Чернівецький національний університет

імені Юрія Федьковича

Яковина Віталій Степанович

УДК 621.315.592

ВПЛИВ ІНДУКОВАНИХ ЛАЗЕРНИМ ВИПРОМІНЮВАННЯМ УДАРНИХ ХВИЛЬ НА СТАН ДЕФЕКТІВ У ВУЗЬКОЩІЛИННИХ ТВЕРДИХ РОЗЧИНАХ Hg1-xCdxTe ТА Pb1-xSnxTe

(01.04.10 – фізика напівпровідників і діелектриків)

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Чернівці – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі напівпровідникової електроніки Національного університету "Львівська політехніка".

Науковий керівник: | доктор фізико-математичних наук, професор

Берченко Микола Миколайович,

Національний університет "Львівська політехніка",

професор кафедри напівпровідникової електроніки

Офіційні опоненти: | доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник

Паранчич Степан Юрійович,

Чернівецький національний університет,

професор кафедри фізичної електроніки і нетрадиційної енергетики

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник

Котлярчук Богдан Костянтинович,

Інститут прикладних проблем механіки і математики НАН України, м. Львів,

провідний науковий співробітник

Провідна установа: | Інститут фізики напівпровідників НАН України, м Київ

Захист відбудеться 22 березня 2002 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .051.01 при Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича за адресою: 58012, м. Чернівці, вул. Коцюбинського, 2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича (58012, м. Чернівці, вул. Лесі Українки, 23).

Автореферат розісланий 22 лютого 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради |

__________________ |

Курганецький М.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Інтенсивний розвиток інфрачервоної фотоелектроніки та її використання в різноманітних сферах людської діяльності (у системах спостереження, оптичному зв’язку, медицині, спеціальній апаратурі та ін.) зумовили новий якісний рівень вирішення задач, пов’язаних з реєстрацією та контролем параметрів навколишнього середовища, досліджуваних процесів і об’єктів. Саме це і стимулювало пошук та розробку нових напівпровідникових матеріалів та структур, фоточутливих в ІЧ-області спектру, зокрема у вікні прозорості атмосфери 8-14 мкм.

Найширше застосування в цьому зв’язку знайшли вузькощілинні напівпровідникові тверді розчини на основі бінарних сполук II-VI та IV-VI. На цей час для названих матеріалів розроблені ефективні технології як вирощування досконалих монокристалів та епітаксійних шарів, так і створення різного типу приладних структур. Залишається актуальним пошук методів та засобів управління параметрами як вихідних матеріалів, так і структур на їх основі, що б дозволило покращити експлуатаційні параметри приладів та їх надійність. Ураховуючи низьку температурну стабільність усіх халькогенідів, особливо слід виділити методи нетермічної активації технологічних процесів, одним з яких і є методи лазерної обробки матеріалів.

Вплив індукованих імпульсом лазерного випромінювання ударних хвиль – лазерних ударних хвиль (ЛУХ) на матеріали завдяки їх зручності у використанні, технологічності та широким можливостям змінювати параметри ЛУХ за допомогою зміни параметрів лазерного випромінювання досить широко досліджували протягом останніх двох десятиліть. Проте основні акценти робили на зміни механічних параметрів металів під дією ЛУХ, а як засіб впливу на напівпровідники ЛУХ ще не знайшли широкого застосування. При цьому в більшості досліджень вивчали комплексний вплив як теплової та світлової дії імпульсів лазерного випромінювання, так і ЛУХ. Отже вплив на напівпровідники саме ЛУХ, без термічної дії лазера залишається практично недослідженим. Особливо це актуально у випадку вузькощілинних напівпровідників, зокрема твердих розчинів Hg1_хCdхTe, в яких навіть найменший нагрів призводить до суттєвих змін параметрів матеріалу.

Як бачимо, у той час як процеси взаємодії лазерного випромінювання з напівпровідниками, і вузькощілинними зокрема, досить широко і детально досліджені, процеси ударностимульованого дефектоутворення та модифікації властивостей напівпровідників залишають широке поле для досліджень.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до планів наукової діяльності кафедри напівпровідникової електроніки Національного університету "Львівська політехніка" в рамках наукової теми "Вивчення явищ переносу та дефектоутворення в напівпровідникових структурах".

Мета і задачі дослідження. Метою роботи було встановлення основних закономірностей впливу лазерних ударних хвиль на вузькощілинні напівпровідники та границі розділу на їх основі для вивчення можливості управління дефектною структурою та цілеспрямованої модифікації властивостей цих напівпровідників.

Для досягнення мети необхідно було розв’язати такі основні задачі досліджень:

-

-

-

Об’єктом досліджень були об’ємні монокристали Hg1_хCdхTe n-та р-типів провідності, плівки Hg1_хCdхTe/CdTe та епітаксійні шари Pb1_хSnхTe/BaF2.

Предметом дослідження – вплив ЛУХ на електрофізичні, фотоелектричні та механічні характеристики об’ємного та плівкового матеріалу та на властивості й структуру границь розділу на їх основі.

Для досягнення мети використовували такий комплекс експериментальних методів, як вимірювання польових залежностей ефекту Холла, вимірювання часу життя неосновних носіїв заряду (ННЗ) та його температурної залежності, вимірювання мікротвердості та її розподілу по глибині матеріалу, дослідження картин селективного травлення по глибині зразків та дислокаційних розеток навколо відбитка індентора, вимірювання вольт-амперних характеристик гетеропереходів Hg1_хCdхTe –дослідження величини напружень в епітаксійних шарах Pb1_хSnхTe/BaF2 шляхом вимірювання кутових залежностей магнетоопору.

Наукова новизна одержаних результатів

1.

2.

3.

4.

5.

Практичне значення одержаних результатів

1.

2.

3.

4.

5.

Особистий внесок здобувача. Дисертантом була проведена робота, пов’язана з пошуком та узагальненням наукових публікацій по темі дисертації, зроблена структуризація роботи. У працях [1-17] автор брав участь у постановці задачі, виготовленні зразків та у співдружності зі співавторами провів фізичну інтерпретацію виявлених ефектів та закономірностей. У роботах [1, 2, 5, 9, 10] проводив вимірювання орієнтаційних залежностей магнетоопору, математичну обробку результатів та моделювання. У працях [3, 4, 6, 7, 8, 11-17] проводив ударну обробку зразків, вимірювання гальваномагнітних ефектів, математичну обробку результатів та брав участь у фотоелектричних вимірюваннях [6, 12, 13, 15] та механічних дослідженнях [4], а також проводив анодування та відпал зразків [8].

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, поданих у дисертації, доповідались на наступних конференціях: "XXVI International School on Physics of Semiconductings Compounds" (Jazsowiec, Польща, 1997), IV International Conference on "Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics" (Київ, 1998), E-MRS 1999 Spring Meeting (Strasbourg, Франція, 1999), V International Conference on "Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics" (Київ, 2000), "XXIX International School on Physics of Semiconducting Compounds" (Jazsowiec, Польща, 2000), ІІ Міжнародному Смакуловому симпозіумі "Фундаментальні і прикладні проблеми сучасної фізики" (Тернопіль, 2000), International Conference on Solid State Crystals – Materials Science and Applications (Zakopane, Польща, 2000), International Conference on Optoelectronic Information Technologies "Optoelectronic Information – Energy Technologies" (Вінниця, 2001), Міжнародній конференції студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРІКА-2001 (Львів, 2001), а також на щорічних відкритих конференціях науково-викладацького складу електрофізичного факультету (1998-2001) та семінарах кафедри напівпровідникової електроніки Національного університету "Львівська політехніка" (1997-2001).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у 8 статтях та 9 тезах конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків та списку використаних джерел.

Дисертація викладена на 160 сторінках і містить 49 рисунків та 21 таблицю, а також список цитованої літератури зі 203 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми досліджень, її зв’язок з науковими програмами, планами і темами, сформульована мета і визначені задачі досліджень, показана наукова новизна і практичне значення одержаних результатів. Там само приведені відомості, пов’язані з апробацією результатів дисертації.

Перший розділ дисертації є оглядовим. Він присвячений стислому літературному огляду власних точкових дефектів у твердих розчинах Hg1_хCdхTe та Pb1_хSnхTe, а також електрично активних протяжних дефектів у Hg1_хCdхTe. Наведені літературні дані щодо взаємодії лазерного випромінювання з напівпровідниками, зокрема впливу ЛУХ на фізичні властивості кристалів. Також розглянуто зміни зонної структури багатодолинних напівпровідників типу Pb1_хSnхTe під дією одновісної деформації.

У другому розділі описано використані експериментальні методики. Описано методику генерування ЛУХ імпульсами випромінювання неодимового лазера тривалістю 30 нс через прозоре конденсоване середовище. Показано, що умови експерименту обрано такими, щоб уникнути теплової дії лазерного випромінювання. Наведено методику вимірювань ефекту Холла, часу життя ННЗ, мікротвердості та виявлення картин селективного травлення, зняття орієнтаційних залежностей магнетоопору та анодного оксидування поверхні Hg1_хCdхTe. Крім того, у розділі описано модель магнетоопору в кубічних кристалах у випадку порушення кубічної симетрії, за якою в подальшому розраховували значення механічних напружень в плівках Pb1_хSnхTe/BaF2 на основі вимірювання кутових залежностей магнетоопору.

У третьому розділі наведено результати гальваномагнітних, фотоелектричних та механічних властивостей монокристалів Hg1_хCdхTe після дії ЛУХ. Там само проаналізовано результати досліджень впливу ЛУХ на структури з макронеоднорідностями, а саме виділеннями іншої фази, та з границями розділу метал І групи –1_хCdхTe.

Вплив ЛУХ на об’ємні монокристали Hg1_хCdхTe досліджували на зразках n- та p-типів провідності складу х .200.25. Концентрація електронів у зразках n-типу провідності становила (16)1014 см-3 при 77 К, а їх рухливість – (0.52)105 см2/(Вс). У зразках р-типу концентрація дірок становила (510)1015 см-3, рухливість – 500600 см2/(Вс) при 77 К. Час життя ННЗ обмежувався механізмом рекомбінації Шоклі – Ріда (зразки р-типу) та Оже механізмом (більшість зразків n-типу).

Розглянуто два основні режими проходження ЛУХ через кристал. У першому режимі обробки ЛУХ генерувалась моноімпульсним випромінюванням лазера, у результаті чого через кристал проходила одна ударна хвиля. На відміну від першого другий режим спричиняє проходження через зразок декількох (від 2 до 4) ЛУХ з інтервалом між ними 50100 мкс. Це досягали опроміненням структури імпульсом лазера, що складався з декількох пічків тривалістю по 30 нс з інтервалом 50100 мкс. Усі експерименти з ударної обробки провадили за кімнатної температури.

Насамперед відзначимо пороговий характер змін параметрів кристалів. Крім того, з експериментів випливає, що поріг відчутних змін, взагалі кажучи, є індивідуальним для кожного зразка (можливо навіть для різних зразків, вирізаних з однієї шайби). Хоч узагальнюючи, можна стверджувати, що ЛУХ-обробка з тиском у фронті меншим 0.4 ГПа для будь-якого зразка Hg1_хCdхTe, не приводить до змін, які можна зафіксувати за допомогою явищ переносу. Таку "індивідуальність" порогу ЛУХ ми пояснюємо відмінностями в структурі протяжних дефектів різних вихідних зразків.

Показано, що проходження через об’ємні монокристали Hg1_хCdхTe як n-, так і p-типів однієї ЛУХ приводить до збільшення концентрації електронів у зразку та зменшення концентрації дірок при майже незмінній їх рухливості. Це свідчить про відсутність зміни механізму розсіювання у досліджуваному матеріалі під дією ударної обробки. За такого режиму обробки час життя ННЗ залишається майже незмінним чи слабо зростає (у більшості зразків n-типу) або помітно зростає в зразках р-типу (від 0.5 до 1.5 мкс і навіть 3.5 мкс після дії ЛУХ). При цьому після ударної обробки не спостерігали зміни механізму рекомбінації ННЗ.

Слід зауважити, що при дослідженнях Hg1_хCdхTe найпомітніші зміни завжди були у зразках р-типу. Цей факт цілком очевидно пояснюється тим, що електрофізичні параметри матеріалу р-типу визначаються станом електрично активних власних точкових дефектів, домінуючого впливу на які насамперед і слід очікувати в умовах ударної обробки.

На відміну від описаної ситуації, обробка в багатопічковому режимі роботи лазера спричиняє зменшення концентрації електронів у всіх зразках з одночасним збільшенням концентрації дірок (зі збереженням співвідношення ni2 np) аж до n-p конверсії. Зазначимо, що глибина конверсії сягає принаймні 100 мкм, що перевіряли пошаровим хімічним стравлюванням із наступним вимірюванням ефекту Холла. У зразках, оброблених у такому режимі, спостерігали зменшення часу життя ННЗ (для зразків р-типу – вдвічі). При цьому також не спостерігаємо зміни механізму розсіювання носіїв заряду та механізму рекомбінації ННЗ.

Механічні дослідження монокристалів Hg1_хCdхTe провадили шляхом вимірювання мікротвердості та селективного травлення розеток свіжих дислокацій, утворених при індентуванні кристалів.

У всіх експериментах виявлено зміцнення зразків після дії ЛУХ. Величина зміцнення становить 10.2, 9.4 і 7.2для зразків груп А, Б і В, які піддавали ударній обробці з тиском у фронті ЛУХ 1.7, 0.8 та 0.5 ГПа відповідно. Таким чином, встановлено, що величина зміцнення корелює з тиском фронту ЛУХ.

Відбитки наносили на поверхню зразків після дії ЛУХ і протравлювали для виявлення картин дислокаційних розеток. Сумарний розмах протилежних променів l у цих умовах становить приблизно 82, 89, 92 мкм у зразках А, Б і В відповідно. Отже, встановлена кореляція між довжиною променів розеток і тиском у фронті ЛУХ – чим більший тиск фронту, тим менша довжина променів розетки. Можна стверджувати, що внаслідок дії ударних хвиль створюється такий стан у кристалічній гратці, за якого затруднюється переміщення дислокацій.

Зміцнення кристалів Hg1_хCdхTe внаслідок генерації дислокацій під дією ЛУХ ударної хвилі малоймовірне, тому що для зміцнення кристала на 1020потрібно збільшення густини дислокацій на кілька порядків. У наших експериментах селективне травлення не виявляє збільшення густини дислокацій, а лише їх блокування.

Для зразків партій А, Б і В значення стартового напруження руху дислокацій s (МПа), обчислені з використанням значень l для розеток, одержаних травленням відбитків, нанесених до і після дії ЛУХ, становлять відповідно: 3.81 і 5.26 МПа; 3.45 і 4.42 МПа та 3.57 і 4.15 МПа.

Таким чином, встановлено, що дія ЛУХ спричиняє збільшення стартового напруження руху дислокацій, що корелює з фактом зміцнення матеріалу під дією ЛУХ.

Виходячи зі загальноприйнятих положень щодо стану дефектів у монокристалах Hg1_хCdхTe, ми вважаємо, що механізм взаємодії ЛУХ зі системою дефектів вузькощілинних твердих розчинів Hg1_хCdхTe полягає в наступному: під дією надлишкової енергії за флуктуаційним механізмом утворюються власні точкові дефекти френкелівського типу, а існуючі та утворені точкові дефекти набувають енергії, достатньої для їх міграції в об’ємі напівпровідника. При цьому, на відміну від термічної генерації, під флуктуаціями розуміємо не зміну енергії, а варіації стану найближчого оточення дефекту (оточення іншими точковими дефектами, комплекси, наявність поблизу протяжних дефектів, тощо).

Отже, можна стверджувати, що в наших експериментах є принаймні два прояви механізму взаємодії ЛУХ із монокристалами Hg1_хCdхTe залежно від режимів лазерного опромінення.

Першим проявом цього механізму є низькотемпературний ударнохвильовий відпал власних точкових дефектів під впливом надлишкової енергії, переданої від ЛУХ до точкового дефекту. Слід зауважити, що такий відпал вносить помітний вклад в умовах обробки моноімпульсом лазера за кімнатної температури, коли більша частина введених точкових дефектів відпалюється. Під впливом надлишкової енергії дефекти на віддалі порядку дифузійної довжини можуть рухатись до стоків. Виявлене зменшення довжини променів дислокаційних розеток є наслідком взаємодії дислокацій з точковими дефектами. Оскільки основним дефектом в Hg1_хCdхTe є вакансія ртуті, то цей механізм повинен спричиняти зменшення компенсації матеріалу n-типу, що узгоджується з нашими експериментами. Крім того, стає зрозумілою індивідуальність порогового значення ЛУХ, після якого відбуваються відчутні зміни параметрів носіїв заряду в досліджуваних зразках – адже менша кількість дислокацій, малокутових границь та іншого роду стоків для точкових дефектів, за інших однакових умов, приведе до меншої кількості відпалених дефектів і, отже, до меншої зміни електрофізичних параметрів напівпровідника.

Другий прояв механізму взаємодії ударної хвилі з монокристалами Hg1_хCdхTe полягає в утворенні точкових дефектів під дією ЛУХ. Особливо сильно повинна взаємодіяти ЛУХ з атомами ртуті, оскільки ртуть, по-перше, найслабше зв'язана в гратці Hg1_хCdхTe, а по-друге, ртуть є важчим елементом порівняно з іншими атомами матриці, а ефективність розсіювання ЛУХ на таких центрах значно більша. Цей механізм повинен найсильніше проявлятись в умовах проходження через кристал кількох ЛУХ. Тоді френкелівська пара вакансія ртуті – ртуть у міжвузлі не встигає рекомбінувати, і міжвузловий атом під дією наступної ударної хвилі (а імовірність розсіювання ЛУХ на міжвузловому атомі – дефекті – набагато більша, ніж на атомі у вузлі гратки) може вийти на стоки. Відтак у кристалі повинна збільшуватись кількість вакансій ртуті, що спричиняє зміну типу провідності на дірковий.

Метою досліджень у наступному підрозділі було вивчення впливу ЛУХ на кристали Hg1_хCdхTe за наявності макронеоднорідностей, а також вивчення поведінки нерівноважної концентрації домішок, створеної на границі розділу метал І групи – Hg1_хCdхTe в умовах ударної обробки.

Як структури з макронеоднорідностями використовували плівкову структуру (110) n0.73Cd0.27Te:Br/p-CdTe. При цьому було вибрано зразок із виділеннями іншої фази, провідність яких значно більша за провідність матриці. Ізольовані виділення такого типу в Hg1_хCdхTe можна легко виявити з аналізу польових залежностей ефекту Холла при 300 та 77 К.

Результати розрахунків, в яких визначали відносний об’єм виділень f, а також параметри (концентрація і рухливість) носіїв заряду для зразка до і після ударної обробки наведені в табл. .

Виявлено збільшення питомої електропровідності зразка після ЛУХ обробки. Як добре видно з табл. 1, концентрація носіїв заряду помітно зменшується. Таке зменшення (оскільки концентрація носіїв в зразку визначається електрично активною домішкою брому) ми пов’язуємо з переведенням брому в електрично неактивний стан. Такий процес може відбуватися внаслідок утворення електронейтральних комплексів на основі брому або гетерування домішки на границі розділу плівка – підкладка. Суттєве зростання рухливості носіїв цілком відповідає більшому впорядкуванню в зразку після ударної обробки (зменшення відносного об’єму мікровиділень f – див. табл. 1) та зменшенню центрів розсіювання, пов’язаних з іонізованими домішками.

Крім гальваномагнітних досліджень були зняті вольт-амперні характеристики (ВАХ) структури. Можливість зняття ВАХ обумовлена гетеропереходом n-Hg0.73Cd0.27Te/p-CdTe, утвореним на границі розділу плівка – підкладка. Оскільки така границя розділу є просторовим дефектом великого розміру, слід очікувати суттєвого впливу ЛУХ на її параметри. Опосередковано такий вплив можна побачити на ВАХ при 77 К. Такі характеристики наведено на рис. .

Таблиця 1

Параметри носіїв заряду та мікровиділень у зразку І-100

Зразок | Т, К | , Ом-1см-1 | n, см-3 | n, см2/(Вс) | f, %

вихідний | 300 | 14.65 | 4.481016 | 2 040 | 5.1

вихідний | 77 | 48.24 | 4.881016 | 6 180 | 4.8

після ЛУХ | 300 | 22.18 | 3.891016 | 3 560 | < .4

після ЛУХ | 77 | 59.14 | 3.801016 | 9 720 | 0.9

Основною відмінністю ВАХ вихідного та обробленого гетеропереходів є зменшення зворотного струму та зростання напруги відсічки за прямого зміщення (рис. 1). Таку картину ми пов’язуємо насамперед зі зменшенням струмів втрат, які у вихідному зразку найімовірніше пов’язані зі шунтуючим впливом виділень напівметалевої фази та дислокаціями навколо них. Зменшення відносного об’єму таких мікровиділень, яке спостерігали на основі аналізу гальваномагнітних вимірювань, на нашу думку і спричинило зменшення темнового струму гетеропереходу. Зростання напруги відсічки (а отже, зростання висоти потенціального бар’єру гетеропереходу) також може бути пов’язано зі зменшенням відносного об’єму таких мікровиділень, а крім того, з упорядкуванням границі розділу плівка – підкладка.

Рис. 1. ВАХ структури І-100 при 77 К до (1) та після (2) ударної обробки

Отже, ЛУХ ефективно впливає на кристали з макродефектами та на границю розділу Hg1_хCdхTe –Тому для детальнішого вивчення цих явищ ми обрали структури у вигляді об’ємних монокристалів з нанесеними не поверхню товстими плівками металів І групи. Мідь та золото були хімічно осаджені на поверхню Hg1_хCdхTe відновленням міді зі сульфату та золота з хлориду.

Зразки досліджували шляхом зняття польових залежностей коефіцієнта Холла, а також вимірюванням мікротвердості по косому шліфу та селективним травленням поверхні шліфа. Косий шліф отримували витягуванням зразків з 0.75розчину Br2 в метанолі. Крім того, були проведені контрольні вимірювання мікротвердості по косому шліфу зразка, підданого дії ЛУХ без плівок металів. Установлено, що такі зразки є однорідними щодо мікротвердості HV (HV в межах 479   МПа) без жодної кореляції з глибиною вимірювання. Отже сама по собі ударна обробка не створює різких змін мікротвердості по глибині зразка та особливостей картин травлення.

Для зразків з осадженою міддю без дії ЛУХ, підданих тривалій витримці за кімнатної температури, спостерігали конверсію типу провідності. Це добре узгоджується з дуже високим (навіть за кімнатної температури) коефіцієнтом дифузії атомів міді в Hg1_хCdхTe складу х  .2. Однак для всіх зразків, підданих дії ЛУХ, визначена з ефекту Холла концентрація акцепторів майже вдвічі більша за практично сталої рухливості дірок. Це дозволяє стверджувати, що ЛУХ сприяє або введенню більшої кількості міді в підгратку металу, або ж її дифузії вглиб зразка.

Однак аналогічні вимірювання зразків з хімічно осадженим золотом показали, що в межах точності експерименту електричні параметри зразків залишаються незмінними як до, так і після дії ЛУХ. Відсутність змін після дії ЛУХ свідчить про те, що на відміну від атомів міді, атоми золота не входять у вигляді електрично активної домішки, або ж концентрація домішки (і відповідно глибина конвертованого шару) достатньо мала, щоб не фіксуватися на польових залежностях коефіцієнта Холла.

Для зразків з хімічно осадженим золотом, підданих дії ЛУХ селективне травлення виявляє чітку смугу дрібних преципітатів, яка повністю (і досить різко) зникає на певній глибині. У полі преципітатів HV становить 518 та 531 МПа для двох досліджуваних зразків, тоді як на глибшій ділянці, вільній від преципітатів, HV та 483 МПа відповідно.

Отже, ми вважаємо, що під дією ЛУХ відбулося проникнення золота з осадженої плівки в об’єм матеріалу, причому внаслідок великого градієнта тиску у фронті ЛУХ і різко нерівноважного характеру процесу, переважна частина золота входить в електрично неактивному стані як виділення іншої фази. На основі літературних даних ми вважаємо, що, скоріш за все, цією іншою фазою є AuTe2, мікротвердість якого в межах 382774 МПа.

Інша картина отримана при дослідженні зразків, на які було осаджено плівку міді. Як показують результати гальваномагнітних вимірювань, мідь дифундує в Hg1_хCdхTe за кімнатної температури і без дії ЛУХ. Жодних ознак границі розділу в зразках з впровадженою міддю, аналогічних зразкам зі золотом, виявлено не було.

Таку відмінність насамперед ми пов’язуємо з відмінністю процесів дифузії та ЛУХ обробки, пов’язаних з тим, що коефіцієнт дифузії міді набагато більший за коефіцієнт дифузії золота в Hg1_хCdхTe. Отже ЛУХ обробка зразків із нанесеним шаром міді відбувалась за умови, що велика частина міді вже продифундувала в кристал. Відтак, у випадку зразків, легованих міддю, дія ЛУХ насамперед повинна бути пов’язана з руйнуванням комплексів і асоціатів на основі міді, та, меншою мірою, з дифузією нових порцій домішки.

Це ілюструється великою кількістю порівняно великих мікропористих виділень (діаметром до 60 мкм) з малою мікротвердістю та дрібнозернистою структурою, які спостерігали на зразках, підданих ударній обробці. На нашу думку ці мікропористі виділення – залишки великих комплексів та асоціатів на основі міді, які були зруйновані ЛУХ. Адже на контрольному зразку таких виділень не помічено. Крім того, руйнування виділень іншої фази зі зменшенням їх відносного об’єму підтверджується результатами, отриманими на структурі І-100 (див. вище).

Іншою характерною особливістю групи зразків, в які дифундувала мідь, є наявність великої кількості виділень іншої фази, мікротвердість яких HV  392 МПа. Виділення іншої фази ми пов’язуємо насамперед (аналогічно випадку зі золотом) з утворенням телуриду міді.

Четвертий розділ присвячено вивченню впливу ЛУХ на границю розділу анодний оксид –1_хCdхTe та термічну стабільність анодного оксиду.

Тут вивчали вплив ЛУХ на структури Hg1_хCdхTe з анодним оксидом за допомогою явищ переносу. Досліджували структури на основі зразків р-типу провідності, вирізаних з однієї шайби складу х  .200.22, з вихідною концентрацією дірок р 8)1015 см-3.

Досліджували три групи зразків, які нумерували як А, ВА та УХА. Нумерація зразків відповідно означає, що зразки в цих групах були піддані наступним операціям обробки: група А – анодування + відпал без дії ЛУХ; група ВА – анодне оксидування + ударна обробка зі зворотної поверхні + відпал; група УХА – анодування + ударна обробка зі сторони оксиду + відпал. Відпал провадили за температури 150 С на повітрі. Тривалість відпалу становила 19 год.

У першому підрозділі наведено основні дані щодо властивостей границі розділу анодний оксид –1_хCdхTe, її модель та склад анодного оксиду. Там само розглянуто термічну стабільність границі розділу анодний оксид – Hg1_хCdхTe та описано механізм p-n конверсії приповерхневого шару напівпровідника при відпалі структур з анодним оксидом.

Наступний підрозділ присвячено вивченню впливу ЛУХ на границю розділу анодний оксид –1_хCdхTe.

На початку наведено результати підготовчих досліджень. Установлено, що без відпалу анодний оксид створює тільки фіксований заряд і немає залишкового шару n-типу в об’ємі напівпровідника. Виявлено, що для вихідних зразків, не захищених шаром анодного оксиду, відпал на повітрі навіть протягом 9 год. при 150 С змінює концентрацію дірок в напівпровіднику приблизно з 61015 до 81015 см-3, що при аналізі польових залежностей практично не впливає на визначення концентрації електронів.

Було виявлено, що ЛУХ обробка та наступне зняття шару оксиду також не змінює вигляду польової залежності коефіцієнта Холла, тобто проходження ЛУХ впливає тільки на фіксований заряд і не створює залишкового шару n-типу в об’ємі напівпровідника.

Величина зведеної до одиничної товщини концентрації електронів після ЛУХ обробки може як зменшуватись, так і збільшуватись.

Одержані результати пояснюємо насамперед впливом ЛУХ на вбудований заряд. Можна вважати, що після ЛУХ-обробки встановлюється певне значення вбудованого заряду в межах (6.01.0)1011 см-2 і залежить скоріш за все від стану поверхні та дефектів кожного окремого зразка, незважаючи на те, що вони були оксидовані в одному процесі і вже потім оксидовану частину шайби різали на зразки. Ми вважаємо, що це значення відповідає певній рівновазі на границі розділу для конкретного зразка, причому наближення до цього "рівноважного" значення фіксованого заряду може спричиняти як його зменшення, так і зростання. Крім того, ударна обробка не змінює рухливості електронів, що добре узгоджується з відсутністю конвертованого шару в зразках з анодним оксидом, підданих ударній обробці, але без наступного термічного впливу, і свідчить, що ці носії є тими ж "квазідвовимірними" електронами в інвертованому шарі, що створив анодний оксид і до ЛУХ обробки.

Після відпалу зведена концентрація електронів в усіх зразках зменшувалась, а їх рухливість зростала.

Зростання рухливості цілком логічно пояснюється тим, що після відпалу у виміряну концентрацію електронів входять концентрація квазідвовимірних електронів, розміщених в тонкому шарі, утвореному вбудованим зарядом в анодному оксиді, і рухливість яких не перевищує 25 000 см2/(Вс), та концентрація об’ємних носіїв у шарі n-типу, що виник внаслідок дифузії ртуті з границі розділу анодний оксид –1_хCdхTe з рухливістю носіїв в ньому не значно меншою від "нормальної" рухливості електронів для цих зразків.

Оскільки інтерпретація результатів у цьому разі досить утруднена через внесок у польові залежності коефіцієнта Холла принаймні трьох типів носіїв (а саме важких дірок, електронів у конвертованому шарі та квазідвовимірних електронів), це утруднює точне визначення параметрів кожного з них. Тому для коректності аналізу результатів на останньому етапі шар оксиду було знято з усіх груп зразків, і результати після відпалу порівнювали для зразків зі знятим анодним оксидом.

На рис. 2 показана зміна зведеної концентрації N електронів в зразках залежно від часу відпалу. Крива 1 для зразків групи А (без ударної обробки) якісно узгоджується з літературними даними, тобто зростає, виходить на максимум, а при подальшому збільшенні часу відпалу зменшується, як прийнято вважати внаслідок виснаження джерела вільної ртуті. У випадку ударної обробки з тильної (не оксидованої) поверхні зразка спостерігаємо незначне зменшення концентрації електронів та зміщення точки максимуму в сторону нижчих температур (зразки групи ВА, крива 2 на рис. ). Ті самі ефекти, але значно сильніше, проявляються за обробки ЛУХ зі сторони анодного оксиду (крива 3, рис. , зразки групи УХА). Вже при найменшому часі відпалу (1 год.), хоча конверсія поверхневого шару й відбувається, але зведена концентрація є на порядок меншою. Це дозволяє нам стверджувати, що глибина конверсії також є значно меншою. Зі зростанням тривалості відпалу до 2год.15хв. N ще зростає, як і на кривих 1, 2, але вже при часі відпалу 4 год. спостерігаємо зменшення концентрації, яке бачимо на кривих 1, 2 за значно більших тривалостей відпалу.

Найімовірнішим вважаємо такий механізм взаємодії ЛУХ з границею розділу анодний оксид –1_хCdхTe: при проходженні ЛУХ через границю розділу анодний оксид –1_хCdхTe відбувається перебудова останньої, а саме:

·  

·  

·

Відтак, утворення нових комплексів, по-перше, збільшує вбудований заряд (найімовірнішою ми вважаємо ситуацію, коли рухомий заряд відтісняється вглиб оксиду, тому залежно від співвідношення відведеного утвореного заряду може відбуватись як збільшення, так і зменшення остаточного вбудованого заряду, який фіксуємо гальваномагнітними дослідженнями), по-друге, перешкоджає дифузії елементарної ртуті з вище розташованого шару. Переміщення елементарної ртуті від границі розділу і є основною причиною зменшення концентрації електронів після відпалу в зразках підданих дії ЛУХ порівняно зі зразками без такого впливу. Деяке зменшення вбудованого заряду після відпалу, що може впливати на зменшення виміряної зведеної концентрації електронів, ми пов’язуємо з дифузією кисню з атмосфери в оксид.

Суттєву відмінність поведінки концентрації електронів після відпалу в зразках груп ВА і УХА ми пояснюємо тим, що при проходженні ЛУХ через усю товщину зразка (зі зворотної поверхні до границі розділу анодний оксид –1_хCdхTe – зразки групи ВА) має місце затухання її амплітуди та, крім того, градієнт тиску напрямлений в протилежну сторону, що може впливати на переміщення ртуті чи утворення потенціального бар’єру.

Рис. 2. Залежність зведеної концентрації електронів від часу відпалу для зразків груп А – крива 1; ВА – крива 2 та УХА – крива 3.

У п’ятому розділі наведено результати досліджень механічних напружень у вихідних плівках Pb1_хSnхTe/BaF2 з різними варіантами захисного покриття, яке також вносить зміни в стан напружень плівки, так і зміна цього стану під дією ЛУХ. В останньому разі однак, як і у дослідженнях Hg1_хCdхTe, треба було врахувати вплив ЛУХ і на точкові дефекти.

У цьому розділі досліджували зразки PbTe та Pb0.213Sn0.787Te n- і p-типів провідності стандартної холлівської конфігурації завтовшки від 1.9 до 3.33 мкм. Епітаксійні шари були виготовлені методом миттєвого випаровування на свіжосколотих підкладках BaF2. Використовували також зразки, покриті шаром анодного оксиду та зі захисним шаром BaF2. Концентрація електронів у зразках n-типу становила (0.753.4)1017 см-3 та їх рухливість 9001150 см2/(Вс) при 300 К. Провідність зразків PbTe n-типу визначалась станом електрично активних власних точкових дефектів, зразки Pb0.213Sn0.787Te n-типу були леговані індієм в процесі росту. Параметри дірок за кімнатної температури у зразках Pb0.213Sn0.787Te р-типу становили: р.55.0)1017 см-3, р см2/(Вс) у власних та 150 см2/(Вс) у легованих талієм зразках.

Насамперед слід зазначити, що значення компоненти тензора деформації, які розраховували в цьому розділі на основі дослідження явищ переносу, носять скоріше відносний, ніж абсолютний характер. Це пов’язано з впливом геометричного магнетоопору, внеском розсіювання на невпорядкованостях у твердому розчині та з іншою симетрією зонної структури в матеріалі р-типу, що не враховується у використаній моделі. Однак, оскільки насамперед нас цікавили зміни механічних напружень у матеріалі під дією зовнішніх факторів, ця методика є цілком придатною для досліджень.

Показано, що значення деформації у досліджуваних зразках більші за літературні дані, отримані за цією ж методикою на зразках, вирощених методом гарячої стінки. Пояснення більшого значення напружень у наших зразках насамперед пов’язано з меншими товщинами плівок. Іншим чинником є відмінність технологій виготовлення. У методі миттєвого випаровування, на відміну від методу гарячої стінки, ріст відбувається швидше і в більш нерівноважних умовах, що і спричиняє появу додаткових напружень у плівці.

У шарах n-Pb1_хSnхTe за кімнатної температури деформація є трохи більшою, ніж в n-PbTe (11 10-4). При цьому решта параметрів близькі до параметрів бінарної сполуки (за винятком коефіцієнта анізотропії К, значення якого зменшується, що добре узгоджується зі зонною структурою Pb1_хSnхTe, де із наближенням до безщілинного стану анізотропія зон зменшується).

Досліджували також зразки, на які були напилені плівки BaF2, які виконують в приладах функцію захисного покриття. З наших результатів однозначно видно, що покриття BaF2 збільшує величину напружень у зразку (за кімнатної температури 11=6710-4). Охолодження спричиняє в таких зразках сильніші зміни деформації, ніж для зразків без захисного покриття.

Дослідження зразків, покритих шаром анодного оксиду різної товщини, показали, що такий вид пасивації поверхні не має помітного впливу на величину деформації в основному матеріалі, що добре узгоджується зі склоподібною структурою анодного оксиду.

У наступному підрозділі розглянуто вплив ЛУХ на електрофізичні параметри матеріалу n- та p-типів. У зразку n-типу спостерігаємо зростання концентрації електронів після ЛУХ обробки на величину порядку 2.41016 см-3. Після цього концентрація електронів релаксує в процесі витримки зразка на повітрі за кімнатної температури, але не досягає попереднього значення. Графік релаксації концентрації електронів після ударної обробки наведено на рис. . У зразку р-типу (легованому талієм) після ЛУХ обробки спостерігаємо аналогічні зміни, а саме – концентрація дірок зменшується на величину  .01016 см-3. Однак релаксації параметрів носіїв заряду в цьому зразку не спостерігали. Отже, ударна обробка збільшує концентрацію електронів у зразках n-типу та зменшує концентрацію дірок в p-PbTe. Зразки n-типу це віддаляє від стехіометричного складу, а р-типу наближає. Тому зразки n-типу помітно релаксують з часом, а зразки р-типу майже ні.

Рис. 3. Графік залежності n0 f(t) релаксації концентрації електронів у зразку ПТ-314 після дії ЛУХ. Лінії – розрахунок за сумою реакцій І та ІІ порядку та внесок кожного процесу

Рухливість носіїв заряду в зразках обох типів провідності майже не змінюється після ударної обробки.

Зміни параметрів носіїв заряду у зразку р-типу за відносною величиною невеликі і є в межах похибки вимірювання. Однак, як вже зазначалось, приблизно рівні абсолютні зміни параметрів носіїв заряду в зразках n- та р-типів дозволяють стверджувати, що і механізм дефектоутворення в них однаковий.

Зміни параметрів носіїв заряду в досліджуваних зразках ми насамперед пов’язуємо з дефетоутворенням за Френкелем, що у випадку телуриду свинцю спричиняє переважаючий вплив дефектів донорного типу. Ці процеси добре узгоджуються зі запропонованим механізмом дефектоутрорення в Hg1_хCdхTe під дією ЛУХ (див. Розділ 3).

Релаксаційна крива (рис. 3) добре описується залежністю

,

тут n0 та n – початкова концентрація та зміна концентрації носіїв заряду, t – час відпалу, коефіцієнти Кі характеризують швидкість реакцій та пропорційні коефіцієнтам дифузії дефектів, Аі – сталі.

На рис. наведено сумарну криву, а також окремо внесок експоненційної та гіперболічної складових, що описують кінетику першого та другого порядку відповідно. Як бачимо, за малих часів відпалу основний внесок дають процеси відпалу другого порядку, а починаючи від тривалості відпалу порядку 5 діб помітним стає внесок експоненційної складової.

Зауважимо, що процеси відпалу нерівноважної концентрації дефектів, створених ЛУХ, охоплюють всі можливі варіанти, а саме: рекомбінацію френкелівських пар металу і халькогену та міграцію міжвузлових атомів обох типів на різного роду стоки та пастки (міграцією вакансій внаслідок малого їх коефіцієнта дифузії можна знехтувати). Але оскільки рекомбінація пари металу ніяким чином не впливає на концентрацію носіїв заряду (рекомбінує донор і акцептор), а коефіцієнт дифузії телуру настільки малий, що