НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

ДАВИДЕНКО СЕРГІЙ МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 621.315.592

ОТРИМАННЯ СТРУКТУР З КВАНТОВИМИ ЯМАМИ, ГЕТЕРОСТРУКТУР ТА ТОНКИХ ПЛІВОК НАПІВПРОВІДНИКІВ А4В6

ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ЇХ ВЛАСТИВОСТЕЙ

05.27.06технологія обладнання та виробництво електронної техніки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників Національної академії наук України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор,

член-кореспондент НАН України

Сизов Федір Федорович,

завідувач відділенням Інституту фізики напівпровідників НАН України.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор,

Лашкарьов Георгій Вадимович,

Інститут проблем матеріалознавства НАН України,

завідуючий відділом матеріалів функціональної електроніки та кріогенних досліджень

доктор технічних наук, професор

Карачевцева Людмила Анатоліївна,

Інститут фізики напівпровідників НАН України,

завідуюча відділом фотонних напівпровідникових

структур

Провідна установа: Чернівецький національний університет імені

Ю. Федьковича, кафедра мікроелектроніки та напівпровідникових приладів,

м. Чернівці

Захист відбудеться "21" грудня 2001 р. о 16-30 год.

на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.199.01

при Інституті фізики напівпровідників НАН України

(03028 Київ 28, проспект Науки, 45)

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників НАН України (03028 Київ 28, проспект Науки, 45).

Автореферат розісланий "21" листопада 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Охріменко О.Б.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Важливе місце серед вузькозонних напівпровідників займають сполучення групи А4В6 і тверді розчини на їх основі. Область їхнього застосування — лазери і приймачі випромінювання, що функціонують в інтервалі довжин хвиль 2.5... 30 мкм. Потужність твердотільних джерел когерентного випромінювання на основі даних сполучень в 103.. 107 раз перевищує потужність теплових джерел, що дозволяє використати їх в швидкодіючих спектрометрах високої роздільної здатності для контролю складу атмосфери, в молекулярній спектроскопії, в системах дальнього космічного зв'язку і т. п. Важлива перевага таких джерел і приймачів випромінювання — можливість перестроювання спектральних характеристик при зміні складу, температури, тиску і магнітного поля, що зумовлене залежністю ширини забороненої зони від означених параметрів. Знаючи зонний спектр, володіючи досконалою технологією вирощування напівпровідників можна цілеспрямовано змінювати їх властивості, шукати нові ефекти та розробляти нові прилади. Це в повній мірі відноситься також до вузькощілинних напівпровідників. Хоча вони давно досліджуються і знайшли широке використання в інфрачервоній техніці, ряд факторів зумовлюють підвищений інтерес до них.

Зокрема, на основі вузькощілинних напівпровідників створюються багатоелементні фотоприймачі інфрачервоного випромінювання, число чутливих елементів в яких сягає 106. Це потребує створення нових технологій вирощування якісних монокристалів та епітаксійних структур (гетеропереходів, структур з квантовими ямами та надграток), а також розробки технологій управління і оптимізації матеріалів та приладів. Не дивлячись на те, що в останні роки здійснювались значні зусилля для створення приймачів інфрачервоного випромінювання на основі квантоворозмірних структур напівпровідників А3В5 і твердих розчинів SіGe, основними матеріалами інфрачервоної оптоелектроніки залишаються вузькощілинні напівпровідники. При цьому, хоча основна увага дослідників спрямована на потрійні тверді розчини HgCdTe, бінарним сполукам і потрійним твердим розчинам напівпровідників А4В6, таких як PbSe, PbSnTe, та інші, приділяється значна увага.

Вказані сполуки характеризуються значним відхиленням від стехіометрії (аж до значень d ~ 10-3). Для отримання матеріалів, придатних для створення приймачів інфрачервоного випромінювання, використовується довготривалий ізотермічний відпал, або легування різними домішками. Проте ступінь однорідності об'ємних монокристалів, а також епітаксійних шарів ще недостатня для створення лінійок фоточутливих елементів і, особливо, багатоелементних матриць великої площі. Актуальною проблемою для вузькощілинних напівпровідників залишається стабільність властивостей матеріалів, а також приладів на їх основі.

Значний практичний і науковий інтерес становлять дослідження структур з квантовими ямами і надграток вузькощілинних напівпровідників, зокрема сполук А4В6. Такі особливості вузькощілинних напівпровідників, як багатодолинний характер їх зонного спектра, великий коефіцієнт анізотропії ефективних мас носіїв, рекордно високі рухливості електронів і дірок припускають більшу різноманітність фізичних властивостей структур з квантовими ямами і надграток у порівнянні з більш вивченими структурами на основі напівпровідників А3В5. Важливим є також той факт, що квантоворозмірні структури напівпровідників А4В6 з достатньо високою структурною досконалістю можуть бути отримані за допомогою відносно простих технологічних методів, як, наприклад, метода молекулярної епітаксії ("гаряча стінка"). На початок роботи фізичні властивості вказаних структур були досліджені недостатньо. Залишалося дискусійним питання про тип модуляції зон періодичним потенціалом у структурах з квантовими ямами і надгратках. Практична зацікавленість у дослідженні напівпровідникових структур базувалася на наявності потенційної можливості створення на їх основі інфрачервоних приймачів і випромінювачів нового покоління з покращеними характеристиками.

Недостатня вивченість перерахованих вище питань і важливість їх вирішення для прикладних цілей зумовили актуальність виконання даної дисертаційної роботи.

Зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота відповідає основним науковим напрямкам діяльності Інституту фізики напівпровідників НАН України і виконувалася в рамках проекту ДКНТ № 2/59. Автором виконана експериментальна ділянка роботи.

Мета і задачі дослідження. Отримання структур з квантовими ямами, гетероструктур та тонких плівок напівпровідників А4В6 та дослідження їх фізичних властивостей з метою встановлення параметрів зонного спектра та можливості їх практичного використання в ІЧ фотоелектроніці.

Реалізація поставленої мети вимагала вирішення таких завдань:

1. Автоматизація процесу (за допомогою ЕОТ) вирощування тонких плівок, структур з квантовими ямами та гетеропереходів на основі вузькощілинних напівпровідників для отримання досконалих зразків як по структурним, так і по електричним параметрам.

2. Встановлення та аналіз механізмів проходження струму та фотоелектричних характеристик в діодних структурах.

3. Встановлення типу модуляції зон у квантоворозмірних структурах.

4. Встановлення величини розривів зон на гетеромежах.

5. Дослідження механізмів фоточутливості вказаних структур.

Об’єктом дослідження були плівки PbTe, PbS, Pb1-xSnxTe, гетеропереходи PbSnTe/PbTeS та багатоперіодні надгратки PbTe/PbS, виготовлених методом молекулярної епітаксії (“гарячої стінки”).

Предметом дослідження обрано вплив товщини шарів та кількості періодів квантово розмірних структур на оптичні, фотоелектричні та електрофізичні характеристики гетеропереходів PbSnTe/PbTeS та надграток PbTe/ PbS.

Методи дослідження. Основними експериментальними методами дослідження вказаних структур були металографічні дослідження, мікрорентгеноструктурний аналіз зразків, вимірювання оптичного пропускання, спектрів фотоструму, а також ефекту Холла, вольтамперних характеристик та їх магнітопольових залежностей.

Наукова новизна одержаних результатів. В результаті комплексних експериментальних і теоретичних досліджень структур з квантовими ямами та багатоперіодних надграток на основі вузькощілинних напівпровідників А4В6 вперше отримано такі наукові результати:

1) Експериментально показана можливість отримання методом “гарячої стінки” надграток PbTe/PbS, що мають товщину шарів компонент і 60 Е ? характеризуються значною розбіжністю (~ 8 %) постійних граток і таких, що володіють високими електричними характеристиками та високою структурною досконалістю.

2) Виявлені аномально сильні залежності коефіцієнта Холла та питомого опору від магнітного поля в надгратках PbTe/PbS, що свідчить про наявність носіїв двох типів провідності, що характерно для надграток II типу, напівметалевих.

3) Встановлено зміну довгохвильової межі поглинання зі зміною товщини шарів компонент надграток PbTe/ PbS.

4) Встановлені механізми проходження струму в гетеропереходах PbSnTe/ PbTeS в широкому інтервалі температур Т = 4,2 – 150 К.

5) Визначені параметри зонної діаграми гетеропереходів PbSnTe/PbTeS. Виявлені прикордонні стани в досліджених гетеропереходах і встановлений характер їх впливу на електричні і фотоелектричні характеристики

Практичне значення одержаних результатів. Серед основних результатів, що мають важливе прикладне значення для оптики напівпровідників і приладобудування, слід виділити такі:

1. Отримані експериментальні докази можливості виготовлення гетеропереходів, придатних для створення на їх основі ІЧ фотоприймачів, які працюють в режимі обмеження флуктуаціями фонового випромінювання.

2. Виготовлені структури з квантовими ямами, фоточутливі в широкому інтервалі температур Т = 77-300 К. В цих структурах досягнуті значення величини добутку R0A, які перевищують майже на порядок величини вказаного добутку для поодиноких гетеропереходів.

3. Результати експериментальних досліджень, які були отримані в процесі виконання роботи, являються важливими для подальшого розвитку досліджень в області фізики вузькощілинних напівпровідників.

Особистий внесок здобувача. Дисертантом була проведена робота, пов'язана з пошуком та узагальненням наукових публікацій по темі дисертації, зроблена структуризація дисертації. В дисертаційній роботі узагальнені результати експериментальних досліджень, виконаних автором особисто. Теоретичний аналіз виконаний спільно із співавторами публікацій. В роботах, що увійшли в дисертацію авторові належить ініціатива у постановці задач, безпосередня участь у їх виконанні і отриманні результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на таких конференціях: 1-ша міжвузівська конференція (Ніжин, 1991), II Українська конференція "Матеріалознавство і фізика напівпровідникових фаз змінного складу" (Ніжин, 1993), семінарах інституту фізики напівпровідників НАНУ.

Публікації. Основні матеріали дисертації опубліковано в 7 статтях та у 3 тезах конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, трьох розділів основного тексту, кожний з яких починається вступним підрозділом і закінчується висновками, загальних висновків і списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертаційної роботи становить 120 сторінок, в тому числі 10 таблиці і 37 рисунків, з яких 4 зображено на окремих сторінках, інші вмонтовано в текст. Список літератури налічує 148 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано основну мету і завдання досліджень, вказано наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, зв'язок роботи з плановими завданнями інституту, наведено відомості стосовно апробації роботи, публікацій, структури і короткого змісту дисертації за розділами.

У першому розділі проаналізовано різні методи (молекулярно-променева епітаксія (МПЕ), ріст з газової фази з використанням металорганічних сполук (РГФ МОС), рідинна епітаксія (РЕ) та метод молекулярної епітаксії (“гаряча стінка”)) виготовлення окремих плівок, гомо- та гетеропереходів, а також багатоперіодних надграток в застосуванні до напівпровідників A4B6.

Процеси зародкоутворення та росту, орієнтація, структурна досконалість плівок визначаються умовами напилення та якістю і станом поверхні підкладинок, їх хімічною природою, кристалографічною орієнтацією, товщиною конден-сату. Різні механізм зростання залежать від типу дефектів, та ха-рактеру огранки кристалів, їх морфологічних особливостей. Гетероепітаксійние зростання плівок сполук А4В6 та їх твер-дих розчинів найбільш повно вивчено на (100), (110), (111) лужно-галоїдних кристалах; (0001) слюди; (111) BaF2, CaF2, SrF2; (0001) LiNbO3; (111), (100) Ge, Si в широкому діапазоні температур осадження.

Метод “гарячої стінки” являє собою різновид технології вакуумного нанесення шарів, які характеризується тим, що зростання відбувається в умовах, дуже близьких до термодинамічної рівноваги. Основною відмінністю методу є наявність нагрітого екрану (гарячої стінки), що служить для зосередження і напрямлення на підкладку речовини, що випаровується. При цьому виключаються втрати матеріалу для випаровування, створюється можливість підтримання високого тиску пару речовини або його різноманітних компонент і зводиться до мінімуму різниця температур джерела і підкладки.

Вузькощілинні напівпровідники A4B6 володіють наступними особливостями:

- теплота сублімації сполук A4B6 менша енергії дисоціації молекул, внаслідок чого випаровування відбувається конгруентно. У випадку твердих розчинів сполучень A4B6 Pb1-xSnxTe – близьке значення ентальпії сублімацій двох складових твердих розчинів 49,8 ккал/моль PbTe, та 50,7 ккал/моль SnTe приводить до конгруентного випаровування твердого розчину;

При використанні методу "гаряча стінка" вирощування відбувається в квазірівноважних умовах, що зумовлює створення досконалих монокристалічних шарів;

- швидкістю росту шарів відносно просто керувати шляхом зміни температури випаровування;

- запропонований метод широко використовується в ряді зарубіжних країн по причині його відносної простоти та дешевизни.

Загальний вигляд установки показано на мал.1.

1). Було розроблено автоматичну систему керування позиціюванням підкладинок та заслінок за допомогою ЕОМ.

2). Температура нагрівників в установці підтримувалась з точністю до 0,1оС за допомогою автоматичних регуляторів температури (ВРТ-1).

Методом “гаряча стінка” були вирощені монокристалічні плівки товщиною від 350 A до декількох мікрон на підкладинках KCl (100) та BaF2 (111);

- висока структурна досконалість плівок підтверджувалась проведенням рентгеноструктурного аналізу;

- метод дозволяє отримувати плівки p- та n- типу; в основному використовувались плівки n- типу;

Залежність рухливості носіїв в плівках від товщини представлена на мал.2.

Зменшення рухливості пояснюється впливом розсіювання на поверхні, оскільки товщина плівок cпівставлена з довжиною вільного пробігу (d » 103 Е );

- що стосується концентрації електронів, то явної залежності її величини від товщини плівок не спостерігалось; типові значення концентрації ( n = 2-3?1017 см-3) як в товстих, так і в тонких (d Ј 103 Е) ?лівках;

- відмітимо, що плівки були нелеговані і концентрації носіїв, а також тип провідності визначався власними дефектами. Приведені вище значення концентрації знаходяться в межах області гомогенності напівпровідників A4B6.

Другий розділ присвячено гетеропереходам на основі вузькощілинних твердих розчинів Рb1-xSnxТe (х=0.20), які представляють інтерес з точки зору створення на їх основі ефективних приймачів і джерел ІЧ випромінювання.

Методом молекулярної епітаксії створені гетеропереходи р-Рb0,8Sn0,2Те/n-РbТе0,97S0,03, що характеризуються довгохвильовою межею фоточутливості lc = 11 мкм при Т=82 К. Досліджені механізми струмопротікання в інтервалі температур 4.2 — 140 К. Встановлено, що при Т > 50 К переважають дифузійний і генераційно-рeкомбінаційний, а при Т < 50 К — тунельний механізми струмопротікання за участю дефектів решітки. Отримані значення R0A=20 ОмЧсм при Т = 77 К.

Товщина епітаксійних шарів n-PbTeS складала приблизно 3 мкм. З боку епітаксійного шару за допомогою засобу фотолітографії виділялися мезаструктури з А=5Ч10-5 см2. Поверхня підкладок PbSnTe готувалася за допомогою електрохімічного полірування. Безпосередньо перед процесом епітаксії вона піддавалась йонному очищенню.

Механізми транспорту в гетеропереходах, що використовуються в ІЧ - оптоелектроніці, досліджувались виміром ВАХ, а також температурних залежностей R0 або R0A. З метою виділення вкладу різноманітних механізмів транспорту в роботі аналізуються результати вимірів в ГП, що характеризуються різними значеннями R0A: низькими (R0A Ј 0.1 Ом см2) і високими (R0A і 1.0 Ом см2).

Результати вимірів температурних залежностей R0A наведені на мал. 3. В інтервалі температур 50 - 140 К на експериментальних залежностях спостерігалися експоненційні дільниці з енергією активації DЕ =0.04 - 0.09 еВ. При Т=77 К R0A змінювалося в межах 0.08 - 20 Ом см2. В області низьких температур (Т < 50 К) хід кривих для гетеропереходів з високими і низькими значеннями R0A якісно різняться.

Результати досліджень температурних залежностей R0A при Т > 50 К можна записати в вигляді

(1)

де (R0A)GR (R0A)D — генераційно-рекомбінаційна і дифузна складові. Оскільки з вимірів ВФХ слідує, що p-n-перехід зсунутий в p-Рb0.8Sn0.2Te, несиметричного переходу можна записати:

(2) (3)

де mn и tn — рухливість та час життя електронів в підкладці - p-Рb0.8Sn0.2Te

В досліджуваних гетеропереходах при Т < 50 К може бути переважно тунельний механізм переносу носіїв як за участю дефектів, так і шляхом міжзонних переходів.

Показано, що міжзонне тунелювання є основним чинником, що обмежує максимально досяжні значення R0А при низьких температурах (Т < 77 К). Вклад механізму міжзонного тунелювання стає помітним при концентрації носіїв п і 1018 см-3.

Типові ВАХ, виміряні при Т=77 К, наведені на мал. 4. При прямому зміщенні 3kT < U < 0.1 В вони описувалися вираженням I=I0exp (kT/bqU), причому постійна b змінювалася від 1.3 до 2.0. Збільшення температури призводило до зменшення b і при Т=100 K b=1. В області низьких температур (Т < 50 К) вдалося виміряти початкові дільниці ВАХ гетеропереходів з високими значеннями R0A, починаючи з U > 10-3 В. При цьому b=2. Виміри ВАХ гетеропереходів з низькими R0A виконані при U > 10-4 В. Для більшості цих гетеропереходів b =2,5 — 4, а для ряду зразків b=8.

В області зворотних зміщень 10-4 < Uзв < 0.8 В при Т= 77 К ВАХ описувалася виразом I~(Ud+ Uзв)m (Ud — дифузійний потенціал), причому показник ступеня т збільшувався від m=0,5 до т=1.5-2.0 по мірі зменшення добутку R0A для гетеропереходів. Різке збільшення зворотного струму при Uзв > 0.8 B викликане пробоєм р-n-переходів. Значення т не змінювалися в інтервалі Т=4, 2 — 77 К.

Збільшення т до значень 1.5 — 2 у випадку гетеропереходів з відносно низькими значеннями R0А свідчить про те, що тунелювання за участю дефектів переважає у всьому температурному інтервалі 4.2-77 К.

Ємність гетеропереходів С вимірювалася на трьох фіксованих частотах 105, 106 і 107 Гц при температурах 77 і 4.2 К. Результати вимірів наведені на мал. 5.

Мінімум на ВФХ при прямих зміщеннях можна пояснити зменшенням ефективної концентрації акцепторів Na= NA — ND де NA і ND — концентрації заряджених акцепторів і донорів на кордоні шару об’ємного заряду. Використавши знайдене з вимірів ВФХ значення Ud і розрахувавши рівень хімічного потенціалу в підкладці, знайшли, що рівні дефектів розміщені поблизу середини забороненої зони Pb0.8Sn0.2Te. При Т = 4,2 К теплове розмиття кордону менше, тому особливості виявляються більш виразно.

Для виготовлення гетеропереходів використовувались нелеговані підкладки Рb0.8Sn0.2Te, тому акцепторні і донорні дефекти є власними дефектами решітки. В нелегованих кристалах Рb0.8Sn0.2Te були виявлені дефекти, що зумовлюють глибокі рівні в забороненій зоні. В даній роботі мова йде про дефекти, локалізовані поблизу гетеромежі.

Насичення залежностей C(Uзв), що спостерігалося при Т=4.2 К а також наявність значного вигину зон на кордоні (qUd» Eg) можуть свідчити про можливість утворення інверсійного шару. Електрони інверсійного шару не тільки екранують поле в твердому розчині Pb0.8Sn0.2Te, але і заповнюють наявні поблизу гетеромежі дефекти. Ступінь заповнення дефектів збільшується при пониженні температури, що зумовлює зменшення тунельного струму з їхньою участю і, як слід, зростання R0A. Із співставлення результатів вимірів ВФХ і температурних залежностей R0A можна зробити висновок, що в ГП з низькими значеннями R0A інверсний шар не утвориться. Однією з можливих причин цього може бути наявність протяжних дефектів на гетеромежі.

Величину розриву зон DЕc, що визначають глибину ями, можна оцінити в рамках феноменологічної моделі Шоклі-Андерсона. Використання даної моделі дозволило правильно передбачити тип модуляції зон в надгратках потрійних розчинів Pb0.8Sn0.2Te. Енергія електронної спорідненості c(Pb0.8Sn0.2Te)=4.42 эВ. Для c(PbTeS) була використана лінійна апроксимація:

c(PbTeS) = (1 - x)c(PbTe) + xc(PbS), (4)

де х — мольна частка PbS в твердому розчині. Для розрахунку були взяті загальноприйняті значення c (РbТe) = 4.4 еВ і c (РbS)=3.5 еВ. З (4) слідує, що DЕc = 50 меВ.

На мал. 6 наведені спектральні залежності фотовідгуку Iph в гетеропереходах. Освітлення мезаструктур монохроматичним випромінюванням здійснювалося з боку епітаксійного шару. В обох гетеропереходах спостерігалось різке зміщення довгохвильової межі. Межа фотовідгуку, відповідає половині максимуму сигналу, знаходиться при lс=11 мкм. Спектри фотовідгуку помітно розрізнялися в короткохвильовій області: в гетеропереходах з низькими значеннями R0A спостерігався другий пік при l=4.5 мкм, а його довгохвильова межа знаходилась при l=6 мкм, що відповідає електричній області фоточутливості PbTeS

Значним збільшенням числа дефектів поблизу гетеромежі в таких гетеропереходах можна пояснити також наявність мінімуму при l=6 мкм. При енергії квантів світла Еg(PbSnTe) < h < Eg(PbTeS), що відповідають довжині хвилі 6 мкм, електронно-діркові пари інтенсивно рекомбінують на дефектах поблизу гетеромежі. Внаслідок цього фотовідгук гетероперохода зменшується, що проявляється у вигляді мінімуму на його спектральній залежності.

Виконані дослідження дозволяють зробити висновки: При T= 77 К в досліджуваних гетеропероходах переважають генераційно-рекомбінаційний і дифузійний механізми струмопротікання. При підвищенні температури збільшується вклад дифузійної складової струму, при пониженні — переважає тунельно-рекомбінаційна складова. Переважає механізм тунелювання за участю дефектів, локалізованих поблизу гетеромежі.

Визначені параметри зон структури гетеропероходів. Значення R0A для кращих ГП є одними з найбільш високих для діодних структур на основі твердих розчинів PbSnTe і CdHgTe з такими же значеннями lс і свідчать про можливість їхнього використання в якості ефективних приймачів ІЧ-випромінювання, ефективність яких викликана лише впливом фонофого випромінювання.

Третій розділ присвячено дослідженню надграток PbTe/PbS II-го типу “розривних”.

В більшості раніше опублікованих робіт описані результати досліджень композиційних надграток напівпровідників А4В6 першого типу з відносно невеликою невідповідністю постійних ґраток, наприклад PbTe/Pb1-хSnхTe. Практично не досліджувались надграток другого типу, які, на наш погляд, можуть представляти для ІЧ фотоелектроніки найбільший інтерес. В цьому випадку існує можливість регулювати положення довгохвильової "червоної" межі фотовідповіді шляхом зміни товщини шарів компонент в значно більших межах, ніж у випадку надграток першого типу.

В работі досліджувались надгратки PbTe-PbS, отримані методом "гарячої стінки". Вони характеризуються значною невідповідністю постійних ґраток (а0(РbТе) = 0.646 нм, a0(PbS) =0.594 нм). Шари компонентів надграток по черзі осаджувались на поверхні підкладок (001) КСl та BaF2 (111) при Тпідкл.=300 К. Попередньо на підкладках вирощувались буферні шари РbТе та PbS товщиною від 10 до 100 нм. Товщина шарів компонентів надграток змінювалась в межах від 5.0 до 50.0 нм. Загальна товщина надграток була порядка 2-3 мкм. Максимально число періодів в надгратках, які мали мінімальну товщину шарів, складало 100. Вибір мінімальної товщини шарів був зумовлений потребою відсутності інтердифузійного перемішування в процесі їх вирощування. Оскільки надгратки вирощувались при температурі 573 К, термодинамічно стабільною фазою є двохфазний розчин РbТе/PbS.

На рис.7 показано результати вимірів рентгенівської дифракції по методу Q-2Q - сканування в CuKa- випромінюванні. Вони характеризуються наявністю еквідистантних сателітів (S1, S2, S3), причиною виникнення яких є періодичний розподіл шарів в надгратках. По відстані D(2Q)визначався період надграток.

d = l/D (2Q)cos(Q) ,

де l = 1.54 Е - довжина хвилі випромінювання CuKa. Характеристики деяких надграток та епітаксійних шарів зведені в Таблиці 1.

Доказ наявності квазідвовимірної провідності в надгратках було отримано із вимірів кутових залежностей поперечного магнітоопору мал.8.

Таблиця 1 Типові параметри деяких досліджених в работі епітаксійних шарів та надгратках

__________________________________________________________________

N п/п Плівка Товщина,A К-ть шарів Rh,см3/Kл m, см2/(Вґс

____________________________________________________________________________________________

1. РЬТе 3ґ104 1 28.3 9433

2. PbS 3 ґ 104 1 18.75 3720

3. РЬТе/PbS 3 ґ 104 2 12.7 7142

4. PbTe/PbS* 60/60 100/100 2.7 12000

5. РЬТе/PbS* 120/120 40/40 4.6 8800

6. РЬТе/PbS* 200/200 40/40 5.35 13500

7. PbTe/PbS* 500/500 20/20 9.0 7230

_____________________________________________________________________________

* Товщина буферних шарів в надгратках складала 1 мкм.

У випадку надграток залежності поперечного магнітоопору описувались виразом:

Dr/r0 = constґH2ґcos2Q,

де Q - кут між напрямком магнітного поля і струму.

Представлена кутова залежність є наслідком того, що в надгратках ізоенергетичні поверхні представляють собою циліндр з віссю, паралельною вісі надграток. Двомірна провідність спостерігалась до товщин шарів в 60 A.

Результати розрахунків зводяться до наступного: по-перше, край валентної зони РbТе лежить нижче по енергії краю валентної зони PbS на DEg = e+1(PbS) - e+1 (PbTe) @ 0,30 еВ; по-друге, враховуючи, що при 77 К ширина забороненої зони PbTe Eg @ 0,21 еВ, потолок валентної зони PbS знаходиться над дном зони провідності телуриду свинцю на відстані 0.1 еВ. Енергетична зонна діаграма, без врахування вигину зон, має вигляд, зображений на мал.9

На мал.10 а) та мал.10 б) показані магнітопольові залежності коєфіцієнта Холла та поперечного магнітоопору для надграток PbTe/PbS, гетеропереходів та окремих епітаксійних шарів. Показано, що в інтервалі значень магнітного поля 0.1 - 1.0 Тл відносна зміна RH та поперечного магнетоопору в епітаксійних шарах та гетероструктурах складала від 1 до 10%, то в надгратках - 200-400 %.

Пояснити вказані залежності можна припустивши існування двох типів носіїв. Очевидно, що для вказаних вище значень n (концентрації електронів) в рамках моделі надграток 1-го роду наявність двох типів носіїв пояснити неможливо. Залежність Rh(H) більше виражена в надгратках з тоншими шарами (~60 A) і наближаються до залежностей в об’ємних плівках при товщинах шарів ~500 A. Вказаний ефект може бути пов’язаний з утворенням викривлення зони в НГ при збільшенні товщини шарів. В цьому випадку існують певні труднощі при перетіканні носіїв і система перетворюється в набір ізольованих гетеропереходів, в яких двомірна провідність відсутня.

Ці аномальні залежності в надгратках пояснюються в моделі багатошарової структури з двома типами носіїв: електрони в шарах PbTe, дірки - в PbS, виходячи з представлення про зонні діаграми надграток 2-го роду "розривних".

В вироджених шарах PbTe (PbS) n- або p- типу провідності відсутня польова залежність коефіцієнта Хола. З підвищенням концентрації - вказані залежності стають значно слабшими.

Отримані при розрахунках концентрації електронів в шарах PbTe, та дірок в шарах PbS а також енергії перших квантових рівнів електронів та дірок в шарах PbTe і PbS дають можливість оцінити енергію розриву зон між Ec PbTe і Ev PbS, яка дорівнює 0,32 еВ, що добре відповідає оцінкам в моделі Шоклі-Андерсона виходячи з енергії електронної спорідненості вихідних матеріалів.

Таким чином у надгратках і структурах з квантовими ямами PbTe/PbS реалізується коваріантний тип модуляції зон періодичним потенціалом, причому потолок валентної зони PbS знаходиться над дном зони провідності PbTe (структури 2-го типу розривні). Величина розривів зон на гетеромежах DЕC-V @? 0.32 еВ.

Закінчується робота основними висновками за результатами досліджень і розробок, переліком використаної літератури.

ВИСНОВКИ

Головні наукові і практичні результати роботи:

1. Вдосконалено методику виготовлення моно-, гетеро- та надграткових структур за рахунок автоматизації (контролю та керування) процесом вирощування за допомогою ЕОМ.

2. Експериментально показана можливість отримання надграток методом “гарячої стінки” PbTe/PbS, які мають товщину шарів компонентів d і 60 Е, ?а характеризуються значною неузгодженістю (~ 8%) постійних граток та володіють високими електричними параметрами та високою структурною досконалістю.

3. Дослідження можливостей оптимізації параметрів діодних структур на основі вузькощілинних напівпровідників і створення ІЧ приладів нового покоління з використанням надграток і структур з квантовими ямами.

Основні результати дисертації опубліковано в роботах

1. Тетеркин В.В., Сизов Ф.Ф., Давиденко С.Н. Электрические свойства квантоворазмерных структур PbTe-Pb1-xSnxTe // Тезисы докл. первой межвузовской конференции Нежин, -1991 г. С.96.

2. Сизов Ф.Ф., Тетьоркін В.В., Давиденко С.М. Електричні властивості надрешіток PbTe/PbS // Доп. АН України. - 1992. -№ 6. - С. 67-70.

3. Тетеркин В.В., Сизов Ф.Ф., Аленберг В.Б., Давиденко С.Н., Чопик В.Ю. Пограничные состояния в гетеропереходах PbSnTe/PbTeS // УФЖ -1993. -Т. 38.- № 5 – С. 757-763.

4. Давиденко С.Н., Сизов Ф.Ф., Тетеркин В.В. Сверхрешетки второго типа (разрывные) PbTe/PbS // УФЖ. - 1993. –Т. 38.- № 6. - С. 938-943.

5. Сизов Ф.Ф., Тетеркин В.В., Давиденко С.Н., Кулумбетов Ж., Головин В.Г. Планарная проводимость и разрывы зон в сверхрешетках PbTe/PbS //Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. – 1994 – Вып. 28 – С. 65-70.

6. Tetyorkin V.V., Sizov F.F., Alenberg V.B., Davidenko S.N. and Chopik V.Yu. Electrical and Photoelectrical Properties of PbSnTe/PbTeS lattice matched heterostrukcture diodes // Defects and diffusion forum, S-Peterburg, 1993, V. 1-3-105, – P. 454-457.

7. Сизов Ф.Ф., Тетеркин В.В., Давиденко С.Н., Головин В.Г. Свойства сверхрешеток второго типа PbS/ PbTe // Тези доп. II Української конференції, Ніжин., 1993 р. Ч.1 – С. 32-33.

8. Тетеркин В.В., Давиденко С.Н., Кулумбетов Ж. Стачанский С. Свойства тонких эпитаксиальных пленок // Тези доп. II Української конференції, Ніжин., 1993 р. Ч.3 – С. 397-398.

9. Сизов Ф.Ф., Тетьоркін В.В., Давиденко С.М., Головін В.Г. Отримання і властивості тонких епітаксійних плівок Pb1-xSnxTe // Наукові записки Т.XIX, Ніжин, 1994 р. – С. 94-97.

10. Давиденко С.М., Гололобов Ю.П., Мельничук О.В. Автоматизація вакуумної установки для отримання квантоворозмірних структур методом “гаряча стінка” за допомогою ЕОМ.// Фізико-математичний збірник, Ніжин, 2001 р. С. 73-77.

Список використаних джерел

1. Херман М. Полупроводниковые сверхрешетки // – М.: Мир, –1989. C. 7580.

2. Rogalski A., and Piotrovski J. Intrinsic Infrared Detectors. Progress in Quantum Electronics, v.12, N 2/3, 87-289 (1988).

3. Sizov F. Semiconductor Superlattice and Quantum Well Detectors in: Infrared Photon Detectors Ed. A. Rogalski, SPIE Opticul Engineering Press, Bellingham, Washington, USA (1995), p.561-624.

АНОТАЦІЯ

Давиденко С.М. Отримання структур з квантовими ямами, гетеро-структур та тонких плівок напівпровідників А4В6 та дослідження їх властивостей. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.06-технологія обладнання та виробництво електронної техніки. -Інститут фізики напівпровідників НАН України. - Київ, 2001.

Дисертація присвячена отриманню структур з квантовими ямами, гетероструктур та тонких плівок напівпровідників А4В6 методом молекулярної епітаксії (“гаряча стінка”) та дослідженню їх фізичних властивостей з метою встановлення параметрів зонного спектра та можливості їх практичного використання в ІЧ фотоелектроніці.

Показана можливість отримання методом “гарячої стінки” надграток PbTe/PbS (“розривних”) з високими електричними характеристиками та високою структурною досконалістю. Виявлені аномально сильні залежності коефіцієнта Холла та питомого опору від магнітного поля в цих надгратках, що свідчить про наявність носіїв двох типів провідності, що характерно для надграток II типу, напівметалевих. Встановлені механізми переносу заряду в гетеропереходах PbSnTe/ PbTeS у широкому інтервалі температур Т = 4,2 – 150 К. Визначені параметри зонної діаграми гетеропереходів PbSnTe/PbTeS. Виявлені прикордонні стани в досліджених гетеропереходах і встановлений характер їх впливу на електричні і фотоелектричні характеристики

Виготовлені структури з квантовими ямами, фоточутливі в широкому інтервалі температур Т = 77-300 К. У цих структурах досягнуті значення величини добутку R0A, які перевищують майже на порядок величини вказаного добутку для поодиноких гетеропереходів. Отримані експериментальні докази можливості виготовлення гетеропереходів, придатних для створення на їх основі ІЧ фотоприймачів, які працюють у режимі обмеження флуктуаціями фонового випромінювання.

Ключові слова: “гаряча стінка”, тонка плівка, гетероперехід, надгратка, “розривна”, PbTe/PbS, PbSnTe/PbTeS.

АННОТАЦИЯ

Давиденко С.Н. Получение структур с квантовыми ямами, гетероструктур и тонких пленок полупроводников А4В6 и исследование их свойств. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.06-технология приборов и изготовление электронной техники. - Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 2001.

Диссертация посвящена получению структур с квантовыми ямами, гетероструктур и тонких пленок на основе узкощелевых полупроводников А4В6 методом молекулярной эпитаксии (“горячая стенка”), и исследование их физических свойств с целью установления параметров зонного спектра и возможности их практического использования в ИК- фотоэлектронике.

Для реализации намеченной цели была проведена автоматизация (с помощью ЭВМ) процесса виращивания тонких пленок, структур с квантовыми ямами и гетеропереходов

Исследовались пленки PbTe, PbS, Pb1-xSnxTe, гетеропереходы PbSnTe/PbTeS и многопериодные сверхрешетки PbTe/PbS.

В результате комплексных экспериментальных и теоретических исследований впервые получены следующие результаты:

Показана возможность получения методом “горячей стенки” сверхрешеток PbTe/PbS, которые имеют толщину слоев компонент і 60 Е и характеризуются значительным рассогласованием (~ 8 %) постоянных решеток, а также владеющих высокими электрическими характеристиками и высоким структурным совершенством, что подтверждается рядом экспериментальных исследований.

Выявлены аномально сильные зависимости коэффициента Холла и удельного сопротивления от магнитного поля в сверхрешетках PbTe/PbS, что свидетельствует о наличии носителей двух типов проводимости, характерных для сверхрешеток II типа, (разрывных). Установлены механизмы прохождения тока в гетеропереходах PbSnTe/PbTeS в широком интервале температур Т = 4,2 – 150 К. Определены параметры зонной диаграммы гетеропереходов PbSnTe/PbTeS. Выявлены приграничные состояния в исследуемых гетеропереходах и определен характер их влияния на электрические и фотоэлектрические характеристики

Экспериментально доказана возможность изготовления гетеропереходов для создания на их основе ИК фотоприемников, которые работают в режиме ограничения флуктуациями фонового излучения.

Результаты экспериментальных исследований, полученные в процессе работы, являются важными для дальнейшего развития исследований в области физики узкощелевых полупроводников.

Ключевые слова: “горячая стенка”, эпитаксиальная пленка, гетеропереход, сверхрешетка, “разрывная”, PbTe/PbS , PbSnTe/PbTeS.

SUMMARY

Davydenko S.M. Production of Quantum-well Structures, Heterostructures and Thin Films of A4B6 Semiconductors and Investigation of Their Properties. – A typescript.

Thesis for a Candidate of Technical Sci. degree (specialty 05.27.06–technology, equipment and manufacturing of electronic products). – Institute of Semiconductor Physics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2001.

The dissertation deals with production of quantum-well structures, heterostructures and thin films of A4B6 semiconductors using molecular epitaxy (“hot wall” technique) and investigation of their physical properties in ordes to determine the band spectrum parameters and potentialities of their practical use in IR photoelectronics.

It has been shown that PbTe/PbS superlattices (“discontinuous”) with high electrical characteristics and structural perfection could be prepared using the “hot wall” technique. The anomalously strong dependencies of Hall coefficient and resistivity on magnetic field have been found in these superlattices. This fact indicated at presence of charge carriers of two conduction types that is typical for type-II superlattices (misalignedl). The mechanisms have been determined for PbSnTe/PbTeS heterojunctions in a wide (4.2-150 K) temperature range. The band diagram parameters have been determined for PbSnTe/PbTeS heterojunctions. The near-interface states have been revealed in the heterojunctions studied, and character of their effect on the electrical and photoelectric characteristics has been determined.

The quantum-well structures have been fabricated that demonstrated photosensitivity in a wide (T = 77-300 K) temperature range. For these structures the values of product R0A have been got that were almost an order of magnitude over those for single heterojunctions. The experimental evidences have been obtained for possibility of fabrication of heterojunctions suitable for production of IR detectors on their basis that operate in the mode of restriction by the background radiation fluctuations.

Key words: “hot wall”, thin film, heterojunction, superlattice, “discontinuous”, PbTe/PbS, PbSnTe/PbTeS.