Вплив зовнішніх факторів на електрофізичні властивості приповерхневого шару базисних граней кристалів CdS

Размещено на http://www.allbest.ru/

Львівський національний університет

імені Івана Франка

ЦИБУЛЯК Богдан Зіновійович

УДК 621.315.592; 537.226.82; 538.971

ВПЛИВ ЗОВНІШНІХ ФАКТОРІВ НА ЕЛЕКТРОФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПРИПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ БАЗИСНИХ ГРАНЕЙ КРИСТАЛІВ CdS

01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Львів - 2006

ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Робота виконана на кафедрі електроніки Львівського національного університету імені Івана Франка Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук, професор

Павлик Богдан Васильович

Львівський національний університет імені Івана Франка,

завідувач кафедри електроніки факультету електроніки.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор

Давидюк Георгій Євлампійович

Волинський державний університет імені Лесі Українки (м.Луцьк),

завідувач кафедри фізики твердого тіла фізичного факультету;

доктор фізико-математичних наук, професор

Шпотюк Олег Йосипович

Науково-виробниче підприємство “Карат” (м.Львів),

заступник генерального директора по науковій роботі.

Провідна установа: Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є.Лашкарьова НАН України (м.Київ).

Захист відбудеться 8 листопада 2006 р. о 15³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.051.09 при Львівському національному університеті імені Івана Франка Міністерства освіти і науки України за адресою: 79005, м. Львів, вул. Кирила і Мефодія, 8, велика фізична аудиторія, фізичний факультет.

З дисертацією можна ознайомитись у Науковій бібліотеці Львівського національного університету імені Івана Франка за адресою: 79005, м.Львів, вул. Драгоманова, 5.

Автореферат розісланий 26 вересня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 35.051.09

доктор фіз.-мат. наук, професор Б.В. Павлик

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Кристали CdS володіють низкою унікальних властивостей (високі фоточутливість та ймовірність випромінювальної рекомбінації), завдяки яким їх відносять до низки перспективних напівпровідникових матеріалів для сучасної мікро-, нано- та оптоелектроніки. Крім того, суттєвою перевагою цих кристалів є відносна дешевизна технології їхнього синтезу та широка розповсюдженість вихідних елементів у природі. Однак, як і для інших напівпровідникових матеріалів, кристалам CdS характерні процеси природнього старіння і вимушеної деградації властивостей під дією дестабілізуючих факторів (в полях радіації, градієнтів температури, деформації), що є однією з актуальних проблем сучасної твердотільної електроніки. Стабільність характеристик структури на основі напівпровідника визначається як властивостями складових (контактна система, діелектрична композиція і сам напівпровідниковий кристал), так і процесами на межі їх поділу. Особливістю кристалів сульфіду кадмію є наявність в них значної концентрації метастабільних дефектів, перебудова яких може суттєво змінювати характеристики як об'єму, так і приповерхневого шару напівпровідника.

У науковій літературі достатньо багато уваги приділено дослідженню процесів деградації в об'ємі напівпровідникових структур. Проте механізми перебудови дефектів у приповерхневому шарі CdS досі залишаються не повністю з'ясованими.

Отже, актуальність теми дисертації окреслена практичною потребою напівпровідникової електроніки в пристроях на основі кристалів CdS, які б протягом усього часу експлуатації володіли стабільними та відтворюваними характеристиками. Саме тому встановлення механізмів перебудови дефектів (ПД) у приповерхневому шарі кристалів під дією зовнішніх факторів є своєчасною проблемою прикладної фізики.

Комплексне використання сучасних експериментальних методик для дослідження властивостей поверхні та об'єму кристалів, структури межі поділу дає змогу виявити нові оригінальні ефекти, пов'язані з процесами еволюції дефектної структури напівпровідника і врахувати їх при розробленні та експлуатації приладів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати, подані в дисертації, отримано при виконанні держбюджетних тем: Фк-071Б №0194U035194 “Радіаційно-стимульовані процеси в діодних структурах на основі кристалів CdS та ZnS”; Фк-550Б №0193U041621 “Деградація напівпровідникових матеріалів оптоелектронних приладів під дією іонізуючого випромінювання”; Фк-740Б №0197U017014 “Радіаційно-стимульована модифікація фізичних параметрів напівпровідникових сполук типу А²В⁶ та кристалів галогенідів цезію”; Фк-30Б №0100U001440 “Процеси еволюції дефектної структури обєму та приповерхневого шару кристалів типу А₂В₆, стимульовані дією зовнішніх факторів”; Фл-137Б №0103U001899 “Розробка фізичних принципів керування процесами радіаційно-індукованої перебудови дефектної структури в широкозонних кристалах”. Автор дисертаційної роботи брав участь у всіх вищевказаних роботах як виконавець.

Метою роботи є встановлення закономірностей зміни електрофізичних властивостей дефектної структури приповерхневого шару базисних граней кристалів CdS під впливом зовнішніх факторів.

Для досягнення мети в роботі вирішували такі задачі:

встановлення закономірностей ефекту аномальної емісії електронів з базисних граней кристалів CdS при їхньому охолодженні;

вивчення впливу термічного відпалу, оточуючої атмосфери, електричного поля та дії опромінення на закономірності емісії електронів з грані (000І) кристалів CdS;

дослідження процесів часової деградації ефектів аномальної низькотемпературної емісії електронів та поверхневої електропровідності;

встановлення електрофізичних параметрів поверхнево-бар'єрних структур, отриманих на грані (000І) монокристалів CdS, та їхньої радіаційно-стимульованої зміни;

дослідження впливу рентгенівського опромінення на ПД приповерхневого шару кристалів CdS.

Об'єкт дослідження - аномальні низькотемпературні ефекти на базисних гранях напівпровідникових монокристалів CdS.

Предмет дослідження - зміна електрофізичних властивостей приповерхневого шару кристалів CdS та поверхнево-бар'єрних структур на їх основі під дією зовнішніх факторів.

Методи дослідження:

емісійна електронна спектроскопія базисних граней кристалів CdS у вакуумі для вивчення вплив зовнішніх факторів (швидкість охолодження, термічний відпал, зовнішнє електричне поле, дія електромагнітного іонізуючого випромінювання) на закономірності зміни емісійних характеристик досліджуваних зразків;

модуляційна ємнісна спектроскопія (МЄС) і вимірювання вольт-амперних (ВАХ), вольт-фарадних характеристик (ВФХ) поверхнево-бар'єрних діодів (ПБД) Au-CdS для дослідження енергетичного спектру і параметрів глибоких рівнів (ГР) у забороненій зоні напівпровідникових монокристалів, визначення густини поверхневих станів (ПС) на межі поділу діелектричний шар - напівпровідник, а також інших характеристик приповерхневого шару напівпровідника;

визначення основних параметрів (рухливість, провідність, концентраця носіїв заряду) монокристалів CdS та їхні зміни при різних дозах опромінення і часовій релаксації за допомогою електрофізичних методик;

оптичні дослідження для визначення впливу рентгенівського опромінення на спектри пропускання кристалів CdS.

Наукова новизна одержаних результатів:

вперше виявлено закономірності низькотемпературної електронної емісії грані (000І) кристалів CdS з різними електрофізичними характеристиками;

встановлено вплив зовнішних факторів на ефект аномальної низькотемпературної емісії з Cd-грані монокристалів CdS;

зареєстровано кореляцію властивостей приповерхневого шару грані (000І) та об'ємних властивостей кристалів CdS;

вперше встановлено, що природа явища електронної емісії, стимульованої охолодженням, з поверхні Cd-грані, зумовлена перебудовою дефектної структури кристалів CdS;

запропоновано механізм ПД приповерхневого шару монокристалів CdS при їхньому охолодженні, що відповідає за аномальні низькотемпературні ефекти Cd-грані.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані результати з дослідження впливу зовнішніх факторів на електрофізичні властивості приповерхневого шару базисних граней кристалів CdS розширюють і поглиблюють наявні уявлення про природу таких явищ, як аномальна температурна залежність провідності (АТЗП) та емісія електронів з грані (000І) кристалів при їхньому охолодженні. Запропонований механізм перебудови метастабільних дефектів за участю атомів міжвузлового кадмію, високою концентрацією якого характеризуються монокристали CdS, спонукатиме до розроблення технологій, використання яких дасть змогу підвищити стабільність і відтворюваність параметрів пристроїв на основі цих кристалів та прогнозувати їхню можливу часову деградацію.

Результати науково-дослідної роботи можуть бути використані в мікро- та оптоелектроніці для створення нових та поліпшення вже існуючих пристроїв, стійких до дії зовнішніх факторів та часової деградації.

Особистий внесок здобувача. Результати, що представлені та опубліковані у співавторстві, отримані при безпосередній участі автора на всіх етапах роботи.

У роботах, які були написані у співавторстві, внесок здобувача полягав у такому: [1, 2] - виготовлення поверхнево-бар'єрних діодів Au-CdS-In, дослідження їхніх електрофізичних параметрів, розрахунок густини ПС та визначення глибини залягання ГР у забороненій зоні напівпровідника, встановлення зміни перелічених характеристик під дією рентгенівського опромінення; [3] - виготовлення експериментальних зразків, дослідження залежності зміни інтенсивності емісії електронів з базисних граней CdS при їхньому охолодженні від провідності кристалічних зразків, встановлення кореляції між ефектами емісії електронів та аномальної температурної залежності провідності при охолодженні кристалів CdS; [4, 8] - виявлення зовнішніх факторів, які впливають на аномальні низькотемпературні ефекти приповерхневого шару грані (000І) кристалів CdS, встановлення часової деградації аномальних низькотемпературних ефектів, висунення ідеї про механізми перебудови дефектів приповерхневого шару грані (000І) при охолодженні кристалів CdS; [5] - виготовлення експериментальних зразків; дослідження радіаційно-індукованої зміни електрофізичних параметрів кристалів CdS та порівняння отриманих результатів із відповідними характеристиками поверхнево-бар'єрних структур на їх основі; [6, 9] - виготовлення експериментальних зразків, формування бази даних холлівських параметрів низькоомних кристалів CdS при різних дозах рентгенівського опромінення та часі релаксації. Дисертант брав участь у написанні статей.

Апробація результатів дисертації. Про основні результати і положення дисертаційної роботи доповідали і обговорювали на: Міжнародній школі-конференції “Передові дисплейні технології” (Львів, 1994); 1-й Міжнародній конференції “Матеріалознавство алмазоподібних і халькогенідних напівпровідників” (Чернівці, 1994); Міжнародній науковій конференції, присвяченій 150-річчю від дня народження видатного українського фізика і електротехніка Івана Пулюя (Львів, 1995); 15 General Conference of the Condenced Matter Division (Baveno-Stresa, Italy, 1996); International Conference on Extended Defects in Semiconductors, (Jaszowie, Poland, 1998); VI Міжнародному семінарі з фізики і хімії твердого тіла ISPCS”2000 (Львів, 2000); E-MRS Spring Meeting 2001 (Strasbourg, France, 2001); 9th International Conference on Defects - Recognition, Imaging and Physics in Semiconductors (Rimini, Italy, 2001); IX Autumn Meeting “Gettering and defect engineering in semiconductor technology” (Catania, Italy, 2001); ІІІ Міжнародній школі-конференції “Сучасні проблеми фізики напівпровідників” (Дрогобич, Україна, 2001); 1-й Українській науковій конференції з фізики напівпровідників УНКФНП-1 (Одеса, 2002); VIII Міжнародному семінарі з фізики та хімії твердого тіла (Львів, 2002); IX International seminar on Physics and Chemistry of Solids (Czкstochowa, Poland, 2003); ІІ-й Українській науковій конференції з фізики напівпровідників (за участю зарубіжних науковців) УНКФН-2 (Чернівці-Вижниця, 2004); X Міжнародному семінарі з фізики та хімії твердого тіла (Львів, 2004); Міжнародній конференції студентів і молодих вчених з теоретичної й експериментальної фізики ЕВРИКА-2005 (Львів, 2005); V Міжнародній школі-конференції “Актуальні проблеми фізики напівпровідників” (Дрогобич, 2005); XI^th International seminar on Physics and Chemistry of Solids ISPCS'05 (Zloty Potok/Czкstochowa, Poland, 2005), а також щорічних наукових конференціях викладачів та співробітників Львівського національного університету імені Івана Франка у 1994-2005 роках.

Публікації. Результати дисертаційної роботи висвітлено у 8 публікаціях у провідних міжнародних та вітчизняних наукових журналах [1-8], у 1 роботі, депонованій у ДНТБ України [9], в 20 збірниках тез доповідей на українських та міжнародних конференціях і семінарах [10-29].

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків і списку використаних джерел. Робота містить 49 рисунків, 3 таблиці та список використаних джерел літератури із 159 назв.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі проведених досліджень, описано методи, об'єкт та предмет досліджень, визначено наукову новизну отриманих результатів та їхнє практичне значення, наведені дані щодо апробації.

У першому розділі на основі аналітичного огляду літератури розглянуто особливості дефектної структури CdS та ПД їхньої кристалічної ґратки при збудженні електронної підсистеми.

Кристали CdS характеризуються наявністю у них метастабільних дефектів, які можуть утворюватися як в процесі синтезу та оброблення монокристалічних зразків, так і під дією зовнішніх факторів на поверхню кристалів. Еволюція таких дефектів спричиняє зміни властивостей і характеристик пристроїв, виготовлених на основі CdS. Тому на сьогоднішній день залишається низка суперечностей та нерозв'язаних проблем:

неоднозначні інтерпретації особливостей адсорбції газів поверхнею кристала та зумовлених цим процесів ПД поверхневого шару напівпровідника;

не встановлені фізичні процеси, які спричиняють дрейф до поверхні кристала атомів Cd;

не встановлена природа метастабільних дефектів та їхня еволюція;

у науковій літературі немає однозначного трактування явищ зростання коефіцієнта радіаційно-стимульованої дифузії компонентів сполук та еволюції дефектної структури;

не встановлено критеріїв поліпшення параметрів кристалів CdS та структур на їхній основі під дією іонізуючого опромінення.

В Інституті фізики напівпровідників НАН України було виявлено ефект АТЗП, суть якого полягає у різкому (на декілька порядків) зростанні поверхневої провідності грані (000І) чистих та легованих високоомних кристалів CdS при їхньому охолодженні від кімнатної температури до температури рідкого азоту. Цикли охолодження-нагрівання повторювали на одному і тому ж зразку багатократно, але результати повністю повторювалися. Встановлено, що охолодження високоомних кристалів CdS (>10⁸ Омсм, n_e<10⁸ см^-3, Т=300 К) до T=100 K є причиною формування на Cd-грані провідного шару (n_{e surf}~10¹² cm^-2) товщиною до 100 Е. Аналіз даних літератури не дає однозначної відповіді на питання: що приводить до такого різкого зростання концентрації носіїв заряду в приповерхневому шарі напівпровідника?

Запропоновані фізичні моделі процесів, які відбуваються у приповерхневому шарі напівпровідника, не повністю обґрунтовані, а інколи й заперечують одна одну. Додаткові комплексні дослідження аномальних низькотемпературних ефектів на поверхні кристалів CdS є необхідними для з'ясування природи процесів ПД як з участю електронної, так і іонної підсистем кристалів. Це дасть змогу підвищити стабільність та відтворюваність параметрів пристроїв, виготовлених на основі CdS, та отримати додаткову інформацію про процеси деградації в сполуках А²В⁶.

У другому розділі описано методики експериментальних досліджень, зокрема, підготування монокристалічних зразків, виготовлення поверхнево-бар'єрних структур Au-CdS-In, вимірювання поверхневої провідності кристалів, ВАХ та ВФХ отриманих діодів Шотткі, дослідження емісійних залежностей базисних граней CdS у вакуумі та впливу на них зовнішніх факторів (швидкість охолодження, термічний відпал, зовнішнє електричне поле, радіація).

Для дослідження енергетичного спектру і параметрів ГР в приповерхневих шарах CdS, а також концентрації ПС на межі поділу діелектричний шар - напівпровідник був застосований метод МЄС. При інтерпретації результатів, отриманих за допомогою цього методу, здійснено певну видозміну основних співвідношень для аналізу модуляційних спектрів, оскільки слід було враховувати специфіку наших об'єктів досліджень. Проведено модифікацію основних співвідношень для аналізу модуляційних спектрів, отриманих на МЄС ГУ7-1.

Третій розділ присвячений дослідженню ефекту аномальної емісії електронів з поверхні кристалів CdS та впливу на нього зовнішніх факторів.

Проведені дослідження засвідчили, що при зміні температури кристалів CdS з градієнтом, напрямленим вздовж С-осі кристала, спостерігається емісія електронів з базисних граней. Встановлено, що емісія електронів з грані (000О) виникає у перший момент нагрівання кристала від температури рідкого азоту і є звичайною властивістю класичних високоомних піроелектриків. Емісію з грані (000І) монокристалів CdS (рис. 1) відносять до розряду аномальної, оскільки вона виникає без попереднього збудження поверхні, а фактором, який її стимулює, є атермічний процес.

Під час аналізу одержаних результатів виявилось, що ефекти АТЗП та емісії електронів з грані (000І) кристалів CdS при охолодженні корелюють, а саме:

- збігаються температурні діапазони обидвох ефектів (80 - 300 К) з максимумом обох залежностей в околі ~100 К;

- для появи ефектів АТЗП та емісії електронів необхідний певний час витримки зразків після сколу;

- спостерігається повне відтворення залежностей при проведенні багатократних циклів охолодження - нагрів.



Рис. 1. Інтенсивність емісії електронів та інтегральний потік (вставка) з поверхні грані (000І) при охолоджуванні монокристалів СdS з різним питомим опором: 1 - =40 Ом•см, 2 - =1000 Ом•см, 3 - =2500 Ом•см; 1'- при охолодженні, 2' - при нагріванні.

Комплексними дослідженнями аномальних низькотемпературних ефектів доведено, що величина темнового поверхневого струму та інтенсивність емісії електронів при охолодженні кристалів CdS залежать від провідності зразків. Максимальне значення потоку емітованих електронів досягається в низькотемпературному інтервалі 130160 К для всіх типів зразків.

Відомо, що сульфід кадмію володіє піроелектричними властивостями, тому його охолодження від 300 до 80 К може спричиняти виникнення електричного поля напруженістю до 10⁵ В/см, напрямленого вздовж С-осі. Оскільки при охолодженні кристалів на грані (000І) формується шар з високою концентрацією вільних електронів, то власне пірополе може бути задіяне в процесі емісії електронів з енергією порядку кількох електронвольт у вакуум. Це припущення підтвержується, тому що величина потоку емітованих електронів залежить від швидкості охолодження зразків. Встановлено, що збільшення швидкості охолодження зразків у два рази веде до 5-кратного зростання інтенсивності емісії електронів з грані (000І) CdS.

Якщо ж у процесі зниження температури від 300 К охолодження зупинити та ізотермічно витримувати зразок, то спостерігається зменшення в часі інтенсивності потоку емітованих електронів. Причому, чим вищим було значення величини температури такого витримання зразків, тим більшою була швидкість релаксації інтенсивності емісії електронів (рис. 2). Загасання емісії відбувалося за експоненційним законом. Розрахована постійна часу загасання емісії залежить від температури з максимальною енергією активації процесу ~0,04 еВ. Після повної релаксації потоку електронів віднов-лення ефекту відбувається завдяки нагріву зразків до 300 К.

Дослідження електро-фізичних характеристик обох ефектів засвідчило, що їхня природа пов'язана зі специфікою структури приповерхневого шару грані (000І) кристала, а саме: наявністю у приповерх-невому шарі міжвузлових атомів кадмію, які можуть локалізуватися на дисло-каціях або утворювати комплекси з атомами кристалічної ґратки. Скупчення дефектів такого типу і є структурною основою утворення метастабільних низькоомних областей на поверхні сульфіду кадмію. До зростання концентрації міжвузлових атомів кадмію в приповерхневому шарі грані (000І) приводить вакуумний термічний відпал кристалів CdS (рис. 3), що підтверджується зростанням інтенсивності емісії електронів. Встановлено, шо підвищення температури відпалу до 500 К спричиняє зростання потоку емітованих електронів з Cd-грані при охолодженні кристала. При температурах відпалу вищих 550 К фіксується різке зменшення потоку емітованих електронів. Саме при температурах >550 К мас-спектрометричними дослідженнями встановлено виділення атомарного кадмію з кристалів CdS. Це підтверджує нашу гіпотезу про те, що емісія електронів зумовлена наявністю міжвузлових атомів кадмію у приповерхневому шарі грані (000І).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Інтенсивність емісії електронів з грані (000І) низькоомних (=40 Омсм) кристалів CdS, охолоджених від Т_кімн (1) і відпалених протягом 20 хв. при Т=420 К (2).

Прикладання електричного поля вздовж поверхні впливає на перерозподіл як вільних носіїв заряду, так і рухливих структурних дефектів у приповерхневій області кристала. Встановлено, що прикладання електричного поля напруженістю до 1,2 В/см для низько- та 5 В/см для високоомних кристалів спричиняє зростання інтенсивності емісії електронів (рис. 4). Дальше збільшення величини напруженості електричного поля до 3,0 і 10 В/см відповідно зменшує інтенсивність емісії електронів, і її величина є такою ж як для випадку без поля. Витримування зразків протягом п'яти місяців у вакуумній камері привело до зростання інтенсивності високотемпературної емісії та “розмивання” характерного низькотемпературного максимуму (Т~130 К). Аналіз таких релаксаційних процесів дає змогу стверджувати про перебіг процесів еволюції структурних дефектів за участю іонної підсистеми кристала. Отже, електричне поле, напрямлене вздовж грані(000І), стає причиною перебудови комплексів Cdi-приповерхневий атом кристалічної ґратки та міжвузлових атомів кадмію, локалізованих на поверхневих дефектах (дислокаціях), з вивільненням додаткової кількості вільних електронів. Зменшення потоку емітованих електронів у всіх типах зразків при збільшенні напруженості електричного поля можна пояснити формуванням на грані (000І) провідних каналів між острівковими агрегатами атомів надстехіометричного кадмію у приповерхневому шарі кристала.



Рис. 4. Залежності інтенсивності емісії електронів з грані (000І) низькоомних (=40 Омсм) кристалів CdS від напруженості електричного поля, прикладеного вздовж емітуючої грані: 1 - Е=0 В/см; 2 - Е=0,75 В/см; 3 - Е=1,5 В/см; 4 - Е=2,25 В/см; 5 - Е=3,0 В/см.

На підставі отриманих результатів запропоновано модель ПД, за допомогою якої пояснено аномальні низькотемпературні ефекти. Відповідно до неї, у досліджуваних зразках сульфіду кадмію виявлено принаймні два набори метастабільних станів С1 та С2, відповідальних за низькотемпературну (120-160 К) та високотемпературну (220-260 К) емісії електронів. Ці стани є незалежні між собою і можуть відповідати або двом типам дефектів у приповерхневих шарах грані (000І) CdS, або, що більш ймовірно, одному і тому ж дефекту, який знаходиться в різних конфігураційних станах. При охолодженні кристала CdS відбувається перехід структурних дефектів із метастабільного стану у стабільний з виділенням вільного електрона. Таку перебудову структурних дефектів можна описати: С1С0+е-. Вивільнені електрони емітують у вакуум під дією пірополя, яке виникає завдяки піроелектричним властивостям CdS. Водночас перехід із рівня С2 не спостерігається, але він виявляється при підвищеній температурі при прикладанні вздовж емітуючої грані електричного поля: С2С0+е-. Разом з тим, перехід С1С0+е- не зникає, про що свідчить незмінність величини інтенсивності низькотемпературної емісії.

На підставі аналізу отриманих результатів з дослідження емісії електронів з Cd-грані при охолодженні кристалів CdS до температури рідкого азоту, впливу зовнішніх факторів на ці закономірності, а також ураховуючи особливості аномальної температурної залежності поверхневої електропровідності, нами запропоновано фізичну модель досліджуваного процесу. В основі моделі знаходяться процеси ПД приповерхневого шару кристалів. Особливістю цих приповерхневих шарів є специфічність їхньої структури: грань (000І) після розколювання кристала (у вакуумі чи на повітрі) перпендикулярно С-осі збагачується міжвузловими атомами кадмію, який є плитким донором в CdS. Досі природа дифузії Cd_i з об'єму до грані кристала не повністю встановлена. На нашу думку, можливими є протікання одного або й одночасно кількох із перелічених нижче процесів.

Внаслідок специфіки технологічних умов вирощування монокристалів сульфід кадмію характеризується високою концентрацією Cd_i. Тому міжвузлові атоми кадмію в об'ємі кристала деформують кристалічну ґратку, створюючи відповідний тиск навколо себе. Дифузія Cd_i до грані (000І) після сколу найімовірніше відбувається в полі деформаційних сил, оскільки в області розколювання створюється деформаційне поле з напруженістю, величина якої є нижчою за відповідне значення в об'ємі кристала. В результаті цього Cd_i виштовхується із об'єму у приповерхневу область сколу.

Ще однією з причин зростання концентрації міжвузлового кадмію у приповерхневому шарі, порівняно з об'ємом кристала, можна вважати рух іонізованого Cd в електричному полі поверхневого загину зон, яке виникає після сколу монокристала CdS перпендикулярно С-осі.

Досягнувши приповерхневого шару товщиною кількох атомних шарів, атоми міжвузлового кадмію локалізуються на ефективних стоках, якими є генеровані процесом розколювання дислокації, або утворюють комплекси з приповерхневими атомами кристалічної ґратки CdS. Скупчення такого типу комплексів та дислокацій, декорованих атомами Cd_i, і є структурною основою утворення метастабільних низькоомних областей поверхневого шару сульфіду кадмію.

У четвертому розділі описано результати дослідження радіаційно-стимульованої зміни електрофізичних властивостей приповерхневого шару базисних граней кристалів CdS.

Встановлено, що рентгенівське опромінення як кристалів сульфіду кадмію, так і поверхнево-бар'єрних структур на їхній основі змінює властивості приповерхневого шару CdS.

Рентгенівське опромінення дозами D<0,13 Кл/кг спричинило зростання потоку емітованих електронів з Cd-грані CdS як у низькотемпературній, так і у високотемпературній областях (рис. 5), що зумовлено домінуванням процесів руйнування ростових преципітатів над радіаційним дефектоутворенням. При збільшенні дози опромінення (D>0,20 Кл/кг) зменшується ефективність генерування Cdi (вже зруйновані кластери), зростає радіаційно-стимульована дифузія атомів міжвузлового кадмію в об'єм кристала і починають домінувати процеси генерування та перебудови радіаційних дефектів, що підтверджується зниженням інтенсивності емісії електронів з грані (000І) при охолодженні кристалів CdS.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Залежності інтенсивності емісії електронів з поверхні (000І)-грані монокристалів СdS від дози опромінення: 1 - до опромінення; 2 - 0,13 Кл/кг; 3 - 0,20 Кл/кг; 4 - 0,27 Кл/кг.

Для отримання додаткової інформації про природу фізичних процесів у приповерхневому шарі напівпровідника нами були виготовлені поверхнево-бар'єрні структури Au-CdS на грані (000І) кристалів і досліджено їхні електрофізичні параметри. Отримані діоди характеризуються високим значенням кофіцієнта неідеальності ~24. Це свідчить про наявність діелектричної плівки між робочою поверхнею напівпровідника та нанесеним металевим електродом, яка виникла в процесі формування контакту.

Опромінення рентгенівськими квантами ПБД Au-CdS при кімнатній температурі спричинило зміну їхніх ВАХ та ВФХ. На початковій стадії іонізуючого опромінення спостерігалось зниження прямого струму через діод, а в області зворотних зміщень - зменшення характерної зворотної напруги Ux, при якій відбувається різке зростання струму. Причому, має місце ефект насичення: при дозах вище 0,2 Кл/кг для низькоомних та 0,4 Кл/кг для високоомних кристалів спостерігалась стабілізація електрофізичних параметрів діодів.

Крім вищезгаданих змін у ПБД на основі високоомних зразків, під дією рентгенівського опромінення спостерігалось зниження висоти характеристичного максимуму в області малих прямих зміщень. Так при дозах опромінення понад 0,3 Кл/кг ВФХ набувають класичного вигляду, тобто зникає зафіксована нами певна надлишкова ємність. Це свідчить про те, що рентгенівське опромінення приводить до зменшення концентрації плитких донорних рівнів у приконтактній області CdS.

За допомогою методу ємнісної модуляційної спектроскопії було знято спектр та кінетичні параметри ГР - пасток для основних носіїв заряду. Встановлено, що у межах досліджуваних експозиційних доз рентгенівське опромінення не привело до зміни структури спектрів у обох типах зразків, а тільки до зміни концентрації вільних носіїв у приповерхневому шарі.

Отримані результати дослідження зміни холлівських параметрів кристалів CdS під дією іонізуючого опромінення повністю корелюють із вищезгаданими дослідженнями. Під дією рентгенівського опромінення в кристалах CdS одночасно відбувається низка радіаційно-стимульованих процесів: генерація радіаційних дефектів; руйнування ростових преципітатів, а також скупчень Cd на дислокаціях; радіаційно-стимульовані процеси перебудови структурних дефектів. Домінування описаних процесів, залежно від температури чи дози опромінення, стає причиною специфічної поведінки в іонній та електронній підсистемах кристалів. Так, на початковій стадії опромінення при кімнатній температурі домінують процеси зростання концентрації Cd_i над рекомбінацією чи анігіляцією дефектів. Тому при дозах опромінення D<0,20 Кл/кг спостерігалось збільшення інтегрального потоку емітованих електронів, стимульоване дією охолодження (рис. 5) та зростання провідності зразків (рис. 6) за рахунок зростання рухливості носіїв. Слід відзначити, що концентрація носіїв заряду в межах досліджуваних експозиційних доз рентгенівського опромінення залишалась незмінною. Про процеси радіаційно-індукованого руйнування кадмієвих кластерів свідчать і оптичні дослідження: рентгенівське опро-мінення привело до зниження фонового рівня коефіцієнта поглинання у спектрах кристалів CdS. Унаслідок збільшення величини поглинутої дози зменшується ефект-ивність генерування Cd_i (вже зруйновані класте-ри) та його дифузія в об'єм кристала. Почина-ють домінувати процеси генерування та еволюції радіаційних дефектів. Радіаційно-генеровані де-фекти структури, кон-центрація яких зі збіль-шенням дози опромінен-ня постійно зростає, ефективно розсіюють носії заряду, зменшуючи тим самим їхню рухливість. Це в свою чергу спричиняє зниження провідності зразків та зменшення інтенсивності потоку електронів у вакуум.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

Вперше виявлено явище емісії електронів з базисних граней кристалів CdS без попереднього збудження поверхні у процесі їхнього охолодження від кімнатної температури до температури рідкого азоту. Встановлено кореляцію цього ефекту з ефектом аномальної температурної залежності поверхневої провідності.

Показано, що попередній вакуумний термічний відпал кристалів до 500 К збільшує інтенсивність потоку емітованих електронів з грані (000І) CdS при їхньому охолодженні. Це зумовлено термостимульованою дифузією міжвузлового кадмію із об'єму, дальшою його локалізацією на дислокаціях у приповерхневих шарах Cd-грані та формуванням метастабільних станів дефектів. Зменшення інтенсивності потоку електронів з поверхні кристалу при їхньому вакуумному відпалі при Т_відп>550 К зумовлене частковою термодесорбцією поверхневих атомів Cd_і у вакуум.

Встановлено, що прикладання зовнішнього електричного поля напруженістю до 10 В/см, напрямленого вздовж грані (000І), змінює концентрацію вільних носіїв у приповерхневому шарі Cd-грані кристалів CdS при їхньому охолодженні, що спричинено процесами перебудови наявних метастабільних структурних дефектів.

Доведено, що рентгенівське опромінення дозами D<0,15 Кл/кг стимулює зростання інтенсивності потоку електронної емісії за рахунок радіаційно-стимульованого руйнування кадмієвих кластерів та локалізації атомів Cd_i на дислокаціях у приповерхневому шарі. При дозах опромінення D>0,20 Кл/кг у кристалах починають домінувати процеси генерації радіаційних дефектів. Останні виконують роль пасток та центрів розсіювання для вільних носіїв заряду, зменшуючи тим самим інтенсивність потоку емітованих електронів та рухливість носіїв заряду.

Отримані експериментальні результати дають підставу запропонувати механізм перебудови структурних дефектів приповерхневого шару грані (000І) кристалів CdS при їхньому охолодженні. Суть його полягає у термостимульованій (охолодженням) зміні конфігурації принаймні двох структурних дефектів із метастабільних у стабільні положення з вивільненням певної кількості додаткових вільних електронів. Ці метастабільні стани є незалежні між собою і їм відповідають два типи локалізації атомів Cd_і на дислокаціях. Кінетичну енергію емітовані електрони отримують за рахунок пірополя, яке виникає при охолодженні кристалів CdS.

Дослідження радіаційно-стимульованих змін ВАХ і ВФХ бар'єрних структур Au-CdS підтвердили запропонований нами механізм перебудови структурних дефектів. Встановлено граничні дози опромінення, які дають змогу поліпшити та стабілізувати параметри приладів на базі бар'єрів Шотткі метал-CdS: 0,2 Кл/кг для низько- та 0,4 Кл/кг для високоомних кристалів.

структура монокристал поверхня

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНІ В РОБОТАХ

Pavlyk B., Horyn` Ya., Tsybulyak B. The change of ZnS-Au and CdS-Au diode structure parameters caused by low dose X-ray irradiation // Solid State Phenomena. - 1997. - Vol. 57-58. - P. 269-274.

Горинь Я.М., Павлик Б.В., Тютько І.О., Цибуляк Б.З. Ефект малих доз у поверхнево-бар`єрних структурах Au-ZnS та Au-CdS // Укр. фіз. журн. - 1998. - Т. 43, №2. - С. 238-243.

Pavlyk B.V., Tsybulyak B.Z., Goryn` Ya.M., Kozak I.V. Cooling-stimulated electron emission and anomalous changes in the conductivity of CdS crystal faces // Functional Materials. - 1999. - Vol. 6, №1. - P. 83-86.

Павлик Б., Цибуляк Б., Клочан О. Радіаційно-індуковане поліпшення електрофізичних параметрів кристалів CdS та поверхнево-бар'єрних структур на їх основі // Вісник Львів. ун-ту. Сер. фіз. - 2000. - Вип. 33. - С. 139-143.

Павлик Б.В., Клочан О.В., Хвищун І.О., Цибуляк Б.З. До проблеми радіаційно-стимульованого впорядкування дефектної структури в кристалах // Вісник Львів. ун-ту. Сер. фіз. - 2001. - Вип. 34. - С. 365-374.

Pavlyk B., Tsybulyak B., Klochan O. Radiation-stimulated ordering effect in CdS crystals // Solid State Phenomena. - 2002. - Vol. 82-84. - P. 587-592.

Цибуляк Б.З. Перебудова приповерхневої структури базисної грані кристалів CdS, зумовлена охолодженням // Вісник Львів. ун-ту. Сер. фіз. - 2004. - Вип. 37. - С. 220-226.

Pavlyk B., Tsybulyak B. Cooling-stimulated rebuilding process in CdS // Prace Naukowe AJD, Chemia i Ochrona Srodowiska. Czestochowa. - 2005. - №10. - P. 5-12.

Павлик Б.В., Тютько І.О., Цибуляк Б.З. Зміна фізичних параметрів контактів Au-ZnS та Au-CdS під дією радіації / Деп. в ДНТБ України 10.03.94, №406 - Ук-94.

Павлик Б.В., Тютько І.О., Цибуляк Б.З., Горинь Я.М. Вплив рентгенівського опромінення на емітуючі діоди Au-ZnS та Au-CdS // Матеріали Міжнар. школи-конф. “Передові дисплейні технології”. - Львів (Україна). - 1994. - С. 29-30.

Павлик Б.В., Горинь Я.М., Тютько І.О., Цибуляк Б.З. Радіаційно-стимульована зміна параметрів глибоких центрів в області збіднення бар'єрних сполук на базі ZnS та CdS // Матеріали 1-ї Міжнар. конф. “Матеріалознавство алмазоподібних і халькогенідних напівпровідників”. - Т. 2. - Чернівці (Україна). - 1994. - С. 131.

Павлик Б.В., Горинь Я.М., Цибуляк Б.З. Дія рентгенівського опромінення на фізичні параметри приповерхневого шару Au-CdS // Тези доповідей Міжнар. наук. конф., присв'яченої 150-річчю від дня народження видатного українського фізика і електротехніка Івана Пулюя. - Львів (Україна). - 1995. - С. 56.

Pavlyk B., Horyn' Ya., Tjutko I., Tsybulyak B. The peculiarities of X-ray effect on the metal-semiconductor interface physical parameters of diodes Au-ZnS and Au-CdS // Proc. 15 General Conf. of the Condenced Matter Division. - Baveno-Stresa (Italy). - 1996. - P. 132.

Pavlyk B., Tsybulyak B., Melnyk A., Korsunskaya N. The evolution of metastable defects on the CdS crystal surface // Proc. International Conference on Extended Defects in Semiconductors. - Jaszowie (Poland). - 1998. - P. 28.

Павлик Б., Цибуляк Б., Клочан О. Впорядкування структури кристалів CdS при дії рентгенівського опромінення // Тези доп. VI Міжнародного семінару з фізики і хімії твердого тіла (ISPCS”2000). - Львів (Україна). - 2000. - С. 38-39.

Pavlyk B., Tsybulyak B., Klochan O. CdS defect structure rebuilding induced by low dose ionizing irradiation // Book of Abst. E-MRS Spring Meeting 2001. - Strasbourg (France). - 2001. - P. B-19.

Pavlyk B., Tsybulyak B. Evolution of metastable centers on the CdS surface stimulated by temperature decrease // Proc. 9th International Conference on Defects - Recognition, Imaging and Physics in Semiconductors. - Rimini (Italy). - 2001. - P. 52.

Pavlyk B., Tsybulyak B., Klochan O. Radiation-stimulated ordering effect CdS crystals // Proc. IX Autumn Meeting “Gettering and defect engineering in semiconductor technology”. - Catania (Italy).- 2001. - P. 24.

Павлик Б., Цибуляк Б., Клочан О. До ефекту радіаційно-стимульованого впорядкування // Тези доп. ІІІ Міжнар. школи-конференції “Сучасні проблеми фізики напівпровідників”. - Дрогобич (Україна). - 2001. - C. 31.

Павлик Б., Цибуляк Б. Про механізм емісії електронів з поверхні красталів CdS, стимульованих охолодженням // Тези доп. ІІІ Міжнар. школи-конф. “Сучасні проблеми фізики напівпровідників”. - Дрогобич (Україна). - 2001. - C. 31.

Цибуляк Б.З., Гудь І.З. Вплив зовнішніх факторів на закономірності аномальної емісії електронів з базових граней кристалів CdS // Тез. доп. 1-ї Укр. наук. конф. з фізики напівпровідників (УНКФНП-1). - Одеса (Україна). - 2002. - C. 340.

Pavlyk B., Tsybulyak B. The influence of external factors on the cooling-stimulated electron emission of CdS crystal faces // Proc. VIII International seminar on Physics and Chemistry of Solids. - Lviv (Ukraine). - 2002. - P.45.

Pavlyk B., Tsybulyak B., Hud I. The change of Shottky diode surface structure caused by low-dose X-ray irradiation // Book of Abst. IX International seminar on Physics and Chemistry of Solids (ISPCS'03) - Czкstochowa (Poland). - 2003. - P. 28.

Pavlyk B., Tsybulyak B. Low-dose X-rays radiation effect in CdS crystals // Book of Abst. X-th International Seminar on Physics and Chemistry of Solids. - Lviv (Ukraine). - 2004. - P. 49.

Цибуляк Б., Павлик Б. Вплив електричного поля на процеси перебудови дефектів (000І) грані кристалів CdS // Тези доп. ІІ Укр. наук. конф. з фізики напівпровідників (за участю зарубіжних науковців) (УНКФН-2). - Чернівці-Вижниця (Україна). - 2004. - С. 358.

Цибуляк Б., Грипа А. Вплив низькодозного рентгенівського опромінення на емісійні характеристики (000І)-грані кристалів CdS // Зб. тез Міжнар. конф. студентів і молодих вчених з теоретичної й експериментальної фізики (ЕВРИКА-2005). - Львів (Україна). - 2005. - С. 80.

Цибуляк Б., Слободзян Д. Зміна емісійних характеристик (000І)-грані монокристалів CdS під дією електричного поля // Зб. тез Міжнар. конф. студентів і молодих вчених з теоретичної й експериментальної фізики (ЕВРИКА-2005). - Львів (Україна). - 2005. - С. 95-96.

Pavlyk B., Tsybulyak B. Cooling-stimulated rebuilding process in CdS // Book of Abstr. XI^th International seminar on Physics and Chemistry of Solids (ISPCS'05). - Zloty Potok/Czкstochowa (Poland). - 2005. - P. 16.

Цибуляк Б., Павлик Б. Дослідження особливостей перебудови дефектної структури приповерхневого шару (000І) грані монокристалів CdS // Тези V Міжнар. школи-конф. “Актуальні проблеми фізики напівпровідників”. - Дрогобич (Україна). - 2005. - С.237.

АНОТАЦІЯ

Цибуляк Б.З. Вплив зовнішніх факторів на електрофізичні властивості приповерхневого шару базисних граней кристалів CdS. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків. - Львівський національний університет імені Івана Франка. - Львів, 2006.

Дисертація присвячена вивченню процесів перебудови дефектної структури приповерхневого шару базисних граней кристалів CdS.

Вперше виявлено явище емісії електронів з базисних граней кристалів CdS без попереднього збудження поверхні при їх охолодженні від кімнатної температури до температури рідкого азоту. Доведено кореляцію цього явища з ефектом аномальної температурної залежності поверхневої провідності. Інтенсивність потоку електронної емісії з Cd-грані сульфіду кадмію залежить від провідності монокристалів та дії таких зовнішніх факторів, як попередній вакуумний термічний відпал, електричне поле, рентгенівське опромінення. Запропоновано механізм перебудови структурних дефектів приповерхневого шару грані (000І) CdS при охолодженні. Суть його полягає у термостимульованій (охолодженням) зміні конфігурації принаймні двох структурних дефектів із метастабільних у стабільні положення з вивільненням певної кількості додаткових вільних електронів, які під дією пірополя емітують у вакуум.

Встановлено граничні дози опромінення, які дозволяють покращити та стабілізувати параметри приладів на базі бар'єрів Шотткі метал-CdS: 0,2 Кл/кг для низько- та 0,4 Кл/кг для високоомних кристалів.

Ключові слова: CdS, поверхнево-бар'єрні структури, емісія електронів, радіація, дефект.

АННОТАЦИЯ

Цыбуляк Б.З. Влияние внешних факторов на электрофизические свойства приповерхностного слоя базисных граней кристаллов CdS. -Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков. - Львовский национальный университет имени Ивана Франка. - Львов, 2006.

Диссертация посвящена изучению процессов перестройки дефектной структуры приповерхностного слоя базисных граней кристаллов CdS.

Впервые обнаружено явление эмиссии электронов с базисных граней кристаллов CdS без предварительного возбуждения поверхности при их охлаждении от комнатной до температуры жидкого азота. Установлена корреляция этого явления с эффектом аномальной температурной зависимости поверхностной проводимости. Интенсивность потока электронной эмиссии с Cd-грани сульфида кадмия зависит от проводимости монокристаллов и влияния таких внешних факторов, как предшествующий вакуумный термический отжиг, электрическое поле, рентгеновское облучение.

Показано, что предшествующий вакуумный термический отжиг (Т_отж<500 К) кристаллов приводит к увеличению интенсивности потока эмитированных электронов с грани (000І) CdS при их охлаждении за счет термостимулированной диффузии междуузельного кадмия с объема, последующей его локализацией на дислокациях в приповерхностных слоях Cd-грани и формированием метастабильных состояний дефектов. При Т_отж>550 К наблюдается снижение интенсивности потока электронов с грани (000I), что обусловлено частичной термодесорбцией поверхностных атомов Cd_і в вакуум.

Установлено, что приложение внешнего электрического поля напряженностью до 10 В/см, напрямленного вдоль грани (000І), изменяет концентрацию свободных носителей в приповерхностном слое Cd-грани кристаллов CdS при их охлаждении, что связано с процессами перестройки имеющихся в наличии метастабильных структурных дефектов.

Рентгеновское облучение дозами D<0,15 Кл/кг стимулирует возраста-ние интенсивности потока электронной эмиссии за счет радиационно-стимулированного разрушения кадмиевых кластеров и локализации атомов Cd_i на дислокациях в приповерхностном слое. Увеличение дозы облучения (D>0,20 Кл/кг) приводит к доминированию процессов генерации радиационных дефектов, вследствие чего уменьшается интенсивность потока эмитированных электронов и подвижность носителей заряда.

Полученные экспериментальные результаты позволили предложить

механизм перестройки структурных дефектов приповерхностного слоя грани (000І) CdS при охлаждении. Суть его состоит в термостимулированном (охлаждением) изменении конфигурации двух структурных дефектов из метастабильных в стабильные положения с высвобождением определенного количества дополнительных свободных электронов, которые под действием пирополя эмитируют в вакуум.

Исследования радиационно-стимулированных изменений параметров барьерных структур Au-CdS подтвердили предложенный нами механизм перестройки структурных дефектов. Установлены предельные дозы облучения, которые позволяют улучшить и стабилизировать параметры приборов на базе барьеров Шоттки металл-CdS: 0,2 Кл/кг для низко- и 0,4 Кл/кг для высокоомных кристаллов.

Ключевые слова: CdS, поверхностно-барьерные структуры, эмиссия электронов, радиация, дефект.

SUMMARY

Tsybulyak B.Z. The influence of external factors on the electro-physical properties of surface layer of CdS crystal basal face. - Manuscript.

Thesis for the scientific degree of the candidate (PhD) of physics and mathematics sciences, speciality 01.04.10 physics of semiconductors and dielectrics. Ivan Franko National University of L'viv, Ukraine, 2006.

The dissertation work is devoted to study of defect structure rebuilding process of surface layer of CdS crystal basal face.

For the first time the electron emission taking place from the basal faces of CdS crystals without previous excitation of surface during cooling from room temperature to temperature of liquid nitrogen was revealed. The correlation of this phenomenon with the effect of anomalous temperature dependence of surface conductivity was ascertained. Intensity of electronic emission stream from cadmium sulphide Cd-face depends both on single crystal conductivity and exposure to such external factors as previous vacuum thermal annealing, electric field, X-ray irradiation. Rearrangement mechanism of surface layer structural defects of CdS (000І) face during the cooling has been proposed. Thermostimulated (by cooling) change of configuration at least two structural defects from metastable towards stable positions accompanying by release of certain free additional electrons which emitted into vacuum under action of pyroelectric field is the main point of the corresponding model.

The limiting values of irradiation doses, which are favored for improvement and stabilization of the devices parameters on the basis of metal-CdS Shottky barriers were determined, i.e. 0,2 Cl/kg for low- and 0,4 Cl/kg for high-resistance crystals.

Key words: CdS, surface-barrier structure, electron emission, radiation, defect.

Размещено на Allbest.ru

...