Фотоелектронні явища у структурах на основі вузькощілинних напівпровідників за наявності макродефектів та неоднорідностей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет

"Львівська політехніка"

УДК 621.315.592

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук

Фотоелектронні явища у структурах на основі вузькощілинних напівпровідників за наявності макродефектів та неоднорідностей

01.04.01 - фізика приладів, елементів і систем.

Вірт Ігор Степанович

Львів 2001

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Покращення елементної бази приймачів інфрачервоного (ІЧ) випромінювання є основою підвищення технічного рівня систем теплобачення, створення ІЧ-систем нового покоління. Найширше застосування для виробництва фотоприймачів ІЧ-випромінювання знайшли вузькощілинні напівпровідники з енергетичною щілиною E_g Ј 0,3 еВ і структури на їх основі, які становлять основу елементної бази сучасної фото- і оптоелектроніки.

Вузькощілинні напівпровідники володіють низкою унікальних властивостей, які відкривають багаті перспективи їх практичного використання. Весь спектр можливих застосувань цих матеріалів базується на надзвичайно високій їх чутливості до зовнішніх дій: електромагнітного випромінювання, магнітного поля, тиску і т.п. На цей час переконливо показано, що система твердих розчинів Hg_1-хCd_хTe є найпридатнішим матеріалом для створення високоефективних фоторезисторних і фотодіодних приймачів. Цьому сприяють унікальні фізичні властивості: можливість плавної зміни E_g, високе значення рухливості електронів, низька діелектрична проникність, а також можливість працювати в області власної провідності, що не потребує глибокого охолодження (Т > 77 К). В одно - і малоелементних фотоприймачах практично досягнута теоретична межа виявляючої здатності. Фотоприймачі на основі Hg_1-хCd_хTe знаходять широке застосування у військовій і космічній техніці (прилади теплонаведення, пристрої слідкування, наведення на ціль і ІЧ-локації), а також у медицині.

Система твердих розчинів Hg_1-хCd_хTe перспективна також для створення багатоколірних приймачів випромінювання, які в сукупності з розробленими багатоканальними ІЧ-системами дозволяють аналізувати випромінювання від предметів, або ділянок місцевості зразу в декількох спектральних діапазонах. За однакових робочих температур і теоретичної межі виявляючої здатності технологічно зручнішими для цих цілей є фотодіодні приймачі на основі n-p-переходів. Фотодіоди зручніші також для мікромініатюризації, оскільки для їх створення застосовують такі сучасні методи, як епітаксійне нарощування шарів та іонна імплантація домішок. Фотодіоди також використовують для створення гібридних двовимірних мозаїчних фокальних приймачів, у яких вони безпосередньо з`єднані з кремнієвими приладами зі зарядовим зв`язком (ПЗЗ), які є принципово новим типом фотоприймачів. Важливим застосуванням вузькощілинних напівпровідників є створення ІЧ-фотоприймачів на основі структур метал-діелектрик-напівпровідник (МДН), які відрізняються відносною простотою виготовлення. МДН структури досить добре підходять для створення на їх базі великих інтегрованих схем. Перспективним є також застосування Hg_1-хCd_хTe у вигляді епітаксійних шарів для підвищення коефіцієнта корисної дії сонячних батарей, твердотільних лазерів на квантових ефектах і т.п.

Крім цього, вузькощілинні напівпровідники є також надзвичайно цікавим об`єктом для фундаментальних досліджень фізики твердого тіла. Зокрема, вузькощілинні напівпровідники - перспективні матеріали для вивчення релятивістських явищ у твердих тілах.

Однак, не дивлячись на вагомі успіхи, досягнуті у вивченні фізичних властивостей вузькощілинних напівпровідників та в розвитку технології отримання досконалих матеріалів, залишаються невирішеними принципові проблеми, пов`язані з їх особливостями, зокрема в Hg<sub>1-x</sub>Cd<sub>x</sub>Te. Ці особливостi безпосередньо впливають на параметри реальних кристалів і функціональні параметри фотоелектричних приладів, а тому їх вивчення має першорядне значення. Йдеться насамперед про нестабільність деяких властивостей вузькощілинних сполук. Основною причиною вказаної нестабільності є досить мале значення енергії хімічного зв`язку в кристалічній підгратці Hg-Te, а також структурні недосконалості, пов`язані зі специфікою технології отримання потрійних розчинів типу Hg_1-xCd_xTe.

Виходячи з цього, надзвичайно важливим є вивчення впливу дефектів структури на фізичні, а особливо фотоелектронні властивості матеріалів ІЧ-оптоелектроніки і на процеси деградації приладів на їх основі; вивчення процесів дефектоутворення в реальних кристалах і плівках вузькощілинних напівпровідників під впливом різних факторів та процесів взаємодії дефектів різного типу. Саме вирішенню цих проблем і присвячена дисертаційна робота. Тому тема дисертації є актуальною.

Зв`язок праці з науковими програмами, планами, темами. Наукові дослідження дисертаційної роботи провадились за наступними темами і науковими програмами:

1. Наукові теми Інституту прикладної фізики Львівського національного університету імені Івана Франка "Наукові основи підготовки та організації національного виробництва систем теплобачення різного застосування" (1994-1996 рр., № д.р. Ь01.94.ВV001145) та "Розробка фізико-технологічних основ створення напівпровідникових фотоприймальних модулів ІЧ діапазону для тепловізійних систем" (1997-2000 рр., № д.р. 0197U08092).

2. Наукові теми Міністерства освіти України Дрогобицького державного педагогічного університету імені Івана Франка "Одержання та дослідження фізичних властивостей гетероструктур на основі вузькощілинних напівпровідників" (1993-1995 рр.) і "Отримання епітаксійних плівок на основі вузькощілинних напівпровідників" (1995-2000 рр.).

3. Господарсько-державна наукова тема кафедри загальної фізики Дрогобицького державного педагогічного університету імені Івана Франка з Інститутом фізичних проблем (м. Зеленоград: 1989 -1992 рр., № д.р. 01910017938).

Мета і задачі досліджень. Дослідження, приведені в дисертації мають на меті визначення впливу дефектоутворення у матеріалах ІЧ-оптоелектроніки на їх фотоелектричні властивості за дії різних зовнішних факторів, установлення особливостей фотоелектронних явищ у реальних базових кристалах вузькощілинних напівпровідників із різним типом дефектів та неоднорідностями, розробку методів удосконалення ряду властивостей елементних структур ІЧ-фотоприймачів та вивчення процесів деградації у базових матеріалах і функціональних ІЧ-структурах на їх основі.

Для досягнення цієї мети поставлено такі задачі:

удосконалити методики отримання тонкоплівкових структур придатних для функціональних вузлів ІЧ- оптоелектроніки на базі вузькощілинних напівпровідників на різного типу підкладках;

визначити особливості дефектоутворення в базових областях ІЧ-пристроїв (зокрема, в кристалах Hg_1-xCd_xTe) під дією іонізуючого випромінювання: нейтронів, рентгенівського випромінювання, лазерного опромінення з різними довжинами хвиль і тривалістю імпульсів, а також іонів низької та високої енергій;

визначити вплив дефектоутворення в процесах пластичної деформації на характеристики фоторезисторів на основі Hg_1-xCd_xTe;

виявити характер протікання фотоелектричних процесів у реальних фоторезисторних матеріалах, зокрема, в неоднорідних об`ємних, плівкових та полікристалічних напівпровідниках Hg_1-xCd_xTe; встановити механізми рекомбінації нерівноважних носіїв заряду (ННЗ) в альтернативних вузькощілинних напівпровідникових матеріалах Hg_1-xMn_xTe, Hg_1-x-yCd_yZn_xTe;

дослідити ступінь і мікромеханізми деградації фотоелектричних параметрів фоторезисторних матеріалів на основі вузькощілинних напівропровідників, як у природних умовах, так і в умовах низькотемпературного відпалу; розробити методики підвищення стабільності параметрів фоторезисторних матеріалів ІЧ-оптоелектроніки, зокрема, отримати напівпровідникові матеріали зі стабілізуючими компонентами;

дослідити фотоелектричні і імпульсні властивості фотодіодів на основі вузькощілинних напівпровідників та визначити причини їх деградації під дією температури і радіації.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі проведення комплексних вимірювань і теоретичних досліджень одержано наступні наукові результати:

1. Установлено, що характер деградації фотоелектричних параметрів фоторезисторів на основі халькогенідів ртуті (Hg_1-xCd_xTe), визначається в основному виникненням неоднорідних каналів діркової провідності з підвищеною концентрацією вакансій ртуті (акцептори). У цих областях вакансії частково можуть утворювати комплекси типу V_Hg - V_Hg. Відносно вищою стабільністю параметрів і механічною міцністю (~ 1,5 раза) володіє базовий матеріал Hg_1-x-yCd_yZn_xTe (об`ємні монокристали і отримані методом парофазної епітаксії плівки).

2. Установлено, що фоторезистори у вигляді тонких шарів твердих розчинів Hg_1-xCd_xTe, Hg_1-x-yCd_xZn_yTe, Hg_1-xZn_xTe, Hg_1-xMn_xTe з досить якісними фотоелектричними і електрофізичними характеристиками на підкладках різного типу, а також надгратки типу HgTe-CdTe, HgTe-ZnTe можна отримати методом лазерного осадження. Структурними властивостями шарів - від аморфної структури до мозаїки - у процесі росту можна керувати зовнішніми факторами: температурою і типом підкладок, післяростовим відпалом і т.п.

3. Установлено, що основним типом дефектів, які виникають у технологічних процесах ІЧ-приладобудування із застосуванням радіаційного випромінювання (нейтрони, високо- і низькоенергетичні іони, рентгенівські промені, ударні лазерні хвилі) є пари Френкеля Hg_і -V_Hg. Міграція міжвузлових атомів ртуті (Hg_і) веде до утворення областей з високою електронною провідністю за рахунок зниження ступеня компенсації матриці напівпровідника. Зокрема, коефіцієнт дифузії Hg_і може досягати аномально високих значень при дії високочастотного розряду ртуті.

4. Виявлено, що характер зміни типу електропровідності фоторезисторних матеріалів (зокрема, кристалів Hg_1-xCd_xTe) -n p, p n при дії лазерного опромінення залежить від параметрів імпульсу (потужність випромінювання, довжина хвилі та тривалість у часі) і пов`язана з конкуренцією двох механізмів дефектоутворення: теплового розігріву кристалічної гратки і генерацією при цьому ртутних вакансій та дії ударної хвилі, яка є причиною неоднорідного утворення пар Hg_і - V_Hg у ртутній підгратці.

5. Пластична деформація фоторезисторів на основі вузькощілинних напівпровідників (зокрема, на основі Hg_1-xCd_xTe) викликає появу енергетичних бар`єрів у матриці, які є причиною активаційного ходу фотоелектричних параметрів у низькотемпературній області. Установлено, що в процесі деформації можлива зміна типу механізму рекомбінації ННЗ у базовій області.

6. Установлено, що поряд із точковими дефектами, визначальними у формуванні фотоелектричних властивостей фоторезисторів на основі Hg_1-xCd_xTe, зокрема, їх релаксаційних процесів, є макронеоднорідності базової області: міжзеренні границі, дислокаційні скупчення, МКГ і т.п. Виявлено асиметрію фотовідгуку, пов`язану із дифузійними процесами ННЗ. Установлено, що основним типом механізму рекомбінації ННЗ в кристалах Hg_1-xCd_xTe із високим вмістом Cd є механізм Шоклі-Ріда за участю повільних r- і швидких s-центрів.

7. Установлено, що механізм протікання струму в p-n-переходах на основі Hg_1-xCd_xTe залежно від ступеня дефектності їх базових областей змінюється від дифузійного до тунельного. Виявлено, що у p-n-переходах, створених іонною імплантацією домішки В⁺, існує перехідна область типу p^-, товщина якої сягає кількох мікрометрів. Зокрема, встановлено, що температурна деградація фотодіодів на базі Hg_1-xCd_xTe має швидку і повільну складові, а струм в p-n-структурах після деградації протікає через шунтуючі канали електронної провідності із підвищеною концентрацією домішки.

8. Установлено, що існують релаксаційні процеси, пов`язані з відновленням властивостей виведеної з рівноважного стану p-n-структури (або кристалічної гратки напівпровідника), механічною дією або дією лазерного імпульсу. Такі процеси переважно визначаються міграцією міжвузлових атомів ртуті або ртутних вакансій, залежно від співвідношення їх концентрацій у кристалічній гратці.

Практичне значення отриманих результатів. Практичне значення отриманих результатів насамперед визначається тією обставиною, що майже всі вони спрямовані на вивчення фізичних процесів у напівпровідникових матеріалах ІЧ-оптоелектроніки і визначення тих характеристик матеріалів, які безпосередньо впливають на функціональні параметри приладів та функціональних пристроїв. Отримані результати були основою наукових звітів із тем науково-дослідних робіт, що фінансувались по лінії Міністерства освіти і науки України і Інститутом фізичних проблем (м. Зеленоград). Їх можна використати в науковій практиці для розробки ІЧ- систем фотоелектроніки. Важливе прикладне значення мають наступні результати і висновки:

1. Установлено підвищену температурну і механічну стійкість матеріалу Hg_1-x Cd_xTe при введенні атомів Zn. Причому існують можливості введення їх як безпосередньо в шихту при вирощуванні монокристалів, так і низькотемпературним (~ 220 ^oС) дифузійним відпалом у парах ртуті та цинку.

2. Показано можливість отримання функціональних структур ІЧ-оптоелектроніки методом імпульсного лазерного осадження-епітаксії (ІЛО), або в комбінації з методом ізотермічної парофазної епітаксії (ІЗО ПФЕ), зокрема, на сапфірових підкладках із буферними шарами CdZnTe або CdTe і з пасивацією CdZnTe, або CdTe, а також можливість отримання плівок вузькощілинних напівпровідників із аморфною структурою.

3. Визначено закономірності керування концентрацією носіїв заряду в об`ємі кристалів опроміненням тепловими нейтронами, електронними пучками та рентгенівськими променями.

4. Установлено, що при конверсії типу провідності (p ® n) в процесі опромінення поверхні кристалів Hg_1-xCd_xTe низькоенергетичними іонами ртуті або аргону часи життя ННЗ наближаються до порогових теоретичних значень.

5. Показано, що підбором параметрів лазерного випромінювання можна здійснити травлення поверхні кристалів Hg_1-xCd_xTe з виявленням фігур травлення.

6. Проведено моделювання фотоелектричних явищ у неоднорідних напівпровідниках, яке базується на процесах дифузії і рекомбінації ННЗ, зокрема, встановлено залежність між фотопровідністю, яка визначається усередненим часом життя ННЗ та характером і концентрацією неоднорідностей (виділення, границі зерен). Показано, що одним із критеріїв наявності крупномасштабних неоднорідностей у напівпровіднику є асиметрія часового фронту наростання і спаду фотопровідності.

7. Установлена роль проміжного шару р ^--типу (або n ^-) провідності у формуванні імпульсних характеристик у p-n-переходах, зокрема виявлено його затягуючий ефект у релаксаційних процесaх. Показано можливість управління механізмами проходження струму в p-n-переходах, а також перехідними струмовими процесами у фотодіодах зовнішнім магнітним полем.

8. Визначено, що ступінь деградації фотодіодів на основі Hg_1-xCd_xTe, створених іонною імплантацією домішок (B⁺), можна зменшити їх короткочасним відпалом при температурі T > 60 ^оС.

9. Установлено, що однією із причин деградації фотодіодів на основі Hg_1-x Cd_xTe є приповерхневі канали протікання струму, пов`язанні з нагромадженням зарядів у пасиваційному діелектричному шарі, яке може змінюватись за дії освітлення.

Більшість результатів роботи у формі кількісних значень, у вигляді графіків, таблиць і т.п. можна використати в наукових закладах, на підприємствах і в лабораторіях, які займаються технологією, розробкою і виготовленням напівпровідникових матеріалів і приладних структур для ІЧ-оптоелектроніки.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі викладені результати досліджень, виконаних автором особисто [19, 22, 29, 30, 31, 33, 34, 35, 47], а також у співавторстві зі співробітниками Дрогобицького державного педагогічного університету імені Івана Франка [1, 2, 5, 7, 8, 10, 12, 15, 20, 26, 27, 39, 45, 50, 51]; Інституту прикладної фізики, фізичного факультету [28, 32, 36, 42, 44] та факультету прикладної математики [49] Львівського національного університету імені Івана Франка; Інституту напівпровідників НАН України [3, 4, 6, 46]; Інституту фізичних проблем (м. Зеленоград) [11, 14, 16, 17, 21, 23, 24, 25]; Національного університету "Львівська політехніка" [38, 40, 48]; Інституту фізики Жешувської Вищої педагогічної школи (РП) [9, 13, 18, 37, 41, 43].

Дисертанту належить загальна постановка задач; вибір проблем, цілей i методів досліджень; розробка конкретних фізичних моделей, а також безпосередня участь в отриманні більшості експериментальних зразків і проведенні вимірювань (зокрема електрофізичних і фотоелектричних), в обробці та узагальненні експериментальних та теоретичних результатів, у підготовці публікацій.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали дисертації доповідались і обговорювались на: ХV Всес. симпоз. по акустоэлектронике (Кишинев, 1989); Респ. конф. "Физика и химия поверхности и границ раздела узкощелевых полупроводников" (Львов-Алушта, Украина, 1990); II Simpozjum "Techniki Laserowej" (Szczecin, Poland, 1990); Conf. "Phys. for. industry EPS, PPS" (Krakow, Poland, 1991); V Міжнародн. конф. з фізики і технології тонких плівок (Івано-Франківськ, Україна,1995); ІІ Росс. конференция по "Физике полупроводников" (Петрозаводск, Россия, 1996); Int. Conf. "Science and Mater. Prop. Inf. Opt." (Uzhgorod, Ukraine, 1996); VI міжнар. конф. "Фізика і технологія тонких плівок" (Івано-Франківськ, Україна, 1997); Spring Meeting Symposium, E-MRS (Strasbourg, France, 1996); Spring Meeting Symposium, E-MRS (Strasbourg, France 1998); Internat. Conf. "Solid State Crystals" (Zakopane, Poland, 1998); Conf. "Physics and Technology of Nanostr. Multicom. Nate" (Uzhgorod, Ukraine 1998); III Inter. Seminar "Hidden Symmetry Phys. Structures" (Rzeszow, Poland, 1998); Spring Meeting Symposium, E-MRS (Strasbourg, France, 1999); Conf. "Phys. problems in Mater. Sci. of Semicond." (Chernivtsi, Ukraine,1999); VII міжнар. конф. "Фізика і технологія тонких плівок" (Івано-Франківськ, Україна, 1999); 9 th International Conference "Narrow Gap Semiconductor" (Berlin, Germany, 1999); Conf. "Phys. problems in Mater. Sci. of Semicond." (Kiev, Ukraine, 2000), Spring Meeting Symposium, E-MRS (Strasbourg, France, 2000); Internat. Conf. "Solid State Crystals" (Zakopane, Poland, 2000); ІХ Haцион. конференция по роcту криcтaллов "HKPK-2000" (Mocквa, Россия, 2000).

Публікації

Основний зміст дисертації викладено у 80 наукових публікаціях, у тому числі 49 статтях у наукових виданнях (із них 39 статей у наукових журналах, 10 статей у збірниках наукових праць), 29 публікаціях у тезах наукових конференцій. Захищено 2 авторських свідоцтва на винаходи.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п`яти розділів оригінальних досліджень, висновків і списку використаних джерел. Вона містить 318 сторінoк, у т.ч. 152 ілюстрації, 7 таблиць і список використаних джерел із 370 назв.

Основний зміст роботи

У першому розділі описано ряд методик отримання матеріалів ІЧ-техніки на основі вузькощілинних напівпровідників. Потреби ІЧ-оптоелектроніки, а також поступ у фізичних дослідженнях вузькощілинних напівпровідників, вимагають пошуку поряд із існуючими нових методів отримання базового матеріалу для виготовлення функціональних приладних структур. Крім цього, проблемою є часова нестабільність електрофізичних параметрів, яка пов`язана зі структурою власних дефектів. Тому першочерговими є задачі встановлення мікромеханізмів температурного старіння напівпровідників на основі ртуті та стабілізації кристалічної гратки (наприклад, легуючим компонентом). Значна сегрегація компонент не дозволяє практично отримувати однорідний за складом напівпровідник (у вигляді монокристала чи епітаксійної плівки) традиційними методами, наприклад, методом Бріджмена-Стокбаргера або рідинною епітаксією. Альтернативними методами з точки зору сумісності функціональних структур і підкладок є методи епітаксії ІЛО, а також епітаксії ІЗО ПФЕ.

Поряд із вагомими перевагами Hg_1-xCd_xTe має і суттєві недоліки, насамперед це висока чутливість матеріалу до температурних і механічних дій. Ці особливості пов`язані зі слабким зв`язком атомів ртуті в кристалічній гратці кристала, що спричиняє низький поріг генерації власних дефектів і є однією з причин погіршення параметрів на різних етапах виготовлення приладів на основі Hg_1-xCd_xTe, а також призводить до прискореної їх деградації в процесі експлуатації. Тому було проведено пошук підвищення порогу генерації дефектів. Часткове введення атомів цинку замість атомів кадмію збільшує частку іонної складової хімічного зв`язку в гратці, завдяки чому зв`язок Hg-Te стає міцнішим. Кристали Hg_1-x-yCd_xZn_yTe мають стабільніші параметри та міцність кристалічної гратки порівняно із кристалами Hg_1-xCd_xTe, а в деяких випадках можуть бути альтернативним базовим матеріалом із цікавими фізичними властивостями. Зокрема, легування цинком можливе також через парову фазу при відпалі в парах ртуті і цинку. При цьому залежно від часу відпалу на поверхні утворюється широкощілинне "вікно", збагачене ZnTe за рахунок часткового заміщення атомів ртуті атомами цинку та утворення твердого розчину Hg_1-x-yCd_xZn_yTe.

Метод ІЗО ПФЕ, який було застосований нами, у деяких випадках конкурує з методом молекулярно-променевої епітаксії. Зокрема, характерною рисою цього методу є одержання досконалої морфології поверхні. Тонкі шари Hg_1-xCd_xTe було нарощено на монокристалічний CdTe (111), або на діелектричні підкладки Al₂O₃ орієнтації (0001), на поверхню яких попередньо наносили лазерним осадженням буферний шар CdTe завтовшки ~1-2 мкм. Контроль структурної досконалості буферних шарів провадили за допомогою методу електронографії. На основі вимірювання фото-е.р.с. U_ФЕРС(?) виявлено нелінійну варизонність по товщині плівок. Дані температурних залежностей часів життя ННЗ нестаціонарного і стаціонарного - ?_ts і -?_ss характерні для переважання механізму рекомбінації ННЗ типу Оже, однак асиметрія цих значень вказує і на вклад пасток у рекомбінаційні процеси. Наявність рекомбінаційних пасток у цьому разі можна пов`язати з точковими дефектами структури.

Метод отримання тонких плівок ІЛО є досить перспективним і також має низку переваг. Тонкі плівки Hg_1-xCd_xTe (d = 100-1500 нм) було отримано методом лазерного випаровування на підкладки Al₂O₃, а також на традиційні підкладки CdTe. Використано також підкладки KCl, NaCl, BaF₂. У деяких випадках плівки отримано випаровування одночасно із двох джерел (HgTe і CdTe, або HgTe і ZnTe). Структура, розмір зерен та морфологія поверхні плівок Hg_1-xCd_xTe залежать від багатьох факторів, основними з яких є температура та тип підкладки. За низьких температур підкладок (Т = 30 ^оС) плівки мали полікристалічну структуру.

На підкладках Al₂O₃ з аморфним приповерхневим шаром методом ІЛО було отримано в основному плівки з аморфною структурою за малої кількості лазерних імпульсів. При підвищенні температури підкладок структура плівок покращується, розмір полікристалічних зерен зростає. Усереднені розміри полікристалічних зерен оцінювали за допомогою електронографічного методу та трансмісійної електронної мікроскопії (ТЕМ). Усереднений розмір кристалітів у випадку аморфної плівки становив d < 7 нм і d ~ 0,5 мкм у випадку текстурованої плівки. Гомогенізуючий відпал полікристалічних плівок Hg_1-xCd_xTe у парах ртуті при температурі ~ 280 ^oС приводив до укрупнення кристалітів, очевидно за рахунок дифузійних процесiв нa границях кристалітів і орієнтації зерен у найбільш сприятливому кристалографічному напрямі. На основі електронографічних досліджень структури плівок Hg_1-xCd_xTe, отриманих методом ІЛО, обчислено експериментальні значення міжплощинних віддалей кристалічної гратки і зіставлено з табличними значеннями для цього матеріалу.

Установлено залежність морфології поверхні плівок Hg_1-xCd_xTe від типу лазера, який використовували для розпилення мішеней. Морфологію поверхні плівок досліджували за допомогою растрової електронної мікроскопії (РЕМ). Показано, що морфологія плівок Hg_1-xCd_xTe, отриманих за допомогою лазера YAG:Nd³⁺, є значно кращою ніж морфологія поверхні плівок, отриманих за допомогою ексимерного лазера XeCl. Так, плівки, осаджені за допомогою лазера XeCl, мають більш виражений рельєф поверхні.

Свіжоприготовлені плівки HgCdTe мають переважно n-тип провідності незалежно від типу провідності мішеней. Кращі плівки, отримані при температурі 210 ^оС, мали концентрацію електронів n ” 2^.10¹⁴ cм^-3, рухливість _n ” 1^.10⁴ см²/(Вс). Енергія забороненої зони, визначена в області високих температур (Т = 300-150 К) у цих плівках, становить E_g ”160 меВ при ширині забороненої зони матеріала мішені E_g ” 130 меВ. На основі фотоелектричних вимірювань можна стверджувати, що плівки мають високі значення часу життя ННЗ ?--при механізмі рекомбінації, характерному для Оже-процесів.

Епітаксійні плівки HgTe мають електронний тип провідності у всьому температурному діапазоні досліджень, а їх гальваномагнітні характеристики є типовими для сильнолегованих зразків. На температурних залежностях коефіцієнта Холла в області високих температур існують активаційні ділянки з різним значенням енергії активації E_i в межах від 5 до 11 меВ залежно від умов отримання плівок. Рухливість носіїв заряду для плівок HgTe різної товщини h = 300-1500 нм, свідчить про значний вплив поверхні на механізми розсіяння - класичний розмірний ефект.

Наявність у кристалічній гратці феромагнітного елементу - Mn, дає можливість застосувати чутливий метод електронного парамагнітного резонансу (ЕПР). На основі інтепретації форми лінії поглинання ЕПР плівок Hg_1-xMn_xTe, отриманих методом ІЛО, показано, що поряд із делокалізацією електронів існує також обмінна взаємодія між ними.

Методом ІЛО отримано багатошарові гетероструктури (надгратки) CdTe-HgTe, ZnTe-HgTe (11+10 шарів з товщиною ~ 10 нм кожний), нанесених з окремих джерел. У випадку осадження CdTe-HgTe отримано електронограми від текстурованого полікристала, а у випадку ZnTe-HgTe електронограми від полікристала. За одних і тих же умов осадження структурна досконалість шарів CdTe-HgTe є кращою ніж ZnTe-HgTe. Дослідження краю оптичного поглинання гетероструктур при Т = 77 К, а саме його розмиття, свідчить про наявність рельєфу енергетичних зон в окремих шарах. Отримано також структури HgCdTe-GaAs, перспективні для підвищення коефіцієнта корисної дії сонячних батарей, і епітаксійні плівки на підкладці з феромагнетика (HgCdTe-LuFeO₃), перспективні для фотомагнітних перетворювачів інфрачервоного випомінювання.

Напівпровідникові тверді розчини Hg_1-xCd_xTe характеризуються тим, що внаслідок слабого зв`язку атомів Hg в кристалічній гратці в ній легко утворюються власні точкові дефекти. Вони проявляються у зміні кінетичних коефіцієнтів при низькотемпературному відпалі (стимульована деградація). На зміну структури точкових дефектів впливають і внутрішні макродефекти (виділення фаз, малокутові границі і т.п.). Для відпалених зразків n-типу, крім зразків із видаленими приповерхневими шарами, виявлено збільшення концентрації акцепторів. Із підвищенням температури відпалу тип провідності змінюється i збільшується роль поверхні в генерації вакансій ртуті. Концентрацію донорів (N_d) і акцепторів (N_a) (і ступінь компенсації K = N_a/N_d) визначено зі співвідношень для концентрації електронів за малих величин магнітного поля: n = N_d -2N_a, при цьому використано залежності їх рухливості від концентрації іонізованих домішок: ?_n ? (N_a+N_d)^-1. Концентрацію акцепторів контролювали і за температурними залежностями часу життя ННЗ.

За зміною концентрації донорів відпалені зразки розділено на дві групи. Для зразків першої групи після відпалу при 70 ^oС концентрація донорів спочатку зростає, а потім пicля відпалу при вищих температурах зменшується з подальшим ростом концентрації акцeпторів. У відпалених зразках в області домішкової провідності змінюється тип механізму рекомбінації ННЗ з Шоклі-Ріда на ударний -Оже. Друга група зразків зазнає на початковому етапі відпалу швидших змін. Відпал зразків при 70 ^oС інвертує тип провідності в домішковій області за величини магнітного поля B > 0,8 Тл.

На основі даних з низькотемпературного відпалу припускаємо, що при низькотемпературному відпалi генерація дефектів проходить неоднорідно по об`єму зразків. Зміна концентрації донорів у цьому випадку визначається неоднорідністю розподілу посторонніх домішок, причому у ефективний переріз каналів протікання струму попадає різна усереднена їх концентрація. Вакансії ртуті виникають переважно біля внутрішніх недосконалостей (границь блоків, дислокацій і т.п.) і утворюють канали підвищеної провідності p⁺. Hевідповідність холлівських і фотоелектричних параметрів існує внаслідок неоднорідної генерації дефектів у процесі відпалу, оскільки на відміну від електропровідності сигнал фотовідгуку характеризує інтегральні властивості кристалів.

За вищих температур відпалу (T і 110 ^oС) на поверхні кристалів інтенсивно утворюються вакансії ртуті, які проникають вглиб. Для встановлення механізмів виникнення дефектів зразки другої групи відпалювали при 110 ^оС. Концентрацію акцепторів у травлених шарах залежно від віддалі до поверхні розраховано за величиною коефіцієнта Холла на основі залежностей характерних для двошарових структур. Оскільки на координатній залежності концентрації акцепторів N_a не спостерігається чіткої erf-функції, яка характеризує дифузійні процеси, коефіцієнт дифузії атомів ртуті із кристалiв оцінено методом трапецій- D_Hg ~ 10^-13-10^-14 м²/c.

Із ростом концентрації акцепторів дифузія ртуті сповільнюється, що може бути викликане як комплексоутворенням вакансійних асоціатів, так і впливом атомів міжвузлової ртуті, які є найбільш швидкодифундуючим дефектом. Енергія активації генерації акцепторів у діапазоні температур відпалу 25-120 ^oС, визначена зі залежностей N_a(T), в об`ємі зразків становить E_Hg ” 0,7 еВ. Величина E_Hg дещо менша енергії активації вакансій ртуті - V_Hg (E_VHg ” 0,9 еВ), що свідчить про вклад в дифузію рухливіших дефектів- міжвузлових атомів ртуті (Hg_i) з меншою енергією активації (E_Hgi ” 0,2 еВ).

Порівняльні дослідження дефектоутворення при низькотемпературному відпалі проведено в кристалах InSb. Поведінка власних дефектів у цих кристалах під час відпалу дещо інша ніж у Hg_1-xCd_xTе. Характер зародкування дефектів у кристалах InSb теж принципово відмінний. Проведення ізохронного відпалу показує, що в процесі термообробки кристалів InSb виникають донори як в електронних, так і в діркових зразках, які відповідають вакансіям Sb (леткішого компонента). Критичні температури відпалу, за яких різко змінюються параметри, становлять T_відп і 280 ^oС для кристалів n-типу і T_відп і 200 ^oС для кристалів p-типу провідності.

Другий розділ присвячено дефектоутворенню при радіаційних технологіях в процесах створення приладних структур на основі вузькощілинних напівпровідників. Характерною особливістю напівпровідників на основі ртуті є низька величина порогу генерації точкових дефектів, особливо в ртутній підгратці. Саме ця особливість дає змогу керувати дефектною структурою впливом іонізуючого опроміненя. Однак крім цього, опромінення призводить до небажаних наслідків під час певних технологічних методів управління типом провідності при створенні функціональних структур на базі цих матеріалів. При використанні пучків високих енергій, зокрема при іонній імплантації домішок, трансмутаційному легуванні, лазерній обробці і т.п. можливе виникнення низки радіаційних дефектів, які можуть впливати як на електрофізичні, так і на фотоелектричні характеристики кристалів і епітаксійних плівок.

Для вирішення багатьох прикладних завдань фізичної електроніки важливим є дослідження електрофізичних параметрів двошарових структур у вигляді підкладка - активний шар. Такі активні шари створюють саме іонною імплантацією домішок, дифузійним відпалом, лазерним опроміненням. Це переважно двошарові структури типу n-p, p-n, n⁺-p, p⁺-n і т.п. Проведено розрахунок температурних залежностей коефіцієнта Холла в двошарових структурах типу електронний поверхневий шар - матриця з дірковою провідністю, і показано, що вони немонотонні в області інверсії знаку. Яскравіше такі особливості спостерігаються на температурних залежностях ефективної рухливості. Поверхневий шар n⁺- провіднoстi навіть малої товщини суттєво впливає на формування електрофізичних характеристик вузькощілинних напівпровідників.

Цікавим з точки зору радіаційної дії на напівпровідники, в тому числі на тверді розчини Hg_1-xCd_xTe, є опромінення нейтронами, які створюють широкий спектр дефектів. У напівпровідниках, в склад яких входить Cd, теплові нейтрони генерують окремі точкові дефекти за участю атомів віддачі в результаті реакції (n,?) на ізотопі ¹¹³Cd, який проявляє аномально велику ймовірність захоплення нейтронів (за перерізу реакції 210⁴ барн). У кристалах n-типу провідності при потоці теплових нейтронів Ф = 310¹⁴ см^-2 виявлено зростання концентрації електронів, а в кристалах p-типу - незначне збільшення концентрації дірок. Зростання концентрації електронів і дірок у кристалах від дози опромінення описується залежністю: n = n₀exp(K₁^.Ф); p = p₀exp(K₂^.Ф), причому емпіричні значення відповідних коефіцієнтів рівні: К₁ ” 2^.10^-15 см²; K₂ ” 3^.10^-16 см².

У кристалах n-типу провідності з низькою концентрацією рівноважних електронів (n₀) змінюється механізм рекомбінації ННЗ з Оже- на тип Шоклі-Ріда в деякому інтервалі флюенсу нейтронів. Енергетичний рівень, який відповідає утвореним рекомбінаційним центрам знаходиться на E_a ” 50 меВ вище вершини валентної зони. Утворення таких рівнів спостерігається і при інших видах опромінення. На спектральних характеристиках стаціонарної фотопровідності (ФП) - U_ФП(?) опромінених кристалів icнують немонотонності в області фундаментального поглинання при його зміщенні в короткохвильову область. Цей ефект пов`язаний із виникненням радіаційно слаборозувпорядкованих областей, ймовірно збагачених CdTe, розмірами порядку дифузійної довжини ННЗ, яка в кристалах з електронним типом провідності досягає ~ 25 мкм. Із експериментальних результатів оцінено концентрацію точкових дефектів типу Френкеля, що виникають в Hg_0,8Cd_0,2Te залежно від потоку Ф теплових нейтронів, і яка становить ~ 40ґФ [см^-3]. Виходячи із моделей, що передбачають ядерну трансмутацію типу Hg₈₀(n,?^-) ® Au₇₉, поряд із генерацією дефектів Френкеля (донори), трансмутаційна домішка проявляє акцепторну дію. На початкових стадіях опромінення (Ф < 10¹⁵ см^-2) можлива також кластеризація матриці напівпровідника і появa механічних напружень на межах розділу, які зміщують довгохвильовий край ФП.

При опроміненні кристалів Hg_1-xCd_хTe електронами малих енергій (~ 35 кеВ) можлива дія декількох конкуруючих механізмів. Оскільки в зразках n-типу провідності концентрація електронів збільшується, а електронна провідність обумовлена сторонньою домішкою, то ймовірно, що під дією електронного пучка проходить перерозподіл домішки в приповерхневих шарах і утворення n⁺-n^--переходів. У збіднених домішкою областях проявляється механізм рекомбінації ННЗ за участю локальних центрів. У зразках p-типу провідності після опромінення (дозою D 10^-6 Кл/см²) утворюються шунтуючі канали електронної провідності.

В опромінених рентгенівськими квантами (з енергіями E_ф ” 7 кеВ) кристалах Hg_1-xCd_xTe, особливо з електронною провідністю, збільшується концентрація донорів і зменшується рухливість електронів. Зроcтання концентрації донорів від часу опромінення відповідає емпіричній залежності: N_d(t) = N_d0exp(K^.t) -де t - час опромінення, N_d0 - початкова концентрація донорів. Параметр K для зразків n -типу провідності становить приблизно 5^.10^-4 с^-1. При цьому, дозова залежність рухливості електронів за більших доз опромінення (D 2 кДж/см²) виходить на насичення. Високотемпературні (Т = 300 К) дефекти є відносно стабільними, такими стабільними дефектами можуть бути комплекси типу V_Hg-Te_i, V_Hg-V_Hg, трансформовані із радіаційно виникаючих пар Френкеля. Після опромінення в зразках електронної провідності утворюється локальний енергетичний рівень з E_t ” 40 меВ, визначений на низькотемпературній ділянці ходу ???, який сприяє збільшенню вкладу рекомбінації ННЗ. У вихідних компенсованих кристалах Hg_1-xCd_xTe спостерігаємо спад рухливості електронів зі зниженням температури в домішковій області (?_n ~T ^3/2), що характерно для розсіяння носіїв заряду на іонізованих домішках. Після опромінення малими дозами в таких кристалах рухливість у домішковій області збільшується, а її температурна залежність стає характерною для розсіяння носіїв заряду на акустичних фононах (?_n ~ T ^-3/2), що свідчить про утворення комплексів із власних дефектів кристалічної гратки і радіаційно утворених.

Оскільки рентгенівські кванти мають порівняно малі значення імпульсу, немає підстав очікувати прямого впливу випромінювання на об`ємні скупчення домішок, точкових дефектів і домішкових атмосфер дислокацій, а виявлені зміни можуть бути викликані розвитком каскадних процесів Оже. Для перевірки цього припущення були опромінені пластично деформовані кристали Hg_1-xCd_xTe, в яких після деформації спостерігали залишкове збільшення концентрації донорів. Після опромінення, розсмоктування домішкових атмосфер і відновлення електрофізичних властивостей не спостерігаємо.

У технології отримання n-p-переходів широко використовують імплантацію іонів B⁺ як найлегшого елемента, що спричиняє електронний тип провідності при мінімумі радіаційних пошкоджень. Пошарове стравлювання імплантованої поверхні показує, що приповерхневий шар має складну структуру. Ураховуючи, що коефіцієнт Холла (і провідність) визначаються переважно приповерхневими шарами, вважаємо, що енергетичні рівні радіаційних дефектів проявляються на глибині приповерхневого шару до ~ 5 мкм. Наявність рівнів із такими енергіями в забороненій зоні пов`язуємо з дефектами акцепторного типу. Радіаційні дефекти при температурах вище кімнатних є нестабільними, а їх дія усувається термовідпалом. Часову криву термовідпалу (в атмосфері азоту) можна апроксимувати залежністю ~ t<sup>1/4</sup>, яка свідчить про перевагу об`ємних центрів відпалу, а також про те, що під час відпалу бор може утворювати комплекси. Методом ДЕВЕВ (дифракції електронів високих енергій на відбивання) отримано інформацію про структурну досконалість приповерхневих шарів імплантованих іонами В⁺. Установлено, що цей шар має аморфну структуру при дозах D і 10¹⁴ cм^-2 майже на всю глибину проникнення іонів (до 400 нм). При іонній імплантації найімовірніше утворення дефектів типу Френкеля в ртутній підгратці (V_Hg; Hg_і) і рух атомів ртуті по міжвузлях (Hg_і), оскільки вони є найрухливішими дефектами з коефіцієнтом дифузії D_Hgі >> D_VHg. При цьому на деякій глибині від поверхні може утворитись шар слабкого n^--типу провідності.

Альтернативою використання переходів n⁺-p на кристалах Hg_1-xCd_xTe для виконання функціональних активних шарів ІЧ-оптоелектроніки є переходи типу p⁺-n. Зокрема для утворення області з дірковою провідністю використовують іони As⁺, які є акцепторами. В імплантованих кристалах Hg_1-xCd_xTe складу х = 0,2 діркової провідності польовий хід коефіцієнта Холла R_h(Н) характерний для зразків з інверсною провідністю на поверхні. Термовідпал створює шар з дірковою провідністю, що особливо проявляється на кристалах n-типу, глибиною приблизно до ~ 1 мкм. Концентрація акцепторів у відпалених кристалах не збігається з дозою введеної домішки, що вказує не тільки на неповну її активацію, а і на наявність комплексоутворення, як і для іонів B⁺. Методом ДЕВЕВ установлено, що імплантований іонами миш`яку приповерхневий шар також має аморфну структуру, однак на глибину приблизно в чотири рази меншу ніж при імлантації іонів бору.

Зміна спектру шумів в іонноімплантованих зразках пов`язана з відпалом радіаційних дефектів, які виникають при імплантації поверхні кристала, а хід спектральної залежності шуму в цьому випадку визначається двошаровою структурою. Зникнення генераційно-рекомбінаційної компоненти шуму у відпалених при Т > 60 ^оС структурах свідчить про те, що вона визначається дефектами вихідних структур і є надлишковим шумом.

Перспективою для практичного застосування є взаємодія поверхні з низькоенергетичними іонами (Hg⁺, Ar⁺) в режимі іонного травлення. Зокрема це стосується методів виготовлення приладів на основі Hg_1-xCd_xTe. Основною особливістю кристалів із опроміненою низькоенергетичними іонами поверхнею є інверсія типу провідності в діркових зразках і зростання концентрації електронів у електронних зразках. У травлених кристалах з дірковою провідністю інверсійні шари сягали кілька десятків мікрометрів. Процеси іонного травлення важливі і для кристалів електронного типу провідності в процесі виготовлення (розділення іонним пучком) фоторезистopних елементів.

Результати пошарового травлення низькоенергетичними (~ 0,5-3,0 кеВ) іонами поверхні Hg_1-xCd_xTe вказують, що товщина n⁺-шару менша 2,5 мкм і практично не залежить від товщини шару монокристала, який був видалений іонами ртуті. Вважається, що шар n⁺-виникає внаслідок генерації структурних дефектів і локальних деформацій у приповерхневій зоні, опроміненій іонами ртуті. Зміни властивостей після іонного травлення в зразках p-типу суттєвіші. За однакових доз іонів властивості кристалів змінюються однаково, і майже не залежать від типу іонів. Час життя ННЗ у компенсованих кристалах збільшується майже на порядок і практично досягає теоретичного значення при Оже-механізмі рекомбінації. Очевидно в процесі опромінення низькоенергетичними іонами поверхні кристалів Hg_1-xCd_xTe з дірковою провідністю утворюється тришарова структура типу n⁺-n-p (n⁺- до 2,5 мкм; n- до 5-250 мкм залежно від часу опромінення). Незалежність ефекту від типу іонів (Hg, або Ar) вказує на те, що джерелом дифундуючих іонів ртуті (з аномально високим значенням коефіцієнта дифузії - D_Hg ~ 10^-10 м²/c) можуть бути іони, розпилені з поверхні кристала.