Львівський національний університет імені Івана Франка

ІЖНІН

Ігор Іванович

УДК 621.315.592

МОДИФІКАЦІЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ ВУЗЬКОЩІЛИННИХ ТВЕРДИХ

РОЗЧИНІВ CdxHg1-xTe ПРИ ІОННОМУ ТРАВЛЕННІ

01.04.10 – фізика напівпровідників і діелектриків

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Львів – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Науково-виробничому підприємстві “Карат”, м. Львів

Науковий консультант: член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор Сизов Федір Федорович, Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України (м. Київ), завідувач відділення фізико-технологічних проблем інфрачервоної техніки

Офіційні опоненти: член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор Литовченко Володимир Григорович, Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України (м. Київ), завідувач відділу “Фізичні основи інтегральної електроніки”;

доктор фізико-математичних наук, професор Раренко Іларій Михайлович Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича (м. Чернівці), професор кафедри фізики напівпровідників та наноструктур;

доктор фізико-математичних наук, професор Ільчук Григорій Архипович Національний університет “Львівська політехніка”, професор кафедри фізики

Провідна установа:  Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, кафедра фізики металів і напівпровідників (м. Харків)

Захист відбудеться “ 24 ” квітня 2007 р. о 15.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.051.09 при Львівському національному університеті імені Івана Франка за адресою: вул. Кирила і Мефодія, 8, м. Львів, 79005, Велика фізична аудиторія.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Львівського національного університету імені Івана Франка за адресою: вул. Драгоманова, 5, м. Львів, 79005.

Автореферат розісланий “ 21 ” березня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 35.051.09

доктор фізико-математичних наук, професор Б.В. Павлик

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сьогодні тверді розчини CdxHg1-xTe (КРТ) є основним матеріалом для виготовлення багатоелементних фотоприймачів ІЧ діапазону спектра. Вагомі досягнення в галузі інфрачервоної техніки після відкриття КРТ вченими Великобританії та львівськими вченими наприкінці 50-х років минулого сторіччя стали можливі завдяки залученню за останні 45 років великого інтелектуального потенціалу і фінансових ресурсів провідних країн світу (США, Франція, Великобританія, СРСР).

Дослідженням властивостей CdxHg1-xTe присвячено десятки тисяч оригінальних праць, результати яких узагальнено в багатьох монографіях та оглядах. Можна стверджувати, що сьогодні основні фізико-хімічні властивості CdxHg1-xTe надійно встановлені. На думку провідних фахівців у галузі фотоприймачів для CdxHg1-xTe не існує обмежень фундаментального характеру, які б не дали змоги стати йому єдиним домінуючим матеріалом для виготовлення приймачів інфрачервоного діапазону спектра, а існують лише певні проблеми технологічного характеру. Тому CdxHg1-xTe ще тривалий час залишатиметься основним матеріалом для виготовлення фокальних матриць із критичними параметрами.

Подальший розвиток науково-технічного напрямку приймачів на КРТ здійснюватиметься шляхом розроблення та впровадження в серійне виробництво сучасних технологій росту матеріалу (молекулярно-променева епітаксія, газофазна епітаксія з пари металоорганічних сполук), розроблення конструкцій та технологій виготовлення багатоколірних приймачів, а також через пошук низькотемпературних методів формування фоточутливих p-n переходів, альтернативних йонній імплантації, які б не потребували додаткового термічного відпалу та були б сумісними із загальноприйнятою технологію мікроелектроніки. Серед таких методів найперспективнішими вважають різні види “сухого травлення”, зокрема, метод йонного травлення (ЙТ), який вперше запропоновано у патенті [1]. В основі його лежить явище р-n конверсії типу провідності у вакансійно-легованому р-CdxHg1-xTe в процесі взаємодії поверхні матеріалу з низькоенергетичними (енергії ~ 0,5-2 кеВ) йонами, наприклад, Ar.

На момент початку роботи (1989) було відомо усього декілька праць, присвячених дослідженням впливу йонного травлення на властивості CdxHg1-xTe. У цих працях встановлено лише окремі властивості конвертованих шарів: надзвичайно високу швидкість просування фронту конверсії, лінійну залежність глибини конверсії від часу йонного травлення, існування конверсії в інших вузькощілинних твердих розчинах, що містять ртуть (MnxHg1-xTe, ZnxHg1-xTe). Підкреслено вирішальну роль у конверсії процесів міграції міжвузлової ртуті та її анігіляції з вакансіями ртуті. Цих даних виявилося недостатньо для встановлення узагальненої фізичної картини явища конверсії типу провідності та розроблення фізично обґрунтованих засад створення p-n переходів фотодіодів методом йонного травлення. Потрібно було провести комплексні дослідження властивостей конвертованих йонним травленням шарів n-типу провідності, пояснити механізм виникнення надшвидкої дифузії ртуті та механізм конверсії типу провідності у вакансійно-легованому та домішково-легованому CdxHg1-xTe, вивчити питання стабільності утворених йонним травленням p-n переходів. Тому проблема розв’язання означених задач актуальна.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові дослідження, подані в дисертаційній роботі, проведено відповідно до науково-тематичних планів НДДКР Львівського науково-дослідного інституту матеріалів НВП “Карат”, сформованих на підставі комплексних цільових науково-технічних програм України: КЦНТП Мінмашпрому України “Вироби мікроелектроніки”, підпрограма № 53 “Розробка та підготовка виробництва нових матеріалів радіоелектронної техніки”, НДР “Розробка технології отримання p-n переходів в CdхHg1-хTe для фотодіодів діапазона 8-14 мкм методом іонно-променевого травлення” (1991-1993 рр., номер держреєстрації 0193V016227); НДР “Розробка технології отримання та дослідження властивостей фоторезистивного CdхHg1-хTe на основі епітаксійних шарів методом іонно-променевого травлення” (1991-1993 рр., номер держреєстрації 0193V016183); Програма розвитку електронної промисловості України на 1994-2000 рр. “Електроніка України-2000” Мінмашпрому України, НДР “Фотодіоди ІЧ-діапазону спектра 8-14 мкм на основі CdхHg1-хTe” (1994–1996 рр., номер держреєстрації 0194V032104); Програма Мінмашпрому України “Наука-2000”, НДР “Розробка технології отримання фотодіодів і фоторезистивних епітаксійних шарів діапазону 8-14 мкм на основі CdхHg1-хTe методом іонно-променевого травлення” (1994-1996 рр., номер держреєстрації 0194V032081); Міжнародна українсько-російська науково-технічна програма “Нанофізика та наноелектроніка”, Міністерства освіти і науки України, НДР “Дослідження профілю розподілу неконтрольованих донорів в шарах HgCdTe, одержаних методом МПЕ” (2000–2003 рр., номер держреєстрації 0100U006399); НДДКР “Багатошарові молекулярно-променеві епітаксійні структури CdxHg1-xTe з нанорозмірними шарами та оптоелектронні прилади на їх основі” (2004-2005 рр., номер держреєстрації 0104U008906). Автор роботи був керівником усіх перелічених тем.

Мета та задачі дослідження. Метою роботи було встановлення закономірностей p-n конверсії типу провідності у вузькощілинному CdxHg1-xTe йонним травленням та розроблення фізичних засад використання йонного травлення для формування р-n переходів фотодіодів інфрачервоного діапазону спектра.

Для досягнення цієї мети було розв’язано такі основні завдання:

-

-

-

-

Об’єкт досліджень. Фізичні процеси та явища під час взаємодії низькоенергетичних йонів із кристалічною ґраткою напівпровідникових сполук.

Предмет досліджень. Модифікація властивостей вузькощілинних твердих розчинів CdxHg1-xTe йонним травленням.

Методи досліджень. Для модифікації властивостей напівпровідникових сполук використовували йонно-променеве травлення нейтралізованими йонами Ar, йонно-плазмове травлення йонами Ar в плазмі постійного струму та йонами Hg у високочастотній плазмі. Для характеризації вихідних зразків та структур, створених йонним травленням, використовували холлівські дослідження електрофізичних властивостей у діапазоні температур 77-300 К та магнітних полів 0,01-1,5 Тл, дослідження диференціального ефекту Холла, оптичні дослідження спектрів пропускання та відбивання в діапазоні довжин хвиль 0,2-25 мкм, вторинну йонну масспектроскопію, рентґенівський мікроаналіз, метод струму, наведеного електронним променем, рентґенівські дослідження кривих гойдання. Для досліджень фазового складу анодних оксидів використано катодолюмінесценцію та вимірювання вольт-фарадних характеристик. Аналіз даних магнітопольових досліджень ефекту Холла та провідності здійснювали в межах моделей двозонної провідності або двошарової структури та методом дискретних спектрів рухливості. Для побудови моделей механізмів конверсії типу провідності було використано методи квазіхімічного формалізму Крьогера.

Наукова новизна одержаних результатів. На підставі проведених комплексних досліджень дії йонного травлення на вузькощілинні напівпровідникові сполуки CdxHg1-xTe отримано такі нові наукові результати:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджуються узгодженням виявлених закономірностей конверсії типу провідності під час йонного травлення у вакансійно-легованому p-CdxHg1-xTe різного технологічного походження (монокристалічні пластини, епітаксійні плівки, отримані методами рідинно-фазної епітаксії, молекулярно-променевої епітаксії та епітаксії з пари металоорганічних сполук), а в домішково-легованому p-CdxHg1-xTe – під час легування однотипними акцепторними домішками; узгодженням отриманих експериментальних результатів із розробленими моделями процесів конверсії та результатами інших авторів; всебічною апробацією результатів роботи на найвідоміших міжнародних наукових форумах фахівців у галузі CdxHg1-xTe.

Наукове значення роботи полягає у вирішені наукової проблеми модифікації властивостей складної сполуки – твердого розчину CdxHg1-xTe під час взаємодії з низькоенергетичними йонами в межах уявлень про домінуючу роль процесів генерації власних дефектів – френкелівських пар у катіонній підґратці, їхній дифузії та взаємодії між собою та домішковими і структурними дефектами, що доводить фундаментальне значення таких процесів у напівпровідниках.

Практичне значення одержаних результатів. Основні результати, які мають практичне значення для створення за допомогою йонного травлення p-n переходів фотодіодів на основі вакансійно-легованого та легованого акцепторними домішками p-CdxHg1-xTe, такі:

1. Одержані залежності глибини конверсії від параметрів матеріалу (склад, концентрація вакансій) та режимів йонного травлення (густина струму, тривалість, температура) дають змогу прогнозувати та здійснювати вибір технологічних режимів, що забезпечують формування p-n переходів із потрібною глибиною залягання і в однорідному матеріалі, і в структурах із широкозонним захисним шаром CdyHg1-yTe.

2. Експериментально підтверджено, що типовий характер сформованої йонним травленням n+-n-р структури у вакансійно-легованому р-CdxHg1-xTe після короткотермінової (декілька місяців, залежно від вмісту неконтрольованих акцепторних та донорних домішок) релаксації параметрів n+- та n- шарів, залишається стабільним упродовж довготривалого (10 років) зберігання за кімнатної температури, що доводить можливість створення йонним травленням фотодіодів із стабільними параметрами.

3. З урахуванням температурної стабільності p-n структур, сформованих йонним травленням, визначено верхню межу температур (80-100 С), які можна застосовувати, проводячи технологічні операції (наприклад, фотолітографію) з виготовлення фотодіодів методом йонного травлення.

4. Показано, що термічна активація пришвидшує процеси релаксації електричних параметрів n+-n-р структур, сформованих йонним травленням, тому стабілізація параметрів фотодіодів буде відбуватися вже на стадії виготовлення фотодіодів (наприклад, під час фотолітографії).

5. Встановлено, що легування донорною домішкою індію (~ (1-3)1015 cм-3) дає змогу стабілізувати донорний фон у конвертованому йонним травлення n-шарі та забезпечує одержання p-n переходів із потрібною контрольованою концентрацією носіїв заряду в n- та р-ділянках фотодіода, підвищення однорідності параметрів фотодіодів та їхньої стабільності і у вакансійно-легованому, і в легованому домішками Se, As Au p-CdxHg1-xTe.

6. Показано, що вплив йонного травлення на електричні параметри приповерхневих шарів напівпровідникових матеріалів (утворення конвертованого n-шару) треба враховувати, використовуючи цей метод у технології виготовлення мікроелектронних приладів (для очищення поверхні, розділення на елементи тощо) та в методиках досліджень (наприклад, вторинна йонна масспектроскопія, просвітна електронна мікроскопія).

Особистий внесок здобувача. Дисертацію написано за матеріалами наукових досліджень, які виконав особисто автор, і під його керуванням та за його участі у співавторстві з науковцями України, Росії, Чехії та Польщі.

Праці [7, 9, 15] виконані автором одноосібно. В оглядових статтях [1, 2] авторові належить загальна редакція, вступ та висновки, а також п.п. 1.4, 2, 4 [1] та п. 2 [2]. У спільних статтях за матеріалами дисертації авторові належить постановка задач, обґрунтування вибору методик досліджень, проведення низки експериментальних вимірювань, аналіз експериментальних результатів, їхнє узагальнення та інтерпретація, зокрема: постановка, планування та проведення експериментів з йонного травлення зразків в усіх працях, крім [8]; підготовка до вимірювань та характеризація вихідних зразків у всіх працях, крім [44–46]; проведення гальваномагнітних досліджень і досліджень диференціального ефекту Холла р-n структур та їхній аналіз у всіх працях, крім [44–46]; ідея рентґенівських досліджень структурної досконалості порушеного n+-шару та інтерпретація результатів [8]; ідея експериментального підтвердження взаємозв'язку концентрації електронів у основному об'ємі n-шару з концентрацією залишкових донорів шляхом дослідження конверсії в спеціально легованому In р-CdxHg1-xТе, проведення експериментів та інтерпретація результатів [5]; узагальнення експериментальних даних та постановка вимог до моделі конверсії типу провідності у вакансійно-легованому р-CdxHg1-xТе [10, 42]; використання катодолюмінесцентного методу дослідження фазового складу власних оксидів CdxHg1-xТе та Pb1-xSnxTe, участь у підготовці експериментів, опрацювання результатів вимірювань та їхній аналіз [3, 4, 6]; експериментальне встановлення факту існування глибинної конверсії типу провідності під час йонного травлення в легованому акцепторними домішками Sb, Cu, Ag та Au р-CdxHg1-xТе і підтвердження взаємозв’язку концентрації електронів у основному об’ємі конвертованого n-шару з концентрацією легуючих акцепторних домішок As, Sb, Cu, Ag та Au, доведення рівності глибин конверсії у вакансійно-легованому та легованому акцепторними домішками р-CdxHg1-xТе та підтвердження механізмів конвер-сії в легованому акцепторними домішками р-CdxHg1-xТе [11, 13, 14, 23, 27, 32, 33, 40]; ідея експериментального підтвердження необхідної умови конверсії типу провідності в домішково-легованому р-CdxHg1-xТе через порівняння дії йонного травлення та відпалу анодного оксиду, проведення експериментів та узагальнення результатів [19, 20, 26]; експериментальне підтвердження існування релаксації електричних параметрів р-n структур, сформованих йонним травленням вакансійно-легованого р-CdxHg1-xТе, та виявлення різного характеру релаксації в порушеному шарі та основному об’ємі конвертованого шару [18], дослідження довготермінової стабільності структур [22, 29]; експериментальне підтвердження взаємозв’язку релаксації електричних параметрів у основному об’ємі конвертованого n-шару у вакансійно-легованому р-CdxHg1-xТе з релаксацією донорних центрів та комплексів, утворених міжвузловою ртуттю з неконтрольованими акцепторними домішками І та V групи, встановлення закону релаксації та релаксаційних параметрів, встановлення механізмів провідності та законів релаксації в порушеному шарі [30, 35]; експериментальне підтвердження дифузійного механізму утворення джерела дифузії ртуті під час йонного травлення та дифузійної моделі розповсюдження фронту конверсії [24, 25, 27, 34, 38]; експериментальне дослідження впливу широкозонних захисних шарів на конверсію типу провідності під час йонного травлення [28, 37, 39, 50], доведення впливу внутрішнього електричного поля градієнтного широкозонного шару в структурах CdyHg1-yТе/CdxHg1-xТе/GaAs на глибину конверсії [36]; експериментальні дослідження впливу домішки sе в р-CdxHg1-xТе на конверсію типу провідності під час йонного травлення [30, 41]; експериментальне підтвердження унікального характеру конверсії типу провідності в р-CdxHg1-xТе шляхом порівняння впливу йонного травлення на властивості вузькощілинних напівпровідників Pb1-xSnxTe та InSb [12, 17, 31]; розроблення технічного завдання на модернізацію установки вимірювання електричних параметрів напівпровідників “Холл-200”, градуювання та тестування установки після модернізації, складання алгоритмів опрацювання даних вимірювань [43]. Тексти усіх спільних публікацій підготовлено безпосередньо автором, або за його активної участі.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на таких наукових конференціях: VII Всесоюзный симпозиум “Полупроводники с узкой запрещенной зоной и полуметаллы” (1986, Львов); Всесоюзный семинар “Многослойные структуры на основе узкощелевых полупроводников” (1990, Нукус); Республіканська конференція “Фізика і хімія поверхні та границь розділу вузькощілинних напівпровідників” (1990, Алушта); ХІІ Всесоюзная конференция по физике полупроводников (1990, Киев); 10-th International Conference on Thin Films (1996, Salamanca, Spain); 3, 4, 5 International Conference on Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics (1996, Uzhgorod, 1998, 2000 Kyiv, Ukraine); International Conference on Solid State Crystals, Material Science and Applications (1996, 1998, 2002 Zakopane, Poland); 3d, 6th International Workshop “Expert Evaluation and Control of Compound Semiconductor Materials and Technologies” (1996, Freiburg, Germany, 2002, Budapest, Hungary); 9th International Conference on Narrow Gap Semiconductors (1999, Berlin, Germany); Второй, Четвертый, Шестой российско-украинский семинар “Нанофизика и наноэлектроника” (2000, 2003, 2005, Киев); 12-th International Conference on Surface Modification of Materials by Ion Beams (2001, Marburg, Germany); Tenth International Conference on II-VI Compounds (2001, Bremen, Germany); III Міжнародна Школа-Конференція “Сучасні проблеми фізики напівпровідників” (2001, Дрогобич); VI Міжнародна науково-технічна конференція “Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів – ЛЕОТЕСТ-2002” (2002, Славсько, Львівська обл.); The 2002 U.S. Workshop on the Physics and Chemistry of II-VI Materials (2002, San Diego, USA); E-MRS Fall Meeting 2002. Symposium G: Solid Solutions of the II-VI compounds – Growth, Characterization and Applications (2002, Zakopane, Poland); І, ІІ Українська наукова конференція з фізики напівпровідників (2002, Одеса, 2004, Чернівці-Вижниця); XVII, XVIIІ, XIX Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения (2002, 2004, 2006, Москва, Россия); 1st International Meeting on Applied Physics (2003, Badajoz, Spain); E-MRS Fall Meeting 2003. Symposium С: 5-th International Workshop on Molecular Beam Epitaxy & Vapour Phase Epitaxy Growth Physics and Technology (2003, Warsaw, Poland); 1-а Науково-технічна конференція “Матеріли електронної техніки та сучасні інформаційні технології” (2004, Кременчук, Україна); SPIE Symposium on Optics & Photonics, Conference 5881 “Infrared and Photoelectronic Imagers and Detector Devices” (2005, San Diego, USA); International Congress on Optics and Optoelectronics, Conference Infrared Potoelectronics (2005, Warsaw, Poland). На 21 з них автор доповідав особисто.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в 72 наукових працях: 38 статтях у провідних фахових журналах та збірниках (з них 3 – одноосібно), 2 оглядових статтях, 1 Патенті на винахід, 1 статті в збірнику наукових праць, 2 статтях у матеріалах конференцій та 28 тезах доповідей на українських та міжнародних конференціях, семінарах і симпозіумах.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація містить вступ, п’ять розділів оригінальних досліджень, висновки, список використаних джерел та додатки. Вона містить 357 сторінок, із них 304 сторінки основного тексту, 86 рисунків і 18 таблиць, вставлених у текст, список використаних джерел із 377 найменувань на 40 сторінках, додатки (А, Б, ) на 13 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначено мету та поставлено завдання досліджень, відображено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі наведено класифікацію існуючих методів “сухого травлення”, описані досліджувані зразки та технології, за якими їх було отримано, наведено використані експериментальні методи досліджень та методики аналізу результатів.

Для проведення експериментів із ЙТ серед різних методів “сухого травлення” були застосовані йонно-променеве травлення (ЙПрТ) нейтралізованими йонами Ar та йонно-плазмове травлення (ЙПлТ) в Ar плазмі постійного струму, як оптимальніші з точки зору відтворюваності режимів ЙТ, і, лише для порівняння, ЙПлТ у ВЧ ртутній плазмі. Описано установки, які використовували для проведення процесів травлення та режими травлення.

Для дослідження впливу ЙТ на властивості КРТ використано зразки, отримані всіма відомими на сьогодні методами росту, які переважно використовують у серійному виробництві матеріалу: монокристалічні пластини (МК) та епітаксійні шари й структури, вирощені методами рідинно-фазної епітаксії (РФЕ), молекулярно-променевої епітаксії (МПЕ), газофазної епітаксії з пари металоорганічних сполук (ГФЕПМОС), випаровування - конденсації - дифузії (ВКД). Це дало змогу встановити зумовлені ЙТ ефекти, притаманні саме матеріалу КРТ, а не ефекти, пов'язані з певними особливостями різних технологій росту.

Для дослідження електрофізичних властивостей зразків та р-n структур КРТ, отриманих ІТ, застосовано методики досліджень польових залежностей коефіцієнта Холла і провідності в діапазоні 0,01–1,5 Тл за 77–300 К та диференціального ефекту Холла під час пошарового хімічного травлення. Вимірювання проводили на модернізованому промисловому вимірювально-обчислювальному комплексі “Холл-200”, з відтворюваністю результатів вимірювань провідності та коефіцієнта Холла не гірше 0,1 та 0,6 % відповідно. Дослідження релаксації електричних властивостей структур, сформованих ЙТ, проводили в процесі ізотермічного зберігання за кімнатної температури й 273 К до досягнення релаксаційними кривими насичення та в процесі ізохронного відпалу в діапазоні 20–140 °С з кроком 20 °С та часом витримки на кожній стадії 30 хв.

Для аналізу результатів холлівських вимірювань для визначення кількості типів носіїв заряду, які дають внесок у провідність, та їхніх параметрів застосовано низку методів, заснованих на аналізі магнітопольових залежностей коефіцієнта Холла RH (B) та питомого опору (B): двозонна модель, модель двошарової структури та розроблений дискретний метод аналізу спектрів рухливості (DMSA).

Для розрахунків концентрацій електронів, важких та легких дірок у CdxHg1-xTe і рухливості електронів використовували непараболічні закони дисперсії в усіх гілках спектра та систему взаємоузгоджених параметрів зонного спектра, які отримав В. Богобоящий [2].

Концентрацію вакансій [VHg] обчислювали на підставі експериментально визначених значень концентрацій дірок за температури 77 К з урахуванням ступеня йонізації вакансій за температури 77 К залежно від концентрації вакансій та складу x. Концентрацію дірок за T= 77 К визначали за даними вимірювань польової залежності (В) й RH (В) в магнітному полі 0,01–1,5 Тл та їхнього аналізу методом DMSA.

Склад кристалів із х 0,20 та склад і товщину РФЕ плівок визначали за спектрами крайового поглинання за кімнатних температур. Склад кристалів із x  ,20, які непрозорі, визначали за спектрами відбивання за кімнатної температури у діапазоні довжин хвиль  ,4–0,7 мкм. Інтегральний склад кожного окремого зразка із пластини додатково контролювали за концентрацією власних носіїв заряду ni за 300 К та 77 К, яку обчислювали за даними холлівських вимірювань. Склад та товщину МПЕ структур визначали за даними еліпсометричних вимірювань in situ в процесі росту.

Другий розділ роботи присвячено дослідженням процесу конверсії типу провідності у вакансійно-легованому р-CdxHg1-xTe під час ЙТ. Викладу результатів власних досліджень передує аналіз літературних даних інших авторів, на підставі якого зроблено постановку завдань для досліджень.

У результаті експериментальних досліджень дії ЙТ на РФЕ структури р-CdxHg1-xTe встановлено, що глибина конверсії (де Ф – флюенс йонів, NV – концентрація вакансій ртуті), тобто розповсюдження фронту конверсії має дифузійний характер (рис. 1).

Дослідження розподілу концентрації носіїв заряду за товщиною зразків, підданих ЙТ, за допомогою диференціального ефекту Холла під час пошарового хімічного травлення підтвердили неоднорідний характер конвертованого n-шару та дали змогу встановити утворення типової n+-n-р структури з порушеним n+-шаром (~2-3 мкм) та основним конвертованим n-шаром (рис. 2).

Основний об'єм конвертованого при ЙТ n-шару (рис. 2, крива 1) характеризується досить низькими значеннями концентрації електронів (п = 41014 см-3) з високою рухливістю (n = 2,5105 см2/(Вс)) за 77 К, які притаманні високоякісному некомпенсованому матеріалу. Отже, у цій ділянці відбувається анігіляція міжвузлових атомів ртуті () з власними акцепторами – вакансіями ртуті (), які визначали р-тип провідності вихідного зразка. Порушений n+-шар характеризується підвищеною концентрацією електронів (яка спадає від поверхні вглиб зразка) із низькою рухливістю (~10000– 20000 см2/(Вс)). За допомогою спеціальних рентґенівських досліджень було встановлено, що в порушеному n+-шарі спостерігається підвищена густина структурних дефектів (якими можуть бути дислокації та дислокаційні петлі), закон зміни густини структурних дефектів по товщині зразка добре корелює із законом зміни концентрації електронів у порушеному шарі, що може свідчити про їхній взаємозв'язок.

Порівнюючи концентрації електронів у основному об’ємі конвертованого п-шару в зразках р-КРТ, спеціально легованих донорною домішкою In і нелегованих (рис. 2), видно, що вона відповідає концентрації введеної під час росту домішки In. Це дало змогу довести, що вона визначається концентрацією існуючих у зразку донорних домішок. Цей висновок підтверджено також результатами аналізу властивостей зразків р-КРТ, спеціально легованих ізовалентною домішкою Se, які характеризувалися нижчою концентрацією неконтрольованих донорних домішок.

Порівняльний аналіз властивостей конвертованих шарів при ЙТ в Ar плазмі постійного струму (охолодження столика із зразками проточною водою за 20 С) та ЙТ у ВЧ ртутній плазмі (температура зразків не нижче 50 С) показав, що головна особливість останнього процесу полягає в утворенні конвертованих шарів значно більшої (на порядок) товщини (~350 мкм), що можна пов’язати із впливом температури зразків на процес конверсії.

Для порівняння перебігу різних процесів конверсії типу провідності, зумовлених дифузійним характером розповсюдження фронту конверсії та анігіляцією з , проведено дослідження зразків гомогенного вакансійно-легованого р-CdHgTe (х 0,2; р = 8•1015 см–3), підданих ІТ, термічному відпалу анодного оксиду (АО) та термічному відпалу в насиченій парі ртуті. Було показано, що величина ефективного коефіцієнта дифузії ртуті () зростає під час ЙТ із збільшенням густини струму йонів. Під час відпалу АО величина добре узгоджується з такою для термічного відпалу в насиченій парі ртуті за однакових температур, що свідчить про ідентичність джерела дифузії ртуті, яким у випадку АО може бути вільна ртуть, яка утворюється в процесі оксидування і витискається на межу його розділу з кристалом. Ці дані суперечили результатам аналізу [3]. Проте, було підтверджено висновок [3], що пришвидшення дифузії ртуті при ЙТ порівняно з термічним відпалом у насиченій парі ртуті пов’язано із надзвичайно високою концентрацією в джерелі дифузії ртуті (~ 1013–1014 см–3).

Для підтвердження особливого характеру конверсії типу провідності при ЙТ в р-CdHgTe досліджено вплив ЙТ на властивості інших відомих вузькощілинних напівпровідників: епітаксійні плівки (товщиною ~2–4 мкм) власного р-Pb0,8Sn0,2Te та домішково-легованого талієм р-PbTe, монокристали високоомного p-InSb, для яких вперше встановлено факт існування конверсії типу провідності. Проте дослідження властивостей конвертованих шарів для цих матеріалів показало, що механізми конверсії тут докорінно відрізняються від таких для р-CdHgTe. Для халькогенідів свинцю механізм конверсії для цих матеріалів зумовлений генерацією під час ЙТ додаткових власних донорних дефектів (міжвузлові атоми свинцю та (або) вакансії Те) завдяки збідненню поверхні матеріалу телуром внаслідок його переважного розпорошення ЙТ, їхньою міграцією в глибину та перекомпенсацією вихідних акцепторних дефектів. У процесі міграції генеровані додаткові донорні дефекти не взаємодіють із вихідними домішковими акцепторними дефектами.

ЙТ р-InSb призводить до p-n конверсії типу провідності з утворенням тонкого конвертованого n-шару, який складається із двох підшарів з різною природою дефектів. Верхній, дуже тонкий підшар (~2,5 нм), характеризується досить стабільною високою концентрацією електронів із низькою рухливістю, які, ймовірніше за все, пов’язані з донорними дефектами в утвореному ЙТ аморфізованому шарі. Другий підшар (товщиною ~100 нм) характеризується присутністю електронів із високою рухливістю, концентрація яких швидко релаксує (~ на 2 порядки) за кімнатної температури, ймовірніше за все, пов’язаних із утворенням під час ЙТ радіаційних донорних дефектів (наприклад, механодонорів). Отже, ці факти також підтверджують, що особливий характер процесу конверсії типу провідності в КРТ пов’язаний, передусім, з утворенням при ЙТ джерела дифузії міжвузлової ртуті надзвичайно високої концентрації, і тому першочерговим завданням було пояснення механізму утворення такого джерела.

Запропонований механізм формування джерела дифузії ґрунтується на аналізі процесів релаксації дефектів катіонної підґратки (двократно заряджених і та нейтральних бівакансій ртуті ) у зоні так званого “теплового клину”, який утворюється під час взаємодії енергетичного йона з поверхнею КРТ (рис. 3). Початкова концентрація цих дефектів становить ~ 1021 см–3. Оскільки тепловий клин остигає дуже швидко (t-12 с), дефекти не встигають за цих умов зміститися на відстань, більшу за сталу ґратки, тому дифузійними процесами, що перебігають у тепловому клині за високої температури, можна знехтувати. Система дефектів не встигає прийти в стан рівноваги, і в остиглій ділянці клину залишається досить багато дефектів, які релаксують через взаємну анігіляцію. Отже, джерело дифузії формується внаслідок дифузії надлишкових рухомих атомів із зони остиглого теплового клину до внутрішньої частини дефектного шару в процесі релаксації дефектів. Концентрацію []S у джерелі було отримано в аналітичному вигляді з аналізу кінетичних рівнянь релаксації дефектів внаслідок усереднення закону зміни концентрації міжвузлової ртуті в окремому тепловому клині за час періоду між впровад-женням йонів у одну й ту ж зону кристала (е/jS, де j – густина струму йонів, S 20 нм2 – ефективна площа перерізу зони дефектоутворення):

, (1)

де rw=a/ радіус захоплення бівакансією (a=0,648 нм – параметр кристалічної ґратки КРТ; CW0 2,51020 см–3 – початкова концентрація ; 0  1019 см–3 – загальний дефіцит Hg в усталеному дефектному шарі; DI – власний коефіцієнт дифузії міжвузлової ртуті.

За типових значень j (0,1–1 мА/см–2) із (1) випливає, що []S 1013–1014 см–3.

Залежність глибини конверсії від режимів ЙТ та параметрів матеріалу отримана в межах дифузійної моделі розповсюдження фронту конверсії на підставі розгляду рівнянь дифузії основних дефектів катіонної підґратки ( і ), де було припущено, що , оскільки нижче 300–350 C міграцією у процесі дифузії Hg у КРТ можна знехтувати, та відповідних крайових умов і закону збереження JHg:

; ; (2)

; ; ,

де JHg - густина дифузійного потоку Hg; R(r,t) – темп захоплення радіаційними дефектами у порушеному n+-шарі; - електричний потенціал внутрішнього поля; Ntr  – концентрація центрів захоплення (вакансій Hg для гомогенних кристалів вакансійно-легованого КРТ) у початковому кристалі.

Найпринциповіша відмінність цих рівнянь від рівнянь дифузії з парової фази полягає в тому, що за кімнатної температури власна концентрація носіїв заряду значно менша, ніж під час відпалу в парі ртуті, тому потрібно врахувати дрейф заряджених дефектів у внутрішньому електричному полі сформованого ЙТ p-n переходу поблизу межі дефектного шару (який містить  1017 см-3 некомпенсованих вакансій внаслідок переважного розпорошення ртуті, що створюють провідність p-типу) і конвертованого n-шару, яке частково перешкоджає проникненню у кристал. У випадку однорідного кристала КРТ було отримано:

; , (3)

де = 0/[VHg]0 = 1 м – характеристичне відношення ([VHg]0 = 1016 см–3, 0 = 1018 см–2), = (dj) – (Ld) – різниця потенціалів між внутрішньою (z = dj) і зовнішньою (z = Ld) межами конвертованого шару.

Множник l0 дуже слабо залежить від енергії йона (як E1/6) і не залежить від DI. Відповідно, l0 не залежить від температури, а його залежність від складу x визначається величиною ефективної площі S і, швидше за все, слабка. Отже, залежність dj від T і x у запропонованій моделі визначають останнім (експоненціальним) множником у (3). Враховуючи наведені оцінки величин, знайдено, що l0 160 мкм.

Запропоновані механізм утворення джерела та дифузійна модель розповсюдження фронту конверсії при ЙТ є сьогодні єдині, і це вимагало їхнього експериментального підтвердження. Для цього в роботі проведено порівняння експериментально встановленої залежності глибини конверсії під час ЙТ від складу твердого розчину у вакансійно-легованому однорідному р-CdxHg1-xTe (х = 0,16-0,3) із результатами розрахунку в межах моделі (рис. 4). Розподіл потенціалу в структурі знаходили шляхом чисельного розв’язування одномірного рівняння Пуассона:

, де N?=ND–NA. (4)

Відповідно до наведених вище оцінок концентрації вакансій у дефектному шарі, брали, що N? = –41017 см-3 при 0 < z < Ld, для концентрації донорів у n-шарі (z > Ld) – N? = 1015 см-3, типове для експерименту такого типу.

Величина електричного поля p-n переходу (рис. 5) зростає