Багатокомпонентні напівпровідникові тверді розчини АIIВVI та фотоприймачі на їхній основі

П`ятий розділ присвячений дослідженню фізичних властивостей бар`єрних структур на основі напівпровідникових твердих розчинів А^IIB^VI. Досліджувалися n⁺-p-структури, створені на основі кристалів Hg_0.9Mn_0.1Te р-типу бомбардуванням іонами аргону та Al-HgMnTe діоди Шотткі. Обидва типи структур мають особливості вольт-амперних характеристик, які не можна пояснити залученням традиційних підходів до описання бар`єрних структур, сформованих на широкозонних напівпровідниках. Серед цих особливостей можна виділити такі: а) вольт-амперна характеристика n⁺-p-переходу при прямому зміщенні відхиляється від залежності I~exp(eV/2kT); б) дифузійний струм (I~exp(eV/kT)) проявляється за дуже великих прямих зміщень; в) відношення прямого струму до оберненого не перевищує 100; г) у Al-HgMnTe діодах Шотткі випрямлення практично не спостерігається; д) випрямляючі властивості Al-HgMnTe діода Шотткі зі зниженням температури погіршуються.

Для вияснення фізичних причин цих особливостей нами було чисельно розв`язано рівняння Пуассона, записане для бар`єрної структури, та отримано розподіл густини об`ємного заряду, напруженості електричного поля і потенціалу. Встановлено, що розподіли густини просторового заряду, напруженості електричного поля і потенціалу в p-n-переході, які спостерігаються в широкозонному напівпровіднику, зазнають якісних змін в разі напівпровідника з шириною забороненої зони Е_g0.1 еВ, придатного для детектування інфрачервоного випромінювання в атмосферному вікні 8-14 мкм. (рис. 4). Ці зміни, обумовлені поведінкою основних носіїв заряду, доповнюються істотнім впливом неосновних носіїв заряду в несиметричному p-n-переході з виродженою n⁺-областю. Внаслідок цього залежність напруженості електричного поля від координати перестає бути лінійною, потенціал квадратичним, а густина просторового заряду - постійною.

Врахування усіх цих ефектів якісно змінює хід розрахованої залежності рекомбінаційного струму від напруги та робить її відмінною від аналітичної залежності (I ~ exp(eV/2kT)). У випадку великих прямих зміщень (~ 0.1В) помітний внесок у перенос заряду в n⁺-p-переході дифузії неосновних носіїв з менш легованої р-області у вироджену n⁺-область (а не з n⁺- в р-область, чого можна було чекати), що зображено на рис. 5.

Просторовий заряд, який створюється електронами в шарі р-області, що прилягає до межі розділу, призводить до помітного збільшення тунельного струму. Однак послідовне врахування тунелювання у наближенні Вен тцеля-Крамера-Бріллюена показує, що традиційні вирази для тунельних струмів призводять до завищених значень струму при малих зміщеннях та занижених значень R_oA-добутку, який визначає детектуючу здатність n⁺-р переходу.

Розраховані з урахуванням фізичних особливостей матеріалу вольт-амперні характеристики n⁺-р переходу на основі HgMnTe, демонструють якісне узгодження з експериментальними ВАХ, одержаними на Hg_{1_x}Mn_xTe діодах. Врахування впливу вільних носіїв на об'ємний заряд дозволяє пояснити особливості експериментальних вольт-фарадних характеристик без залучення до розгляду глибоких домішок. Аналогічну задачу розв`язали для Al-HgMnTe діода Шотткі. Показано, що за допустимих значень концентрації легуючої домішки та висоти бар'єра рекомбінаційний струм не може істотно впливати на пряму гілку вольт-амперної характеристики. Розрахунки тунельного і надбар'єрного струмів, з урахуванням особливостей розподілу потенціалу в бар'єрній області діода Шотткі у вузькощілинному напівпровіднику, дозволяють пояснити особливості експериментальних вольт-амперних характеристик досліджуваних Al-Hg_{1_x}Mn_xTe діодів: нелінійність ВАХ, відсутність випрямлення при 77 K та слабке випрямлення при 300 K (див. рис.6).

Цікаво дослідити якість отриманих діодів Шотткі. З попереднього можна зробити висновок про те, що фотоелектричні параметри такого діода досить низькі. Однак це не зовсім так. Ключовим параметром детектора є його виявна здатність D*, яка визначається провідністю діодної структури і фоновим випромінюванням:

. (30)

Провідність детектора виражають як добуток його диференційного опору за нульового зміщення та активної площі R_oA. Тут - квантова ефективність детектора; _с - довжина хвилі краю поглинання; с - швидкість світла; _B - освітленість, зумовлена навколишнім середовищем (число фотонів, що потрапляє на одиницю площі в одиницю часу, і поглинається напівпровідником); вважають рівною 0.5-0.7. Величина _B для _с =11 мкм, Т= 300 K та кута зору приймача 180° становить 6.510¹⁷ см²с¹.Розрахунки виявної здатності (30) показують, що для 77 K і нульового зміщення (умови роботи таких детекторів) добуток R_oA 2 Омсм². За такого значення R_oA перший доданок у квадратних дужках виразу (30) приблизно у 8 разів менший за другий. Це означає, що виявна здатність детектора визначається фоновим випромінюванням, тобто наближається до гранично можливого значення D*3.610¹⁰ смГц¹²Вт¹. Експериментальні виміри величини R_oA в залежності від напруги зміщення, які подано на рис. 7, підтверджують зроблений висновок.

Отже ми можемо стверджувати, що розглянутий діод Шотткі працює у режимі обмеження фоном, що свідчить про його високі фотоелектричні характеристики, які до того ж, не визначаються конструкцією або властивостями матеріалу, з якого він побудований. Усе це дозволяє стверджувати, що за азотних температур ми маємо високоякісний детектуючий прилад.

Можна припустити, що Al-Hg_{1_x}Mn_xTe діод має високу детектуючу здатність і за кімнатних температур (R_oA0.6 Омсм²). Однак не треба забувати, що при 300 K заборонена зона Hg_0.9Mn_0.1Te збільшується до 0.16 еВ, а гранична довжина хвилі зміщується в бік коротких хвиль (_с7 мкм). Для такого значення _с фонове випромінювання _B зменшується приблизно в 5 разів порівняно з _с=11 мкм. В результаті, величина D* детектора за кімнатної температури виявляється далекою від граничного значення. Така поведінка, однак, є типовою для детекторів ІЧ випромінювання на основі вузькощілинних напівпровідників.

У шостому розділі досліджуються основні параметри HgMnTe з метою його використання в якості базового матеріалу фоточутливих елементів координатно-чутливого детектора на основі фотоелектромагнітного ефекту для визначення просторових координат потужного джерела випромінювання з довжиною хвилі 10.6 мкм, наприклад, СО₂-лазера. Особливості розробленої конструкції полягають в наступному: а) значна площа фоточутливого елемента оригінальної конструкції для досягнення найменшого порогу чутливості; б) термоелектричне охолодження, робоча температура фотоприймача - 180-200К.

Спираючись на результати попередніх розділів, ми провели оптиміза цію базового матеріалу, для чого було розв`язано систему рівнянь дрейфу та дифузії носіїв заряду у магнітному полі та отримано узагальнені вирази для виявної здатності та вольтової чутливості. Отримані вирази спрощується, якщо вважати, що потік дифузії носіїв заряду у зразку буде максимальним за умови мінімальної швидкості поверхневої рекомбінації S₀ на фронтальній його поверхні та максимальної - на тильній S_d. Встановлено, що для досягнення потрібних значень D* та R_v необхідно досягти мінімальних значень S₀, та максимальних - S_d. Це, у свою чергу, досягається відповідною технологічною обробкою поверхонь фоточутливої структури.

Дослідження залежності основних параметрів детектора від концентрації домішок дозволяють визначити оптимальні параметри Hg_1-xMn_xTe: оптимальний вихідний матеріал Hg_0.91Mn_0.09Te має бути слабким р-типом з концентрацією дірок, що задовольняє умові p=n(2b)^1/2 , де b -відношення рухливостей вільних носіїв заряду, тобто концентрація донорів N_d=10¹⁵ см^-3, N_a=1.510¹⁶ см^-3 для температури 180-200 К.

У якості діючих механізмів рекомбінації було обрано два: Оже- та випромінювальна рекомбінація, що також є традиційним для матеріалів цього класу. При цьому було отримано довжину зміщення амбіполярної дифузії ?20 мкм. Таке значення дифузійної довжини класичне і часто зустрічається в літературі (див., наприклад, [1*]), що доводить правильність нашого наближення.

Розрахунки виявної здатності та вольтової чутливості проводилися для фоточутливого елемента 50Ч50Ч25 мкм. Результати показують, що ми можемо досягти за температур термоелектричного охолодження (~180-200 К) чутливості 100В/Вт та виявної здатності ~2-510⁸ смГц^1/2 Вт^-1 на довжині хвилі 10.6 мкм.

Розглянемо можливості фотоелектромагнітного детектора за різних температур. Сьогодні це дуже важливе питання, оскільки останні досягнення техніки термоелектричного охолодження дозволяють надійно підтримувати температури у 120-150К. Як свідчать проведені розрахунки, фотоелектромагнітний детектор на основі HgMnTe за таких температур цілком здатний досягати виявної здатності у (2-3)10⁹ смГц^1/2 Вт^-1 та вольтової чутливості ~ 400-600 В/Вт. При цьому вказані параметри ще можуть коректуватися величиною індукції магнітного поля. Зауважимо, що такі високі показники досягаються за дуже високої швидкодії приладу: час фотовідповіді ФЕМД за розрахунками сягає одиниць наносекунд. Отже ми маємо надзвичайно перспективний фотоприймач, основні робочі параметри якого значно перевищують досягнення, отримані на фоторезисторах та фотодіодах за даних температур.

Ще кращих параметрів, можна досягти, охолоджуючи детектор кріогенними пристроями, розміри яких також поступово зменшуються. Як показують наші оцінки, за температури кипіння рідкого азоту основні параметри фотоприймальних пристроїв на основі фотоелектромагнітного ефекту можуть досягти: вольтової чутливості R_v=(5-7)10⁴ В/Вт та виявної здатності D_л = 10¹¹ смГц^1/2 Вт^-1 при наносекундному часі фотовідповіді.

Отже, як свідчать проведені дослідження, фотоприймальні пристрої на основі фотоелектромагнітного ефекту за умови використання нових альтернативних фоточутливих матеріалів, наприклад, як у нашому випадку, HgMnTe, та компактних магнітних систем на основі рідкоземельних елементів, можуть становити значний інтерес для розробників ІЧ апаратури, розрахованої на роботу в діапазонах довжин хвиль л=3-5 та л=8-14 мкм за азотних і підвищених робочих температур, які може підтримувати термоелектричне охолодження.

Підсумовуючи, можна стверджувати, що розроблений координатно-чутливий фотоприймач на основі фотоелектромагнітного ефекту, чутливий у діапазоні 8-14 мкм, здатен працювати при робочій температурі Т=200 К та реєструвати наносекундні імпульси випромінювання СО₂-лазера. Фотоприймач оснащений чотирикаскадним термоелектричним охолоджувачем для підтримання робочої температури і, відповідно, не вимагає кріогенної апаратури для своєї роботи.

Розроблений фотоприймач може використовуватися у пристроях автоматичного приземлення літаків з використанням променя потужного СО₂-лазера.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вивчено термодинамічну стабільність та концентраційні профілі компонентів вздовж злитків, запропоновано емпіричні формули для розрахунку ширини забороненої зони та концентрації власних носіїв заряду у багатокомпонентних напівпровідникових твердих розчинах A^IIB^VI. Результати досліджень використано для розрахунків гальваномагнітних коефіцієнтів і моделювання явищ струмопереносу у фотоприймачах на їхній основі.

1. Вперше досліджено термодинаміку стабільності багатокомпонентних напівпровідникових твердих розчинів A^IIB^VI: HgCdTe, HgMnTe, HgZnTe, HgCdMnTe, HgMnZnTe методом молекулярної динаміки у межах моделі “д-параметру ґратки”. Показано, що тверді розчини з кадмієм та цинком мають низькі критичні температури спінодального розпаду, при яких неможливе виникнення областей незмішуваності за типових режимів вирощування кристалів. Додавання марганцю у твердий розчин призводить до підвищення критичної температури та виникнення області нестабільності, межі якої добре узгоджуються з експериментальними даними. Біаксіальні деформації, що виникають у епітаксійних шарах на межі з підкладкою, звужують область нестабільності порівняно з об`ємними кристалами, причому найкращі результати демонструють підкладки з Cd_0.96Zn_0.04Te.

2. Вперше методом повністю асоційованих розчинів розраховано ізотерми ліквідусу та солідуса нового п`ятикомпонентного твердого розчину HgCdMnZnTe та виявлено взаємний вплив компонентів MnTe, ZnTe і CdTe на їх розподіл вздовж кристалів HgCdMnZnTe, вирощених методом зонної плавки. Цей вплив спричинює зменшення коефіцієнта розподілу CdTe при вирощуванні багатокомпонентних злитків порівняно з таким у HgCdTe.

3. Проведені дослідження дозволяють запропонувати наступні методи збільшення виходу матеріалу запланованого складу при вирощуванні кристалів методом зонної плавки: а) поступове зменшення довжини розплавленої зони при вирощуванні на початковій ділянці злитку; б) програмований розподіл складу початкового полікристалу керуванням умовами його вирощування.

4. Довільний параметр енергетичного спектру багатокомпонентних вузькощілинних твердих розчинів Hg_1-x-y-zA_xB_yC_zTe (де А, В, C - Cd, Mn або Zn) можна представити як лінійну комбінацію відповідних зонних параметрів двох три- або чотирикомпонентних матеріалів. Запропоновано емпіричні формули для розрахунку залежностей ширини забороненої зони та концентрації власних носіїв від вмісту компонентів та температури для Hg_1-x-yCd_xMn_yTe, Hg_1-x-zCd_xZn_zTe Hg_1-y-zMn_yZn_zTe та Hg_1-x-y-zCd_xMn_yZn_zTe, які можуть використовуватися у діапазоні температур 50<T<300K.

5. Уведення марганцю та цинку у багатокомпонентні тверді розчини A^IIB^VI спричинює зміну параметрів електронного спектру і призводить до збільшення ефективної маси електронів біля дна зони провідності: розраховані значення ефективної маси електронів у Hg_1-x-y-zCd_xMn_yZn_zTe більші, ніж у Hg_1-xCd_xTe і менші за такі у Hg_1-yMn_yTe.

6. Температурна залежність холлівської рухливості, питомої провідності та коефіцієнта Холла у вузькощілинних кристалах Hg_1-x-y-zCd_xMn_yZn_zTe у діапазоні температур 77-300К формується переважно розсіюванням носіїв заряду на іонізованих домішках та полярних оптичних фононах. Розсіювання на акустичних фононах, флуктуаціях складу та магнітних моментах атомів, а також внесок легких дірок у гальваномагнітні явища неістотні. Концентрація та енергія активації акцепторної домішки у кристалах Hg_1-x-y-zCd_xMn_yZn_zTe, визначені з дослідження температурної залежності коефіцієнта Холла при температурах 4.2-50 К, знаходяться в діапазоні (0.3 - 20)Ч10¹⁶ см^-3 і (0.1-9) меВ відповідно, що добре узгоджуються з літературними даними для матеріалів цього класу.

7. Уведення у твердий розчин Hg_1-xCd_xTe невеликих кількостей (до 5%) ізовалентних Mn та Zn та утворення п`ятикомпонентного твердого розчину Hg_1-x-у-zCd_xMn_yZn_zTe призводить до покращення його кристалічних властивостей, про що свідчить збільшення мікротвердості досліджених кристалів зі збільшенням вмісту Mn та Zn. Вперше показано, що Hg_1-x-у-zCd_xMn_yZn_zTe за основними зонними параметрами та характеристиками подібний до традиційних напівпровідникових твердих розчинів і може нарівні з HgCdTe використовуватися для виготовлення детекторів ІЧ випромінювання, чутливих у діапазонах 3-5 та 8-14 мкм.

8. Створено модель p-n-переходу для вузькощілинного напівпровідника, на основі якої пояснено особливості рекомбінаційного, дифузійного і тунельного механізмів переносу заряду, ємнісних і температурних характеристик діодів, що не вкладаються у відомі моделі, розроблені для широкозонних напівпровідників. Розв`язок рівняння Пуассона показує, що на розподіл електричного поля і потенціалу в n⁺-p-переходах істотно впливають вільні носії заряду та виродження електронного газу, обумовлене малою ефективною масою електронів (m^*_e?0.01m₀). Урахування цих чинників дозволяє пояснити в рамках теорії Саа-Нойса-Шоклі спостережуване відхилення рекомбінаційного струму від аналітичної залежності (I ~ exp(eV/2kT)), а також визначальний внесок дифузії електронів з менш легованої р-області у вироджену n⁺-область (а не з n⁺- в р-область) при великих прямих зміщеннях.

9. Об`ємний заряд, що створюється електронами в шарі р-області, прилеглому до межі поділу n<sup>+</sup>-p-переходу, призводить до помітного збільшення тунельного струму. Властивості досліджуваних Hg<sub>1-x</sub>Mn<sub>x</sub>Te діодів визначаються p-n-переходом з сильно виродженою n<sup>+</sup>-областю і бар`єром, висотою 0.22-0.29 еВ, значно більшим за E_g. Початкова ділянка прямої вольт-амперної характеристики діода обумовлена рекомбінацією в області просторового заряду n⁺-p-перехода, а за підвищених напруг - дифузійним струмом неосновних носіїв. Врахування впливу вільних носіїв на об`ємний заряд дозволяє також пояснити експериментальні вольт-фарадні характеристики досліджених переходів без залучення впливу глибоких домішок.

10. 10. Побудовано модель контакту метал-напівпровідник для вузькощілинного твердого розчину Hg_{1_x}Mn_xTe, на основі якої розраховано розподіли густини заряду в збідненій області напівпровідника, напруженості електричного поля та потенціалу. Розрахунки тунельного і надбар'єрного струмів з урахуванням особливостей розподілу потенціалу в бар'єрній області діода Шотткі у вузькощілинному напівпровіднику дозволяють пояснити особливості експериментальних вольт-амперних характеристик досліджуваних Al-Hg_{1_x}Mn_xTe діодів: нелінійність ВАХ, відсутність випрямлення при 77 K та слабке випрямлення при 300 K.

11. Диференційна провідність досліджуваних Al-Hg_{1_x}Mn_xTe діодів відповідає виявній здатності D*310¹⁰смГц¹²Вт¹, близькій до граничної для важливого у практичному використанні ІЧ діапазону 8-14 мкм в умовах фонового випромінювання при 77 K для кута зору180°.

12. Розраховано енергетичні, електрофізичні та фотоелектричні параметри Hg_1-xMn_xTe з метою використання його епітаксійних плівок для створення фотоелектромагнітних детекторів ІЧ випромінювання на довжину хвилі л=10.6 мкм, здатних ефективно функціонувати за умов термоелектричного охолодження (Т=180-200 К). Встановлено оптимальний склад зразків, концентрацію донорів і акцепторів: x=0.09; N_a=10¹⁶ см^-3; N_d=10¹⁵ см^-3. Розраховано оптимальні швидкості поверхневої рекомбінації на фронтальній (S₀?1 м/с) і тильній (S_d?100 м/с) поверхнях фоточутливого елемента для оптимізації потоку фотогенерованих носіїв, які забезпечуються відповідною технологічною обробкою поверхонь. Вольтова чутливість та виявна здатність за таких умов можуть досягати величин R_v~100 В/Вт і D_л ~2-510⁸ см·Гц^1/2Вт^-1 відповідно.

13. Розроблено оригінальну конструкцію термоелектрично охолоджуваного фотоелектромагнітного детектора для визначення просторових координат джерела потужного ІЧ випромінювання з довжиною хвилі л=10.6 мкм. Виготовлені експериментальні зразки фотоприймального пристрою на епітаксійних шарах HgMnTe/CdMnTe мають такі робочі параметри: температура Т=190-220К, яка підтримується чотирикаскадним термоелектричним охолоджувачем; вольтова чутливість R_v=(50-100) В/Вт, виявна здатність D_л = (2-5)10⁸ смГц^1/2 Вт^-1 в межах тілесного кута 120°. Розроблений фотоприймач може використовуватися у системах автоматичного приземлення літаків з використанням променя потужного СО₂-лазера.

ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА

1*. Рогальский А. Инфракрасные детекторы. Пер. с англ. - Новосибирск: Наука, 2003. - 636 с.

2*. Rogalski A. Resent progress in HgCdTe infrared detector technology // Optoelectronics Review. - 1998. - V.6,№1. - Р.47-67.

3*. Rogalski A. HgCdTe infrared detector material: history, status and outlook // Rep.Prog.Phys. - 2005. - V.68. - P. 2267-2336.

4*. Rogalski A. Hg_1-xMn_xTe as a new infrared detector material.// Infrared Phys. - 1991. - Vol. 31, №2. - P.117-166.

5*. Rogalski A. Hg_1-xZn_xTe as a potential infrared detector material // Prog. Quant. Electr. - 1989. - V.13. - P.299-353.

6*. Берченко Н.Н., Кревс В.Е., Средин В.Г. Полупроводниковые твердые растворы и их применение: Справочные таблицы. - М.:Воениздат, 1982. - 208 с.

7*.Гавалешко Н.П., Горлей П.Н., Шендеровский В.А.Узкозонные полупроводники.Получение и физические свойства. - Киев:Наук. думка,1984. - 288 с.

8*. Боднарук О.А., Горбатюк И.Н., Каленик В.И., Пустыльник О.Д., Раренко И.М., Шафранюк В.П. Кристаллическая структура и электрофизические параметры кристаллов Mn_xHg_1-xTe// Неорганические материалы. - 1992. - Т.28,№2. - С.335-339.

9*. Schmit J. Intrinsic carrier concentration of Hg_1-xCd_xTe as a function of x and T//J. Appl. Phys. -1970. - V.41, №7. - P. 2876-2879.

10*. Власенко А.И., Олих Я.М., Савкина Р.К. Подвижность носителей заряда в кристаллах n-HgCdTe в условиях динамического ультразвукового нагружения // ФТП. - 2000. - Т.34,№6. - С.670-676.

11*. Богобоящий В.В. О механизмах рассеивания дырок в HgCdTe p-типа при низких температурах // ФТП. - 2002. - Т.36,№12. - С.1418-1425.

12*. Jaczynski M., Kossut J., Calazka R.R. Influence of exchange interaction on the quantum transport phenomena in Hg_1-xMn_xTe // Phys. Stat. Sol.(b). - 1978. -V.88,№1. - P. 73-85.

Основні результати дисертації опубліковані у працях:

1. Боднарук О.А., Горбатюк И.Н., Остапов С.Э., Раренко И.М., Шафранюк В.П., Ничий С.В. Исследование процессов выращивания и структурного совершенства халькогенидов кадмия-ртути и марганца-ртути // Неорганические материалы. - 1995. - Т.31, №10. - С.1347-1350.

2. Остапов С.Е., Боднарук О.О., Раренко І.М. Ширина забороненої зони та концентрація власних носіїв заряду у HgCdMnTe // УФЖ. - 1998. - Т.43,№4. - С.463-466.

3. Gorbatyuk I.M., Ostapov S.E., Rarenko I.M. HgCdMnZnTe: the new material for IR photoelectronics // J. of Alloys and Compounds. - 2004. - V.371,№1-2. - P.114-117.

4. Deibuk V.G., Ostapov S.E. Unstable mixing regions in CdMnHgTe and ZnMnHgTe solid solutions // J. of Alloys and Compounds. - 2006. - V.423,№1-2. - Р.144-146.

5. Боднарук О.А., Горбатюк И.Н., Остапов С.Э., Раренко И.М. Концентрация собственных носителей и эффективная масса электронов в MnHgTe // ФТП. - 1992. - T. 26, №3. - С. 468-472.

6. Горбатюк И.Н., Марков А.В., Остапов С.Э., Раренко И.М. HgCdMnZnTe: новая альтернатива HgCdTe // ФТП. - 2004. - Т.38, №12. - С.1414-1418.

7. Bodnaruk O.O., Ostapov S.E., Rarenko I.M., Sklyarchuk V.M., Sklyarchuk O.F., Tymochko M. Investigations of transport phenomena in HgMnTe and HgCdMnTe monocrystals // J. of Alloys and Compounds. - 2004. - V.371,№1-2. - P.93-96.

8. Kosyachenko L.A., Markov A.V., Ostapov S.E., Rarenko I.M. Electronic transport properties of HgCdTe-type n⁺-p junctions // Infrared Phys. Technol. - 2003. - V.44, №1. - P.1-10.

9. Ostapov S.E., Gorbatyuk I.N., Dremlyuzhenko S.G., Zhikharevich V.V., Rarenko I.M., Zaplitnyy R.A., Fodchuk I.M., Deibuk V.G., Popenko N., Ivanchenko I., Zhigalov A.A., Karelin S.Yu. HgCdMnZnTe: growth and physical properties // J. Alloys and Compounds. - 2006. - V.423,№1-2. - Р.139-143.

10. Дейбук В.Г., Дремлюженко С.Г., Остапов С.Э. Термодинамическая устойчивость объемных и эпитаксиальных твердых растворов CdHgTe, ZnHgTe, MnHgTe // ФТП. - 2005. - Т.39,№10. - С.1153-1158.

11. Popenko N., Ivanchenko I., Brovenko I., Zhigalov A., Karelin S., Gorbatyuk I., Ostapov S., Dremlyuzhenko S., Rarenko I., Zaplitnyi R., Deibuk V. Some characteristics of semiconductor HgCdMnZnTe solid solution crystals // Functional Materials. - 2006. - V.13,№2. - Р.249-254.

12. Оліх Я.М., Остапов С.Е., Тимочко М.Д. Вплив ультразвукової обробки на електрофізичні властивості монокристалів HgMnTe та HgCdMnTe// УФЖ. - 2005. - Т.50,№10. - С.1145-1151.

13. Боднарук О.А., Марков А.В., Остапов С.Э., Раренко И.М., Слонецкий А.Ф. Ширина запрещенной зоны и концентрация собственных носителей в твердых растворах HgCdMnTe и HgCdZnTe.//ФТП. - 2000. - T.34,№4. - С.430-432.

14. Косяченко Л.А., Марков А.В., Остапов С.Е., Раренко І.М., Склярчук В.М., Склярчук О.Ф. Дослідження фізичних властивостей р-HgMnTe в області змішаної провідності // Журнал фізичних досліджень. - 2003. - Т.7,№1. - С.101-105.

15. Косяченко Л.А., Остапов С.Э., Сун Вейгуо. Особенности генерационно-рекомбинационных процессов в p-n-переходах на основе HgMnTe//ФТП. - 2000. - Т.34, №6. - C.695-698.

16. Косяченко Л.А., Марков А.В., Остапов С.Э., Раренко И.М. Генерационно-рекомбинационные и диффузионные токи в n⁺-p-переходах HgMnTe // ФТП. - 2001. - Т. 35, №11. - С.1326-1334.

17. Косяченко Л.А., Марков А.В., Остапов С.Э., Раренко И.М. Особенности электрических характеристик n⁺-p- перехода на основе узкозонных полупроводников // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2001. - №3. - С.12-15.

18. Косяченко Л.А., Марков А.В., Остапов С.Э., Склярчук В.М., Склярчук О.Ф. Электрические свойства диодов Шоттки на основе узкозонного HgMnTe // ФТП. - 2002. - Т.36, №10. - С.1217-1224.

19. Годованюк В.Н., Добровольский Ю.Г., Остапов С.Э., Раренко И.М., Фотий В.Д. Состояние и перспективы микрофотоэлектронного комплекса в Черновицком регионе Украины//Прикладная физика. - 2003. - №3. - С.72-83.

20. Косяченко Л.А., Марков А.В., Остапов С.Э., Раренко И.М. Исследование контакта “металл-полупроводник на основе HgMnTe” //Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2002. - №3. - С.3-5.

21. Gorbatyuk I.N., Zhikharevich V.V., Ostapov S.E. Investigation on the growing of Hg_1-x-y-zA_xB_yC_zTe solid solutions by modified zone melting method // SPQEO. - 2005. -V.8,No.4. - P.22-25.

22. Горбатюк И.Н., Остапов С.Э., Дремлюженко С.Г., Заплитный Р.А., Фодчук И.М., Жихаревич В.В., Дейбук В.Г., Попенко Н.А., Иванченко И.В., Жигалов А.А., Карелин С.Ю. Исследование физических свойств HgCdMnZnTe как нового материала ИК оптоэлектроники // ФТП. - 2005. - Т.39,№9. - C.1053-1058.

23. Ostapov S.E., Rarenko I.M., Tymochko M.D. Galvanomagnetic phenomena in HgMnTe and HgCdMnTe monocrystals // SPQEО. - 2004. - V.7,№4. - P.339-342.

24. Deibuk V.G., Dremlyuzhenko S.G., Ostapov S.E. Unstable mixing regions in II-VI quaternary solid solutions // SPQEO. - 2005. - V.8,No 4. - P.1-4.

25. Zhikharevich V.V., Ostapov S.E., Deibuk V.G. Investigation on the bandgap of semiconductor solid solution Hg_1-x-y-zCd_xMn_yZn_zTe // SPQEO. - 2006. - V.9,№3. - P.17-21.

26. Ostapov S.E., Gorbatyuk I.N., Zhikharevich V.V. Investigation of the Physical Properties of Multicomponent Solid Solutions Hg_1-x-y-zA_xB_yC_zTe // SPQEO. - 2005. - V.8,№1. - P.30-35.

27. Ostapov S.E., Zhikharevich V.V., Deibuk V.G. Іnvestigation of the effective mass of electrons in solid solutions Hg_1-x-y-zA_xB_yC_zTe // SPQEO. - 2006. - V.9,№1. - Р.29-31.

28. Горбатюк І.М., Остапов С.Е., Жихаревич В.В. Дослідження електрофізичних властивостей монокристалів HgCdMnZnTe // Журнал фізичних досліджень. - 2005. - Т.9,№3. - С.248-252.

29. Боднарук О.А., Громко Е.Д., Остапов С.Э., Раренко И.М., Швец А.Г. Координатно-чувствительный фотоэлектромагнитный детектор ИК излучения на основе HgCdTe // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2004. - №6. - C.13-16.

30. Жихаревич В.В., Остапов С.Е., Раренко І.М. Дослідження процесу зонного вирощування кристалів напівпровідникових твердих розчинів Hg_1-х-у-zCd_хMn_yZn_zTe та шляхи його оптимізації // Фізика і хімія твердого тіла. 2006. - Т7,№4. - С.634-638.

31. Bodnaruk O.A., Markov A.V., Ostapov S.E., Rarenko I.M., Godovanyuk V.N. Schottky diode on the base of the solid solutions CdMnHgTe and CdZnHgTe // Proc. SPIE. - 1999. - V.3890. - P.111-116.

32. Ostapov S.E., Kosyachenko L.A., Markov A.V., Rarenko I.M., Sklyarchuk V.M., Sklyarchuk Ye.F. Electrical Properties of HgMnTe Schottky Diodes // Proc. SPIE. - 2003. - V.5065. - P.146-151.

33. Марков А.В., Остапов С.Е., Раренко І.М. Фотодіод Шотткі на основі напівпровідникового твердого розчину CdMnHgTe // Науковий вісник Чернівецького університету. Фізика. - 1998. - №3. - С.21-25.

34. Марков А.В., Боднарук О.О., Лазарєва О.В., Остапов С.Е., Раренко І.М., Шевчук Р.А. Висота бар'єру та вольт-амперні характеристики діодів Шотткі на основі MnHgTe i CdMnHgTe// Науковий вісник Чернівецького університету. Фізика. Електроніка. - 1999. - №63. - С.37-39.

35. Остапов С.Е. Деякі зонні параметри напівпровідникового твердого розчину HgCdMnTe // Науковий вісник Чернівецького університету. Фізика. - 1998. - T.30. - С.31-35.

36. Остапов С.Е. Розрахунок зонних параметрів твердого розчину HgCdZnTe // Науковий вісник Чернівецького університету. Фізика. - 1998. - T.32. - С.164-166.

37. Ostapov S.E. Investigation of the main band properties of HgCdMnZnTe // Proceedings of SPIE. - 2003. - V.5065. - P.152-157.

АНОТАЦІЯ

Остапов С.Е. Багатокомпонентні напівпровідникові тверді розчини А^IIВ^VI та фотоприймачі на їхній основі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків. - Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці, 2007.

Дисертацію присвячено комплексному дослідженню фізичних властивостей багатокомпонентних твердих розчинів A^IIB^VI з вмістом ртуті та фотоприймачів на їх основі. Вивчено термодинаміку стабільності досліджених твердих розчинів у межах моделі “д-параметру ґратки” та виявлено область незмішуваності за присутності марганцю. Досліджено розподіл компонентів під час вирощування кристалів методом зонної плавки. Вперше встановлено, що за наявності MnTe та ZnTe у твердому розчині, коефіцієнт розподілу CdTe зменшується порівняно з таким у HgCdTe, а кристалізація матеріалу відбувається, починаючи з найбільш високотемпературних компонентів. Вивчено основні параметри енергетичного спектру вузькощілинних твердих розчинів, запропоновано емпіричні формули для обчислення ширини забороненої зони та концентрації власних носіїв заряду. Досліджено гальваномагнітні явища у багатокомпонентних твердих розчинах A^IIB^VI. Отримані значення концентра ції акцепторів та їх енергії активації добре узгоджуються з експериментальними та літературними даними. Розроблено модель для опису бар`єрних структур на основі вузькощілинних напівпровідників, яка адекватно описує експериментальні вольт-амперні характеристики. Проведено оптимізацію енергетичних, електрофізичних і фотоелектричних параметрів Hg_1-xMn_xTe та розроблено оригінальну конструкцію термоелектрично охолоджуваного фотоелектромагнітного детектора для визначення просторових координат джерела потужного лазерного ІЧ випромінювання з довжиною хвилі 10.6 мкм.

Ключові слова: багатокомпонентні напівпровідникові тверді розчини, термодинамічна стабільність, метод зонної плавки, зонні параметри, гальваномагнітні явища, бар`єрні структури, фотоелектромагнітний ефект, фотодетектори.

ANNOTATION

Ostapov S.E. Multicomponent semiconductor solid solutions A^IIB^VI and photodetectors on their base. - Manuscript.

Thesis for Doctor of Science (Physics and Mathematics) degree by speciality 01.04.10 - Physics of semiconductors and dielectrics. - Yuri Fed'kovych Chernivtsi National University, Chernivtsi, 2007.

The thesis is deals with the complex studies of physical properties of multicomponent solid solutions A^IIB^VI and infrared photodetectors on their base. The thermodynamic stability of the solid solutions under consideration have been investigated by “д-lattice parameter” method. It have been shown, that all solid solutions with Mn content have the instability region. The component distribution in the crystals grown by zone melting method has been carried out. The segregation coefficients of the CdTe, MnTe and ZnTe were established. It was shown, that the crystallization process starts from the most high temperature component. The main band properties of the multicomponent narrow-gap solid solutions A^IIB^VI were studied and empirical formulas for calculation of the band gap and intrinsic carrier concentration have been proposed. The galvanomagnetic properties of A^IIB^VI crystals were studied. The calculation values of acceptors concentrations and their activation energy are in a good agreement with experimental data and with other author results. The theoretical model which adequate describes the peculiarities of the physical properties in the barrier structures on the base of narrow-gap semiconductors have been carried out. The optimization of the main parameters of the Hg_1-xMn_xTe has been fulfillment and the original design of the thermoelectrically cooled photoelectromagnetic detector have been carried out. The detector can be used for the determined of the space coordinates of the source of power laser IR irradiation with wave length л=10.6 mcm.

Key words: multicomponent semiconductor solid solutions, thermodynamic stability, zone melting method, band parameters, galvanomagnetic effects, barrier structures, photoelectromagnetic effects, photodetectors.

АННОТАЦИЯ

Остапов С.Э. Многокомпонентные полупроводниковые твердые растворы А^IIВ^VI и фотоприемники на их основе. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков. - Черновицкий национальный университет имени Юрия Федьковича, Черновцы, 2007.

Диссертация посвящена комплексному исследованию физических свойств многокомпонентных твердых растворов A^IIB^VI и фотоприемников на их основе. Исследована термодинамика стабильности твердых растворов HgCdTe, HgMnTe, HgZnTe, HgCdMnTe и HgMnZnTe. Результаты расчетов в рамках модели “д-параметра решетки” показывают, что в твердых растворах, содержащих марганец, существует область несмешиваемости. Другие исследованные твердые растворы стабильны во всем диапазоне концентраций при типичных температурах выращивания. Исследовано также влияние подложки на стабильность эпитаксиальных пленок многокомпонентных твердых растворов A^IIB^VI. Показано, что в случае подложки из CdZnTe достигается лучшая, по сравнению с подложками из CdTe, релаксация пленки, что приводит к сужению интервала несмешиваемости. Решено дифференциальное уравнение зонной плавки с переменными коэффициентами распределения для HgCdTe та HgMnTe, рассчитаны коэффициенты сегрегации и распределение компонентов в твердой фазе. Полученные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными. Методом полностью ассоциированных растворов в рамках модели простых регулярных растворов впервые исследовано распределение компонентов в пятикомпонентном полупроводниковом твердом растворе HgCdMnZnTe в процессе зонной плавки. Показано, что присутствие MnTe и ZnTe в твердом растворе приводит к уменьшению коэффициента распределения CdTe по сравнению с HgCdTe. Проведены исследования ширины запрещенной зоны, концентрации собственных носителей заряда и их эффективной массы в HgCdMnTe, HgCdZnTe, HgMnZnTe и впервые ? в HgCdMnZnTe. Предлагаются эмпирические формулы для расчета ширины запрещенной зоны и концентрации собственных носителей заряда в четырех- и пятикомпонентных твердых растворах. Исследованы гальваномагнитные явления в узкозонных твердых растворах A^IIB^VI в области смешанной проводимости. Впервые определены доминирующие механизмы рассеяния носителей заряда, концентрацию и энергию активации акцепторов, а также время жизни неравновесных носителей заряда в HgCdMnZnTe. Показано, HgCdMnZnTe по своим физическим свойствам подобен традиционным, более исследованным полупроводниковым твердым растворам, таким как HgCdTe или HgMnTe, и может использоваться для изготовления детекторов ИК-излучения, чувствительных в диапазонах 3-5 и 8-14 мкм. Исследованы распределение плотности пространственного заряда, напряженности электрического поля и потенциала в p-n-переходе и контакте металл-узкозонный полупроводник. Показано, что в случае узкозонного полупроводника эти зависимости становятся качественно иными: напряженность электрического поля перестает быть линейной, потенциал - квадратичной функцией координаты, а плотность заряда перестает быть постоянной. Перечисленные особенности не позволяют использовать модель, разработанную для описания барьерных структур на основе широкозонных полупроводников. Решение уравнения Пуассона для барьерных структур на базе узкозонных твердых растворов A^IIB^VI с учетом существенного влияния свободных носителей заряда позволило объяснить особенности экспериментальных вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик n⁺- p-перехода и диода Шоттки на основе HgMnTe. Показано, что существенный вклад в указанные зависимости в этом случае вносят диффузионный и туннельный токи, причем в случае больших прямых смещений (~ 0.1В) существенна диффузия неосновных носителей заряда из слабее легированной р-области в вырожденную n⁺-область (а не из n⁺- в р-область). Дифференциальная проводимость исследованных Al-Hg_{1_x}Mn_xTe диодов соответствует обнаружительной способности D*310¹⁰смГц¹²Вт¹, близкой к предельной для важнейшего в практическом смысле ИК диапазона 8-14 мкм в условиях фонового излучения для угла зрения 180° при рабочей температуре 77 К. Выполнена оптимизация энергетических, электрофизических и фотоэлектрических параметров Hg_1-xMn_xTe с целью использования его эпитаксиальных пленок для создания фотоэлектромагнитных детекторов ИК излучения на длину волны л=10.6 мкм, способных эффективно функционировать в условиях термоэлектрического охлаждения. Установлены оптимальная ширина запрещенной зоны, концентрация доноров и акцепторов ( x=0.09; N_a=10¹⁶ см^-3; N_d=10¹⁵ см^-3) для рабочей температуры Т=180-200 К. Оптимизированы основные конструктивные параметры и разработана оригинальная конструкция термоэлектрически охлаждаемого фотоэлектромагнитного детектора для определения пространственных координат источника мощного лазерного ИК-излучения с длиной волны 10.6 мкм. Разработанный фотоприемник может использоваться в системах автоматизированной посадки самолетов по лучу СО₂-лазера.

Ключевые слова: многокомпонентные полупроводниковые твердые растворы, термодинамическая стабильность, метод зонной плавки, зонные параметры, гальваномагнитные явления, барьерные структуры, фотоэлектромагнитный эффект, фотодетекторы.

Размещено на Allbest.ru