Вплив домiшки ванадiю на дефектоутворення в телуридi кадмiю

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦIОНАЛЬНА АКАДЕМIЯ НАУК УКРАЇНИ

IНСТИТУТ ФIЗИКИ НАПIВПРОВIДНИКIВ

Автореферат

дисертацiї на здобуття наукового ступеня

кандидата фiзико-математичних наук

ВПЛИВ ДОМIШКИ ВАНАДIЮ НА ДЕФЕКТОУТВОРЕННЯ В ТЕЛУРИДI КАДМIЮ

Мiщенко Лiдiя Андрiївна

Київ-1998

Анотація

Міщенко Л.А. Вплив домішки ванадію на дефектоутворення в телуриді кадмію. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07. - фізика твердого тіла. - Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 1998.

Дисертацію присвячено вивченню дефектів ванадію у телуриді кадмію. Визначена конфігурація, енергія іонізації дефектів ванадію та їх вплив на електричні, фотоелектричні, оптичні та магнітні властивості CdTe. Досліджено концентраційний вплив ванадію у розплаві на властивості CdTe. Встановлено існування критичної концентрації ванадію у розплаві CdTe, при якій починається утворення комплексних дефектів з участю ванадію. Досліджено вплив різних обробок, таких як термічна та ультразвукова, на електричні та фотоелектричні властивості кристалів CdTe:V. Показано, що значний вклад у формування електричних та фотоелектричних властивостей кристалів після ультразвукової обробки вносить тонкий приповерхневий шар, збагачений електронами.

Ключові слова: телурид кадмію, ванадій, дефекти, фотопровідність.

Аннотация

ванадій дефект кристал магнітний

Мищенко Л.А. Влияние примеси ванадия на дефектообразование в теллуриде кадмия. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07- физика твердого тела.- Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 1998.

Диссертация посвящена изучению дефектов ванадия в теллуриде кадмия. Определена конфигурация, энергия ионизации дефектов ванадия и их влияние на электрические, фотоэлектрические, оптические и магнитные свойства CdTe. Исследовано концентрационное влияние ванадия в расплаве на свойства CdTe. Установлено существование критической концентрации ванадия в расплаве CdTe, при которой начинается образование комплексных дефектов с участием ванадия. Исследовано влияние различных обработок, таких как термическая и ультразвуковая, на электрические и фотоэлектрические свойства кристаллов CdTe:V. Показано, что значительный вклад в формирование электрических и фотоэлектрических свойств кристаллов после ультразвуковой обработки вносит тонкий приповерхностный слой, обогащенный электронами.

Ключевые слова: теллурид кадмия, ванадий, дефекты, фотопроводимость.

Summary

Mischenko L.A. Effect of Vanadium on defects formation in Cadmium Telluride. - Manuscript.

Thesis for a candidate degree by speciality 01.04.07.-Solid State Physics.-Institute of Semiconductor Physics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 1998.

The dissertation is devoted to study of Vanadium-related defects in Cadmium Telluride. The configuration and ionization energy of defects associated with Vanadium have been determined. The effect of these defects as well as their concentration dependence on electrical, photoelectrical, optical and magnetic properties of CdTe has been investigated. It is established that formation of complex defects begins if Vanadium concentration in the CdTe melt exceeds the critical one. Influences of various treatments, such as thermal annealing and ultrasound treatment, on electrical and photoelectrical properties of CdTe:V have been investigated. It is shown that thin near-surface layer enriched by electrons contributes considerably in the changes of electrical and photoelectrical properties of CdTe:V caused by ultrasound treatment.

Key words: Cadmium Telluride, Vanadium, defects, photoconductivity.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Телурід кадмію традиційно застосовується у мікро- та оптоелектрониці для виготовлення підкладок при вирощуванні епітаксіальних шарів CdTe та Cd_xHg_1-xTe, а також для виробництва приймачів ІЧ-, гама-, та рентгенівського випромінювання.

Легування телуріду кадмію ванадієм відкриває ще одну можливість його використання як фоторефрактивного матеріалу для систем запису оптичної інформації та передачі її через волоконно-оптичні лінії зв'язку. Останнє стало можливим завдяки фоточутливості CdTe:V у важливому спектральному діапазоні (1-1.5) мкм, та великому значенню електрооптичного коефіцієнту (5.5 пм/V).

За останній час було встановлено, що легування CdTe ванадієм приводить до появи у забороненій зоні глибоких рівнів, які відіграють важливу роль в явищі фоторефракції. Але конфігурація самого дефекту ванадію, його роль у розширенні області фоточутливості CdTe в сторону більших довжин хвиль, а також природа встановлення високоомного стану матеріалу (>10⁹ Ом см при Т=300 К) до кінця не з'ясовані.

Методом електронного парамагнітного резонансу (ЕПР) встановлено, що ванадій заміщує кадмій у вузлах решітки і знаходиться у зарядовому стані V²⁺/V³⁺. Ізольований дефект V_Cd²⁺/V_Cd³⁺ утворює глибокий донорний рівень з енергією Е_с-(0.80.1) еВ, який піннінгує рівень Фермі. Масспектральний аналіз показав, що загальна концентрація ванадію у твердій фазі CdTe набагато більша, ніж його концентрація у вузлах кадмію, що свідчить про альтернативний механізм входження ванадію у CdTe. Крім того, при наявності ванадію у розплаві в концентрації 1х10¹⁸ см^-3 матеріал набуває високоомного стану, що з урахуванням малого значення коефіцієнту сегрегації (0.02), а також значення концентрації вакансій кадмію (2-6)х10¹⁸ см^-3, визначеної у рамках квазіхімічної теорії дефектів, пояснити, тільки на основі моделі ізольованого дефекту ванадію у вузлах кадмію, неможливо.

Ванадій відноситься до перехідних металів, які мають незаповнену 3d-оболонку. Теорія електронних станів домішок 3d-металів у напівпровідникових сполуках А²В⁶ дотепер знаходиться у стані становлення. Теоретичні розрахунки спектру та хвильових функцій глибоких домішок, визначення їх зарядових станів, поперечного перерізу захвату носіїв, g-тензорів та інш. виявляється достатньо важкою задачею, тому для їх перевірки потрібна значна кількість експериментальних результатів.

В зв'язку з цим, вивчення дефектів ванадію, їх оптичної та електричної активності виявляється важливим як з практичної точки зору, так і з чисто наукової.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у рамках теми “ Комплексні дослідження впливу міждефектної взаємодії в кристалах Si, Ge, GaAs, CdTe, Cd_xHg_1-xTe, Mn_xHg_1-xTe на кінетику електронних процесів у термодинамічно рівноважних та нерівноважних умовах”, затвердженої Бюро ВФА НАН України 20.12.1994 р.(протокол № 9).

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є дослідження дефектів, зв'язаних з ванадієм в телуриді кадмію. Для досягнення мети необхідно було вирішити конкретні задачі:

1. Дослідження впливу ванадію на електричні, фотоелектричні, оптичні та магнітні властивості CdTe в залежності від його концентрації. Встановлення природи дефектів ванадію.

2. Дослідження впливу зовнішніх чинників (відпал, ультразвук) на дефектну структуру CdTe:V.

3. Вивчення ролі поверхні у формуванні електричних та фотоелектричних властивостей кристалів CdTe:V.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. В результаті комплексних досліджень електричних, фотоелектричних, оптичних та магнітних властивостей кристалів CdTe:V запропонована модель дефектів ванадію. Встановлено, що окрім відомого дефекту V_Cd²⁺/V_Cd³⁺, утвореного ізольованим ванадієм у вузлах Cd, ванадій створює ще два донорних дефекти: ванадій у міжвузлі в ізольованому стані та у комплексі з однозарядною вакансією кадмію _Cd^- - (_Cd^-+V_i⁺)^0/+. Визначені положення енергетичних рівнів цих дефектів у забороненій зоні CdTe. Встановлена їх роль у збільшенні питомого опору матеріалу та розширенні спектральної області фоточутливості.

2. Аналіз немонотонності у зміні властивостей кристалів CdTe:V при збільшенні концентрації ванадію дозволив встановити існування критичної концентрації ванадію у рідкій фазі CdTe, при якій комплекси з участю ванадію є домінуючими дефектами. Ця концентрація становить 5х10¹⁸см^-3.

3. Вперше досліджено вплив зовнішніх чинників (відпал, ультразвук) на електричні та фотоелектричні властивості кристалів CdTe:V. Встановлено, що вказані обробки приводять, зокрема, до розвалу комплексів ванадію та зміни фоточутливості матеріалу.

4. Показано, що визначальну роль у формуванні електричних та фотоелектричних властивостей кристалів CdTe:V після ультразвукової обробки (УЗО) відіграє тонкий приповерхневий шар, збагачений електронами, що виникає внаслідок підтягування електронів з об'єму для нейтралізації вбудованих позитивних зарядів окису, поява якого стимульована УЗО.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Запропонована модель дефектів ванадію у кристалах CdTe:V дозволяє цілeспрямовано вирощувати високоомний та фоточутливий у ближньому ІЧ-діапазоні фоторефрактивний матеріал для запису оптичної інформації. Показано, що фоточутливість матеріалу зумовлена як дефектом V_Cd²⁺, так і побічно комплексним дефектом за участю ванадію.

2. Встановлено, що введення ванадію у розчин CdTe у концентрації вище критичної приводить до зменшення фоточутливості матеріалу в області 1.06 мкм в результаті формування комплексних дефектів з участю ванадію, що знижує ефективність використання матеріалу в системах запису та передачі оптичної інформації через волоконно-оптичні лінії зв'язку.

3. Встановлено, що УЗО кристалів CdTe:V з надпороговою потужністю приводить до дисоціації комплексних дефектів ванадію та дифузії їх компонент, а також мілких дефектів до поверхні, внаслідок чого збільшується фоточутливість матеріалу.

Особистий внесок здобувача. Основні експериментальні результати та висновки дисертації отримані автором. Постановка завдань та обговорення результатів були зроблені разом з науковим керівником. Співавтори публікацій приймали участь в обговоренні результатів та у виконанні деякої частини експериментів.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації доповідались на XV Всесоюзному семінарі “Экситоны в кристаллах”, Чернівці, Україна, 1981; школі-семінарі по теорії напівпровідників, Чернівці, Україна, 1984; VI-International Topical Meeting “Nonlinear Optics of Liquid and Photorefractive Crystals”, Ai-Daniel, Crimea, Ukraine, 1995; III-International Conference “Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics”, Uzhorod, Ukraine, 1996; International Conference on Optical Diagnostics of Materials and Devices for Opto-, Micro- and Quantum Electronics, Kyiv, Ukraine, 1997.

Публікації. По матеріалам досліджень опубліковано 6 робіт, список яких подано в кінці автореферату.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел. Робота викладена на 150 сторінках машинописного тексту, в роботі 43 ілюстрації на 35 сторінках, 3 таблиці на 2 сторінках. Список використаних літературних джерел включає 113 найменувань.

2. Основний зміст роботи

У вступі обгрунтована актуальність тематики дисертації, сформульовано мету та новизну роботи, освітлені такі питання, як наукова новизна та практичне значення одержаних результатів, апробація результатів дисертації, публікації.

Перший розділ має характер огляду. В ньому проведено аналіз сучасних уявлень про вплив домішок з незаповненою 3d-оболонкою на дефектну структуру сполук А²В⁶. Підкреслено, що 3d-домішки в цих сполуках зберігають свої багатоелектронні атомні характеристики, що проявляється у спостереженні внутрицентрових переходів у спектрах поглинання та фотолюмінесценції, та у зберіганні сумарного спіну електронів, складеного за правилом Хунда, що проявляється у спектрах ЕПР, та ін. В той же час положення рівнів 3d-домішок у матриці кристалу у деякій мірі залежить від характеристик електронного спектру матриці. Гібридизація станів 3d-оболонки домішки з валентними електронами матриці приводить до зменшення потенціалу іонізації d-атому з роздутою d-оболонкою і до появлення у забороненій зоні напівпровідника глибоких електронних станів. Від ступеня гібридизації d-станів домішки з зонними змінюється і ступінь збурення решітки, що, у свою чергу, визначає розчинність домішки у сполуці. У зв'язку з цим розглянуті різні механізми входження домішки у матриці кристалів сполук А²В⁶: поодиноке, утворення комплексних дефектів, кластеризація. Особливо докладно розглянуто вплив домішки ванадію на дефектну структуру телуріду кадмію та прояв дефектів ванадію у його різних фізичних властивостях.

У другому розділі обгрунтовані та описані експериментальні методики, що застосовувались для дослідження дефектної структури CdTe: спектральна залежність фотолюмінесценції (ФЛ), екситонні спектри відбивання, спектральна залежність фотопровідності (ФП), температурна залежність темнової електропровідності, спектри термостимульованої електропровідності (ТСП), температурна залежність магнітної сприйнятливості, магнітопольові та температурні залежності питомої електропровідності і коефіцієнту Холла. Описані також методики обробок кристалів: відпал, ультразвукова обробка, анодне окислення та анодне сульфідування.

Третій розділ присвячений дослідженню електричних та фотоелектричних властивостей кристалів CdTe:V та Cd_xHg_1-xTe.

Було встановлено, що легування CdTe ванадієм приводить до розширення області фоточутливості матеріалу, а саме, до появи у спектрі фотопровідності окрім максимума, що відповідає власній ФП, двох смуг з максимумами 1.1 еВ та 1.3 еВ при температурі Т=300 К. У спектрах ФП при температурі Т=77 К спостерігалась тільки одна додаткова смуга з максимумом 1.3 еВ.

Фотопровідність в області (0.9-1.4) еВ зв'язувалась з фотоіонізацією дефекту V_Cd²⁺, який утворюється внаслідок заміщення ванадієм кадмію у вузлах решітки. Цей дефект, згідно даних, що отримані з температурної залежності темнової електропровідності, утворює у забороненій зоні CdTe рівень, який лежить нижче с-зони на 0.9 еВ. Різниця у термічній та оптичній енергіях іонізації дефекту V_Cd²⁺ свідчить про те, що цей дефект є дефектом у сильно релаксованій решітці. Фотоіонізація дефекту V_Cd²⁺ може бути представлена реакцією:

V_Cd²⁺+hV_Cd³⁺+e_cb

і відбувається двома шляхами: безпосередньо в с-зону (смуга 1.3 еВ), та через збуджений стан, що є резонансним з зоною провідності, але відділений від неї потенціальним бар'єром (смуга 1.1 еВ). При температурі 77 К кінетичної енергії електрона недостатньо для подолання цього бар'єру, тому смуга 1.1 еВ у спектрі ФП при цій температурі не спостерігається.

Дослідження температурних залежностей темнової провідності зразків CdTe:V з концентрацією ванадію у розплаві 1х10¹⁸ см^-3, 5х10¹⁸см^-3, 5х10¹⁹ см^-3 показали, що нахил залежності lgI_T(1/T) для всіх зразків однаковий і дорівнює 0.9 еВ, що свідчить про піннінгування рівня Фермі рівнем дефекту V_Cd²⁺ незалежно від концентрації домішки ванадію, тобто дефект ванадію V_Cd²⁺ визначає рівноважну провідність матеріалу.

Дослідження концентраційної залежності інтенсивності смуг у спектрах ФП показали, що при Т=300 К смуга з максимумом 1.1 еВ при концентрації ванадію у розплаві 5х10¹⁸ см^-3 практично не спостерігається і зовсім зникає при концентрації домішки 5х10¹⁹ см^-3, тоді як інтенсивність смуги 1.3 еВ збільшується. Для пояснення цього було зроблено припущення, що ванадій окрім ізольованого донорного дефекту V_Cd²⁺/V_Cd³⁺ утворює також комплексний донорний дефект з вакансією кадмію (_Cd^-+V_i⁺)^0/+. Це приводить, по-перше, до зменшення концентрації вакансій кадмію внаслідок зв'язування їх ванадієм, а по-друге, до визволення ізольованого ванадію V_Cd²⁺ з механізму електричної компенсації як більш глибокого донора. Той факт, що смуга 1.1 еВ спектру ФП зникає при збільшенні концентрації ванадію вище 5х10¹⁸ см^-3 свідчить про те, що ця концентрація є критичною для утворення комплексного дефекту ванадію, а бар'єр для автоіонізації дефекту V_Cd²⁺ через збуджений стан більшій, ніж бар'єр для захоплення електрону іонізованим комплексним дефектом. Із спектрів ТСП було визначено енергію іонізації комплексного дефекту з участю ванадію, як (0.22-0.24) еВ.

З метою подальшого вивчення дефектів ванадію, особливо комплексного дефекту, були досліджені кристали CdTe:V, відпалені у вакуумі при температурі 600 ⁰С протягом 5 годин і загартовані при кімнатній температурі. Оскільки відпал у вакуумі приводить до появи на поверхні зразків нестехіометричної плівки, то для усування впливу поверхні зразки травилися на глибину 40 мкм. Дослідження спектрів ФП кристалів при Т=77 К показали, що після відпалу кристалів з концентрацією ванадію 5х10¹⁹ см^-3 смуга 1.3 еВ повністю зникає, а в кристалах з концентрацією ванадію 5х10¹⁸ см^-3 - поширюється, а її інтенсивність зменшується. Це свідчить про зміну концентрації дефекту ванадію V_Cd²⁺.

Після відпалу змінилися також електричні властивості зразків. В температурній залежності темнової провідності кристалів lgI_T(1/T) замість нахилу 0.9 еВ для всіх зразків з різною концентрацією ванадію в області температур (200-400) К з'являється нахил 0.5 еВ. У спектрах ТСП пастка з енергією (0.22-0.24) еВ не спостерігається. Питомий опір зразків при кімнатній температурі зменшився на 5 порядків.

Проведений відпал з послідуючим загартуванням приводить до утворення нерівноважного стану домішково-дефектної структури матеріалу, який з часом релаксує. У зразках з концентрацією ванадію 5х10¹⁸ см^-3 через рік нахил залежності lgI_T(1/T) став дорівнювати 0.66 еВ, а смуга 1.3 еВ у спектрі ФП підсилилася.

Зміни електричних та фотоелектричних властивостей кристалів CdTe:V після відпалу свідчать про суттєву перебудову дефектної структури матеріалу, а саме, про розвал комплексних дефектів ванадію у зразках з концентрацією ванадію у розплаві нижчою 5х10¹⁸ см^-3, та кластерізацію ванадію при більшій його концентрації. Таким чином визначено, що концентрація ванадію 5х10¹⁸ см^-3 у розплаві CdTe є критичною для формування комплексних дефектів ванадію.

Для дослідження дефектної структури кристалів CdTe:V також застосовувалась ультразвукова обробка. Обробка зразків з концентрацією ванадію 5х10¹⁸ см^-3 та 5х10¹⁹ см^-3 здійснювалася при температурі 20⁰С протягом 30 хвилин на частоті 6 МГц. Джерелом УЗ був пьєзоелектричний перетворювач на основі ніобату літію (LiNbO₃), який збуджувався високочастотним генератором Г3-41.

Було з'ясовано, що обробка кристалів УЗ потужністю 1 Вт/см² приводила до збільшення темнового струму на 2 порядки, а фотоструму приблизно у 2 рази. Кристали з критичною концентрацією ванадію були більш чутливими до УЗО. Після обробки таких кристалів у спектрах ФП при Т=300 К смуга з максимумом 1.3 еВ поширювалась, і на її довгохвильовому крилі з'являвся перегин. З часом спостерігалась релаксація темнового та фотоструму. Збільшення потужності УЗО до 4 Вт/см² приводило, по-перше, до збільшення фотоструму у 10 разів, появи смуги ФП 1.1 еВ, а, по-друге, до збільшення темнового струму на 2 порядки та зміни нахилу залежності lgI_T(1/T) на 0.29 еВ. Все це свідчить про те, що потужність УЗ хвилі 1 Вт/см² є пороговою для перебудови дефектної структури кристалів CdTe:V.

Після травлення поверхні зразків, оброблених УЗ потужністю 4 Вт/см², на глибину 4 мкм опір зразків збільшився у 4 рази в порівнянні із необробленими зразками, а нахил залежності lgI_T(1/T) відновився і наблизився до початкового. У спектрах ФП смуга 1.1 еВ зникала, а інтенсивність смуги 1.3 еВ зменшувалася у 2 рази в порівнянні із зразками до УЗО і приблизно у 20 разів у порівнянні із обробленими зразками. Все це свідчить про те, що УЗО надпорогової потужності приводить до зміни дефектів як в об'ємі кристалу, так і на його поверхні, причому поверхневий шар товщиною 4 мкм суттєво впливає на електричні та фотоелектричні властивості CdTe:V.

Дія УЗ надпорогової потужності приводить до інтенсивних коливань дислокацій. Рухомі заряджені дислокації виносять на поверхню зразка заряджені дефекти, в тому числі і вакансії кадмію. Це приводить, по-перше, до дифузії ванадію, як рухомої домішки, по вакансіям до поверхні, тобто до збіднення об'єму дефектом V_Cd²⁺, який визначає рівноважну провідність. Внаслідок цього опір об'єму збільшується, а інтенсивність смуги 1.3 еВ спектру ФП, яка відповідає фотоіонізації цього дефекту, зменшується.

По-друге, збагачення поверхні кристалів телуром приводить до порушення стехіометрії складу у поверхневому шарі, що сприяє нарощуванню на поверхні зразків складного окису, вакансії кисню в якому є позитивно зарядженими дефектами. Для нейтралізації позитивного заряду окису з об'єму напівпровідника електрони підтягуються до поверхні, тобто у приповерхневій області з'являється низькоомний шар, збагачений електронами, який шунтує об'єм зразка та визначає електричні та фотоелектричні властивості CdTe:V після УЗО. Внаслідок цього на межі розподілу окис-напівпровідник відбувається вигин зон, а рівень донорного дефекту V_Cd²⁺/V_Cd³⁺ виявляється нижчим, ніж рівень Фермі, що приводить до збільшення концентрації дефекту V_Cd²⁺, а отже, до збільшення інтенсивності смуги 1.3 еВ у спектрі ФП.

По-третє, поява у спектрі ФП смуги 1.1 еВ при Т=300 К після УЗО пов'язана як з розпадом комплексних дефектів ванадію, так і з збільшенням кількості мілких донорів, внаслідок чого більшість комплексних дефектів ванадію знаходиться у нейтральному зарядовому стані.

Високоомний стан матеріалу CdTe:V, велике значення ефективних мас носіїв (m_e=0.1m₀, m_h=0.4m₀) не дозволили застосувати гальваномагнітні методики для визначення параметрів шару, збагаченого електронами. Тому з цією метою були досліджені кристали Cd_xHg_1-xTe з анодним окисом (АО).

Були досліджені кристали складу х=(0.17-0.22) п- та р-типів провідності, в яких ефективна маса електронів m0,01m₀, а ефективний радіус електронних станів (10-100) нм, що дозволяє у невеликих магнітних полях 0.1 Тл досягати умов сильного поля. Досліджувалися температурні залежності електропровідності в інтервалі температур (1.6-300) К та магнітопольові залежності електропровідності та коефіцієнту Холла в області (0-1.6) Тл.

Вихідні зразки Cd_xHg_1-xTe п-типу були низькоомні, з питомою електропровідністю (0.1-3) Ом^-1 см^-1 при температурі Т=4.2 К. Анодне окислення поверхні Cd_xHg_1-xTe приводить до незначного збільшення провідності та зменшення коефіцієнту Холла, а також до зменшення нахилу залежності lg(lgB) у сильних магнітних полях, що зв'язано з появою приповерхневого шару, збагаченого електронами.

Окисний шар утворюється внаслідок взаємодії кисню з компонентами напівпровідника. Ця взаємодія приводить до появи деякої концентрації вакансій кисню в окисній плівці, які й утворюють вбудований позитивний заряд:

(Cd,Hg)Te^2-=(Cd,Hg)Te⁴⁺O₃+3V_O^(okc).

Для нейтралізації позитивного заряду окису застосовувалось ультрафіолетове освітлення. При цьому спостерігалась тенденція у наближенні магнетопольових залежностей електропровідності (В) та коефіцієнту Холла R_x(В) до аналогічних залежностей для зразків із свіжотравленими поверхнями.

При освітленні зразків електрони збуджуються високо в зону провідності Cd_xHg_1-xTe і можуть бути захоплені на глибокі пастки у забороненій зоні окису, нейтралізуючи тим самим його позитивний заряд. Це приводить до зменшення вигину зон на межі окис-напівпровідник і концентрації електронів у приповерхневому шарі, внаслідок чого вклад приповерхневого шару, збагаченого електронами, в електропровідність зразків зменшується.

Зміна провідності зразків після часткового чи повного зняття окису свідчить про просторовий розподіл пасток в окисі. Після повного зняття окисного шару впливу УФ освітлення на магнетопольові залежності (В) та R_x(B) не спостерігалось.

Вплив приповерхневого шару на провідність кристалів Cd_xHg_1-xTe найбільш проявляється у зразках р-типу, тому кількісні параметри шару, збагаченого електронами, були отримані саме на таких зразках складу х=0.218.

Зразки, що досліджувались, до пасивації поверхні в області гелієвих температур мали електропровідність 1х10^-5 (Ом см)^-1. Анодне окислення приводило до збільшення електропровідності на 3-4 порядки, що значно більше, ніж спостерігалось у зразках п-типу провідності. Ефективна провідність приповерхневого шару виявилась рівною 0.25 (Ом см)^-1.

В деяких зразках при дослідженні магнетопольових залежностей поперечного магнетоопору спостерігалися осциляції Шубнікова-де Гааза. Аналіз цих залежностей дав можливість оцінити концентрацію електронів у шарі збагачення п_s=4х10¹¹ см². Для цієї концентрації в наближенні трикутної потенціальної ями визначено напруженість електричного поля на межі окисел-напівпровідник F=7.26x10⁴ В/см, що з урахуванням параметрів зразка дозволило оцінити товщину інверсійного шару d=100 нм. В наближенні сильного поля була проведена оцінка енергії електронів у потенціальній ямі на нульовому енергетичному рівні E₀=96 меВ, а також визначена область локалізації хвильових функцій електронів на цьому рівні d₀=9 нм. Густина станів на нульовому енергетичному рівні виявилась рівною D(E)=1.25x10¹³ см^-2 еВ^-1, що свідчить про зосередження всіх електронів шару збагачення на цьому рівні. Знаючи провідність інверсійного шару та концентрацію електронів, можна визначити їх рухливість _s=5x10⁴ см²/В с.

У четвертому розділі досліджені оптичні (фотолюмінесценція, екситонне відбивання) та магнітні властивості кристалів CdTe:V.

При температурі Т=77 К у спектрі ФЛ спеціально нелегованого CdTе спостерігалася смуга 1.45 еВ. Походження цієї смуги зв'язано з дефектом міді, яка є неконтрольованою домішкою і утворює у забороненій зоні CdTe акцепторний рівень на 0.15 еВ вище валентної зони. Було встановлено, що легування CdTe ванадієм приводить до згасання смуги ФЛ 1.45 еВ. У спектральному діапазоні (0.53-1.5) еВ при Т=77 К спостерігалася безструктурна слабка та широка смуга. Внутрицентрові переходи, які повинні проявлятися у цьому спектральному діапазоні, не спостерігалися. Цей факт свідчить, що ванадій є центром безвипромінювальної рекомбінації.

Дослідження ФЛ при 10 К в області краєвої та екситонної люмінесценції показали, що легування СdTe ванадієм приводить до згасання смуги вільного екситону 1.595 еВ, що зв'язано з появою при легуванні значної кількості центрів рекомбінації. Інтенсивність смуги екситона, зв'язаного на нейтральному акцепторі, 1.590 еВ зменшується внаслідок зменшення концентрації нейтральних акцепторів, якими є однозарядні вакансії кадмію з енергією (Е_v+0.05 еВ).

Крім цього, легування ванадієм приводить до появи у спектрі ФЛ смуги 1.552 еВ. Залежність її інтенсивності від концентрації ванадію у розплаві CdTe носить немонотонний характер. При збільшенні концентрації ванадію до 5х10¹⁸ см^-3 інтенсивність смуги зростала, тоді як подальше підвищення концентрації ванадію приводило до її згасання. Цей факт ще раз підкреслює, що концентрація ванадію у розплаві N_V=5x10¹⁸ см^-3 є критичною для формування комплексних дефектів.

Для з'ясування природи дефекту, який відповідає за смугу 1.552 еВ, були досліджені залежності інтенсивності випромінювання в смузі 1.552 еВ від потужності збудження в інтервалі (1-250) мВт лазерним випромінюванням з енергією 2.41 еВ. Виявилось, що енергетичне положення смуги не змінюється, а нахил залежності lgI(lgP) дорівнює 1. Все це свідчить про те, що смуга ФЛ 1.552 еВ відповідає випромінювальному переходу донор-валентна зона. Мілкий донор з енергією іонізації 0.053 еВ є міжвузловий ванадій, концентрація якого зростає по мірі збільшення ванадію у розплаві, але коли концентрація останнього досягає значення 5х10¹⁸ см^-3, ванадій починає кластеризуватися, що приводить до згасання смуги 1.552 еВ.

Легування ванадієм телуріду кадмію приводить до зміни в екситонних спектрах відбивання. Із збільшенням концентрації ванадію амплітуда екситонної лінії поступово зменшується, і лінія зникає при N_V=5х10¹⁹ см^-3 без зміни її енергетичного положення (Е_ex=1.58 еВ при 77 К). Це пояснюється появою у CdTe при його легуванні ванадієм значної кількості заряджених дефектів, в полях яких відбувається іонізація вільного екситона. До цього можуть приводити і локальні деформації решітки, особливо в місцях зосередження дефекту V_Cd²⁺, концентрація якого збільшується із збільшенням концентрації ванадію у розплаві CdTe.

Незважаючи на те, що ванадій є парамагнітною домішкою, суттєвого росту парамагнетизму CdTe при легуванні ванадієм не спостерігалося. Відсутня і температурна залежність магнітної сприйнятливості. Магнітна сприйнятливість зразків з концентрацією ванадію у розчині 1х10¹⁸ см^-3, 5х10¹⁸ см^-3, 5х10¹⁹ см^-3 відповідно дорівнює -2.92х10^-7 г/см³, -2.78х10^-7 г/см³ та -3.05х10^-7 г/см³, що слабо відрізняється від її значення для CdTe (-3.5x10^-7 г/см³). Немонотонність у значенні парамагнітної добавки підтверджує висновок про існування критичної концентрації ванадію, вище якої відбувається комплексоутворення та кластеризація дефектів ванадію.

Слабкий парамагнетизм кристалів CdTe:V свідчить про незначну кількість ізольованого дефекту ванадію V²⁺ у вузлах кадмію. В зв'язку з тим, що ковалентний радіус ванадію (1.24 А) значно менше, ніж ковалентний радіус кадмію (1.48 А), легування ванадієм спричиняє появу значних локальних напружень решітки, тому межа розчину ванадію у CdTe невелика, 1х10¹⁷ см^-3 (значна кількість ванадію знаходиться у міжвузловому положенні та утворює різні комплексні дефекти).

Висновки

1. Легування CdTe ванадієм приводить до утворення як ізольованого дефекту V_Cd²⁺ у вузлах кадмію, так і міжвузлового донорного дефекту ванадію V_i з енергією іонізації 0.053 еВ, а також комплексного дефекту ванадію з вакансією кадмію (_Cd^-+V_i⁺)^0/+ з енергією Е_с-(0.22-0.24) еВ.

2. Ванадій в ізольованому стані V_Cd²⁺ є дефектом з сильною решіточною релаксацією з термічною енергією іонізації 0.9 еВ. Фотоіонізація дефекту V_Cd²⁺ відбувається двома каналами: безпосередньо у с-зону, та через збуджений стан іону. Наявність дефекту ванадію V_Cd²⁺ визначає фоточутливісь матеріалу в області (0.8-1.4) еВ.

3. Існує критична концентрація ванадію при легуванні CdTe із розплаву, яка дорівнює 5х10¹⁸ см^-3. Нижче критичної концентрації утворюються ізольовані дефекти ванадію, а вище - комплексні дефекти та відбувається їх кластеризація.

4. Відпал зразків з концентрацією ванадію, меншою за критичну, приводить до розпаду комплексних дефектів, тоді як у зразках з концентрацією ванадію вище критичної відбувається кластеризація дефектів ванадію.

5. Ультразвукова обробка надпорогової потужності приводить до дисоціації комплексних дефектів та дифузії їх компонент до поверхні.

6. Відхилення від стехіометрії у поверхневому шарі кристалів CdTe:V в результаті УЗО сприяє нарощуванню на поверхні зразків окисного шару, нескомпенсований позитивний заряд якого є причиною появи на межі окису та напівпровідника шару, збагаченого електронами, який шунтує об'єм зразків і визначає їх електричні та фотоелектричні властивості.

Размещено на Allbest.ru