ХЕРСОНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ТКАЧУК АНДРІЙ ІВАНОВИЧ

УДК 621.315.592: 546.81’23’24: 621.383.52

РІДИННА ЕПІТАКСІЯ ТВЕРДИХ РОЗЧИНІВ СПОЛУК А4В6

ДЛЯ ДІОДІВ ШОТТКІ

05.27.06 – технологія, обладнання та виробництво електронної техніки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Херсон-2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Кіровоградському державному педагогічному університеті

імені Володимира Винниченка Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник – кандидат технічних наук, доцент

Царенко Олег Миколайович,

Кіровоградський державний педагогічний

університет імені Володимира Винниченка, проректор

Офіційні опоненти – доктор фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Тетьоркін Володимир Володимирович,

Інститут фізики напівпровідників НАН України,

завідувач відділу напівпровідникової

інфрачервоної фотоелектроніки (м. Київ)

кандидат технічних наук, доцент

Кулюткіна Тамара Фатихівна,

Херсонський державний технічний університет,

завідувач кафедри дизайну і комп’ютерної графіки.

Провідна установа – Чернівецький національний університет

імені Юрія Федьковича, кафедра фізичної

електроніки і нетрадиційної енергетики,

Міністерство освіти і науки України (м. Чернівці).

Захист відбудеться 21 березня 2003 року о 1200 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради К 67.052.03 при Херсонському державному

технічному університеті за адресою: 73008 м. Херсон, Бериславське шосе, 24.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Херсонського державного

технічного університету за адресою: 73008 м. Херсон, Бериславське шосе, 24.

Автореферат розісланий 14 лютого 2003 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Фролов О. М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сучасному етапі розвитку України як демократичної європейської держави гостро постала проблема створення та вдосконалення новітніх технологій в таких сферах науково-прикладних досліджень як твердотільна електроніка й оптоелектроніка, що є невід’ємною умовою пожвавлення вітчизняної напівпровідникової індустрії та завоювання українськими товаровиробниками провідних позицій на світовому ринку. В зв’язку з цим за останні роки зріс інтерес до вузькощілинних напівпровідників на основі багатокомпонентних твердих розчинів (БТР) сполук А4В6, пов’язаний з можливістю їх використання при промисловому одержанні приладних структур інфрачервоної оптоелектроніки (фотодіодів, фоторезисторів, інжекційних лазерів тощо). Такі прилади застосовуються в системах моніторингу за станом навколишнього середовища шляхом дистанційного діагностування поверхні Землі, а також для створення ефективних космічних систем спостереження за переміщенням біологічних та небіологічних об’єктів на основі фотовольтаїчних інфрачервоних сенсорів, що розраховані на роботу у вікнах прозорості атмосфери. Крім того, фотоприймачі на основі БТР сполук А4В6 володіють високою чутливістю, мають велику швидкодію відносно приймачів з домішковою провідністю, володіють значною радіаційною та термічною стійкістю, спектральною однорідністю, низьким рівнем шумів, а також здатні в процесі експлуатації до перебудови спектральних характеристик за рахунок зміни тиску, індукції магнітного поля, температури та складу, що робить їх конкурентноспроможними поряд з аналогічними на основі сполук А2В6.

Існує принципова можливість створення на основі контакту метал/халькогенід свинцю-олова з бар’єром Шотткі відносно недорогої та досить ефективної методики формування високоякісних інфрачервоних фотодіодів для діапазону довжин хвиль 814 мкм. В той же час технологія виготовлення та характеристики даних структур лише частково досліджені на прикладі фотодіодів In (Pb, In-Ag)/p-Pb1-xSnxTe/Au, Pb/p-Pb1-xSnxSe/ /Pt(Au) і Pb/p-PbTe1-ySey/Pt, сформованих на основі епітаксійних шарів вирощених методами молекулярно-променевої епітаксії або “гарячої стінки” на підкладках (111)BaF2 та (111)Si (з буферним шаром CaF2-BaF2). Однак інформація про одержання та властивості діодів Шотткі на основі епітаксійних шарів чотирикомпонентних твердих розчинів (ЕШ ЧТР) Pb1-xSnxTe1-ySey, вирощених методом рідинної епітаксії на діелектричних і напівпровідникових підкладках, взагалі відсутня. Крім того, більшість дослідників при аналізі одержаних електрофізичних та фотоелектричних характеристик бар’єрних структур метал/халькогенід свинцю-олова використовують тільки модель класичного бар’єру Шотткі для виродженого напівпровідника р-типу провідності з інверсним шаром в приконтактній області. При цьому повністю ігнорується наявність тонкого проміжного тунельно-прозорого діелектричного шару окислу (d-шару), що утворюється в процесі хімічної обробки поверхні напівпровідника або при експонуванні його у повітрі перед напиленням бар’єрного контакту. В той же час, товщина d-шару може суттєво впливати на параметри діодів Шотткі. Тому дослідження даних залежностей потребує особливої уваги як в експериментальному, так і в теоретичному напрямках.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в лабораторіях кафедр фізики і загально-технічних дисциплін Кіровоградського державного педагогічного університету ім. В. Винниченка. Вона є складовою частиною науково дослідної теми, що фінансується із коштів державного бюджету Міністерством освіти і науки України “Фізико-хімічні умови формування діодів Шотткі на основі вузькощілинних напівпровідників” (№ 0102V002249 державної реєстрації від 01.01.2002), та наукового плану кафедри фізики “Дослідження складних напівпровідників та інших речовин” Кіровоградського державного педагогічного університету ім. В. Винниченка.

Особистий внесок автора полягає у визначенні технологічних режимів вирощування на підкладках BaF2, KCl, Pb0,80Sn0,20Te і PbTe0,92Se0,08 структурнодосконалих ЕШ ЧТР Pb1-xSnxTe1-уSey з концентрацією носіїв заряду 71017 см-3 та одержанні на їх основі багатоелементних інфрачервоних фотоприймачів для довгохвильової області спектру з робочими характеристиками, які обмежені фоновими шумами.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – на базі експериментальних та розрахункових даних про фізико-хімічні властивості ЕШ ЧТР Pb1-xSnxTe1-ySey розробити лабораторну методику формування діодів Шотткі з тонким проміжним тунельно-прозорим діелектричним шаром окислу на основі малонапружених епітаксійних шарів, вирощених методом рідинної епітаксії при програмному охолодженні пересиченого розчину-розплаву. Для досягнення цієї мети необхідно було розв’язати наступний комплекс задач:

1)

2)

3)

4)

Об’єкт дослідження – процес рідинної епітаксії БТР сполук А4В6 та явище фотовольтаїчного ефекту в структурах на їх основі.

Предмет дослідження – ЕШ Pb1-xSnxTe1-ySey та інфрачервоні фотоприймачі на їх основі.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених задач керувалися комплексним підходом до оцінки електрофізичних властивостей вирощених епітаксійних шарів та фотоелектричних характеристик сформованих бар’єрних структур. В роботі використані сучасні теоретичні і експериментальні методи досліджень.

Для проведення гальваномагнітних вимірів використовували метод Ван-дер-Пау при постійному магнітному полі і постійному струмові через зразок. Параметри сформованих бар’єрних структур визначали методами вольтамперних, вольтфарадних і фотоелектричних характеристик згідно держстандартів ГОСТ 17772-88 і ГОСТ 18986.4-73 (зміни від 03.10.86).

Наукова новизна одержаних результатів.

–

–

–

Практичне значення одержаних результатів.

–

–

–

Одержані багатоелементні інфрачервоні фотоприймачі пройшли випробування в Інституті прикладної фізики АН Республіки Молдови, де підтверджено доцільність використання розробленої технології.

Особистий внесок здобувача полягає у постановці та обґрунтуванні задач дослідження, критичному аналізі науково-технічної та патентної літератури, розробці методик та виконанні експериментальних досліджень, науковому обґрунтуванні одержаних результатів, визначенні технологічних режимів вирощування структурнодосконалих ЕШ ЧТР Pb1-xSnxTe1-уSey та формування на їх основі багатоелементних інфрачервоних фотоприймачів, в узагальненні результатів та у формулюванні висновків.

У всіх наукових працях, що опубліковані у співавторстві, здобувачу належать: напрацювання експериментальних даних, теоретичне обґрунтування результатів, висновки.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації було викладено і обговорено на:

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

Публікації за темою дисертаційного дослідження включають 19 найменувань, в тому числі: 7 статей у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України; 11 тез доповідей на конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел, що містить 119 найменувань цитованої літератури. Роботу викладено на 168 сторінках машинописного тексту з 62 рисунками та 13 таблицями.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, підсумовано наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, коротко викладено зміст дисертації.

В розділі І приведено огляд наукової літератури з теми дисертації, описані загальні відомості про дослідження фазових діаграм стану системи Pb-Sn-Te-Se та проаналізовані існуючі технологічні режими вирощування ЕШ ЧТР Pb1-xSnxTe1-ySey на напівпровідникових і діелектричних підкладках методом рідинної епітаксії. Розглянуті одержані різними авторами експериментальні залежності параметру кристалічної решітки, ширини забороненої зони та основних кінетичних коефіцієнтів ЧТР Pb1-xSnxTe1-ySey від вмісту компонентів і температури. Особливу увагу приділено аналізу методики формування та властивостям діодів Шотткі на основі багатокомпонентних твердих розчинів сполук А4В6, а також існуючим фізичним моделям бар’єрних контактів метал/халькогенід свинцю-олова.

Проведений аналіз робіт зарубіжних та вітчизняних авторів дозволив зробити наступні висновки:–

фазові Т-х-діаграми стану системи Pb-Sn-Те-Se для збагаченої металом області складів розчинів-розплавів (Pb1-vSnv)1-w(Te1-uSeu)w при w0,06, що відповідають низькотемпературній частині поверхні ліквідусу і використовуються при вирощуванні методом рідинної епітаксії ЧТР Pb1-xSnxTe1-уSey, вивчені досить повно;–

метод рідинної епітаксії залишається одним з перспективних і відносно дешевих методів одержання ЕШ ЧТР Pb1-xSnxTe1-уSey з низькою концентрацією носіїв струму та ефективною випромінювальною рекомбінацією без додаткової термообробки для створення на їх основі приладних структур інфрачервоної оптоелектроніки (мезадіодів, інжекційних гетеролазерів). Проте не існує промислової технології вирощування високоякісних, малонапружених, структурнодосконалих, ізоперіодних епітаксійних шарів на напівпровідникових (100)Pb1-xSnxTe i PbTe1-уSey та діелектричних (100)KCl і (111)BaF2 підкладках для подальшого формування на їх основі діодів з бар’єром Шотткі;–

суттєвим недоліком наявних відомостей про дослідження фізичних властивостей ЧТР Pb1-xSnxTe1-уSey є неоднозначність інтерпретації експериментальних залежностей ширини забороненої зони і параметра кристалічної решітки від вмісту компонентів і температури вимірювання, а також майже повна відсутність експериментальних даних про відносну статичну і динамічну діелектричні проникності, ефективну масу носіїв струму, коефіцієнт анізотропії, величину хімічного потенціалу, термо-е.р.с., електропровідність, холлівську рухливість та час релаксації вільних носіїв струму для невироджених ЕШ Pb1-xSnxTe1-уSey,–

лише частково відпрацьована технологія виготовлення та досліджені електрофізичні характеристики фотодіодів Шотткі на основі ЕШ р- Pb1-xSnxTe і р-Pb1-xSnxSe, вирощених методом МПЕ або “гарячої стінки” на підкладках (111)BaF2 і (111)Sі, однак інформація про формування бар’єрних структур на основі ЕШ ЧТР Pb1-xSnxTe1-уSey взагалі відсутня;–

до теперішнього часу не існує фізичної моделі бар’єру Шотткі з тонким проміжним тунельно-прозорим діелектричним шаром окислу на основі невиродженого епітаксійного шару багатокомпонентного твердого розчину з n- або р-типом провідності.

За висновками визначені основні напрямки досліджень та сформульовані задачі дисертаційної роботи.

В розділі ІІ описується апаратурне та матеріальне забезпечення процесів рідинної епітаксії: а) переобладнана промислова установка “Епос” з кварцовим реактором вертикального типу та проточною водневою атмосферою; б) спеціально розроблена циліндрична графітова поворотна касета для підкладок, шток підвіски якої з’єднаний з пристроєм для центрифугування; в) характеристики основних і допоміжних матеріалів для проведення процесів рідинної епітаксії. Розглянуті особливості методики та температурно-часового режиму вирощування епітаксійних шарів халькогенідів свинцю-олова при програмному охолодженні розчину-розплаву. Приведені методики дослідження морфології поверхні, структурної досконалості та елементного складу ЕШ ЧТР Pb1-хSnхTe1-уSeу. Розглянуті особливості проведення гальваномагнітних вимірів у багатокомпонентних твердих розчинах халькогенідів свинцю-олова. Описані методики формування діодів Шотткі та дослідження їх вольтамперних, вольтфарадних та фотоелектричних характеристик.

В розділі ІІІ викладені результати теоретичних та експериментальних досліджень процесів, які відбуваються на міжфазних границях при рідинній епітаксії багатокомпонентних твердих розчинів сполук А4В6 на напівпровідникових та діелектричних підкладках. На основі аналізу фазових та когерентних діаграм стану системи Pb-Sn-Te-Se, які розраховані за допомогою моделі простих регулярних розчинів, встановлені склади (Pb1-vSnv)1-w(Te1-uSeu)w рівноважної рідкої фази (0,163v0,371 (ат. д.); 0,011u0,046 (ат. д.); 0,01w0,05 (ат. д.)) для рідинної епітаксії ЕШ ЧТР Pb1-xSnxTe1-ySey в широкому діапазоні складів (0,09х0,18 (ат. д.); 0,02у0,06 (ат. д.)) на напівпровідникових підкладках Pb0,80Sn0,20Te і PbTe0,92Se0,08 при температурі ліквідусу 773873 К, швидкості програмного охолодження 0,10,2 К/хв та діапазоні зниження температури 515 К. Для запобігання підрозчинення поверхні напівпровідникових підкладок використовувалось незначне вихідне переохолодження рівноважної рідкої фази. Проведені дослідження взаємодії переси-ченого розчину-розплаву з підкладками Pb0,80Sn0,20Te і PbTe0,92Se0,08 показали, що для одержання високопланарних гетероструктур оптимальною є величина вихідного переохолодження на 23 К. Вирощенні в таких технологічних режимах ЕШ Pb1-xSnxTe1-ySey були дзеркально-гладкими або мали легку терасну структуру, що, можливо, пов’язано з незначною (0,10,3) розорієнтацією підкладок. Границя розділу підкладка/шар була високопланарною, нерівності не перевищували 100 A. При товщині 311 мкм епітаксійні шари мали густину дислокацій (29)104 см-2. Роз-поділ густини дислокацій за товщиною в ізоперіодних гетероструктурах Pb1-xSnxTe1-ySey/Pb0,80Sn0,20Te і Pb1-xSnxTe1-ySey/PbTe0,92Se0,08 досить добре апроксимувався експоненціальним наближенням, і при цьому на границі розділу підкладка/шар не спостерігалось скачка густини дислокацій.

Проаналізовано фактори, які відіграють найбільш важливу роль у дефектоутворенні при гетероепітаксії ЕШ ЧТР Pb1-xSnxTe1-ySey на діелектричних підкладках: обумовлені різницею коефіцієнтів термічного розширення термічні напруги; обумовлені різницею періодів кристалічних решіток напруги невідповідності; та напруги, які визначаються наявністю градієнтів складів у самих шарах. Відмічено, що при розрахунку складів ЧТР, ізоперіодних з підкладками KCl, доцільно брати середнє для діапазону температур 77923 К значення параметру решітки аKCl(~573 К)=6,37 A.

Проведено комплексне вивчення рідинної епітаксії Pb1-xSnxTe1-ySey на діелектричних підкладках (111)BaF2 і (100)KCl при температурі ліквідусу 773873 К, швидкості програмного охолодження 0,10,2 К/хв та діапазоні зниження температури 510 К. Для епітаксійних шарів, ізоперіодних з підкладками BaF2, при 0,00х0,70 (ат. д.) і 0,52у0,78 (ат. д.) значення вмісту олова, селену та халькогенів в розчині-розплаві змінювались в межах 0,000v0,854 (ат. д.), 0,338u0,408 (ат. д.) та 0,01w0,05 (ат. д.), відповідно. Для епітаксійних шарів, ізоперіодних з підкладками KCl, при 0,17х0,26 (ат. д.) і 0,17у0,21 (ат. д.) було одержано 0,326v0,534 (ат. д.), 0,116u0,148 (ат. д.) і 0,01w0,04 (ат. д.). Експериментальна перевірка можливостей переохолодження розчинів-розплавів з використанням діелектричних підкладок показала, що оптимальною величиною початкового пересичення рідкої фази є 12 К.

Відпрацьовані технологічні режими дозволили перейти до вирощування на BaF2 малонапружених монокристалічних ЕШ ЧТР Pb1-xSnxTe1-ySey товщиною 27 мкм з дзеркально-гладкою морфологією поверхні при густині дислокацій не вище 105 см-2. Вихід таких шарів складав 70 %. Дослідження розподілу густини дислокацій за товщиною свідчить про відсутність різкого збільшення числа дислокацій на границі розділу підкладка/шар, і вказує на майже несуттєву генерацію дислокацій невідповідності у вирощених ЕШ.

Вирощені на діелектричних підкладках (100)KCl при незначному (12 К) вихідному переохолодженні розчину-розплаву ЕШ ЧТР Pb1-xSnxTe1-ySey були дзеркально-гладкими або мали легку терасну структуру, що, можливо, пов’язано з незначною розорієнтацією підкладок KCl по відношенню до площини (100). При товщині 310 мкм їх густина дислокацій не перевищувала 2105 см-2. Вихід таких шарів складав 87 %. Селективним травленням при пошаровому видаленні встановлено, що максимальна густина дислокацій в даних епітаксійних гетероструктурах локалізується поблизу міжфазної границі.

Проаналізовано інверсну природу головного енергетичного зазору при ізовалентному заміщенні атомів свинцю і селену атомами олова і телуру у підрешітках металу і халькогену.

Досліджено електрофізичні параметри вирощених епітаксійних шарів. ЧТР Pb1-xSnxTe1-ySey/BaF2 складів 0,00х0,25 (ат. д.) і 0,69у0,78 (ат. д.) мали n-тип провідності з n=(13)1017 см-3 та Н=(79)103 см2·В-1·с-1 при 77 К, а ЕШ Pb0,30Sn0,70Te0,48Se0,52 – р-тип провідності. В діапазоні складів 0,25х0,40 (ат. д.) і 0,63у0,69 (ат. д.) напівпровідниковий матеріал одержувався з невідтворюваним типом провідності. Для Pb1-xSnxTe1-ySey /BaF2 з 0,40х0,70 (ат. д.) і 0,52у0,63 (ат. д.) при температурі початку росту менше 788 К одержувався n-тип провідності, а при температурі початку росту більше 820 К – р-тип провідності з р=(35)1017 см-3 та Н=(13)103 см2·В-1·с-1. ЧТР Pb1-xSnxTe1-ySey/KCl при 0,17х0,26 (ат. д.) і 0,17у0,21 (ат. д.) мали n-тип провідності з n=(14)1017 см-3 та Н=(610)103 см2·В-1·с-1 при 77 К. Концентрація вільних носіїв заряду у вирощених на Pb0,80Sn0,20Te і PbTe0,92Se0,08 ЕШ виявилася залежною від типу електропровідності та концентрації носіїв заряду в напівпровідникових підкладках. Так, для ізоперіодних з підкладками р-Pb0,80Sn0,20Te (концентрація дірок (58)1018 см-3) ЧТР в діапазоні температур вирощування замість очікуваного n-типу провідності фіксувався ріст шарів р-типу з р=(27)1017 см-3 та Н=(16)103 см2·В-1·с-1 при 77 К.

Досліджувані ЕШ ЧТР Pb1-xSnxTe1-ySey в діапазоні температур вимірювання 77300 К мали слабку залежність абсолютної величини коефіцієнта Холла від температури. Їхня холлівська рухливість зменшувалась за законом НТ -, де показник збільшувався від 0,9 до 2,0 при зменшенні вмісту олова і телуру та збільшенні температури від 77 до 300 К.

Розділ IV присвячений розробці лабораторної методики формування бар’єрних структур метал/-шар/n(р)-Pb1-xSnxTe1-уSey та дослідження впливу тонкого проміжного тунельно-прозорого діелектричного шару окислу на їх електрофізичні характеристики.

Аналіз процесів хімічної взаємодії при термічному напиленні металів на чисту поверхню халькогенідів свинцю-олова показав, що характеристики діодів Шотткі можна покращити за умови наявності на границі розділу “бар’єрний” метал/напівпровідник тонкого проміжного шару окислу з акцепторними поверхневими станами.

Бар’єрні структури Cu(бар’єрний контакт)/d-шар/n-Pb1-xSnxTe1-ySey/In (омічний контакт) і Ag(бар’єрний контакт)/d-шар/р-Pb1-xSnxTe1-ySey/Pt (омічний контакт) формували методом термічного вакуумного напилення на ЕШ ЧТР Pb1-xSnxTe1-ySey/BaF2. Щоб запобігти хімічній взаємодії між розпилюваним металом і напівпровідником, на поверхні епітаксійних шарів формували тонкий проміжний тунельно-прозорий діелектричний шар окислу шляхом примусової оксидації протягом 101800 секунд, поверх якого і напилювали випрямляючий контакт. Прямі вітки ВАХ сформованих діодів Шотткі з часом примусової оксидації 20 хвилин в області напруг зміщення 0,02<U<0,20 В при 77 К добре апроксимувались залежністю:

[A], (1)

де – коефіцієнт ідеальності; IS – струм насичення; k – стала Больцмана; Т – температура; r – послідовний опір. Для бар’єрних структур Cu/d-шар/n-Pb1-xSnxTe1-ySey/In величини IS, та r змінювались в межах від 24 до 135 мкА, від 1,7 до 3,6 та від 3,7 до 8,3 Ом, відповідно. Диференційний опір при нульовому зміщенні (R0), який обраховували з початкової ділянки ВАХ, приймав значення в межах від 86,2 до 631,7 Ом, що відповідало R0A=1,914,2 Ом·см2. Для бар’єрних структур Ag/d-шар/р-Pb1-xSnxTe1-ySey/Pt при 77 К було одержано: IS=37123 мкА; =1,93,3; r=5,811,7 Ом; R0A=1,712,8 Ом·см2. Зворотні вітки ВАХ для обох типів бар’єрних структур не насичувались і мали вигляд, що характерний для “м’якого пробою”. Для зворотних напруг зміщення -0,4<U<0 В експериментальні ВФХ одержаних діодів Шотткі при 77 К добре апроксимувались залежністю:

[Ф-2], (2)

де коефіцієнт В приймав значення в межах від 1,21017 до 1,81017 Ф-2·В-1. На основі напруг відсічки (UI), які визначали шляхом екстраполяції лінійної ділянки ВФХ до перетину з віссю напруг зміщення, обраховували величини дифузійного потенціалу при нульовому зміщенні за формулою:

[В]. (3)

Для досліджуваних бар’єрних структур Cu/d-шар/n-Pb1-xSnxTe1-ySey/In величина UI змінювалась в межах від 0,072 до 0,395 В, що відповідало bi0=0,0470,114 В, при цьому ємність при нульовому зміщенні (С0) приймала значення від 2,1 до 6,9 нФ. Бар’єрні структури Ag/d-шар/р-Pb1-xSnxTe1-ySey/Pt при 77 К мали UI=0,0790,364 В, bi0=0,0520,107 В і С0=2,46,6 нФ.

Поряд з цим, при збільшенні часу примусової оксидації до 2030 хв електрофізичні характеристики діодів Шотткі якісно змінювались і приймали вигляд, що характерний для МОНП-структури. Крім того, після витримки протягом 23 місяців при атмосферному тиску та кімнатній температурі для 90 % бар’єрних структур Cu/d-шар/n-Pb1-xSnxTe1-ySey/In спостерігалась деградація ВАХ, в той час як бар’єрні структури Ag/d-шар/р-Pb1-xSnxTe1-ySey/Pt витримували без суттєвої деградації параметрів до 6 місяців. При цьому, хоча діоди Шотткі другого типу мали більш високу собівартість та більш складну технологію виробництва, вони виявились більш стійкими до термоциклів, коли структури неодноразово охолоджували до 77 К а потім знову нагрівали до кімнатної температури.

Для пояснення експериментальних характеристик одержаних бар’єрних структур запропонована фізична модель діоду Шотткі з d-шаром. Виходячи із припущення, що повна ємність бар’єрного контакту (С) складається з двох послідовно з’єднаних ємностей – ємності поверхневих станів і диференційної ємності запірного шару, одержане співвідношення для розрахунку оціночного значення товщини d-шару:

[м], (4)

де 0 – електрична стала; і – відносна діелектрична проникність d-шару; А – активна площа контакту; DS – енергетична густина поверхневих станів на границі розділу метал/напівпровідник. Це дозволило проаналізувати вплив d-шару на параметри бар’єрних структур. Встановлено, що при збільшенні товщини d-шару величини R0A, і bi0 зростають, а IS і C0 зменшуються, при цьому величина струму при одній і тій же напрузі зміщення зменшується. Відсутність насичення зворотних гілок ВАХ пояснюється залежністю висоти енергетичного бар’єру Шотткі для потоку основних носіїв струму з металу в напівпровідник від прикладеної напруги, причому вона зменшується при збільшенні зворотного зміщення.

На основі одержаних результатів досліджень розроблена лабораторна методика формування 25- та 28-елементних матриць фотовольтаїчних інфрачервоних сенсорів на основі бар’єрних структур Au(бар’єрний контакт)/d-шар/n-Pb1-xSnxTe1-ySey(ЕШ вирощений на підкладці KCl)/Al (омічний контакт), Pb(бар’єрний контакт)/-шар/р-Pb1-xSnxTe1-ySey(ЕШ)/р+-Pb0,80Sn0,20Te(підклад-ка)/Au(омічний контакт) і Au (бар’єрний контакт)/d-шар/n-Pb1-xSnxTe1-ySey(ЕШ вирощений на підкладці BaF2)/Pb(омічний контакт) з робочими характеристиками, які обмежені фоновими шумами. Одержані фотодіоди Шотткі, які при 170 К мають пікове значення питомої виявної здатності D*(р=813 мкм)=(0,51,5)1010 см·Гц1/2·Вт-1 (бар’єрні структури Au/d-шар/n-Pb1-xSnxTe1-ySey(KCl)/Al і Pb/-шар/р-Pb1-xSnxTe1-ySey /р+-Pb0,80Sn0,20Te/Au), 77 К – D*(р=812 мкм)=(2,94,4)1010 см·Гц1/2·Вт-1 (бар’єрні структури Au/d-шар/n-Pb1-xSnxTe1-ySey(/BaF2)/Pb).

ВИСНОВКИ

1. Проведені комплексні дослідження показали, що метод рідинної епітаксії залишається одним із перспективних при одержанні високоякісних епітаксійних шарів Pb1-xSnxTe1-ySey з низькою концентрацією основних носіїв струму, виключаючи легування. Відпрацьовані технологічні режими вирощування структурнодосконалих, ізоперіодних епітаксійних шарів на напівпровідникових (100)Pb1-xSnxTe і (100)PbTe1-уSey та діелектричних (111)BaF2 і (100)KCl підкладках. Визначені умови формування ЕШ різного типу провідності із наперед заданими властивостями.

2. Встановлено, що при температурі ліквідусу 773873 К, швидкості програмного охолодження 0,10,2 К/хв та вихідному пересиченні розчину-розплаву (Pb1-vSnv)1-w(Te1-uSeu)w на 12 К одержуються малонапружені ЕШ Pb1-xSnxTe1-уSey/(111)BaF2 з якісною морфологією поверхні, які в області складів 0,00х0,25 (ат. д.) і 0,69у0,78 (ат. д.) мають n-тип провідності при концентрації вільних носіїв заряду (13)1017 см-3 та холлівській рухливості вільних носіїв заряду (79)103 см2·В-1·с-1. Для ЕШ з 0,40х 0,70 (ат. д.) і 0,52у0,63 (ат. д.) при температурі початку росту менше 788 К одержується n-тип провідності, а при температурі більше 820 К – р-тип провідності з концентрацією вільних носіїв заряду (35)1017 см-3 та холлівською рухливістю вільних носіїв заряду (13)103 см2·В-1·с-1.

3. Розроблена лабораторна методика формування бар’єрних структур Cu/d-шар/n-Pb1-xSnxTe1-ySey/In і Ag/d-шар/р-Pb1-xSnxTe1-ySey/Pt. Досліджені їх вольтамперні і вольтфарадні характеристики, для пояснення яких запропонована фізична модель діоду Шотткі з тонким проміжним тунельно-прозорим діелектричним шаром окислу. Встановлено, що при збільшенні товщини d-шару параметри бар’єрних структур значно покращуються. Сформовані діоди Шотткі, які при 77 К мають R0A=910 Ом·cм2.

4. Запропонована технологія виготовлення 25(8)-елементних матриць фотодіодів Шотткі на основі бар’єрних структур Au/d-шар/n-Pb1-xSnxTe1-ySey/Al, Pb/-шар/р-Pb1-xSnxTe1-ySey/р+-Pb0,80Sn0,20Te/Au і Au/d-шар/n-Pb1-xSnxTe1-ySey/Pb з робочими характеристиками, які обмежені фоновими шумами (D1,2*(813 мкм, 170 К)=(0,51,5)1010 см·Гц1/2·Вт-1; Dз*(812 мкм, 77 К)= =(2,94,4)1010 см·Гц1/2·Вт-1).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Царенко О.М., Ткачук А.І., Рябець С.І. Одержання та дослідження діодних структур на основі багатокомпонентних твердих розчинів сполук А4В6// Фізичний збірник НТШ. – 2001. – Т. 4. – С. .

Автор виростив ЕШ, приймав участь у формуванні діодних структур, проведенні експериментальних досліджень та виборі методів їх реалізації.

2. Raybets S.I., Tkachuk A.I., Tsarenko O.N. Specific features of liquid phase epitaxy of isoperiodic structures in Pb-Sn-Te-Se system// Functional Materials. – 2001. – Vol. 8, № . – P. 305-308.

Автор приймав участь у проведенні експериментальних досліджень та інтерпретації результатів.

3. Ткачук А.И., Царенко О.Н. Получение и свойства эпитаксиальных слоёв твёрдых растворов Pb1-xSnxTe1-уSey// Неорганические материалы. – 2001. – Т. 37, № 3. – С. .

Автор виростив ЕШ, брав участь у дослідженні їх властивостей, обробляв результати досліджень.

4. Ткачук А.І. Технологія вирощування епітаксійних шарів чотирикомпонентних твердих розчинів n-Pb1-xSnxTe1-уSey – матеріалу для фотодіодів Шотткі// Вестник Херсонского государственного технического университета. – 2001. – № 4(13). – С. .

5. Царенко О.М., Ткачук А.І. Формування та дослідження бар’єрних структур Ag/тонкий проміжний тунельно-прозорий діелектричний шар окислу/р-Pb1-xSnxTe1-уSey/Pt// Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. – 2001. – Вип. 2(11). – С. 254-259.

Автор брав участь у проведенні експерименту та аналізі результатів.

6. Ткачук А.І., Царенко О.М. Формування та дослідження бар’єрних структур Cu/тонкий проміжний тунельно-прозорий діелектричний шар окислу/n-Pb1-xSnxTe1-уSey/In// Вестник Херсонского государственного технического университета. – 2001. – № 4(13). – С.202-208.

Автор приймав участь у формуванні бар’єрних структур, проведенні експериментальних досліджень та виборі методів їх реалізації.

7. Tkachuk A.I., Tsarenko O.N., Raybets S.I. Production and investigation of Cu/thin intermediate tunnel-transparent dielectric oxide layer/n-Pb1-xSnxTe1-уSey/In Schottky barrier structures// Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. – 2002. – Vol. 5, № 1. – P. 51-57.

Автор приймав участь у постановці задачі, проведенні експерименту, узагальненні та інтерпретації результатів.

8. Царенко О.М., Ткачук А.І. Особливості формування та властивості діодів Шотткі на основі твердих розчинів сполук А4В6 (огляд)// Наукові записки КДПУ. Сер. фіз.-мат. науки. – 2002. Вип. 43. – С. 122-138.

Автором зроблено аналіз методик формування діодів Шотткі на основі БТР сполук А4В6.

9. Ткачук А.І., Царенко О.М. Дослідження діодних структур на основі багатокомпонентних твердих розчинів сполук А4В6// Матеріали ІІ Міжнародного Смакулового симпозіуму “Фундаментальні і прикладні проблеми сучасної фізики”. – Тернопіль: ТДТУ, Джура. – 2000. – С. .

Автор приймав участь у формуванні бар’єрних структур.

10. Tsarenko O.N., Raybets S.I., Volchanski O.V., Tkachuk A.I. Materials for infrared detectors based on isoperiodical PbSnTeSe/BaF2 heterostructures// Proceedings of 2nd International Smakula Symposium “Fundamental and ap-plied problems of modern physics”. – Ternopil (Ukraine). – 2000. – P. 185.

Автор приймав участь у вирощуванні ЕШ.

11. Ткачук А.И. Жидкофазная эпитаксия твёрдых растворов Pb1-xSnxTe1-уSey – материалов для диодов с барьером Шоттки// Сборник научных трудов 6-го Международного молодёжного форума “Радиоэлектроника и молодёжь в XXI веке”. - Ч. І. – Харьков: ХНУРЭ. – 2002. – С. 393-394.

12. Ткачук А.І. Особливості формування 25 елементної матриці фотодіодів Шотткі на основі n-Pb0,74Sn0,26Te0,83Se0,17// Proceedings of 2nd International Scientific Conference of students, post-graduate students and young scientists “Optoelectronic information-energy technologies – 2002”. – Vinnytsia (Ukraine). – 2002. – P. 78.

13. Царенко О.Н., Рябец С.И., Ткачук А.И. Получение гетероструктур Pb1-xSnxTe1-уSey/PbTe0,92Se0,08 методом жидкофазной эпитаксии// Труды Третьей Международной научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии”. – Одесса: ОНПУ. – 2002. – С. 245.

Автор брав участь у проведенні експерименту та аналізі результатів.

14. Tkachuk A.I., Tsarenko O.N., Raybets S.I. Production and investigation of Cu/thin intermediate tunnel-transparent dielectric oxide layer/n-Pb0.93Sn0.07Te0.24Se0.76/In Schottky barrier structures// Abstracts of 6th International Conference “Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics”. – Kiev (Ukraine). – 2002. – P.87.

Автор приймав участь у постановці задачі, проведенні експерименту, узагальненні та інтерпретації результатів.

15. Ткачук А.І., Царенко О.М. ВАХ і ВФХ діоду Шотткі з тонким проміжним діелектричним шаром окислу// Збірник тез Всеукраїнської конференції молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “ЕВРІКА-2002”. – Львів: ЛНУ. – 2002. – С. 200-201.

Автором проаналізовані ВАХ і ВФХ діоду Шотткі з d-шаром.

16. Ткачук А.І., Царенко О.М. Фізична модель бар’єру Шотткі з тонким проміжним діелектричним шаром окислу// Збірник тез Всеукраїнської конференції молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “ЕВРІКА-2002”. – Львів: ЛНУ. – 2002. – С. 202-203.

Автором розвинуто фізичну модель діоду Шотткі з d-шаром.

17. Tkachuk A.I., Tsarenko O.N. Schottky photodiode arrays on the basis of n-Pb0.77Sn0.23Te0.82Se0.18 epitaxial layers// Proceedings of 2nd International young scientists conference on applied physics. – Kyiv (Ukraine). – 2002. – P. .

Автором сформовані фотоприймачі та досліджені їх параметри.

18. Ткачук А.И. Фотодиоды Шоттки на основе гетероструктуры Pb0,82Sn0,18Te0,98Se0,02/ Pb0,80Sn0,20Te// Збірник тез доповідей І-ї Української наукової конференції з фізики напівпровідників УНКФН-1 (з міжнародною участю). – Том. . – Одеса: ОНУ ім. І. І. Мечникова. – 2002. – С. 172-173.

19. Tsarenko O.N., Tkachuk A.I., Raybets S.I. Schottky photodiodes on the ba-sis of Pb0.95Sn0.05Te0.24Se0.76/BaF2 heterostructures// Proceedings of the Third International Young Scientists Conference “Problems of Optics and High Technology Material Science SPO2002”. – Kyiv (Ukraine). – 2002. - P. 170.

Автором сформовані фотоприймачі та досліджені їх параметри.

АНОТАЦІЯ

Ткачук А.І. Рідинна епітаксія твердих розчинів сполук А4В6 для діодів Шотткі. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.06 – технологія, обладнання та виробництво електронної техніки. – Херсонський державний технічний університет, Херсон, 2003.

Методом рідинної епітаксії при температурі ліквідусу 773873 К, швидкості програмного охолодження 0,10,2 К/хв, діапазоні зниження температури 515 К та величині вихідного пересичення розчину-розплаву 13 К на підкладках (111)BaF2, (100)KCl, (100)Pb0,80Sn0,20Te і (100)PbTe0,92Se0,08 вирощенні ізоперіодні епітаксійні шари Pb1-xSnxTe1-уSey товщиною 211 мкм і густиною дислокацій не вище 105 см-2 зі стійкими електрофізичними параметрами. Методом термічного вакуумного напилення сформовані бар’єрні структури Cu/d-шар/n-Pb1-xSnxTe1-ySey/In і Ag/d-шар/р-Pb1-xSnxTe1-ySey/Pt та досліджено вплив товщини d-шару на їх ВАХ та ВФХ. Розроблена технологія виготовлення 25(8)-елементних матриць фотодіодів Шотткі на основі бар’єрних структур Au/d-шар/n-Pb1-xSnxTe1-ySey/Al, Pb/-шар/р-Pb1-xSnxTe1-ySey/р+-Pb0,80Sn0,20Te/Au і Au/d-шар/n-Pb1-xSnxTe1-ySey/Pb з робочими характеристиками, які обмежені фоновими шумами.

Ключові слова: рідинна епітаксія, халькогенід свинцю-олова, діод Шотткі з тонким проміжним шаром окислу.

АННОТАЦИЯ

Ткачук А.И. Жидкофазная эпитаксия твёрдых растворов соединений А4В6 для диодов Шоттки. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.27.06 – технология, оборудование и производство электронной техники. – Херсонский государственный технический университет, Херсон, 2003.

Методом жидкофазной эпитаксии при температуре ликвидуса 773873 К, скорости программного охлаждения 0,10,2 К/мин, диапазоне снижения температуры 515 К и величине исходного пересыщения раствора-расплава 13 К на подложках (111)BaF2, (100)KCl, (100)Pb0,80Sn0,20Te и (100)PbTe0,92Se0,08 выращены изопериодные эпитаксиальные слои толщиной 211 мкм и плотностью дислокаций не выше 105 см-2 со стойкими электрофизическими параметрами. Методом термического вакуумного напыления сформированы барьерные структуры Cu/d-слой/n-Pb1-xSnxTe1-ySey/In и Ag/d-слой/р-Pb1-xSnxTe1-ySey/Pt и исследовано влияние толщины d-слоя на их ВАХ и ВФХ. Разработана технология изготовления 25(8)-элементных матриц фотодиодов Шоттки на основе барьерных структур Au/d-слой/n-Pb1-xSnxTe1-ySey/Al, Pb/-слой /р-Pb1-xSnxTe1-ySey/р+-Pb0,80Sn0,20Te/Au и Au/d-слой/n-Pb1-xSnxTe1-ySey/Pb с рабочими характеристика-ми, которые ограничены фоновыми шумами.

Ключевые слова: жидкофазная эпитаксия, халькогенид свинца-олова, диод Шоттки с тонким промежуточным слоем окисла.

SUMMARY

Tkachuk A.I. Liquid phase epitaxy of the А4В6 solid solutions for the Schottky barrier diodes. – Manuscript.

The dissertation on the obtaining of degree of candidate of technical science on specialty 05.27.06 – technology, equipment and production of electronic technique. – Kherson State Technical University, Kherson, 2003.

The dissertation is dedicate to the problems of search and develop: a) the technological regimes of the growing of little-strained Pb1-xSnxTe1-ySey quaternary solid solutions, lattice matched with (100)KCl, (111)BaF2, (100)Pb0.80Sn0.20Te and (100)PbTe0.92Se0.08 substrates, with the help of industrial and original equipment by the liquid phase epitaxy technique; b) the laboratory methodology of the production of metal/thin intermediate tunnel-transparent dielectric oxide layer (-layer)/n(p)-Pb1-xSnxTe1-ySey Schottky barrier structures by thermal vacuum deposition technique.

The high-quality Pb1-xSnxTe1-ySey epitaxial layers, lattice matched with (100)KCl, (111)BaF2, (100)Pb0.80Sn0.20Te and (100)PbTe0.92Se0.08 substrates, were grown from bounded volume of (Pb1-vSnv)1-w(Te1-uSeu)w melt-solutions in the growth temperature region 773873The epitaxy growth was initiated 13 K below the liquidus temperature by filling of the melt-solution on the substrates through the slot of cassette. The range of the temperature reduction was 515 K at a programmatic refrigeration rate of 0.10.2 K/min. The obtained Pb1-xSnxTe1-ySey epitaxial layers were mirror-smooth or had slight terrace structure. Their surface dislocation density was Nd105 cm-2 at the thick-ness 211 m. n-Pb1-xSnxTe1-ySey (0.00х0.25, 0.69у0.78 (at. fr.))/BaF2 epi-layers had n=(13)1017 cm-3 and H=(79)103 cm2·V-1·s-1; p-Pb1-xSnxTe1-ySey (0.40х0.70, 0.52у0.63 (at. fr.))/BaF2 – р=(35)1017 cm-3 and Н=(13) 103 cm2·V-1·s-1; n-Pb1-xSnxTe1-ySey (0.17х0.26, 0.17у0.21 (at. fr.))/KCl – n=(14)1017 cm-3 and H=(610)1032·V-1·s-1 and p-Pb1-xSnxTe1-ySey (0.09х0.18, 0.02у0.06 (at. fr.))/р*-Pb0.80Sn0.20Te – р=(28)1017 cm-3 and Н=(16)103 cm2·V-1·s-1 at 77 K.

Cu/d-layer/n-Pb1-xSnxTe1-ySey/In and Ag/d-layer/р-Pb1-xSnxTe1-ySey/Pt Schottky barrier structures were obtained on the Pb1-xSnxTe1-ySey/BaF2 epitaxial layers by the thermal vacuum deposition of rectifying (Cu, Ag, thickness 20003000 Е, active aria A2.25 mm2) and ohmic (In, Pt, 15003000 Е, aria 50.2 mm2) contacts. After the deposition of ohmic contacts and before to the deposition of rectifying contacts, the thin intermediate tunnel-transparent dielectric oxide layers on the epitaxial layer surfaces were formed by the forced oxidation. For the forward voltage bias 0.02<U<0.20 V, the experimental current-voltage curves of the obtained Schottky barrier structures were good approximated by the expression I=IS·exp[q(U-I·r)/·k·T], where ranged from 1.7 to 3.6, IS – from 24 to 135 A and R0A – from 1.7 to 14.2 Ohm·cm2, respectively. Series resistance r=3.711.7 Ohm. The reverse branches of the CVC are not saturated and have appearance, which is typical for the “soft breakdown”. For the reverse bias -0.4U0 V, the farad-voltage characteristics of the obtained Schottky barrier structures were good approximated by the expression C-2=B·{[obi-(k·T/q)]-U}, where B=(1.21.8)1017 [C-2·V-1], obi ranged from 0.047 to 0.114 V, C0=2.16.9 nF. As the explanation of the obtained experimental results, was proposed a physical model of the metal/-layer/n(p)-Pb1-xSnxTe1-ySey/In Schottky barrier structure. On the basis of this model was obtained the relationship for the calculation of assessmentive value of -layer width. From the experimental CVC and FVC, it was obtained that the R0A, , obi increased and IS, C0 decreased with the increasing of the . Furthermore, the current value at one and the same voltage bias decreased with the increasing of the -layer width. It may be explained by corresponding increasing of the -layer