізичні та фотоелектричні властивості у природному та лінійно-поляризованому випромінюваннях створених на основі селенідів індію n-InSe, n-ln2Se3 гетероструктур n-Ox/n-InSe; TKPt, Ag/n-InSe; та бар'єрiв Шотткi ln/n-ln2Se3, Al/n-In2Se3. Визначено характер і енергії міжзонних оптичних переходів у кристалах In2Se3.

6.Установлено, що вміст марганцю в кристалах твердих розчинів Cd1-xMnxTe контролює протяжність спектрального діапазону високої фоточутливостi створених поверхнево-бар'єрних структур (In/Cd1-xMnxTe) і точкових гетероструктур

(ТК/Cd1-xMnxTe). На основі вперше отриманих спектрів фотоактивного поглинання різнотипних гетероструктур визначено характер міжзонних оптичних переходів і значення ширини забороненої зони кристалів Cd1-xMnxTe (x=0,00-0,70) залежно від атомного складу твердого розчину. Показано, що спектри відносної квантової ефективності фотоперетворення з(hщ) для твердих розчинів Cd1-xMnxTe близьких складів x схожі між собою і характеризуються доброю відтворюваністю.

7.Уперше доведено можливість застосування створених фоточутливих поверхнево-бар'єрних структур на основі вирощених багатокомпонентних халькогенідів InSe, In2Se3 та твердих розчинів Cd1-xMnxTe як високоефективних широкосмугових фотоперетворювачів оптичного випромінювання та в розробках приладів магнітної фотоелектроніки.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Фоточувствительность гетеропереходов n-CdS/p-CdTe, полученных химическим поверхностным осаждением CdS / Г.А. Ильчук, В.В. Кусьнэж, Ю.В. Рудь, В.Ю. Рудь, П.Й. Шаповал, Р.Ю. Петрусь // Физика и техника полупроводников. - 2010. - Т. 44, № 3. - С. 335-337.

2. Электрические свойства монокристаллов In2Se3 и фоточувствительность барьеров Шоттки Al/In2Se3 / И.В. Боднарь, Г.А. Ильчук, Р.Ю. Петрусь, Ю.В. Рудь, В.Ю. Рудь // Физика и техника полупроводников. - 2009. - Т. 43, № 9. - С. 1179-1182.

3. Хімічне поверхневе осадження тонких плівок CdS з водного розчину солі CdI2 / Г.А. Ільчук, В.В. Кусьнеж, П.Й. Шаповал, Ф.І. Цюпко, Р.Ю. Петрусь, С.В. Токарев, О.І. Горбова // Журнал нано- та електронної фізики - 2009. - Т. 1, №2 - С.42-48.

4. Фоточувствительность поверхностно-барьерных и точечных структур на монокристаллах Cd1-xMnxTe / Г.А. Ильчук, Р.Ю. Петрусь, Ю.А. Николаев, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь, Е.И. Теруков // Журнал технической физики. - 2008. - Т. 78, № 6. - С. 49-53.

5. Плівки CdS, одержані хімічним поверхневим осадженням: створення та властивості / Г.А. Ільчук, В.В. Кусьнеж, П.Й. Шаповал, Ф.І. Цюпко, В.О. Українець, А.М. Коструба, Р.Ю. Петрусь // Фізика і хімія твердого тіла. - 2008. - Т. 9, №4. - С. 757-762.

6. Создание и фотоэлектрические свойства гетероструктур собственный окисел/CdxMn1-xTe / Г.А. Ильчук, Р.Ю. Петрусь, Ю.А. Николаев, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь, Е.И. Теруков // Письма в журнал технической физики. - 2007. - Т. 33, № 24. - С. 24-31.

7. Создание и свойства точечных структур на монокристаллах n-InSe / Г.А. Ильчук, В.В. Кусьнэж, Р.Ю. Петрусь, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь, В.О. Украинец // Физика и техника полупроводников. - 2007. - Т. 41, № 10. - С. 1187-1189.

8. Фотоэлектрические свойства структур In/In2Se3 / Г.А. Ильчук, В.В. Кусьнэж, Р.Ю. Петрусь, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь, В.О. Украинец // Физика и техника полупроводников. - 2007. - Т. 41, № 1. - С. 53-55.

9. Гетерофотоэлементы n-Ox/n-InSe: создание и свойства / Г.А. Ильчук, В.В. Кусьнэж, Р.Ю. Петрусь, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь, Е.И. Теруков, В.О. Украинец // Физика и техника полупроводников. - 2006. - Т. 40, № 11. - С. 1356-1360.

10. Особливості деградації поверхнево-бар'єрних структур метал-р-СdTe / В.О. Українець, Г.А. Ільчук, Н.А. Українець, Р.Ю. Петрусь, В.І. Лобойко // Вісн. Нац. ун-ту "Львівська політехніка" "Електроніка". - 2004. -

11. № 482. - С. 80-85.

12. Электрохимический синтез тонких пленок CdS / Г.А. Ильчук, В.О. Украинец, Ю.В. Рудь, О.И. Кунтый, Н.А. Украинец, Б.А. Лукиянец, Р.Ю. Петрусь // Письма в журнал технической физики. - 2004. - Т. 30, № 15. - С. 19-24.

13. Властивості поверхнево-бар'єрних структур Мe(Іn, Sn, Pb) - p-CdTe в області додатніх зміщень / В.О. Українець, Г.А. Ільчук, Н.А. Українець, Р.Ю. Петрусь, С.Б. Харамбура // Фізика і хімія твердого тіла. - 2004. - Т. 5, №2. - С. 364-368.

14. Кероване введення кластерних включень в монокристалах CdTe в процесі парофазного росту методом хімічних транспортних реакцій / Г.А. Ільчук, В.О. Українець, А.Б. Данилов, Н.А. Українець, Р.Ю. Петрусь // Актуальні проблеми фізики напівпровідників : IV Міжнародна школа-конференція, 27-30 червня 2003 р. : тези доп. - Дрогобич, 2003. - С. 20.

15. Фотоэлектрические явления в барьерах Шоттки на основе выращенных методом химических транспортных реакций CdTe и ZnTe / Г.А. Ильчук,

16. В.О. Украинец, Р.Ю. Петрусь, Н.А.Украинец. // Фотоэлектрические явления в полупроводниках : материалы конференции, 20-21 апр. 2004 г. : тез. докл. - Ташкент, 2004. - С. 12-13.

17. Фотовольтаїчний ефект в поверхнево-бар'єрних структурах на основі плівок CdS, створених електрохімічним методом / Г.А. Ільчук, В.О. Українець, Р.Ю. Петрусь, Н.А. Українець, І.О. Кунтий // ІІ Українська наукова конференція з фізики напівпровідників, 20-24 вересня 2004 р. : тези доп. - Чернівці-Вижниця, 2004. - С. 16.

18. Фізичні властивості електрохімічно синтезованих плівок кадмію сульфіду / Г.А. Ільчук, В.В. Кусьнеж, Н.А. Українець, Р.Ю. Петрусь, В.О. Українець, С.П. Дубельт // Актуальні проблеми фізики напівпровідників : V Міжнародна школа-конференція, 27-30 червня 2005 р. : тези доп. - Дрогобич, 2005. - С. 73.

19. Photovoltaic effect in structures on the basis of CdS films received by an electrochemical method / V. Kusnesh, G. Ilchuk, V. Ukrainets', R. Petrus' // Physics of disordered systems : 3-rd International conference, 18-21 September 2005. : Abstract Book. - Gdansk-Sobieszewo, Poland, 2005. - P. 60-61.

20. Heterophotoelements created by InSe oxidation / G.A. Ilchuk, V.V. Kusnezh, R.Yu. Petrus', V.Yu. Rud', Yu.V. Rud', N.A. Ukrainets // Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation : 6th European Conference, 19-23 June 2006. : Book of Abstracts. - Lviv, Ukraine, 2006. - P. 217.

21. Телуризація плівок кадмію / Г.А. Ільчук, В.О. Українець, Р.Ю. Петрусь, В.В. Кусьнеж // П'ята відкрита наукова конференція проф.-викл. складу Ін-ту прикладної математики та фундаментальних наук, 5-6 жовтня 2006 р. : тези доп. - Львів, 2006. - С. 72.

22. Відпал плівок кадмію в атмосфері телуру та їх властивості / Г.А. Ільчук, В.В. Кусьнеж, Р.Ю. Петрусь, В.О. Українець // Фізика і технологія тонких плівок та наносистем : Матеріали XІ Міжнародної конференції, 7-12 травня 2007 р. : тези доп. - Т.1. - Івано-Франківськ, 2007. - С. 132.

23. Thermal synthesis of CdTe films from elementary components / V. Kusnezh, G. Ilchuk, V. Ukrainets, R. Petrus', A. Danilov // 4-rd International workshop on functional and nanostructured materials, 2-5 September 2007. - Gdansk, Poland, 2007. - P. 140.

24. Кусьнеж В.В. Вплив відпалу на оптичні властивості тонких плівок CdSхім осаджених з різних солей кадмію / В.В. Кусьнеж, Р.Ю. Петрусь, С.В. Токарев // Сьома відкрита наукова конференція проф.-викл. складу Ін-ту прикладної математики та фундаментальних наук, 13-14 листопада 2008 р. : тези доп. - Львів, 2008. - С. 74.

25. Ільчук Г.А. Електричні властивості монокристалів In2Se3 вирощених з парової фази / Г.А. Ільчук, Р.Ю. Петрусь, В.Ю. Рудь // Восьма відкрита наукова конференція проф.-викл. складу Ін-ту прикладної математики та фундаментальних наук, 12-13 листопада 2009 р. : тези доп. - Львів, 2009. - С.98.

26. Chemical surface deposition of CdS thin films from aqueous solutions / G.Il'chuk, V.Kusnezh, P.Shapowal, R.Petrus' // Joint Conferences on Advanced Materials, 6th Workshop on Functional and Nanostructured Materials, 10th Conference on Intermolecular and Magnetic Interactions in Matter, 27-30 September 2009. : Abstract Book. - Sulmona-L'Aquila, Italy, 2009. - P. 194-195.

27. Фізичні властивості гетероконтакту природній білок/CdS / Г.А. Ільчук, В.В. Кусьнеж, С.В. Лукашук, Р.Ю. Петрусь. // Фізичні методи в екології, біології та медицині : ІІ міжнародна конференція, 2-6 вересня 2009 р. : тези доп. - Львів-Ворохта, 2010 р. - С. 70-71.

28. Фоточутливість бар'єрів Шотткі Al/In2Se3 / Г.А. Ільчук, Р.Ю. Петрусь, В.Ю. Рудь, В.В. Кусьнеж, В.О. Українець // Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології : Четверта міжнародна науково-практична конференція, 19-21 травня 2010 р. : тези доп. - Кременчук, 2010. - С. 27-28.

Размещено на Allbest.ru