НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

САВКІНА РАДА КОСТЯНТИНІВНА

УДК 621.315.592;

534.222.1;548.4

ДЕФЕКТОПЕРЕТВОРЕННЯ В ТВЕРДИХ РОЗЧИНАХ CdHgTe, СТИМУЛЬОВАНЕ УЛЬТРАЗВУКОМ ДОПОРОГОВОЇ ІНТЕНСИВНОСТІ

01.04.07 - фізика твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників, Національна Академія наук України, м. Київ

Науковий керівник: | доктор фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Власенко Олександр Іванович,

Інститут фізики напівпровідників НАН України,

завідувач відділом

Офіційні опоненти: | доктор фізико-математичних наук, професор

Баранський Петро Іванович,

Інститут фізики напівпровідників НАН України,

головний науковий співробітник

доктор фізико-математичних наук, професор

Лашкарьов Георгій Вадимович,

Інститут проблем метеріалознавства НАН України,

завідувач відділом

Провідна установа: |

Київський університет ім. Тараса Шевченко,

фізичний факультет, кафедра загальної фізики,

м.Київ

Захист відбудеться “18” січня 2002 р. о 1415 на засіданні спеціалізованої

вченої ради К 26.199.01 в Інституті фізики напівпровідників НАН України за адресою:

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 “18” грудня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат фізико-математичних наук Охріменко О.Б.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дослідження процесів природної та стимульованої трансформації системи дефектів в напівпровідникових кристалах відіграє важливу роль при розвязанні як фундаментальних, так і прикладних проблем фізики твердого тіла і є складовою сучасного наукового напрямку, що має назву “конструювання” дефектів ( defect engineering ). Актуальною проблемою цього напрямку прикладної фізики є розробка засобів селективної, спрямованої дії зовнішніх чинників різної фізичної природи на ті чи інші групи дефектів в кристалі. Крім того, розвиток та ускладнення технології виробництва напівпровідникових матеріалів та приладних структур робить актуальним вдосконалення неруйнівних методів їх діагностіки.

Дієвим та перспективним з точки зору спрямованого перетворення дефектної структури кристалу є використання інтенсивного ультразвуку (УЗ). При умові правильно підібраних режимів ультразвукова хвиля може служити як ефективним інструментом активного впливу на кристал з метою поліпшення його параметрів, так і бути використаною для неруйнівного контролю дефектності вихідного матеріалу та готових приладних структур.

Для успішного вирішення названих задач в першу чергу необхідне ясне розуміння природи процесів, які відбуваються в кристалі при розповсюдженні акустичних хвиль (АХ) УЗ діапазону. В матеріалознавстві металів застосування ультразвуку можна вважати традиційним [1-3], проте для напівпровідникових кристалів, в першу чергу для напівпровідникових твердих розчинів, ще залишається ряд нерозв’язаних проблем [4].

Числені дослідження показали, що характер впливу ультразвуку на властивості кристалів залежить від інтенсивності УЗ навантаження [4]. При перевищенні останньою деякої порогової величини в кристалі розпочинаються незворотні процеси, повязані з генерацією точкових та лінійних дефектів, внаслідок чого відбувається незворотна зміна параметрів матеріалу.

Практично всі дослідження впливу ультразвуку на властивості твердих розчинів CdхHg1-хTe проводилися при надпорогових інтенсивностях. Незворотні зміни параметрів кристалу були наслідком так званих ультразвукових обробок (УЗО) та пояснювалися гомогенізацією твердих розчинів, генерацією нових дефектів, тощо. При незаперечній технологічній важливості методу УЗ обробок надпорогової інтенсивності необхідно відзначити, що незворотний характер змін, які вносить УЗО, ускладнив узагальнення домінуючих процесів акустостимульованого (АС) дефектоперетворення в кристалах CdхHg1-хTe. Крім цього, розрізненість існуючих експериментальних результатів та специфічні особливості самого досліджуваного матеріалу, наприклад, висока пластичність зразків, ускладнюють вироблення єдиної точки зору на характер впливу ультразвуку та на природу АС перетворення системи дефектів в CdхHg1-хTe.

Все це робить актуальним продовження дослідженнь в цьому напрямку та обумовлює вибір теми дисертаційної роботи, а саме - вивчення впливу ультразвуку на систему дефектів та властивості кристалів CdхHg1-хTe при допорогових інтенсивностях.

Необхідно відзначити, що практичне значення вибраної теми дослідження визначається фактом широкого застосування вузькозонних твердих розчинів на основі А2В6 в оптоелектрониці, зокрема твердих розчинів CdхHg1-хTe, які є базовим матеріалом для створення фотоприймачів ІЧ-діапазону 8-14 мкм [5-7]. Існування в Україні розвинутої інфраструктури науково-дослідних та промислових підприємств, які займаються розробками приладів ІЧ-оптоелектроніки [8], підтверджує актуальність вибраної теми та стимулює подальші дослідження акустостимульованих процесів в CdхHg1-хTe.

Зв`язок з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконувалася в рамках наукових програм ІФН НАНУ:

1. “Розробка фізико-хімічних основ технології створення і функціональної діагностіки кристалів і структур (приладів) для реєстрації і перетворення енергії ІЧ-випромінювачів на основі напівпровідникових сполук і вузькощилинних твердих розчинів” ( Постанова Бюро ОФА НАН України від 20.12.1994 №210).

2 “Розробка неруйнівних методів і засобів визначення і контролю основних параметрів фоточутливості інфрачервоних напівпровідникових матеріалів і структур та приладів на їх основі” ( Распорядження Мінекономіки України від 11.08.1997 № 12-55/226, проект 2.9/43 розділу держівної науково-технічної програми “Розробка науково-технічних методів, засобів і автоматизованих систем контролю параметрів напівпровідникових матеріалів, структур і приладів”).

Роль автора у виконанні науково-дослідних робіт полягала в дослідженні впливу інтенсивного ультразвуку на електрофізичні характеристики твердих розчинів CdхHg1-хTe.

Мета і задачі дослідження.

Метою роботи було встановлення домінуючих процесів акустостимульованого перетворення системи дефектів в твердих розчинах CdхHg1-хTe при допороговому УЗ навантаженні та пошук можливостей практичного застосування ультразвуку допорогової інтенсивності для неруйнівного контролю ступеня структурної досконалості цього матеріалу.

Для досягнення поставленої мети було необхідно вирішити такі задачі:

1. Вивчити вплив УЗ навантаження на концентрацію та рухливість носіїв заряду при різних температурах та дослідити перехідні процеси зміни електрофізичних параметрів для кристалів CdхHg1-хTe.

2. Вивчити залежність акустостимульованих ефектів в кристалах CdхHg1-хTe від параметрів УЗ навантаження та з’ясувати, чи існує кореляції між величиною цих ефектів в цьому матеріалі та вихідним станом дефектної системи кристалу.

3. Експериментально дослідити та проаналізувати розподіл температури в кристалах CdхHg1-хTe при допороговому УЗ навантаженні.

4. Дослідити вплив ультразвука на процес розсіювання носіїв заряду та на умови токопроходження в досліджуваному матеріалі.

Обєкт дослідження

Обєктом дослідження є процес дефектоперетворення в дислокаційних кристалах CdхHg1-хTe, стимульований ультразвуком допорогової інтенсивності.

Предмет дослідження

Предметом дослідження були тверді розчини CdхHg1-хTe складом x=0.20.22. Такий вибір обумовлений зручністю цього матеріалу як модельного [9] для вивчення акустостимульованого дефектоперетворення в твердому тілі та широким застосуванням кристалів CdхHg1-хTe в ІЧ приладобудуванні як базового матеріалу для вікна прозорості атмосфери 8-14 мкм [5-7].

Методи дослідження

Універсальним інструментом дослідження електрофізичних властивостей напівпровідника є гальваномагнітні ефекти, тому дослідження були проведені методом ефекту Холла на стандартній установці. Вивчалися температурні залежності концентрації та рухливості носіїв заряду і магнітопольові залежності коефіцієнту Холла та поперечного магнітоопору в присутності поля УЗ деформації. Для порівняння ті ж залежності були досліджені у відсутності УЗ навантаження. Досліджувалися перехідні процеси зміни електрофізичних параметрів при включенні та виключенні УЗ навантаження і амплітудні (від інтенсивності ультразвуку) залежності електрофізичних параметрів. Виявлення структури системи лінійних дефектів в досліджуваних зразках було реалізовано методом селективного травлення та оптичної мікроскопії. Також вивчався вплив ультразвука на спектри комбінаційного розсіювання світла (КРС) .

Наукова новизна одержаних результатів

1.Встановлено, що в монокристалах CdхHg1-хTe під впливом ультразвуку допорогової інтенсивності відбувається вивільнення звязаних в дислокаційні атмосфери дефектів, що приводить до зміни електрофізичних параметрів цього матеріалу. Показано, що ці зміни є нестабільними та релаксують після виключення ультразвуку за кінцевий час від 10 с до 103 с.

2. Показано, що характер та величина акустостимульованих ефектів в кристалах CdхHg1-хTe залежить від вихідного стану дефектної структури кристалу. Величина АС зміни електрофізичних параметрів тим більша, чим ближче частота ультразвукової хвилі до власної частоти субблочної структури.

3.Виявлено, що в присутності УЗ навантаження відбувається локальне підвищення температури поблизу дислокацій, які рухаються в полі акустичної хвилі. Причому, неоднорідність розподілу дислокацій в реальних зразках призводить до макроскопічного розігріву областей підвищеної дефектності та, як наслідок, до виникнення градієнтів температури в кристалі.

4.Встановлено, що збільшення концентрації центрів розсіювання, підвищення ефективності розсіювання на сплавному потенціалі та на оптичних фононах при УЗ навантаженні кристалів CdхHg1-хTe приводить до зменшення рухливості електронів.

5.Показано, що зростання холлівської рухливості під впливом ультразвуку в області низьких температур ( Т<120 K ) характерне виключно для неоднорідних, тобто структурно недосконалих кристалів CdхHg1-хTe та є наслідком збільшення ефективного об`єму кристалу на рівні протікання за рахунок АС згладження макроскопічного внутрікристалічного потенціалу.

Практичне значення одержаних результатів

1.Показано, що ефекти метастабільного дефектоперетворення в околі дислокацій та макроскопічного розігріву областей підвищеної дефектності в кристалах CdхHg1-хTe можуть бути практично використані як базові складові неруйнівного контролю ступеня структурної досконалості цього матеріалу.

2.Встановлено чутливість електрофізичних параметрів кристалів CdхHg1-хTe до УЗ-навантаження допорогової інтенсивності, що є важливим при визначенні робочих режимів функціональних елементів на основі CdхHg1-хTe в умовах акустичних завад.

3.Отримані в дисертаційній роботі результати розширюють уявлення про вплив ультразвуку на тверде тіло і можуть бути використані при розробці технологічних режимів обробок структур на основі CdхHg1-хTe.

Особистий внесок здобувача

Участь здобувача в отриманні представлених в роботі наукових результатів полягала в участі у постановці задач та визначенні методів їх вирішення, виборі об`єктів дослідження, постановці експериментальних методик та проведенні експерименту, в обробці та аналізі одержаних результатів, створенні моделей фізичних процесів та написанні наукових статей.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати дисертаційної роботи апробовані на міжнародних наукових конференціях : The International Conference “ Optical Diagnostics of Materials and Devices for Opto-, Micro- and Quantum Electronics” OPTDIM`97 (Київ, Україна, 1997); IX науково-технічна конференції "Хімія, фізика і технологія халькогенідів та халькогалогенідів" (Ужгород, Україна, 1998 ); IV International Conference on Material Science and Material Properties for Infrared Optoelctronics (Київ, Україна, 1999); Міжнародна школа-конференція з актуальних питань фізики напівпровідників (Дрогобич, Україна, 1999); Third International School-Conference PPMSS ( Chernivtsi, Ukraine, 1999); eонференція молодих вчених “Лашкарьовські читання” (Київ, Україна, 2000); the Tenth International Conference on II-V Compounds (Bremen, Germany, 2001); IEEE Ultrasonic Symposium (Atlanta , USA, 2001).

Публікації.

Результати дисертаційної роботи опубліковані в 13 працях, з яких 8 - статті у фахових наукових журналах, 1 - у збірнику наукових праць, 4 - у збірниках наукових тез.

Структура й обсяг дисертації.

Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел. Робота викладена на 140 сторінках, включає 26 рисунків, 5 таблиць, 1 додаток і список літератури, що містить 162 джерела, розташований на 13 сторінках.

ОСНОВНИЙ Зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи та її зв’язок з науковими програмами, планами і темами досліджень, які виконуються в ІФН НАНУ, сформульовані мета та задачі дослідження, наукова новизна і практичне значення одержаних результатів, наведені дані про апробацію роботи, кількість публікацій та особистий внесок здобувача.

У першому розділі подано огляд літературних джерел, в якому коротко представлені питання, що стосуються теми дисертаційної роботи: проаналізовано механізми взаємодії ультразвуку з твердим тілом та розглянуто відомі акустостимульовані ефекти в напівпровідникових кристалах. Розглянуті також ефекти впливу ультразвукових обробок на електрофізичні та фотоелектричні параметри твердих розчинів CdхHg1-хTe, визначено коло невирішених питань для цього матеріалу. Наприкинці глави визначені мета й завдання даної роботи.

В другому розділі викладено загальні принципи методики допорогового ультразвукового навантаження, яка має дві характерні особливості. По-перше, акустостимульовані зміни властивостей кристалів CdхHg1-хTe контролювалися безпосередньо в присутності УЗ навантаження. По-друге, був використаний режим допорогового УЗ навантаження, тобто всі АС ефекти мали зворотний характер та після виключення ультразвуку значення досліджуваних параметрів поверталися до вихідних. Отже, існувала можливість вивчення впливу ультразвуку на одну і ту ж дефектну структуру кристалу при різних УЗ режимах та різними взаімодоповнюючими методами. Приведена також схема способу УЗ навантаження досліджуваних зразків та наведена робоча блок-схема установки контролю УЗ режимів та дослідження впливу ультразвуку на властивості кристалів CdхHg1-хTe.

В досліджуваних кристалах за допомогою п’єзоперетворювача з ніобату літія збуджувалася повздовжня УЗ хвиля частотою fUS57МГц та інтенсивністю WUS 104 Вт/м2. Величина механічних напружень US ( або ефективного тиску P), які створюються акустичною хвилею в зразку, була розрахована за формулою :

US=( 8U2K2CfUS(v)T (v)S / (v)B S )1/2 (1)

де U - ефективне значення напруги на виході генератора, К - коефіцієнт електромеханічного зв`язку, (v) - хвильовий опір, та v - відповідно густина та швидкість повздовжньої акустичної хвилі в зразку (індекс S), в перетворювачі (індекс T) та буфері (індекс B), C - ємність перетворювача, S - площа перетворювача, що має акустичний контакт із зразком, fUS - резонансна частота перетворювача. Величина US не перевищувала границі пружної деформації для досліджуваного матеріалу.

В другому розділі також описані режими дослідження температурних та магнітопольових залежностей електрофізичних параметрів кристалів CdхHg1-хTe методом ефекту Холла та магніторезистивного ефекту, отримання спектрів комбінаційного розсіювання світла, дослідження системи протяжних структурних дефектів методом оптичної мікроскопії та спосіб селективного травлення. Наведена методика підготовки кристалів CdхHg1-хTe до вимірів. Визначені переваги обраного для дослідження матеріалу.

В третьому розділі представлені результати вивчення дефектоперетворення в кристалах CdхHg1-хTе, стимульованого ультразвуком допорогової інтенсивності, яке складалося з комплексних досліджень впливу УЗ навантаження на властивості твердих розчинів CdхHg1-хTe. Вивчалися температурні, магнітопольові, амплітудні ( від інтенсивності ультразвука ) залежності основних електрофізичних параметрів та перехідні процеси, залежність величини АС ефектів від ступеня структурної досконалості в досліджуваних зразках та супутній ефект АС розігріву кристалу.

Результати дослідження дозволяють говорити про те, що в кристалах CdхHg1-хTe як n- так і p-типу провідності відбувається АС підвищення вкладу електронної компоненти в провідність. Причому, визначальну роль в цьому процесі відіграють лінійні структурні дефекти - дислокації та малокутові границі, оскільки встановлено, що величина АС зміни концентрації носіїв при одних і тих же значеннях УЗ інтенсивності, прикладеної до досліджуваних кристалів, відрізняється для різних зразків та корелює з густиною протяжних структурних дефектів. Це узгоджується із загальновідомим механізмом акустодислокаційної взаємодії, згідно якому саме поблизу дислокацій, що рухаються в полі УЗ хвилі, відбувається переважне поглинання енергії останньої.

Вивчення перехідних процесів показало, що при включенні та виключенні УЗ навантаження величина досліджуваного параметру (в даному випадку це концентрація носіїв заряду) стабілізувалася за час від 10 до 103 с. Величина часу релаксації залежала від температури та УЗ інтенсивності, корелювала з величиною зміни параметру та не залежала від часу озвучення.

Існує декілька можливих механізмів АС дефектоперетворення при допороговому УЗ навантаженні, які і були проаналізовані в третьому розділі. Дислокації, як відомо, створюють енергетичні рівні в забороненій зоні кристалу. Зміна зарядового стану таких рівнів в полі УЗ деформації повинна впливати на концентрацію вільних носіїв. Проте цей механізм, а також міжзонну генерацію носіїв в вузькозонних включеннях можна виключити із розгляду внаслідок того, що час релаксації для таких процесів повинен бути порядку ( 10-710-6 ) с, тобто набагато меншим за той, що спостерігається експериментально. Макроскопічне значення величини часу релаксації вказує скоріш за все на домінування іонного механізму АС перетворення дефектної структури в кристалах CdхHg1-хTe. Крім того, локальне підвищення температури поблизу лінійних дефектів повинно приводити до генерації додаткової концентрації сходинок на дислокаційних лініях, які згідно літературним данним є місцем утворення дефектів донорного типу. Проте вклад цього механізму не є настільки суттєвим, щоби пояснити кількісно величину зміни концентрації. Густина сходинок навіть при Nd = 1010 м-2 складає величину 1019м-3.

Перебіг АС процесів в кристалах CdхHg1-хTe при допороговому низькотемпературному УЗ навантаженні можна пов’язати з існуванням атмосфер зв`язаних поблизу дислокацій власних дефектів та домішок - так звані атмосфери Котрела [3]. Ці дефекти не дають вкладу в провідність та можуть знаходитися як в нейтральному, так і в іонізованому стані, утворюючи в останньому випадку області просторового заряду. При УЗ навантаженні частина зв`язаних в атмосферах дефектів може бути переведена в електричноактивний стан шляхом акустоактивації з подальшою іонізацією. Цьому сприяє інтенсивне виділення тепла біля дислокацій внаслідок переважаючого поглинання енергії УЗ хвиля саме поблизу таких макродефектів. Причому домінує вирогідніше за все активація дефектів донорного типу, на користь чого свідчить характер АС ефектів в кристалах різного типу провідності.

На користь термоакустоактиваційного механізму зміни концентрації носіїв заряду свідчить також характер амплітудних залежностей, досліджених при різних температурах на прикладі одного з кристалів CdхHg1-хTe n-типу провідності та представлених на рис. 1. Видно, що при підвищенні інтенсивності УЗ навантаження відбувається експоненційне зростання концентрації, яке можно описати виразом :

nb(US)=n(T,US)- n0 (T,0)= N0bexp(-(U0 - US)/kTi), (2)

Рис.1 n-Cd0.22Hg0.78Te. Амплітудні залежності зміни концентрації електронів nUS - n0 від інтенсивності УЗ навантаження WUS в кристалі, отримані при температурах Ti, K: 87, 93, 103.

де N0b - загальна концентрація зв`язаних дефектів; U0 - їх енергія зв`язку (активації), - еффективний коефіцієнт взаємодії УЗ хвилі з дефектами кристала. Нахил залежності lgn=f(us), us= (2usWus)1/2, дещо збільшується із збільшенням температури, що свідчить на користь термоактивованого характеру коливального руху дислокацій в досліджуваних кристалах.

В результаті дослідження впливу ультразвуку на електрофізичні властивості твердих розчинів CdхHg1-хTe було встановлено, що величина АС зміни концентрації носіїв заряду при однакових значеннях прикладеної до кристалів інтенсивності ультразвуку WUS відрізняється від зразка до зразка та корелює з густиною протяжних структурних дефектів - дислокацій NDIS та малокутових границь (МКГ) Nlab..Було з’ясовано, що максимальний ефект впливу УЗ коливань на досліджуваний матеріал спостерігається в кристалах з розгалуженою сіткою МКГ. Згідно моделі вимушених ( в полі зовнішнього УЗ навантаження ) резонансних коливань границь субблоків структури в кристалах CdхHg1-хTe [10] максимальна зміна таких параметрів кристалу, як концентрація та рухливість рівноважних носіїв заряду, відбувається в тому випадку, коли зовнішня частота fUS. близька до частоти, пов`язаної з геометричними розмірами субблочної структури fr. Цей зв`язок можна подати у вигляді : fr=vUS /2L, де L=(Nlab )-1- середній розмір субблока зразка, vUS = 3.4103 м/с- швидкість повздовжньої акустичної хвилі в CdхHg1-хTе.

Були досліджені дві групи кристалів CdхHg1-хTе, для яких величини АС зміни концентрації носіїв, густини протяжних дефектів та розрахованої власної частоти FR наведені в таблиці 1. Для першої групи зразків умова резонансу акустодислокаційної взаємодії не виконується. Величина FR, 0.5 МГц суттєво відрізняється від частоти УЗ навантаження та максимальна величина зміни концентрації носіїв не перевищує = nUS /n0 1.5. Для другої групи зразків з розгалуженою сиситемою МКГ величина набагато більша. Умови, близьки до резонансу ( FR = 8.5 МГц близька до частоти УЗ навантаження fUS ) та, відповідно максимальний АС ефект реалізується для зразка №4 (див. Таблицю 1, група 2).

Таким чином, дослідження показали, що величина АС ефектів в твердих розчинах CdxHg1-xTe визначається вихідним станом дефектної структури кристалу, тобто залежить від густини протяжних дефектів. Зміна електрофізичних параметрів тим більша, чим ближче частота поля УЗ деформації до власної частоти субблочної структури.

Таблиця 1

Вихідні та розраховані параметри досліджених зразків CdxHg1-xTe : густина протяжних структурних дефектів, відносна АС зміна концентрації носіїв заряду та розрахована власна середня частота субблочної структури fr . |

1 група зразків

NLAB 3 cм-1, FR, 0.5 МГц | 2 група зразків

NDIS 105cм-2

Зразок | =nUS /n0 ,

відн.од. | NDIS , см-2 | =nUS /n0 ,

відн.од. | NLAB , cм-1 | FR , МГц

1 | 1.17 | 105 | 1.2 | 2 | 0.34

2 | 1.2 | 105 | 1.7 | 15 | 2.55

3 | 1.25 | 3105 | 2.1 | 25 | 4.25

4 | 1.5 | 106 | 3.1 | 50 | 8.5

При розповсюдженні в напівпровідниковому кристалі акустичної хвилі мегагерцового діапазону втрати акустичної енергії, у відповідності з механізмом акустодислокаційної взаємодії, відбуваються переважно поблизу макроскопічних дефектів, що рухаються в полі акустичної хвилі (АХ). Отже, поблизу дислокацій та малокутових границь можна очікувати інтенсивне виділення тепла.

Дислокації, які здійснюють коливальний рух при розповсюдженні в кристалі акустичної хвилі, були розглянуті як лінійні джерела тепла. За пів періода АХ US=(2fUS)-1 відбувається стиснення та розігрів матриці поблизу таких дефектів. Час релаксації акустостимульованого розігріву можна оцінити за виразом R=d2/2DT , де d – середня по кристалу відстань між дислокаціями, DT – температуропровідність кристалу. Величина густини дислокацій для досліджених зразків CdxHg1-xTe знаходиться в межах Ndis = 1081010 м-2 . Відповідно середня по кристалу відстань між дислокаціями дорівнює d=NDIS-1/2= (10-510-4) м. Характеристичний час релаксації акустостимульованого розігріву області навколо дислокації складає величину R=10-310-1 с. Виконується умова адиабатичності US<R , тобто теплова рівновага за пів періода акустичної хвилі встановитися не встигає. Отже, на фоні середньої температури в матриці існують джерела постійного розігріву.

Рис.2 Розподіл температури навколо дислокаційної лінії, розрахований за формулою (3).

Розв’язання рівняння теплопровідності для дислокації що рухається, як для лінійного джерела тепла, дозволяє отримати вираз, який описує розподіл температури в межах радіусу розігріву дислокації у вигляді :

(3)

де W0 - енергія, що розсіюється одиницею довжини дислокації за одиницю часу, R0=2/Cvdis - стаціонарний радіус розігріву дислокації, , С, - відповідно теплопровідність, теплоємність та густина матриці, vdis - швидкість руху дислокацій, Т0 - середня рівноважна температура по кристалу. Оцінка величини радіусу області розігріву навколо дислокації для кристалів CdxHg1-xTe дає величину R0 210-6 м. Розподіл температури навколо ядра дислокації в кристалі CdxHg1-xTe, розрахований за виразом (3), представлено на рис.2. Оцінка показала, що при використаних інтенсивностях УЗ навантаження температура поблизу дислокації, яка коливається в полі УЗ деформації, збільшується на величину 20 К

Якщо густина структурних дефектів в кристалі така, що виконується умова перекриття областей розігріву навколо сусідніх дислокацій, а саме d<2R0, то акустичне навантаження приведе до макроскопічного розігріву зразка. Стосовно виконання цієї умови критичною є густина дислокацій 1011 м-2.

В роботі виявлено, що таке обмеження по густині дислокацій дійсно має місце. А саме, при УЗ навантаженні зразки з Ndis > 1011 м-2 нагрівалися рівномірно внаслідок неперервного розподілу в них теплових джерел - дислокацій. В кристалах, в яких середня величина Ndis не перевищувала 1010 м-2 , проте розподіл дислокацій був суттєво неоднорідним, УЗ навантаження приводило до появи градієнтів температури внаслідок макроскопічного розігріву областей підвищеної дефектності. В зразках же з рівномірним розподілом та густиною дислокацій Ndis 108 м-2 нагрів кристалу мав локальний характер і в макроскопічних ефектах не проявлявся.

Результати дослідження ефектів метастабільного дефектоперетворення в околі дислокацій та макроскопічного розігріву областей підвищеної дефектності в кристалах CdхHg1-хTe дозволили запропонувати для даного матеріалу новий, неруйнівний метод експрес-контролю структурної досконалості, суть якого в безконтактному виявленні ділянок підвищеної дефектності в пластинах CdxHg1-xTe по розподілу температури в пластині при УЗ навантаженні.

Четвертий розділ присвячений дослідженню впливу УЗ навантаження допорогової інтенсивності на процес розсіювання носіїв заряду та умови протікання струму в кристаллах CdxHg1-xTe.

З метою визначення домінуючих механізмів впливу ультразвуку допорогової інтенсивності на процес розсіювання носіїв в кристалах CdxHg1-xTe були досліджені температурні залежності (Т=77300К) холлівської рухливості носіїв заряду µH(T) на прикладі зразків n-типу провідності. Безпосередньо при УЗ навантаженні в області домішкової провідності ( Т<120 К ) холлівська рухливість в усіх досліджених зразках збільшувалася. Причому, при однакових значеннях інтенсивності УЗ навантаження для зразків з більшим значенням µоH,77 спостерігається менший ефект УЗ впливу, тобто менше значення µusH,77 ( рис.3, крива 1 ). При переході в область власної провідності ( Т>120 К ) спостерігається ефект АС зменшення холлівської рухливості.

Огляд літературних даних показав, що до домінуючих факторів, які обмежують рухливість носіїв в кристалах CdxHg1-xTe в температурному діапазоні (4300 К) більшість авторів відносять розсіювання на іонізованих домішках, розсіювання на сплавному потенціалі та розсіювання на полярних оптичних фононах. Аналіз ефекту АС зміни холлівської рухливості був проведений з урахуванням саме цих механізмів розсіювання.

Рис. 3 Залежність АС збільшення холлівської рухливості =(µHus-µHo)/µHo від абсолютної величини µ0H (крива 1) та від густини дислокацій NDIS (крива 2) при Т=77 К.

Показано, що в присутності ультразвуку зменшення рухливості носіїв заряду, обумовленої розсіюванням на іонізованих домішках µion, внаслідок АС підвищення концентрації центрів розсіювання значною мірою може бути компенсоване збільшенням µion внаслідок підвищення ефективності екранування та середньої енергії електронів в полі УЗ деформації. Тобто, пояснення АС зміни рухливості УЗ модифікацією механізму розсіювання на іонізованих домішках не є однозначним. Збільшення концентрації носіїв заряду в присутності ультразвуку повинно приводити до збільшення вкладу механізму розсіювання на сплавному потенціалі µal , а отже зменшення рухливості носіїв, внаслідок залежності рухливості µal від енергії електронів (-1/2).

Для з’ясування характеру впливу ультразвуку на розсіювання на оптичних фононах досліджені спектри комбінаційного розсіювання (КР) кристалів CdxHg1-xTe. Типові спектри без та при УЗ навантаженні для одного з досліджуваних зразків представлені на рис. 4. Спостерігалися тільки основні граткові моди, які позначені на рисунку. В полі УЗ-деформації відбувається підвищення інтенсивності смуг спектрів КР, що можна розглядати як збільшення еффективної температури кристала та, як наслідок, підвищення інтенсивності розсіювання на оптичних фононах. Такий висновок корелює із фактом зменшення холлівської рухливості µHUS в області власної провідності Т>120 K, де цей механізм є домінуючим.

Таким чином, аналіз процесу розсіювання носіїв заряду в кристалах CdxHg1-xTe в умовах УЗ навантаження показав, що АС модифікація умов розсіювання, а саме: збільшення концентрації центрів розсіювання, підвищення ефективності розсіювання на сплавному потенціалі та на оптичних фононах приводить до зменшення рухливості електронів, що і спостерігається в досліджених кристалах в області власної провідності. Проте пояснити АС зміну холлівської рухливості µH в області домішкової провідності тільки за рахунок механізмів розсіювання не вдається. Залишається не зрозумілою причина АС збільшення µH в області домішкової провідності та залежність величини цього ефекту від значення µH,77 o у вихідних зразках.

Рис.4 Спектри комбінаційного розсіювання світла зразків CdxHg1-xTe при Т=300 К. Криві 1, 2 - у відсутності УЗ-навантаження, крива 1`, 2` - в умовах УЗ-навантаження.

Відомо, що величина холлівської рухливості µH обумовлена не тільки процесом розсіювання носіїв заряду, але також і умовами протікання струму в кристалі. Ефективний розмір неоднорідного зразка відрізняється від реального, а величина µH0 буде заниженою, оскільки області просторового заряду, що оточують неоднорідності, перешко-джають проникненню в них носіїв [11].

На неоднорідність досліджуваних кристалів CdxHg1-xTe вказують занижені вихідні значення µH0, результати структурних досліджень та особливості польових залежностей магнітоопору.

Для всіх досліджених зразків спостерігається квадратична залежність /0 (В) в слабких магнітних полях (В<0.1 Тл) згідно класичної теорії явищ переносу. Проте, при переході в область сильних магнітних полів класичного насичення залежностей /0 (В) не відбувається. Магнітоопір зростає приблизно лінійно із зростанням В. Польові залежності поперечного магнітоопору при УЗ навантаженні наближаються до класичних - квадратична залежність /0 (В) в слабому магнітному полі змінюється насиченням /0 (В) при переході до сильних магнітних полів. Крім того зменшується абсолютна величина поперечного магнітоопору в усьому дослідженому діапазоні температур 77300 К.

Для пояснення отриманого ефекту запропоновано механізм термоакустостимульованого згладження внутрікристалічного потенціалу. Цілком імовірно, що для структурно досконалого кристалу CdxHg1-xTe, для якого можна знехтувати впливом макроскопічного потенціалу, така особливість, як АС підвищення холлівської рухливості взагалі не буде спостерігатися і при температурах від азотних до кімнатних буде відбуватися виключно зменшення рухливості носіїв заряду за рахунок модифікації умов розсіювання в полі УЗ деформації.

Основні результати та Висновки

1. Виявлено, що в кристалах CdxHg1-xTe при допороговому УЗ навантаженні з інтенсивністю WUS 104 Вт/м2 відбувається зміна основних електрофізичних параметрів. Причому ці зміни мають зворотний характер та після виключення ультразвуку релаксують за час від 10 до 103 с.

2. Встановлено, що в кристалах CdxHg1-xTe як n- так і p-типу провідності при УЗ навантаженні підвищується вклад електронної компоненти в провідність, що пов’язується з акустостимульованим вивільненням точкових дефектів переважно донорного типу, звязаних в дислокаційних атмосферах.

3.Проаналізовано вплив ультразвука на процес розсіювання носіїв заряду в кристалі та показано, що до зменшення рухливості електронів в області власної провідності ( Т>120 K ) в твердих розчинах CdxHg1-xTe приводить збільшення концентрації центрів розсіювання, підвищення ефективності розсіювання на сплавному потенціалі та на оптичних фононах.

4. Визначено, що акустостимульоване зростання холлівської рухливості в області домішкової провідності ( Т<120 K ) характерне виключно для неоднорідних, структурно недосконалих кристалів CdxHg1-xTe та є наслідком збільшення ефективного об`єму кристалу на рівні протікання за рахунок акустостимульованого згладження макроскопічного внутрікристалічного потенціалу.

5. Встановлено, що характер та величина акустостимульованих ефектів в кристалах CdxHg1-xTe залежить від вихідного стану дефектної структури кристалу. Величина акустостимульованої зміни електрофізичних параметрів тим більша, чим ближче частота УЗ хвилі до власної частоти субблочної структури, яка визначається густиною малокутових границь.

6. Виявлено неоднорідне акустостимульоване нагрівання кристалів CdxHg1-xTe. Розраховано розподіл температури та розміри області розігріву навколо дислокації. Визначено, що в досліджених зразках реалізуєтьсяї дискретний розподіл лінійних теплових джерел, якими є дислокації. Встановлено критичну величину густини дислокацій, перевищення якої в областях підвищеної дефектності приводить до макроскопічного розігріву останніх та неоднорідного нагрівання реальних кристалів.

7. Отримані в дисертаційній роботі результати розширюють уявлення про вплив ультразвуку на тверде тіло і можуть бути використані при розробці технологічних режимів обробок структур на основі CdxHg1-xTe. Встановлена чутливість електрофізичних параметрів кристалів CdхHg1-хTe до УЗ навантаження допорогової інтенсивності є важливою при визначенні робочих режимів функціональних елементів на основі CdхHg1-хTe в умовах акустичних завад.

8. Показано, що ефекти метастабільного дефектоперетворення в околі дислокацій та макроскопічного розігріву областей підвищеної дефектності в кристалах CdхHg1-хTe можуть бути приктачно використані як базові складові неруйнівного контролю ступеня структурної досконалості цього матеріалу.

СПИСОК опублікованИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ дисертації :

1. Олих Я.М., Савкина Р.К. Акустостимулиированная активация глубоких уровней в нейтронно-легированном германиии // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника.-1996.- №31.- С.62-67.

2. Оліх Я.М., Савкіна Р.К. Акустостимульований зсув температури інверсії знака коефіцієнта Холла у радіаційно-легованих кристалах германію // УФЖ.-1997.- Т.42, №11-12.- с.1385-1389.

3. Olikh Ya.M., Savkina R.K., Vlasenko O.I. Acoustodynamic influence on electronic propeties of CdHgTe alloys // Proc. of SPIE - 1999.- Vol.3890.- Р.536-540.

4. Власенко О.І., Оліх Я.М., Савкина Р.К. Особливості динамічного впливу ультразвуку на електрофізичні параметри напівпровідникових кристалів CdHgTe (x=0.2) // УФЖ.-1999.-Т.44, №5.- С.618-621.

5. Власенко А.И., Олих Я.М., Савкина Р.К. Акустостимулированная активация связанных дефектов в твердых растворах CdHgTe // ФТП.-1999.- Т.33, №4,- С.410-414.

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

7. Olikh Ya.M., Savkina R.K., Vlasenko O.I. Acoustodynamic transformation of the defect structure in Hg1-x Cdx Te alloys // Simiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics.-2000.- Vol.3, №3.- Р.304-307.

8. Власенко О.І., Савкіна Р.К. Теплові ефекти в кристалах CdHgTe при допороговому ультразвуковому навантаженні // Вісник Київського університету.- 2001.-№.2.-С.491-494.

9. Власенко О.І., Оліх Я.М., Савкіна Р.К. Природа акустостимульованої зміни рухливості електронів в кристалах n-CdxHg1-xTe // УФЖ.-2001.-Т.46, № 9.-C. 950-956.

10. Власенко О.І., Оліх Я.М., Савкина Р.К. Вплив динамічного ультразвукового навантаження на електрофізичні властивості CdHgTe (x=0.2) // Тези доповідей IX науково-технічної конференції "Хімія, фізика і технологія халькогенідів та халькогалогенідів".- Ужгород : Україна.- 1998.- С.168.

11. Власенко О.І., Оліх Я.М., Савкина Р.К. Вплив ультразвуку на протікання струму в структурно недосконалих кристалах CdHgTe (x=0.2) // Тези доповідей Міжнародної школи-конференції з актуальних питань фізики напівпровідників.- Дрогобич: Україна.- 1999. -С.90.

12. Olikh Ya.M., Savkina R.K., Vlasenko O.I. Acoustostimulated pn transition and other effects in CdHgTe alloys at dynamic ultrasound loading // Third Intrn. School-Conference PPMSS.- Chernivtsi (Ukraine).- 1999.- Р.101

13. Savkina R.K., Vlasenko O.I. Acoustostimulated change of the charge carriers concentration in n- and p-CdHgTe alloys with different initial state of the defect structure // in 10th International Conference on II-VI Compounds. - Bremen ( Germany ).- 2001.-Mo-P41.

Цитована література

1. Труэлл Р., Эльбаум Ч., Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твёрдого тела.- М.: Мир, 1972.- 307 с.

2. Ультразвук : Маленькая энциклопедия. - М.: Сов. энциклопедия,1979.- 400 с.

3.Физическая акустика / Под ред. У. Мэзона : Пер. с англ. - М.: Мир, 1969.- Т.3, 4, ч.А.- 580 с.

4. Островский И.В.Акустолюминесценция и дефекты кристаллов. - К.: Вища школа, 1993.-223 с.

5. Гавалешко Н.П., Горлей П.Н., Шендеровский В.А. Узкозонные полупроводники. Получение и физические свойства.-К.: Наукова думка, 1984.- 288 с.

6. Norton P.R. Infrared detectors in the next millenium // Proc. of SPIE. - 1999.- Vol.3698.- P.652-665.

7. Sizov F.F. Infrared detectors : outlook and means // Semicond. Phys. Quant. and Optoelectronic.-2000.-Vol.3, № 1.- P.52-58.

8. Malytenko V.K. HgCdTe and other infrared material status in the Ukraine // Journal of Electronic Materials.-1995.-Vol.24, №9.- P.1231-1238

9. Lashkarev G.V.,Radchenko M.V.,Asotskiy V.V. Investigations of transport phenomena in narrow gap semiconductors // Proc. of SPIE.- 1997.-Vol.3182.- P.302-305.

10. Баранский П.И., Мысливец К.А., Олих Я.М. Роль малоугловых границ в изменении электрофизических параметров в кристаллах CdxHg1-xTe, подвергнутых УЗО // ФТТ.-1989.-T.31, №9.- C.278-281.

Анотація

Савкіна Р.К. Дефектоперетворення в твердих розчинах CdHgTe, стимульоване ультразвуком допорогової інтенсивності.- Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут фізики напівпровідників Національної Академії наук України, Київ, 2001.

Дисертація присвячена вивченню впливу акустичних хвиль ультразвукового діапазону частот та допорогової інтенсивності на систему дефектів та властивості вузькозонних твердих розчинів CdхHg1-хTe.

На основі дослідження явищ переносу в монокристалах CdхHg1-хTe встановлено, що під впливом ультразвуку відбувається вивільнення звязаних в дислокаційні атмосфери дефектів, що призводить до зміни електрофізичних параметрів цього матеріалу. Показано, що ці зміни є нестабільними та релаксують після виключення ультразвуку за кінцевий час від 10 до 103с. Встановлено, що характер та величина акустостимульованих ефектів в кристалах CdxHg1-xTe залежить від вихідного стану дефектної структури кристалу. Величина акустостимульованої зміни електрофізичних параметрів тим більша, чим ближче частота УЗ хвилі до власної частоти субблочної структури, яка визначається густиною малокутових границь.

Виявлено неоднорідне акустостимульоване нагрівання кристалів CdxHg1-xTe. Розраховано розподіл температури та розміри області розігріву навколо дислокації. Визначено, що в досліджених зразках реалізується дискретний розподіл лінійних теплових джерел, якими є дислокації. Встановлено критичну величину густини дислокацій, перевищення якої в областях підвищеної дефектності призводить до макроскопічного розігріву останніх та неоднорідного нагрівання реальних кристалів. Показано, що цей ефект може бути базовим для методики неруйнівного контролю ступеня структурної досконалості данного матеріалу.

Встановлено, що акустостимульована модифікація умов розсіювання в твердих розчинах CdхHg1-хTe, а саме: збільшення концентрації центрів розсіювання, підвищення ефективності розсіювання на сплавному потенціалі та на оптичних фононах, приводить до зменшення рухливості електронів. Виявлене ж зростання холлівської рухливості під впливом ультразвуку в області низьких температур ( Т<120 K ) характерне виключно для неоднорідних, структурно недосконалих кристалів CdхHg1-хTe та є наслідком збільшення ефективного об`єму кристалу на рівні протікання за рахунок акустостимульованого згладження макроскопічного внутрікристалічного потенціалу.

Ключові слова : ультразвук, тверді розчини CdxHg1-xTe, дислокації, акустодислокаційна взаємодія.

Аннотация

Савкина Р.К. Дефектопреобразование в твёрдых расстворах CdHgTe, стимулированное ультразвуком допороговой интенсивности - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твёрдого тела. - Институт физики полупроводников Национальной Академии наук Украини, Киев, 2001

Диссертация посвящена изучению влияния акустических волн ультразвукового диапазона частот и допороговой интенсивности на систему дефектов и свойства узкозонных твёрдых расстворов CdхHg1-хTe.

На основе исследования явлений переноса в монокристаллах CdхHg1-хTe установлено, что под воздействием ультразвука происходит отрыв связанных в дислокационных атмосферах дефектов и как следствие - изменение электрофизических параметров данного материала. Показано, что эти изменения являються нестабильными и релаксируют после выключения ультразвука за время от 10 с до 103 с. Установлено, что характер и величина акустостимулированных еффектов в кристаллах CdxHg1-xTe зависит от исходного состояния дефектной системы кристалла. Величина акустостимулированного изменения электрофизических параметров тем больше, чем ближе частота УЗ волны к собственной частоте субблочной структуры, которая определяется плотностью малоугловых границ.

Выявлено неоднородное акустостимулированное нагревание кристаллов CdxHg1-xTe. Рассчитано распределение температуры и размеры области разогрева вокруг дислокации. Определено, что в исследованных образцах реализуется дискретное распределение линейных тепловых источников, которыми являются дислокации. Определена критическая плотность дислокаций, превышение которой в областях повышенной дефектности приводит к макроскопическому разогреву последних и неоднородному нагреванию реальных кристаллов. Показано, что этот эффект может быть базовым для методики неразрушающего контроля степени структурного совершенства данного материала.

Установлено, что