Модифікація властивостей вузькощілинних твердих розчинів CdxHg1-xTe при іонному травленні

52. Ижнин И.И., Власов А.П., Мынбаев К.Д. Релаксация параметров конвертированных при ионном травлении слоев в CdxHg1-xTe:As(Sb) // Тезисы докл. XIХ Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения.- Москва. - 2006.- С. 154-155.

АНОТАЦІЯ

Іжнін І.І. Модифікація властивостей вузькощілинних твердих розчинів CdxHg1-xTe при іонному травленні. - Рукопис.

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

У дисертації подано результати досліджень впливу низькоенергетичних йонів (Ar+) під час йонного травлення на властивості монокристалів, епітаксійних шарів та гетероструктур із широкозонними захисними шарами вузькощілинного p-CdxHg1-xTe. Встановлено дифузійний механізм формування під час йонного травлення джерела дифузії ртуті з високою концентрацією та дифузійний характер розповсюдження фронту конверсії, природу залежності глибини конверсії від складу матеріалу і температури зразка, вплив широкозонних захисних шарів на глибину конверсії. Обґрунтовано механізми конверсії типу провідності в легованому акцепторними домішками As, Sb, Cu, Ag, Au р-CdxHg1-xTe. Встановлено механізми релаксації електричних параметрів конвертованих шарів та з'ясовані питання їхньої температурної стабільності.

Ключові слова: вузькощілинні напівпровідники, CdxHg1-xTe, гетероструктури, йонне травлення, конверсія типу провідності, вакансії ртуті, міжвузлова ртуть, домішки, дифузія дефектів.

Ижнин И.И. Модификация свойств узкощелевых твердых растворов CdxHg1-xTe при ионном травлении. - Рукопись.

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

В диссертации представлены результаты исследований влияния низкоэнергетических ионов (Ar+) при ионном травлении на свойства монокристаллов, эпитаксиальных слоев и гетероструктур с широкозонными защитными слоями узкощелевого p-CdxHg1-xTe. Установлены диффузионный механизм формирования при ионном травлении источника диффузии ртути с высокой концентрацией и диффузионный характер распространения фронта конверсии, природу зависимости глубины конверсии от состава материала и температуры образца, влияние широкозонных защитных слоев на глубину конверсии. Обоснованы механизмы конверсии типа проводимости в легированном акцепторными примесями As, Sb, Cu, Ag, Au р-CdxHg1-xTe. Установлены механизмы релаксации электрических параметров конвертированных слоев и выяснены вопросы их температурной стабильности.

Ключевые слова: узкощелевые полупроводники, CdxHg1-xTe, гетероструктуры, ионное травление, конверсия типа проводимости, вакансии ртути, междоузельная ртуть, примеси, диффузия дефектов.

Izhnin I.I. Modification of properties of CdxHg1-xTe narrow gap solid solutions under ion milling. - Manuscript.

Thesis for a doctor sciences degree of physical and mathematical sciences by speciality 01.04.10 - physics of semiconductors and insulators. - Ivan Franko Lviv National University, Lviv, 2006.

In the thesis, a scientific and technical problem is considered, which is the processes and phenomena associated with interaction of low-energy ions with narrow-gap CdxHg1-xTe solid solutions.

On the basis of the study of the properties of the layers, which were converted by ion milling (IM) from p- to n-type conductivity in vacancy-doped р-CdxHg1_xTe (MCT), a diffusion mechanism of the formation of the source of interstitial mercury () with a high concentration of mercury atoms, and the diffusion character of the propagation of the conversion front are proposed and justified. It is established that a major factor, which determines the dependence of the conversion depth dj on the solution composition х and sample temperature Т is the internal electric field formed under IM in between the radiation-damaged subsurface layer and the converted layer. Conductivity type conversion in narrow-gap semiconductor р-PbTe doped with Tl, as well as in intrinsic р-Pb0.8Sn0.2Te and р-InSb is studied. It is established that the conversion mechanisms in these semiconductors drastically differ from those in р-MCT, which confirms the uniqueness of the conductivity type conversion in MCT.

The phenomenon of p-to-n conductivity type conversion is also established in MCT doped with acceptors such as Sb, Cu, Ag, and Au. It is shown that immediately after the IM process the concentration of electrons (donor defects) in the converted layer corresponds to that of the acceptor dopant. These donor defects are unstable and disintegrate after IM upon storage at the room temperature (Тr 20 С). The electron concentration in the converted layer decreases exponentially with time. It is revealed that re-conversion back to p-type does not occur at Тr, and the converted layer retains its n-type conductivity upon long (more than 3 years) storage. It is proven that the dj value in impurity- and vacancy-doped MCT, which was ion-milled under similar conditions, is the same. The mechanisms of conductivity type conversion in acceptor-doped MCT are proposed and justified. In MCT doped with As (Sb) the conversion is caused by the formation of donor complexes comprising an As (Sb) atom in the tellurium sub-lattice and a atom. In MCT doped with Cu(Ag, Au) conversion takes place through the formation of donor centers, which occur when a Cu(Ag, Au) atom is kicked out by a atom from the cationic sub-lattice into an interstitial position. The condition of the formation of the donor complexes or centers under IM is established, which is the excess of the concentration over the constants of the equilibrium of reactions of the defect formation. This fact is confirmed experimentally through comparing the effect of the IM on the MCT properties with that of the annealing of the anodic oxide grown on the surface of this material. The plausible reasons of the absence of full re-conversion at Тr in ion-milled MCT are discussed.

Temperature and time stability of the properties of p-n structures formed with IM in vacancy-doped р-MCT is studied experimentally. It is established that full re-conversion back to p-type conductivity can be achieved under annealing at temperatures Т >100 С. Thus, the maximum allowable temperature (90-100 С), which can be applied to p-n junctions formed by IM without changing properties of the structures during their processing, is determined. The existence of the short-term (up to one year) relaxation of the electrical properties of IM-formed p-n structures upon their storage at Тr is confirmed. The difference in the mechanism of relaxation in radiation-damaged n+-layer and the bulk of the converted n-layer is revealed. It is proven experimentally that after the short-term relaxation of the properties of the structures they retain their n+-n-р pattern for more than 10 years, if stored at Тr. On the basis of the analysis of the diffusion coefficients of MCT intrinsic defects, it is shown that at Т < 80 С the relaxation in vacancy-doped MCT cannot be explained by the generation of these defects (mercury vacancies and interstitials). It is proven both experimentally and theoretically that the relaxation (decrease in electron concentration) in the bulk of the converted layer is caused by the disintegration of the donor complexes and centers formed by atoms with residual I and V group acceptors. In the radiation-damaged n+-layers an additional mechanism of conductivity is revealed, which can be associated with donor defects formed through the capture of the atoms by structural defects (dislocation loops). Relaxation of the properties of these layers is explained by the neutralization of this type of donor defects.

Conversion of conductivity type is also studied in vacancy-doped heterostructures comprising narrow-gap р-CdxHg1-xTe layer and wide bandgap protective CdyHg1-yTe layer. It is shown that the presence of the wide bandgap layer decreases the conversion depth as compared to compositionally uniform narrow-gap MCT. A thick (~1 мm) CdTe protective layer precludes conversion in MCT under IM. It is established that the major factor that determines the dependence of the dj value and the parameters of the structures is the total electric field, which is the sum of the field of the p-n junction in the protective layer, and the field that forms in the vary-band part of the protective layer. The field of the p-n junction weakens the flux of the Hg atoms from their source into the MCT bulk, while the vary-band layer field enhances this flux, though the total field still weakens the flux.

Key words: narrow-gap semiconductors, CdxHg1-xTe, heterostructures, ion milling, conductivity type conversion, mercury vacancies, mercury interstitials, dopants, defect diffusion.

Підписано до друку 02.03.2007 р.

Формат 60*84/16. Папір друк. Гарнітура Таймс

Друк ізограф. Умовн. друк. арк. 2,16

Наклад 100 прим. Зам. 03.

СП „Євросвіт”

м. Львів, 79005,

а/с 6700

Размещено на Allbest.ru