Фізико-активні впливи на явища переносу в монокристалах антимоніду кадмію

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Волинський національний університет імені Лесі Українки

УДК 537.312:537.5:548.55

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Фізико-активні впливи на явища переносу в монокристалах антимоніду кадмію

01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків

Коваль Юрій Васильович

Луцьк - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі фізики Луцького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Федосов Анатолій Васильович ,Луцький національний технічний університет, проректор з науково - педагогічної роботи

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Баранський Петро Іванович, Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, головний науковий співробітник

доктор фізико-математичних наук, професор Раренко Іларій Михайлович, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, професор кафедри фізики напівпровідників і наноструктур

Захист відбудеться „ 10 ” червня 2010 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 32.051.01 при Волинському національному університеті імені Лесі Українки Міністерства освіти і науки України за адресою: 43025, м. Луцьк, вул. Потапова, 9, ауд. № 101.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Волинського національного університету імені Лесі Українки за адресою: 43025, м. Луцьк, вул. Винниченка, 30.

Автореферат розісланий „ 7 ” травня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Божко В.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Монокристали антимоніду кадмію, що використовуються у мікроелектроніці та приладобудуванні, суттєво змінюють свої фізичні характеристики під дією різних фізико - активних впливів, таких як механічні навантаження, швидкозмінні температурні режими, радіація, світло та інші. У зв'язку з цим виникає необхідність детального вивчення властивостей цих матеріалів, що створить передумови для врахування зазначених впливів при конструюванні напівпровідникових давачів, термо- та фотоелектричних пристроїв тощо.

Наявність в об'ємі напівпровідників домішкових атомів та нерівномірність їх розподілу призводить до існування в реальних кристалах неоднорідностей за електричними, рекомбінаційними, оптичними та іншими характеристиками. Сучасні кристали антимоніду кадмію, в яких донорні або акцепторні домішки з мілкими рівнями компенсовані домішками чи радіаційними дефектами з глибокими локальними рівнями, широко застосовуються як в оптико - термоелектричних елементах ІЧ - техніки, анізотропних термоелектричних елементах індикації променевих потоків, так і в активних фотоелектричних пристроях, термоелектричних сенсорних елементах. Таким чином, вивчення впливу неоднорідності розподілу домішок у кристалах антимоніду кадмію є актуальною і важливою проблемою як у науковому, так і практичному плані.

В напівпровідниках з глибокими енергетичними рівнями (до яких можна віднести і леговані телуром монокристали антимоніду кадмію) в області низьких температур спостерігається ефект перемикання зразка із високоомного стану у низькоомний. Дослідження проявів глибоких рівнів в таких напівпровідниках дає можливість отримати інформацію, що може допомогти в ідентифікації дефекту, який зумовлює енергетичний рівень, додатково вивчити механізм взаємодії носіїв струму з коливаннями кристалічної гратки, дослідити можливості використання матеріалу для створення елементів пам'яті або перемикачів з високопровідного у низькопровідний стани і навпаки.

Опромінення частинками високих енергій є могутнім і добре контрольованим методом керування ступенем розупорядкованості у твердих тілах. В результаті опромінення виникають стійкі зміни градієнтів питомого опору внаслідок змін концентрації та рухливості носіїв заряду, зумовлених вторинними радіаційними дефектами. Радіаційні дефекти в антимоніді кадмію з глибокими рівнями в забороненій зоні є центрами сильної локалізації електронів. Вивчення поведінки таких центрів дає важливу інформацію про характер зв'язку локальних електронних станів центрів з найближчими зонами, вказує на тип симетрії дефекту, ступінь деформації внутрішніх зв'язків у ґратці.

Все вищесказане визначає актуальність даної роботи. Тематика дисертації відповідає пріоритетним напрямкам розвитку науки і техніки в Україні і орієнтована на розробку фоточутливих та радіаційностійких матеріалів електронної і оптоелектронної техніки з параметрами, які можна корегувати методами радіаційної технології.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження фізико - активних впливів на явища переносу в монокристалах антимоніду кадмію безпосередньо пов'язані з державними науковими програмами і, зокрема, науковими планами кафедри фізики Луцького національного технічного університету. Базовими для підготовки й подання дисертаційної роботи були науково - дослідні роботи на теми: 1) „Дослідження впливу технологічних особливостей на фізико - механічні властивості полімерних плівок та напівпровідникових матеріалів”, № державної реєстрації 0103U000277; 2) „Вплив дисипації енергії на фізичні властивості багатодолинних напівпровідникових і композиційних матеріалів”, № державної реєстрації 0107U000229; 3) „Морфометричні методи і моделі контролю якості напівпровідникових та композитних матеріалів”, № державної реєстрації 0110U002221.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є з'ясування закономірностей впливу дефектів технологічного та радіаційного походження на явища переносу в монокристалах антимоніду кадмію при різних фізико - активних впливах і наявності неоднорідного розподілу легуючої домішки в об'ємі напівпровідника.

Для здійснення поставленої мети необхідно було вирішити наступні завдання:

- дослідити неоднорідності розподілу домішок Te та In в монокристалах антимоніду кадмію та їх вплив на електрофізичні ефекти;

- вивчити вплив освітлення на кінетичні параметри монокристалів CdSb, легованих Te;

- встановити характер впливу г - опромінення на явища переносу в монокристалах CdSb, легованих In;

- дослідити температурні залежності коефіцієнтів п'єзоопору до та після г - опромінення монокристалів CdSb, легованих Te.

Об'єктом дослідження є монокристали CdSb, леговані Te та In а також після г - опромінення їх певними дозами.

Предметом дослідження є процеси розсіяння носіїв заряду у монокристалах CdSb n-типу провідності за наявності в їх об'ємі дефектів технологічного та радіаційного походження.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених завдань використовувались двохзондовий компенсаційний метод та метод оптичної топографії, методи дослідження тензоефектів при одновісній пружній деформації та вимірювання ефекту Холла а також зняття ВАХ.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Методом оптичної топографії та двохзондовим компенсаційним методом виявлено наявність неоднорідностей в розподілі домішок Te та In в монокристалах CdSb. Встановлено шарувату структуру досліджуваних кристалів з декількома типами шарів, що характеризуються різними періодами.

2. Встановлено вплив шаруватих періодичних неоднорідностей (ШПН) на ефект перемикання з високоомного у низькоомний стан в монокристалах CdSb(Te), а також, що при освітленні зразків відбувається поступове наближення порогових значень напруженості електричного поля перемикання у зразках, вирізаних вздовж осі росту кристала, до значень цих напруженостей у зразках, вирізаних в площині росту, що пов'язується зі зміною амплітуди потенціального рельєфу.

3. Виявлено, що із-за впливу ШПН при збільшенні інтенсивності освітлення у зразках CdSb(Te), вирізаних вздовж осі росту кристала, відбувається різке зростання рухливості та середньої транспортної довжини вільного пробігу носіїв заряду.

4. Встановлено, що при г - опроміненні монокристалів CdSb(In) дозою Ф~4?10¹⁸ кв/см² спостерігаються максимуми на залежностях рухливості носіїв заряду від дози г - опромінення (=(Ф)) та запропоновано модель для пояснення даного явища.

5. Вперше запропоновано принципово нову методику для визначення глибини залягання енергетичних рівнів у забороненій зоні напівпровідників, що ґрунтується на використанні даних п'єзоопору та може слугувати, як ще один з методів дослідження явищ переноcу в напівпровідникових кристалах. Досліджено та описано залежності рівня Фермі від температури в монокристалах CdSb при наявності в забороненій зоні глибоких енергетичних рівнів.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Наявність неоднорідностей в розподілі легуючих домішок у монокристалах антимоніду кадмію призводить до анізотропії електрофізичних величин, котрі визначаються орієнтацією шарів по відношенню до напрямку вектора струму, що необхідно враховувати при виготовленні та експлуатації різного роду напівпровідникових приладів.

2. Освітлення монокристалів антимоніду кадмію, легованих телуром, суттєво впливає на їх електрофізичні властивості, що має практичний інтерес при створенні високочутливих фотоелектричних перетворювачів і давачів на їх основі.

3. Експериментальні результати залежності кінетичних коефіцієнтів від впливу г - опромінення в досліджуваних кристалах відкривають нові можливості радіаційної технології керування властивостями CdSb.

4. Запропонована методика визначення глибини залягання енергетичних рівнів у забороненій зоні CdSb(Te) може бути поширена на інші напівпровідникові сполуки та одноатомні монокристали.

Особистий внесок здобувача. Експериментальні дослідження та теоретичні розрахунки, наведені в роботі, виконані автором особисто або за його безпосередньою участю. Дисертант особисто розробляв та впроваджував окремі вузли вимірювальних установок. Усі висновки та положення, які складають суть дисертації, сформульовані автором особисто. Постановка завдань, обговорення та кінцевий аналіз одержаних результатів проводилися за участю наукового керівника д.ф.-м.н., проф. Федосова А.В. Під час проведення експериментальних досліджень, теоретичних розрахунків, а також на певних етапах оформлення наукових статей брали участь к.ф.-м.н., доц. Ящинський Л.В.; к.ф.-м.н., доц. Федосов С.А.; к.ф.-м.н., доц. Захарчук Д.А.; к.ф.-м.н., доц. Коровицький А.М.; к.ф.-м.н., доц. Хвищун М.В.; ст. викл. Ковальчук О.В.; аспіранти Йонік А.М. та Луньов С.В. Опромінення ⁶⁰Co досліджуваних зразків проводилось спільно з відділом радіаційної фізики Інституту ядерних досліджень НАН України (м. Київ). Оптичні дослідження структури поверхні зразків проводились в науково - дослідній лабораторії діагностики напівпровідникових матеріалів, структур та приладних систем ІФН НАН України при ЛНТУ (м. Луцьк). Одержані результати представлені автором особисто на вітчизняних та міжнародних наукових семінарах та конференціях.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень, які представлені в дисертаційній роботі, доповідались та обговорювались на Міжнародній конференції молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “ЕВРІКА - 2004” (Львів, ЛНУ ім. Івана Франка, 2004 р.); на IІ-й Українській науковій конференції з фізики напівпровідників з міжнародною участю (Чернівці - Вижниця, ЧНУ, 2004 р.); на 4-й Харківській конференції молодих науковців „Радіофізика та НВЧ електроніка” (Харків, Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, 2004 р.); на Конференції молодих вчених та аспірантів “ІЕФ-2005” (Ужгород, Інститут електронної фізики НАН України, 2005 р.); на 2-й Міжнародній науковій конференції „Релаксаційні, нелінійні й акустооптичні процеси та матеріали” (Луцьк, ВДУ ім. Лесі Українки, 2005 р.); на XV Международном совещании „Радиационная физика твёрдого тела” (Севастополь, МГИЭМ, 2005 р.); на Всеукраїнському з'їзді “Фізика в Україні” (Одеса, ОНУ ім. І.І. Мечникова, 2005 р.); на XVІ Международном совещании „Радиационная физика твёрдого тела” (Севастополь, МГИЭМ, 2006 р.); на Конференції молодих учених та аспірантів „ІЕФ - 2007” (Ужгород, Інститут електронної фізики НАН України, 2007 р.); на ІІІ-й Українській науковій конференції з фізики напівпровідників (Одеса, ОНУ ім. І.І. Мечникова, 2007 р.); на XVІІ Международном совещании „Радиационная физика твёрдого тела” (Севастополь, МГИЭМ, 2007 р.); на ІІІ-й міжнародній науково-практичній конференції „Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології” (Кременчук, Інститут економіки та нових технологій, 2008 р.); на 4-й Міжнародній науковій конференції „Релаксаційні, нелінійні й акустооптичні процеси та матеріали” (Луцьк, ВНУ ім. Лесі Українки, 2008 р.); на IV-й Українській науковій конференції з фізики напівпровідників (Запоріжжя, Класичний приватний університет, 2009 р.); на наукових семінарах кафедри фізики Луцького національного технічного університету; на наукових конференціях професорсько - викладацького складу Луцького національного технічного університету; на об'єднаному науковому семінарі “Фізика напівпровідників і діелектриків” Волинського національного університету імені Лесі Українки та Луцького національного технічного університету.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 25 друкованих праць, з яких 7 статей у наукових фахових виданнях та 15 тез доповідей конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних літературних джерел. Загальний обсяг дисертаційної роботи складає 143 сторінки, включаючи 47 рисунків (33,5 сторінки) та 3 таблиці (1,4 сторінки). Список використаних джерел містить 201 найменування.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, визначена мета і основні завдання роботи, її наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, представлені відомості про апробацію роботи, особистий внесок дисертанта, публікації, структуру та обсяг дисертації.

Перший розділ містить огляд літературних даних, який стосується загальних властивостей монокристалів CdSb і впливу на їх параметри легуючих домішок, структурних дефектів та стану поверхні а також опромінення високоенергетичними частинками.

Другий розділ дисертації присвячений аналізу технічних характеристик обладнання, на якому проведена експериментальна частина роботи, і методиці вимірювання параметрів зразків.

Третій розділ присвячено експериментальним дослідженням впливу шаруватих періодичних неоднорідностей на електрофізичні ефекти в монокристалах антимоніду кадмію.

Вважається, що при вирощуванні кристала в результаті конвекційних потоків, зумовлених температурними градієнтами може виникати шарувата структура. В результаті концентраційного переохолодження ростучий фронт швидко просувається вперед до зникнення нестійкого температурного градієнта і через періодичне повторення процесу зміни швидкості росту в кристалі утворюються поперечні шари з різним вмістом домішок.

За допомогою методу оптичної топографії нами виявлено шарувату структуру в монокристалах CdSb, легованих In та Te (рис. 1), з періодами порядка 250 та 300 мкм відповідно.

Досліджено вплив неоднорідностей в розподілі домішок In та Te на градієнти питомого опору в монокристалах CdSb. Зразки вирізались паралельно і перпендикулярно до осі росту кристала. Вимірювання проводились двохзондовим компенсаційним методом при кімнатній температурі. За результатами вимірювань побудовані експериментальні криві розподілу питомого опору по довжині зразків (рис. 2 та 3). На одержаних залежностях _c для досліджуваних кристалів виявлено значно більші відносні відхилення питомого опору від середнього значення _c у зразках, вирізаних вздовж осі росту кристала, ніж у зразках, вирізаних перпендикулярно до даної осі. Різкі зміни градієнтів питомого опору в напрямі росту кристала пояснюються існуванням в даному напрямі значних градієнтів концентрації носіїв заряду n.

Порівнюючи результати, одержані методом оптичної топографії (рис. 1) та двохзондовим компенсаційним методом (рис. 2 та 3), відмічено, що в досліджуваних кристалах проявляється шарувата структура з декількома типами шарів, що характеризуються різними періодами.

Відомо, що наявність градієнта концентрації носіїв заряду n в деякому напрямі, а відповідно і градієнта питомого опору , може призводити до утворення внутрішнього електричного поля. Наявність внутрішніх електричних полів між шарами росту в монокристалах CdSb(Te) виявлена нами при дослідженні ефекту перемикання з високоомного в низькоомний стан. При цьому знімалися ВАХ при температурі 77 К для зразків, вирізаних паралельно (I група) і перпендикулярно до осі росту кристала (II група), при різних інтенсивностях освітлення. За одержаними експериментальними даними розраховувалися залежності густини струму від напруженості електричного поля () (рис. 4).

Необхідно зазначити, що для неосвітлених зразків обох груп зростання напруженості електричного поля відбувається до значень, при яких джоулева теплота, що виділяється на зразках, стає достатньою для іонізації донорного рівня телуру. При цьому відбувається лавиноподібний перехід електронів у зону провідності, що приводить до стрибка густини струму.

Із зростанням інтенсивності освітлення, як для зразків вирізаних паралельно (рис. 4, а), так і перпендикулярно до осі росту кристала (рис. 4, б), спостерігалося зменшення порогових величин напруженості електричного поля, що пов'язується із зростаючою фотоіонізацією домішкового рівня телуру. Зростання фотоструму дозволяє досягнути необхідного для розігріву зразка значення густини струму при менших електричних полях.

Виявлено суттєву різницю порогових значень напруженості електричного поля для зразків з різних груп. Порогові значення напруженості електричного поля у зразках, вирізаних паралельно до осі росту кристала, приймають набагато більші значення, ніж у зразках, вирізаних перпендикулярно до даної осі. Це пов'язується з існуванням внутрішніх електричних полів між шарами росту кристала.

Необхідно також зауважити, що зростання інтенсивності освітлення призводить до поступового наближення порогових значень напруженості поля в зразках першої групи до значень напруженості для зразків другої групи, що може бути пов'язано зі зміною (при освітленні) амплітуди (д) потенціального рельєфу, утвореного шаруватими періодичними неоднорідностями в напрямі росту кристала.

Відомо, що амплітуда потенціального рельєфу рівна:

, (1)

де ч - діелектрична проникність, n_екр і N_д - концентрації екрануючих носіїв заряду і заряджених дефектів відповідно.

З виразу (1) слідує, що при збільшенні концентрації екрануючих носіїв заряду n_екр, яке, в свою чергу, зумовлюється фотоіонізацією домішкового рівня телуру при освітленні, амплітуда потенціального рельєфу зменшуватиметься, що і спостерігається на досліді.

Теоретичний аналіз ефекту Холла, вимірюваного на границі одновимірного стрибка концентрації домішки, що розділяє дві повністю однорідні області (проведений авторами R. T. Bate, J. C. Bell, A. C. Beer), показав, що неоднорідність в розподілі домішки по об'єму кристала здатна забезпечувати досить суттєві зміни ефективних значень рухливості. Відповідно, при проведенні експериментальних досліджень ефекту Холла, на основі яких розраховано значення рухливості для зразків CdSb(Те), вирізаних паралельно і перпендикулярно до осі росту кристала, при різних інтенсивностях освітлення, нами виявлено різке зростання рухливості носіїв заряду при збільшенні інтенсивності освітлення у зразках саме I групи.

Розраховано залежності середньої транспортної довжини вільного пробігу носіїв заряду (л_с) від інтенсивності освітлення для зразків обох груп. На одержаних залежностях спостерігається зростання л_с в зразках першої групи при збільшенні інтенсивності освітлення, що підтверджує наявність в напрямі росту кристала тонкої структури потенціального рельєфу.

В четвертому розділі представлені результати дослідження впливу г - опромінення на явища переносу в монокристалах антимоніду кадмію. Зокрема, з приведених на рис. 5 залежностей концентрації носіїв заряду від дози опромінення в монокристалах антимоніду кадмію, легованих індієм, видно, що при кімнатній температурі зміни концентрації практично відсутні (рис. 5, а, залежність 1), проте при азотних температурах (рис. 5, а, залежність 2) концентрація носіїв заряду різко зменшується зі збільшенням дози опромінення, тобто відбувається видалення електронів з зони провідності, що спричиняється утворенням радіаційних дефектів з глибокими рівнями в забороненій зоні кристала. З аналізу температурних залежностей концентрації носіїв заряду n=f(10³/T) в опромінених кристалах CdSb(In) знайдено, що за видалення носіїв відповідає енергетичний рівень Е_с - 0,3 еВ.

Існує припущення, що будь-які порушення гратки (що виникають, наприклад, при - опроміненні), які зумовлюють появу точкових центрів протилежної зарядності (по відношенню до іонних залишків) в межах взаємодії кулонівських перерізів розсіяння розглядуваних центрів, можуть призводити до зростання рухливості. Правильність даного припущення експериментально доведена на кристалах кремнію (в роботі авторів Е. Н. Видалко, Г. П. Гайдар, В. А. Гирий). Тому природно у нас виникло бажання дослідити вплив дози - опромінення на рухливість носіїв заряду (=f(Ф)) в монокристалах антимоніду кадмію.

Експериментально виявлено наявність максимумів на залежностях =f(Ф) (рис. 5, б) при дозі Ф ~ 4?10¹⁸ кв/см². Для пояснення даного явища запропонована наступна модель, а саме: спостережуване збільшення рухливості носіїв заряду пов'язується з радіаційним введенням акцепторних (від'ємно заряджених) центрів “нейтралізації”, які генеруються поблизу додатньо заряджених іонів домішки (в даному випадку In), де ймовірність їх виникнення вища із-за мікроскопічних механічних напружень гратки поблизу домішкових центрів, в результаті чого і відбувається часткова нейтралізація іонів домішки, що й приводить в кінцевому рахунку до зниження розсіяння на частково нейтралізованих центрах.

Таке пояснення може мати місце у зв'язку з тим, що ймовірність появи радіаційних дефектів в механічно напружених областях кристала суттєво вища, ніж для ненапружених областей. Тому природно чекати, що при малих дозах опромінення введення дефектів відбувається переважно в локально напружених областях гратки, тобто поблизу атомів легуючої домішки.

При подальшому збільшенні дози опромінення (Ф > 4?10¹⁸ кв/см²) починає проявлятися розсіювання на радіаційних дефектах, яке не тільки обмежує ріст, але і зменшує значення рухливості (рис. 5, б).

Крім того, необхідно відмітити факт відносно незначних змін зі збільшенням дози опромінення при кімнатній температурі (рис. 5, б, крива 1) порівняно зі зміною при 77 К (рис. 5, б, крива 2). Така поведінка залежності =f(Ф) в даному випадку, на нашу думку, пояснюється тим, що при більш високих температурах радіаційні дефекти іонізовані та практично не створюють нейтралізаційного впливу на іони домішки. Для підтвердження даного припущення приведено температурні залежності рухливості носіїв заряду монокристалів CdSb(In) до та після - опромінення (рис. 6). Аналіз даних залежностей показав, що при температурах, близьких до кімнатної, значення в опромінених кристалах практично близькі до значень рухливості в неопромінених кристалах.

Проведено дослідження впливу г - опромінення на ефект п'єзоопору для мононокристалів антимоніду кадмію. З температурних залежностей коефіцієнта п'єзоопору р (рис. 7) для кристалів CdSb(Te) до (крива 1) та після г - опромінення (крива 2) видно, що для неопромінених кристалів в області вищих температур значення р мале, практично стале і має позитивний знак. Проте ситуація різко змінюється, коли при Т < 250 К починається деіонізація глибокого рівня, який належить атомам телуру. Коефіцієнт п'єзоопору змінює свій знак (набуваючи при цьому порівняно більші абсолютні значення), проходить через максимум та ще раз змінює знак при температурах близьких до 77 К.

Після г - опромінення інтервал зміни знаку р зміщується в область більш високих температур (рис. 7, крива 2), а його абсолютна величина значно зменшується порівняно з неопроміненими кристалами. Зсув точки зміни знаку р в область більш високих температур зумовлений тим, що більш глибокий рівень, який виникає після г - опромінення, починає деіонізуватися при вищих температурах. антимонід кадмій монокристал опромінення

Одержаний хід залежностей коефіцієнта п'єзоопору пояснюється одночасною дією двох причин, що відповідають за наявність п'єзоопору у таких кристалах: міждолинними переходами та впливом глибокого рівня на концентрацію носіїв заряду в зоні провідності.

Зважаючи на те, що при температурах деіонізації глибокого рівня основний внесок у п'єзоопір кристалів CdSb(Те) залишається лише за другою причиною (судячи з його величини), то для визначення глибини залягання енергетичних рівнів в забороненій зоні досліджуваних кристалів запропонована методика, згідно якої залежність коефіцієнта п'єзоопору від температури можна представити у вигляді:

. (2)

Провівши відповідні перетворення одержано вираз для знаходження глибини залягання енергетичних рівнів у забороненій зоні напівпровідника:

. (3)

За результатами температурних залежностей (рис. 7), зокрема враховуючи, що для неопромінених кристалів CdSb(Те) при температурі T₁ = 162 K коефіцієнт п'єзоопору р₁ = -111·10^-12 см²/дин, а при T₂ = 200 K р₂ = -33·10^-12 см²/дин, згідно виразу (3), визначено глибину залягання енергетичного рівня домішки атомів телуру в забороненій зоні монокристалів CdSb, що складає Е_с - (0,12±0,01) еВ. Відповідно для г - опромінених кристалів CdSb(Те), враховуючи, що при температурі T₁ = 214 K коефіцієнт п'єзоопору р₁ = -58·10^-12 см²/дин, а при T₂ = 283 K р₂ = -12·10^-12 см²/дин, згідно виразу (3), визначено глибину залягання енергетичного рівня радіаційних дефектів в забороненій зоні монокристалів CdSb, що складає Е_с - (0,16±0,01) еВ.

Для цих же кристалів проведені дослідження ефекту Холла, за результатами яких побудовано температурні залежності концентрації носіїв заряду та на основі аналізу яких також підтверджено наявність в забороненій зоні монокристалів CdSb(Те) енергетичних рівнів Е_с - 0,12 еВ і Е_с - 0,16 еВ, що свідчить про добру кореляцію обох методик.

Необхідно зазначити, що для кращої апробації запропонованої вище методики аналогічні дослідження ефекту п'єзоопору проводились також для монокристалів n-Ge, легованих золотом. За результатами проведених досліджень, згідно виразу (3), знайдено глибину залягання в забороненій зоні кристалів n-Ge енергетичного рівня Е_с - (0,2±0,01) еВ, значення якого також добре корелює з даними, визначеними за методом Холла.

При дослідженні зонної структури напівпровідників з глибокими рівнями цікавим є визначення положення рівня Фермі залежно від температури, що дає корисну інформацію про розподіл носіїв заряду в енергетичних зонах. В нашій роботі досліджено залежності рівня Фермі для інтервалу температур 77 - 300 К в монокристалах CdSb з глибокими енергетичними рівнями Е_с - 0,12 еВ, Е_с - 0,16 еВ та Е_с - 0,3 еВ, що виникають, відповідно: в першому випадку - внаслідок легування телуром, в другому - внаслідок г - опромінення дозою Ф ~ 10¹⁸ кв/см² кристалів, легованих телуром, та в третьому - внаслідок г - опромінення дозою Ф ~ 4?10¹⁸ кв/см² кристалів, легованих індієм. Одержаний хід залежностей рівня Фермі для досліджуваних кристалів, а саме їх опускання з підвищенням температури, пояснюється тим, що концентрація носіїв заряду в зоні провідності збільшується, а на глибоких рівнях зменшується, тобто вони виснажуються. Отримані результати мають практичне значення, зокрема для розрахунків різних величин, у виразах для яких використовуються значення рівня Фермі.

Основні результати та висновки

1. За допомогою оптичної топографії та двохзондового компенсаційного методу виявлено у монокристалах CdSb наявність декількох типів шарів неоднорідностей вздовж осі росту, що характеризуються різними періодами в розподілі домішок Te та In і формуються такими в процесі вирощування.

2. Встановлено, що при освітленні монокристалів CdSb(Te) відбувається поступове наближення порогових значень напруженості електричного поля перемикання з високоомного стану в низькоомний у зразках, вирізаних паралельно осі росту кристала, до значень у зразках радіального напрямку, що пов'язується з впливом ШПН та зміною амплітуди потенціального рельєфу.

3. Вперше показано, що при збільшенні інтенсивності освітлення у зразках CdSb(Te), вирізаних вздовж осі росту кристала, спостерігається різке зростання рухливості та середньої транспортної довжини вільного пробігу носіїв заряду, що підтверджує наявність в даному напрямі тонкої структури потенціального рельєфу.

4. Виявлено при опроміненні монокристалів CdSb(In) дозою Ф~4?10¹⁸ кв/см² наявність максимумів на залежностях рухливості носіїв заряду від дози г - опромінення (=f(Ф)). Встановлено утворення радіаційних дефектів з глибоким рівнем Е_с - 0,3 еВ та запропоновано модель для пояснення даного явища.

5. Досліджено температурні залежності коефіцієнтів п'єзоопору для монокристалів CdSb(Те) до та після г - опромінення. Вперше запропоновано принципово нову методику для визначення глибини залягання енергетичних рівнів у забороненій зоні напівпровідників, яка ґрунтується лише на даних п'єзоопору. Одержано значення глибини залягання енергетичних рівнів в забороненій зоні монокристалів CdSb(Те): до - Е_с - 0,12 еВ і Е_с - 0,16 еВ - після г - опромінення. Ці дані добре узгоджуються з результатами, отриманими на основі вимірювань ефекту Холла.

6. Досліджено та описано характер зміни температурних залежностей рівня Фермі E_f(Т) для монокристалів CdSb при наявності в забороненій зоні глибоких енергетичних рівнів Е_с - 0,12 еВ, Е_с - 0,16 еВ та Е_с - 0,3 еВ. Виявлено, що з підвищенням температури, за рахунок того, що концентрація носіїв заряду в зоні провідності збільшується, а на глибоких рівнях зменшується, рівень Фермі віддаляється від зони провідності.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Fedosov A. V. Investigation of intensity lighting influence on kinetic effects in cadmium antimony monocrystals / A. V. Fedosov, Y. V. Koval, L. V. Jashchinskij // Photoelectronics. - 2006. - №15. - P. 24-26.

Особистий внесок здобувача: підготовка зразків до вимірювання, проведення досліджень впливу освітлення на кінетичні ефекти, розрахунок середньої транспортної довжини вільного пробіку носіїв заряду, участь в обговоренні результатів.

2. Koval Yu. V. Influence of г-irradiation on kinetic effects in indium-alloyed cadmium antimonide single crystals / Yu. V. Koval // Functional Materials. - 2006. - Vol. 13, № 3. - P. 397-399.

Особистий внесок здобувача: підготовка зразків, проведення експериментальних вимірювань електричних параметрів вихідних та опромінених зразків, виконання розрахунків відповідних кінетичних коефіцієнтів, підготовка статті до друку.

3. Коваль Ю. Ефект перемикання в кристалах CdSb, легованих Te / Юрій Коваль, Леонід Ящинський, Сергій Федосов // Вісн. Львів. ун-ту. Сер. фізична. - 2006. - № 39. - С. 268-272.

Особистий внесок здобувача: зняття ВАХ, проведення розрахунків залежностей густини струму від напруженості електричного поля, участь в обговоренні результатів.

4. Вплив шарів росту на електричні ефекти в монокристалах антимоніду кадмію, легованих телуром / А. В. Федосов, Ю. В. Коваль, Л. В. Ящинський, С. А. Федосов, А. М. Йонік // Наук. вісн. Чернівец. ун-ту. Фізика. Електроніка. - 2005. - № 237. - С. 60-62.

Особистий внесок здобувача: підготовка зразків до вимірювання, участь у проведенні експериментальних вимірювань, відповідних теоретичних розрахунків та обговоренні результатів.

5. Визначення глибини залягання енергетичних рівнів в забороненій зоні напівпровідників на основі досліджень ефекту п'єзоопору / А. В. Федосов, Ю. В. Коваль, Л. В. Ящинський, С. А. Федосов // Наук. вісн. Волин. держ. ун-ту ім. Лесі Українки. Фіз. науки. - 2007. - № 6. - С. 37-40.

Особистий внесок здобувача: проведення експериментальних вимірювань п'єзоопору, участь в розробці методики визначення глибини залягання енергетичних рівнів за даними п'єзоопору, проведення теоретичних розрахунків з визначення глибини залягання енергетичних рівнів в забороненій зоні досліджуваних кристалів.

6. Дослідження глибоких енергетичних рівнів у монокристалах антимоніду кадмію, легованих телуром, до і після - опромінення / А. В. Федосов, Ю. В. Коваль, С. А. Федосов, Л. В. Ящинський, Д. А. Захарчук // Наук. вісн. Волин. держ. ун-ту ім. Лесі Українки. Фіз. науки. - 2007. - № 16. - С. 45-47.

Особистий внесок здобувача: проведення експериментальних вимірювань ефекту Холла та п'єзоопору вихідних і опромінених зразків, виконання розрахунків глибини залягання енергетичних рівнів.

7. Дослідження кінетичних ефектів в монокристалах антимоніду кадмію при різних фізико-активних впливах / А. В. Федосов, Ю. В. Коваль, Л. В. Ящинський, С. А. Федосов, Д. А. Захарчук // Нові технології. - 2008. - № 2 (20). - С. 158-163.

Особистий внесок здобувача: підготовка зразків до вимірювання, участь у дослідженні фізичних параметрів та обговоренні результатів.

8. Дослідження неоднорідностей в монокристалах CdSb, легованих Te та In / А. В. Федосов, О. В. Ковальчук, Ю. В. Коваль, Л. В. Ящинський // Наукові нотатки ЛДТУ. - Луцьк, 2002. - № 11. - С. 98-104.

Особистий внесок здобувача: підготовка зразків, проведення експериментальних вимірювань розподілу питомого опору по довжині зразків, участь в обговоренні результатів.

9. Вплив неоднорідностей в розподілі легуючої домішки Te на фізичні властивості монокристалів CdSb / А. В. Федосов, Ю. В. Коваль, Л. В. Ящинський, С. А. Федосов // Наукові нотатки : міжвуз. зб. - Луцьк : РВВ Луцького нац. техн. ун-ту. - 2009. - № 25. - С. 392-394.

Особистий внесок здобувача: підготовка зразків до вимірювання, участь у дослідженні фізичних параметрів, проведенні відповідних теоретичних розрахунків та обговоренні результатів.

10. Коваль Ю. Вплив легуючої домішки телуру на ефект перемикання в кристалах CdSb / Юрій Коваль, Леонід Ящинський, Сергій Федосов // Міжнар. конф. молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики Еврика-2004, 19-21 трав., м. Львів, Україна : зб. тез. - Л. : Львів. нац. ун-т ім. І. Франка, 2004. - С. 70-71.

11. Вплив шарів росту на ВАХ монокристалів CdSb з домішкою Te / А. В. Федосов, Л. В. Ящинський, Ю. В. Коваль, С. А. Федосов, А.М. Йонік // 2-га Українська наукова конференція з фізики напівпровідників УНКФН-2 (з міжнародною участю), 20-24 верес. 2004 р., Чернівці - Вижниця, Україна : тези доп. - Чернівці : Рута, 2004. - Т. 2. - С. 278-279.

12. Радіаційно стимульоване підвищення рухливості носіїв струму в монокристалах антимоніду кадмію, легованих індієм / Ю. В. Коваль, Д. А. Захарчук, М. В. Хвищун, С. А. Федосов // Радіофізика та НВЧ електроніка : 4-та Харківська конф. молодих науковців, 15-17 груд. 2004 р., м. Харків, Україна : програма конференції та збірник анотацій. - Х. : Ін-т радіофізики та електроніки ім. Усикова НАН України, 2004. - С. 71-72.

13. Коваль Ю. В. Про ефект “малих доз” в г-опромінених монокристалах антимоніду кадмію, легованих індієм / Коваль Ю. В. // Конф. молодих вчених та аспірантів ІЕФ-2005, 18-20 трав. 2005 р., м. Ужгород, Україна : тези доп. - Ужгород, 2005. - C. 82-83.

14. The characterristics of the dependences of mobility and concentration of charge carrier of the monocrystals CdSb(In) after the г-irradiation / A. V. Fedosov, Y. V. Koval, L. V. Jashchinskij, O. V. Kovalchuk // RNAOPM'2005 : materials of 2-nd International Workshop. - Lutsk : Volyn University Press “Veza”, 2005. - P. 52 - 54.

15. Подвижность носителей заряда в -облученных монокристаллах антимонида кадмия, легированных индием / А. В. Федосов, Ю. В. Коваль, Л. В. Ящинский, В. И. Хиврыч, С. А. Федосов // Радиационная физика твердого тела : труды XV Междунар. совещания, 4-9 июля 2005 г., г. Севастополь, Украина / Ред. проф. Бондаренко Г.Г. - М. : НИИ ПМТ МГИЄМ (ТУ), 2005. - С. 108-112.

16. Дослідження впливу інтенсивності освітлення на кінетичні ефекти в монокристалах антимоніду кадмію / А. В. Федосов, Ю. В. Коваль, Л. В. Ящинський, Д. А. Захарчук, С. А. Федосов // Фізика в Україні : Всеукр. з'їзд, 3-6 жовт. 2005 р., м. Одеса, Україна : тези доп. - О. : Астропринт, 2005. - С. 185.

17. Температурная зависимость уровня Ферми в монокристаллах антимонида кадмия при наличии глубокого энергетического уровня E_C-0,3 эВ / А. В. Федосов, Ю. В. Коваль, Д. А. Захарчук, Л. В. Ящинський, С. А. Федосов // Радиационная физика твердого тела : труды XVI Междунар. совещания, 3-8 июля 2006 г., г. Севастополь, Украина / Ред. заслуженного деятеля науки РФ, д.ф.-м.н., проф. Бондаренко Г. Г. - М. : ГНУ “НИИ ПМТ”, 2006. - С. 183-185.

18. Дослідження ефекту п'єзоопору в багатодолинних напівпровідниках з глибокими енергетичними рівнями / Ю. В. Коваль, С. А. Федосов, Д. А. Захарчук, М. В. Хвищун, С. В. Луньов // Конф. молодих вчених та аспірантів ІЕФ-2007, 14-19 трав. 2007 р., м. Ужгород, Україна : тези доп. - Ужгород, 2007. - C. 137.

19. Визначення глибини залягання енергетичних рівнів в забороненій зоні напівпровідників за даними п'єзоопору / А. В. Федосов, Ю. В. Коваль, Л. В. Ящинський, С. А. Федосов // III Українська наукова конференція з фізики напівпровідників УНКФН-3, 17-22 черв. 2007 р., м. Одеса, Україна : тези доп. - О. : Астропринт, 2007. - С. 209.

20. Пьезосопротивление в монокристаллах антимонида кадмия, легированных теллуром, до и после -облучения / А. В. Федосов, Ю. В. Коваль, С. А. Федосов, Л. В. Ящинский, Д. А. Захарчук // Радиационная физика твердого тела : труды XVII Междунар. совещания, 9-14 июля 2007 г., г. Севастополь, Украина / Ред. заслуженного деятеля науки РФ, д.ф.-м.н., проф. Бондаренко Г. Г. - М. : ГНУ “НИИ ПМТ”, 2007. - С. 228-231.

21. Дослідження кінетичних ефектів в монокристалах антимоніду кадмію при різних фізико-активних впливах / А. В. Федосов, Ю. В. Коваль, Л. В. Ящинський, С. А. Федосов, Д. А. Захарчук // Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології МЕТІТ-3 : III Міжнар. наук.-практ. конф., 21-23 трав. 2008 р., м. Кременчук, Україна : тези доп. - Кременчук : Кременчуцький ун-т економіки, інформаційних технологій і управління, 2008. - С. 94-95.

22. Influence of Illumination on Anisotropy of Properties in Monocrystals CdSb(Te) / A. V. Fedosov, Y. V. Koval, L. V. Jashchinskij, S. A. Fedosov // RNAOPM'2008 : materials of 4-th International Workshop. - Lutsk : Volyn University Press “Veza”, 2008. - P. 76-79.

23. Температурні залежності положення рівня Фермі в легованих монокристалах антимоніду кадмію / А. В. Федосов, Ю. В. Коваль, Л. В. Ящинський, Д. А. Захарчук // Актуальні проблеми та перспективи науки та виробництва : тези ХХIIІ-ї наук.-техн. конф. - Луцьк : Навч.-наук. відділ ЛНТУ, 2008. - С. 214-216.

24. Федосов А. В. Дослідження неоднорідностей в монокристалах антимоніду кадмію / А. В. Федосов, Л. В. Ящинський, Ю. В. Коваль // Актуальні проблеми та перспективи науки та виробництва : тези ХХІV-ї наук.-техн. конф. - Луцьк : Навч.-наук. відділ ЛНТУ, 2009. - С. 211-212.

25. Вплив освітлення на явища переносу в монокристалах антимоніду кадмію / А. В. Федосов, Ю. В. Коваль, Л. В. Ящинський, С. А. Федосов // IV Українська наукова конференція з фізики напівпровідників УНКФН-4, 15-19 верес. 2009 р., м. Запоріжжя, Україна : тези доп. - Запоріжжя : Класичн. приватн. ун-т, 2009. - Т. 1. - С. 87-88.

Анотація

Коваль Ю.В. Фізико - активні впливи на явища переносу в монокристалах антимоніду кадмію. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків. Волинський національний університет імені Лесі Українки, Луцьк, 2010.

Дисертація присвячена з'ясуванню закономірностей впливу дефектів технологічного та радіаційного походження на явища переносу в монокристалах антимоніду кадмію при різних фізико - активних впливах і наявності неоднорідного розподілу легуючої домішки в об'ємі напівпровідника.

Виявлено наявність неоднорідностей в розподілі домішок Te та In в монокристалах CdSb. Встановлено вплив шаруватих періодичних неоднорідностей (ШПН) на ефект перемикання з високоомного в низькоомний стан в монокристалах CdSb(Te). Виявлено, що із-за впливу ШПН при збільшенні інтенсивності освітлення у зразках CdSb(Te), вирізаних вздовж осі росту кристала, відбувається різке зростання рухливості та середньої транспортної довжини вільного пробігу носіїв заряду.

Досліджено вплив опромінення на явища переносу в монокристалах антимоніду кадмію. Встановлено, що при г - опроміненні монокристалів CdSb(In) спостерігаються максимуми на залежностях рухливості носіїв заряду від дози опромінення та запропоновано модель, яка пояснює дане явище.

Запропоновано принципово нову методику для визначення глибини залягання енергетичних рівнів у забороненій зоні напівпровідників, що ґрунтується лише на використанні даних п'єзоопору.

Ключові слова: антимонід кадмію, явища переносу, шаруваті періодичні неоднорідності, опромінення, п'єзоопір.

Аннотация

Коваль Ю.В. Физико - активные влияния на явления переноса в монокристаллах антимонида кадмия. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков. Волынский национальный университет имени Леси Украинки, Луцк, 2010.

Диссертация посвящена выяснению закономерностей влияния дефектов технологического и радиационного происхождения на явления переноса в монокристаллах антимонида кадмия при разных физико - активных влияниях и наличии неоднородного распределения легирующей примеси в объеме полупроводника.

Методом оптической топографии и двухзондовым компенсационным методом показано наличие неоднородностей в распределении примесей Te и In в монокристаллах CdSb. Выявлено слоистую структуру исследованных кристаллов с несколькими типами шаров, что характеризуются разными периодами.

Показано, что относительные отклонения удельного сопротивления от среднего значения _c в образцах, вырезанных вдоль оси роста кристалла, больше чем в образцах, вырезанных перпендикулярно к данной оси. Это объясняется наличием градиентов концентрации носителей заряда n в направлении роста кристалла.

Экспериментально подтверждено, что наличие градиентов концентрации, обусловленных слоистыми периодическими неоднородностями (СПН) в направлении роста кристалла, может приводить к появлению внутренних электрических полей между слоями роста.

Исследовано влияние СПН на эффект переключения с высокоомного в низкоомное состояние в монокристаллах CdSb(Te). Установлено, что при освещении наблюдается постепенное приближение пороговых значений напряженности электрического поля переключения с высокоомного в низкоомное состояние в образцах, вырезанных вдоль оси роста, к значениям в образцах радиального направления, что связывается с изменением (при освещении) амплитуды потенциального рельефа, создаваемого наличием СПН в направлении роста кристалла.

Выявлено резкое увеличение подвижности и средней транспортной длины свободного пробега носителей заряда при увеличении интенсивности освещения в образцах вырезанных вдоль оси роста кристалла, что подтверждает наличие в направлении роста кристалла тонкой структуры потенциального рельефа.

Установлено, что при г - облучении монокристаллов CdSb(In) дозой Ф~4?10¹⁸ кв/см² функция =f(Ф) проходит через максимум, что обусловлено образованием радиационных дефектов с глубоким уровнем Е_с - 0,3 эВ в запрещенной зоне кристалла. Предложена модель, объясняющая это явление.

Исследовано температурные зависимости коэффициентов пьезосопротивления в монокристаллах CdSb(Те) до и после г - облучения. Предложена принципиально новая методика для определения глубины залегания энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводников по данным пьезосопротивления, на основании которой для кристаллов CdSb(Те) до и после г - облучения определено глубину залегания энергетических уровней, которая составляет Е_с - (0,12±0,01) эВ и Е_с - (0,16±0,01) эВ соответственно. Показано, что эти значения хорошо согласуются с результатами, полученными на основании измерений эффекта Холла.

Рассчитано температурные зависимости уровня Ферми E_f(Т) для монокристаллов CdSb при наличии в запрещенной зоне глубоких энергетических уровней Е_с - 0,12 эВ, Е_с - 0,16 эВ и Е_с - 0,3 эВ. Выявлено, что с повышением температуры, уровень Ферми для исследованных кристаллов отдаляется от зоны проводимости к средине запрещенной зоны, что связывается с увеличением концентрации носителей заряда в зоне проводимости при истощении глубоких уровней.

Ключевые слова: антимонид кадмия, явления переноса, слоистые периодические неоднородности, облучение, пьезосопротивление.

Abstract

Koval Yu.V. “Physico - active influence on the transport phenomena in single crystals of cadmium antimonid”. Manuscript.

Theses for a scientific degree of Candidate of Physics and Mathematics on speciality 01.04.10 - Physics of semiconductors and dielectrics. Lesya Ukrainka Volyn National University, Lutsk, 2010.

Dissertation deals with investigation of the influence of defects of technological and radiation origin on phenomenon of cadmium antimonid transport at various physico - active effects and at presence of inhomogeneous distribution of doping impurity in semiconductor volume.

Presence of inhomogenities in impurities Te and In distribution CdSb single crystals was elicited. Influence of layered periodical inhomogenities (LPI) on the effect of change-over from high ohmic to low ohmic state in CdSb(Te) single crystals was determined. It was fixed that sharp increase of mobility and growth of average transport length of charge carriers free path takes place in CdSb(Te) samples cut along the axis of the crystal growth owing to the influence of LPI at light intensity increase.

Influence of irradiation on the transport phenomenon in cadmium antimonid single crystals was investigated. Maxima at carriers mobility dependences on the irradiation doze were fixed at г - irradiation of CdSb(In) single crystals. A model explaining this phenomenon is offered.

New methods of determination of the depth of energy levels bedding in the forbidden zone, based only on the use of piezoresistance date is offered.

Key words: cadmium antimonid, transport phenomena, layered periodical inhomogenities, irradiation, piezoresistance.

Размещено на Allbest.ru

...