Чернівецький національний університет

імені Юрія Федьковича

Воробець Олександр Іванович

УДК 621.382.2: 537.312.5

Модифікація властивостей бар’єрних структур

метал-халькогенідний напівпровідник

імпульсним лазерним опроміненням

(01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків)

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Чернівці – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

Офіційні опоненти: |

доктор фізико-математичних наук, професор

Горлей Петро Миколайович, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, завідувач кафедри електроніки і енергетики

доктор фізико-математичних наук, професор,

Лашкарьов Георгій Вадимович, Інститут проблем матеріалознавства імені І.М.Францевича НАН України, завідувач відділу матеріалів функціональної електроніки та кріогенних досліджень

доктор фізико-математичних наук, професор,

Маслюк Володимир Трохимович, Інститут електронної фізики НАН України, завідувач відділу фотоядерних процесів

Захист відбудеться „ 28 ” грудня 2007 р. о 1500 год. 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 розіслано „ 27 ” листопада 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Курганецький М.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Пошук нових методів, у тому числі із застосуванням імпульсного лазерного опромінювання (ІЛО), створення бар’єрних структур, які є основою напівпровідникових приладів фотоелектроніки та пристроїв первинного перетворення сигналів у системах автоматичного керування, на даний час викликає значний інтерес у фундаментальному та прикладному аспектах.

Серед найбільш перспективних матеріалів, що використовуються для давачів високоенергетичного випромінювання, оптичних фільтрів, детекто-рів поляризованого випромінювання, є халькогенідні напівпровідники типу А2В6, А3В6, А4В6 (зокрема CdTe, CdTe:Cl, CdTe:As, In4Se3, PbTe, а також деякі їх тверді розчини – CdZnTe, PbSnTe). На даний час застосовують різні методи створення сплавних, точкових та інших контактів до даних напівпровідників з випрямними та омічними властивостями. Методика формування p-n-переходів шляхом лазерної рекристалізації поверхневих шарів халькогенідних сполук застосовується вже протягом кількох десятиліть. Однак використовувані значні потужності випромінювання не завжди забезпечують необхідну величину та стабільність електрофізичних параметрів створюваних детекторів сигналів. У першу чергу це зумовлено суттєвим порушенням термодинамічної рівноваги опромінюваної системи аж до випаровування її компонент, і відповідно, до різкої зміни електронних властивостей використовуваних напівпровідникових матеріалів. Тому важливою постає проблема вияснення особливостей впливу малопотужного ІЛО на фізичні процеси та електрофізичні параметри бар’єрних структур метал – халькогенідний напівпровідник типу А2В6, А3В6, А4В6. При цьому одним з актуальних є питання встановлення оптимальних режимів опромінення зазначених структур, при яких фізико-хімічні перетворення на границі розділу метал-напівпровідник відбуваються у твердій фазі, що може забезпечити більш довготривалу стабільність і надійність роботи створених на їх основі електронних приладів.

На початку виконання даної роботи практично були відсутні відомості про застосування малопотужного ІЛО для корекції електрофізичних параметрів і механізмів протікання струму в досліджуваних бар’єрних структурах. Невідомими залишалися моделі фізичних механізмів реструктуризації приконтактних шарів структури під дією малопотужного ІЛО. Не виясненими були й питання щодо можливості контрольованого керування стехіометричним складом перехідного шару в контактах метал-халькогенідний напівпровідник (КМХН) при лазерній активації процесів взаємодії металу й напівпровідника у твердій фазі. Вирішенню зазначених проблем присвячена дана дисертаційна робота, що обумовлює її актуальність і своєчасність.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконана в лабораторіях кафедр електроніки і енергетики та комп’ютерних систем і мереж Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича. Вона є складовою частиною науково-дослідних тем, які фінансувались із коштів державного бюджету Міністерством освіти і науки України та Державним фондом фундаментальних досліджень, зокрема: „Закономірності впливу домішково-дефектної підсистеми у напівпровідниках А2В6, А4В6 та А1В3С26 на фізичні характеристики та їх стабільність” (номер державної реєстрації 0103U001106); „Наукові основи створення, діагностики та підвищення надійності первинних перетворювачів сигналів для автоматизованих систем керування, електронної обчислювальної техніки та захисту інформації в комп’ютерних засобах” (номер державної реєстрації 0105U007365).

Роль дисертанта при виконанні даних тем полягала в обґрунтуванні та експериментальній реалізації оптимальних режимів дії ІЛО на КМХН та дослідженні їх фізичних властивостей, проведенні експериментальних досліджень та теоретичного моделювання їх електрофізичних характеристик, а також в обговоренні та аналізі одержаних результатів.

Метою роботи є встановлення основних фізичних закономірностей впливу імпульсного лазерного опромінення мілісекундної тривалості на трансформацію механізмів протікання струму в бар’єрних структурах метал-халькогенідний напівпровідник, обумовлену зміною фізико-хімічного складу КМХН, для розробки науково обґрунтованих рекомендацій щодо отримання ефективних детекторів електромагнітного випромінювання з покращеними експлуатаційними параметрами.

Досягнення мети передбачало виконання таких завдань:

·

·

·

·

Об’єкт дослідження – поверхнево-бар’єрні структури метал-халькогенідний напівпровідник (А2В6, А3В6, А4В6) до і після дії малопотужного ІЛО мілісекундної тривалості.

Предмет дослідження – фізичні процеси реструктуризації у твердому стані металічного контакту, перехідного та приконтактного шарів напівпровідникової підкладки при малопотужному ІЛО та їх вплив на електрофізичні параметри і механізми протікання струму в поверхнево-бар’єрних структурах метал-халькогенідний напівпровідник.

Методи дослідження. Вивчення структурної досконалості та морфології поверхні окремих шарів КМХН проводили методами рентгенівської топографії (ДРОН-3М), оптичної (МИМ-7, ММР-2Р) і растрової електронної (РЭМ-100У) мікроскопії. Фазовий склад та мікроструктуру перехідних шарів на границі розділу метал-напівпровідник до і після лазерного опромінення визначали за допомогою електронно-зондового мікроаналізу (ZEISS EVO*50, виробник Німеччина).

Ширини забороненої зони та коефіцієнти пропускання напівпровідникових матеріалів визначали за спектрами пропускання, виміряними на автоматизованому спектрофотометрі СФ-20. Вольт-амперні (ВАХ) та вольт-фарадні (ВФХ) характеристики вимірювали за стандартними методиками.

Наукова новизна одержаних результатів дисертаційної роботи полягає в тому, що в ній уперше:

1. Запропоновано для модифікації параметрів бар’єрних структур метал-халькогенідний напівпровідник використання малопотужного ІЛО (тривалість імпульсів 24 мс; інтенсивність І=10250кВт/см2) та обґрунтовано режими опромінення, які забезпечують реалізацію контрольованих фізико-хімічних процесів у приконтактних шарах металу і напівпровідника в твердій фазі.

2. Встановлено закономірності лазерно стимульованих фізичних процесів трансформації дефектно–домішкової системи у CdTe в твердій фазі та визначено їх вплив на електронні властивості бар’єрних структур метал-халькогенідний напівпровідник А2В6. З’ясовано роль домішок (Cl, As) в стабілізації параметрів бар’єрних структур при дії ІЛО на контакти метал–легований CdTe та виявлено особливості даних процесів у структурах на основі твердих розчинів CdZnTe.

3. Визначено оптимальні режими ІЛО які дозволяють сформувати бар’єрні структури Pt–p-CdTe:Cl з наближеними до ідеальних характеристиками. Досліджено механізми протікання струму в таких структурах.

4. Експериментально доведено можливість модифікації структурно-фазового складу перехідного шару в контактах Al(Au)–In4Se3 за рахунок фазового перетворення In4Se3 у сполуки In2Se та InSe у твердому стані при малопотужному ІЛО.

5. Показано, що при певних режимах ІЛО структур Al(Au)–PbSnTe в результаті активізації дифузійних процесів на границі розділу КМХН виділяється наближена за складом до PbTe фаза, що приводить до формування поверхнево неоднорідних контактів з ділянками приконтактного шару напівпровідника, які мають різні значення ширини забороненої зони.

Практичне значення одержаних результатів

1.

2.

3.

4.

Публікації та особистий внесок здобувача. За результатами досліджень опубліковано 21 роботу, з них: 6 – статті у наукових фахових виданнях, включених до переліку ВАК України, 14 – тези міжнародних наукових конференцій, 1 – деклараційний патент на корисну модель.

У процесі виконання роботи дисертант приймав участь у постановці задач [1-21], виготовляв зразки [2, 10-13, 18-21] і досліджував електро-фізичні властивості бар’єрних структур [1-4, 9-21], приймав участь у проведенні автоматизації вимірювальних установок для дослідження оптичних властивостей халькогенідних матеріалів і температурних вимірювань електрофізичних характеристик КМХН [5-8], проводив дослідження впливу лазерного опромінення на морфологію поверхні досліджуваних контактів [2, 19-21], брав участь у обговоренні та аналізі результатів [1-21].

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень, приведених у дисертаційній роботі, були представлені на таких наукових конференціях: The European Material Conference „European Materials Research Society Spring Meeting (E-MRS 2004, E-MRS 2005, E-MRS 2007)” (Strasbourg, France, 2004; 2005; 2007); 12th International Conference on II-VI Compounds (Warsaw, Poland, 2005); ІІІ, IV, V, VII Міжнародних конференціях молодих вчених “Проблеми оптики та сучасного матеріалознавства (SPO2002, SPO2003, SPO2004, SPO2006)” (Київ, 2002, 2003, 2004, 2006 рр.); VII Міжнародна науково-практична конференція „Современные информационные и электронные технологии” (Одеса, 2006р.); ІІ Українська наукова конференція з фізики напівпровідників (за участю зарубіжних науковців) (УНКФН-2) (Чернівці–Вижниця, 2004р.); Х Міжнародна конференція “Фізика і технологія тонких плівок (МКФТТП-Х)” (Івано-Франківськ, 2005р.); XI Міжнародна конференція „Фізика і технологія тонких плівок та наносистем” (Івано-Франківськ, 2007р.).

Структура та об’єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох оригінальних розділів, висновків, списку використаних літературних джерел з 153 найменувань. Робота викладена на 164 сторінках, містить 84 рисунки та 29 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації та її зв’язок з науковими програмами, планами і темами, сформульовано мету і задачі досліджень, висвітлено наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, приведено дані про публікації, особистий внесок здобувача та апробацію роботи.

Перший розділ частково присвячено аналізу літературних джерел стосовно можливих фізичних механізмів впливу ІЛО на фізико-хімічні властивості та електрофізичні параметри і характеристики КМХН [1*]. На основі цього аналізу, з використанням результатів оригінальних досліджень впливу процесів старіння на параметри контактів Al-n-Si з бар’єром Шотткі після ІЛО, обґрунтовано перспективність використання малопотужного ІЛО для корекції бар’єрних властивостей структур метал–халькогенідний напівпровідник. Враховуючи технологічні особливості дії ІЛО на КМХН, визначено основні методи контролю структурної досконалості кристалів і фазового складу хімічних сполук та електрофізичних параметрів і характеристик досліджуваних структур.

В оригінальній частині розділу показано, що теоретичні оцінки за напівемпіричним співвідношенням:

(1)

(де І0 – інтенсивність випромінювання, R – коефіцієнт відбивання плівки, K і ж – коефіцієнти теплопровідності і температуропровідності підкладки, d – діаметр променя), записаним з модифікованого розв’язку класичного рівняння теплопровідності [2*], дають досить високу кореляцію результатів розрахунків поверхневої (z=0) температури плівки алюмінію (рис.1а) з її реальними розподілами температур нагріву, одержаними за результатами візуального контролю розмірів (l, l’, l’’) областей морфологічних змін на поверхні металевого контакту при опроміненні структури з боку металу.

Рис.1. Моделювання теплової дії лазерного випромінювання на структури Al–n-Si.

При цьому вважали, що ІЛО проявляє виключно теплову дію. Поява першої морфологічно зміненої області на поверхні алюмінію (рис.1б) зумовлена досягненням у центрі падаючого променя на межі розділу Al–Si температури евтектики системи Al–Si (Те=577С), а другої (рис.1в) – температури плавлення алюмінієвої плівки (Тm=650С).

Використовуючи описану вище модель, проведено оцінки параметрів режимів ІЛО, які дозволяють реалізувати відповідні фізико-хімічні процеси в КМХН у твердій фазі для різних халькогенідних напівпровідникових сполук.

У другому розділі приведено результати експериментальних досліджень впливу ІЛО на процеси реструктуризації дефектно-домішкової системи в області просторового заряду (ОПЗ) контакту та особливості зміни механіз-мів струмопереносу в бар’єрних структурах метал–нелегований CdTe.

Експериментальні ВАХ бар’єрних структур Au–n-CdTe як до так і після ІЛО (рис.2) описуються діодною теорією провідності КМХН з урахуванням одночасного існування декількох механізмів струмопереносу [3*, 4*].

Аналіз ВАХ при генераційно-рекомбінаційному (ГРС) (з коефіцієнтом ідеальності , е – заряд електрона, k – постійна Больцмана) та надбар’єрному (n=1) механізмах проведено за формулою:

. (2)

Значення струмів відсічки для надбар’єрної Jst та генераційно-рекомбінаційної Jsg-r складових струму, які дають найкраще узгодження теоретичної моделі з експериментальними ВАХ при різних дозах (D) ІЛО, приведено в таблиці 1. При великих значеннях прямої напруги Uпр домінуючу роль у процесі перенесення струму відіграє термоелектронна емісія електронів у зону провідності, яка описується виразом:

. (3)

Величина потенціального бар’єра структури Au–n-CdTe , (де А* - постійна Річардсона), визначена з ділянок прямих ВАХ для над-бар’єрного струму, узгоджується з аналогічним значенням, розрахованим з високотемпературних ділянок лінійних залежностей ln(Jпр/Т2)=f(1/T)|U=const. З низько-температурних ділянок цих залежностей визначено енергії акти-вації Ea (табл.1) глибоких рівнів, що зумовлюють ГРС. Концентрацію іонізованих домішок в ОПЗ КМХН залежно від дози ІЛО визначали методом числового диференціювання ВФХ.

Рис.2. Зміна прямих ВАХ структур Aun-CdTe при різних дозах ІЛО.

Таблиця 1

Параметри ВАХ структур Au–n-CdTe | D,

кДж

см2 | n | Ea,

еВ | b,

еВ | Jst10-12,

А/см2 | Jsg-r10-9,

А/см2 | U,

В | Механізм перенесення струму | 0 | 1,44 | 0,83 | 1,03 | 2,0 | 4,0 | 0,290,43 | рекомбінація +термоемісія | 1,00 | - | 1,02 | 2,3 | - | 0,430,48 | термоемісія | 5,9 | 2,94 | 0,73 | - | - | 280 (*) | 0,100,37 | тунелювання

+рекомбінація | 2,00 | 0,79 | - | - | 25,5 | 0,370,43 | рекомбінація | 1,44 | 0,79 | 1,04 | 1,4 | 22,0 | 0,430,47 | рекомбінація

+термоемісія | 11,8 | 2,73 | 0,75 | - | - | 120 (*) | 0,190,35 | тунелювання

+рекомбінація | 1,23 | 0,81 | 0,99 | 7,0 | 12,8 | 0,350,41 | рекомбінація

+термоемісія | 1,00 | - | 0,98 | 10,5 | - | 0,410,47 | термоемісія | 17,7 | 2,00 | 0,78 | - | - | 34,8 | 0,200,40 | рекомбінація | 1,42 | 0,79 | 1,03 | 2,0 | 28,0 | 0,400,45 | рекомбінація

+термоемісія | 1,00 | - | 1,01 | 4,4 | - | 0,450,49 | термоемісія |

Порівняння експериментальних ВАХ з комп’ютерними розрахунками моделі Саа-Нойса-Шоклі для ГРС [5*] за параметрами табл.1 для неопромінених структур та при оптимальній дозі D=11,8 кДж/см2 (рис.3), показує задовільне їх узгодження на ділянках прямих зміщень, де ГРС є переважаючим.

Рис.3. Інтерпретація експериментальних ВАХ структури Au–n-CdTe до (а) і після (б) оптимального режиму ІЛО за допомогою моделі генерації-рекомбінації Саа-Нойса-Шоклі.

Встановлено, що температурна залежність коефіцієнта ідеальності n=f(T) (рис.4), визначеного числовим диференціюванням ВАХ на ділянках 0,35 ВU0,75 В КМХН Au–n-CdTe (рис.2), має екстремуми в області тих температур, де спостерігаються піки DLTS-спектрів, одержані авторами [6*] при дослідженні діодів Шотткі на кристалах CdTe з приблизно однаковими параметрами. Встановлені експериментальні величини енергій активації дали можливість пов’язати піки n=f(T) в околі Т160 К з міжвузловими атомами Cdi та вакансіями телуру VTe у гратці, при Т220230 К – з генеруванням дислокацій в CdTe, а вище кімнатних температур – з точковими вакансіями кадмію VCd у гратці або їх комплексами з домішками.

Рис.4. Температурні залежності коефіцієнтів n до і після оптимального режиму ІЛО при низьких (а) та високих (б) значеннях зовнішньої напруги, прикладеної до структури Au–n-CdTe.

Дослідження морфології поверхні та визначення фазового складу плівок контакту Au–n-CdTe і приконтактного шару напівпровідника дали можливість визначити природу глибоких рівнів та запропонувати фізичні механізми їх реструктуризації при дії ІЛО. Зокрема, при D=11,8 кДж/см2 (рис.5а) спостерігається взаємодія кластерів дефектів приповерхневого шару підкладки з матеріалом контакту, тоді як при D=17,7 кДж/см2 відмічено вихід окремих кластерів у плівку Au (рис.5б). В області відшарування плівки, зумовленого дією термопружних деформацій при ІЛО (рис.5в), відбувається впорядкування кластерів на поверхні кристалу. При D>23 кДж/см2 в приконтактному шарі CdTe утворюються аморфні ділянки (рис.5г, область А), а розміри кластерів збільшуються у 510 разів (рис.5г, область В). Діаметри геометрично впорядкованих кластерів (рис.5в) складають 13 мкм, відстань між ними – порядку 1015 мкм.

Рис.5. Динаміка зміни морфології поверхні плвки Au (а,б) та перехідного шару n-CdTe при збільшенні дози опромінення. Збільшення 800.

Доказом існування описаних вище процесів у твердій фазі є результати дослідження мікро-структури поверхні контакту в режимах рельєфного та фазового контрасту (рис.6). Формування виходів дислокацій трикутної форми під плівкою золота (рис.6а) структур Au–n-CdTe спостерігаєть-ся, коли металева плівка ще є суцільною і однорідною за фазовим складом (рис.6б). Характерно, що границі зерен Au (лінії А, рис.6а) при більших дозах ІЛО стають границями механічного руйнування металевого контакту.

Рис.6. Морфологія поверхні плівки золота в режимах рельєфного (а) та фазового (б) контрасту в КМН Au–n-CdTe після дії ІЛО.

Проведений аналіз кореляції змін ВАХ і ВФХ при ІЛО та визначені за допомогою зондового мікроаналізу особливості перерозподілу атомів Cd і Te в приповерхневих шарах CdTe дозволили запропонувати наступну модель дії ІЛО на контакт Au–нелегований n-CdTe. При ІЛО в ОПЗ n-CdTe генеруються додаткові точкові дефекти. Збільшення дози опромінення приводить до формування кластерів, які в подальшому геттерують вказані дефекти. При оптимальних режимах ІЛО концентрація глибоких рівнів, створених в ОПЗ, зменшується, але при цьому розміри кластерів збільшуються у 23 рази. Ці процеси спричиняють зменшення генераційно-рекомбінаційної складової струму і збільшують роль польових механізмів струмопереносу, зумовлених неоднорідністю перехідного шару у випрямляючих КМХН. У даних процесах значну роль відіграє дифузійне переміщення Те в полі дії пружних деформаційних сил, що створюються в КМХН за рахунок температурних градієнтів та різниці коефіцієнтів теплового розширення металу та підкладки.

У третьому розділі приведено результати аналізу модифікації фізико-хімічних властивостей та електрофізичних характеристик бар’єрних структур метал–легований CdTe (CdTe:As, CdTe:Cl) та метал–CdZnTe.

Дослідження структур In–p-CdTe:As, опромінених як з боку металевого контакту, так і з боку кристалу, показали аналогічність механізмів впливу ІЛО на бар’єрні властивості даних КМХН порівняно з Au–n-CdTe. Відмінністю структури In–p-CdTe:As від Au–n-CdTe є значно менший спектр енергій глибоких рівнів. Опромінення омічних контактів Au–p-CdTe:As (рис.7) практично не впливає на параметри бар’єрних структур, хоча спостерігається незначна зміна концентрації активних домішок у приконтактному шарі. Показано, що високоомні зразки більш чутливі до режимів ІЛО порівняно з низькоомними (р10161017 см-3).

Рис.7. Плівка омічного контакту Au на кристалі р-CdTe:As до ІЛО (а) та поверхня кристалу після видалення Au при різних дозах опромінення (б-г): 5,9; 11,8; 17,7кДж/см2, відповідно. Зображення в РЕМ-100У. Збільшення 800.

Збільшення дози ІЛО Au–p-CdTe:As від 5,9 до 17,7 кДж/см2 приводить до зростання розмірів виходів дислокацій і їх об’єднання у структури більшої площі при збереженні форми дислокацій характерної для площини (111) підкладки p-CdTe:As. Аналогічні коміркові утворення трикутної форми, розміри яких збільшувалися від центра контакту до периферії, спостерігаються під індієвими контактами.

Прямі ВАХ структур Pt–p-CdTe:Cl (рис.8) після ІЛО характеризуються наявністю двох квазілінійних ділянок з коефіцієнтами ідеальності n2,76, характерними для ГРС при малих зміщеннях (0,075 В<U0,2 В) і n1,06 (b=0,84 еВ) – для надбар’єрного струму в КМХН, близьких до класичних значень при 0,2 В<U0,4 В. Визначені з ВАХ енергії активації глибоких рівнів узгоджуються з даними [7*]: рівень Еt'=0,58 еВ пов'язаний з деформаційним потенціалом комплексу "вакансія–міжвузловий атом Te", Еt''=0,44 еВ – з вакансією Cd. Зміна енергії активації рівня від Ea'=0,58 еВ до Ea'''=0,43 еВ після ІЛО пояснюється реструктуризацією структурних дефектів за рахунок термопружних напруг у КМХН при ІЛО.

Рис.8. ВАХ бар’єрних структур Pt–p-CdTe:Cl та їх залежність lg(Rdif)=f(U) (вкладка): 1 – до ІЛО; 3 – після ІЛО оптимальною дозою 2,39 кДж/см2; 4 – при врахуванні опору бази. 2 – ВАХ бар’єрної структури Pt–n-CdTe з низькоомною підкладкою.

При оптимальних режимах ІЛО поряд з формуванням антиструктурних дефектів і розпадом CdCl2, ймовірно, відбувається процес заповнення власних вузлів телуром після їх звільнення від хлору. Оскільки вакансії телуру VTe є донорами, то процес впорядкування підгратки телуру супроводжується зменшенням концентрації активних центрів при D11ч12 кДж/см2. Така модель паралельного протікання процесів реструктуризації кількох типів структурних дефектів в ОПЗ КМХН при ІЛО узгоджується зі зменшеням числа глибоких рівнів в бар’єрних структурах після ІЛО, визначених з температурних залежностей ln(Jпр/Т2)=f(1/T).

Характерною особливістю морфології поверхні CdZnTe під плівкою Au є наявність збагачених телуром кулеподібних утворень, аналогічно як і в структурах Au–n-CdTe. Поверхневий розподіл хімічних елементів за фазовим складом вздовж заданого перерізу структури показує, що атоми Zn розподілені статистично рівномірно. В області кулеподібних утворень концентрація Те збільшується на 25%, тоді як вміст Cd зменшується приблизно вдвічі ( на 50%). На відміну від структур Au–n-CdTe в контактах Au–n-CdZnTe кореляція просторового розподілу хлору порівняно зі спектрами Cd значно зменшується.

Величина потенціального бар’єра контактів Au–n-CdZnTe при оптимальних режимах ІЛО складає b=0,92 еВ і досить добре корелює з аналогічним значенням b=0,93 еВ, розрахованим з C-V-вимірювань. Спектр фоточутливості опромінених кристалів CdZnTe зсувається в сторону більших довжин хвиль на 30ч50 нм і, при цьому, величина Eg зменшується від Eg=1,51 еВ до величини Eg=1,46 еВ, характерної для нелегованого CdTe.

На завершення розділу зроблено висновок, що в легованих кристалах CdTe:As, CdTe:Cl та твердих розчинах CdZnTe стабілізація гратки домішками позитивно впливає на процеси реструктуризації домішково-дефектних систем в CdTe при ІЛО і приводить до зменшення спектра енергій глибоких домішкових рівнів в ОПЗ КМХН та стабілізації їх ВАХ.

У четвертому розділі продемонстровано можливості корекції електрофізичних параметрів бар’єрних структур метал–(А3В6, А4В6)-напівпровідник за рахунок зміни фазового складу хімічних сполук, або зміни стехіометрії твердих розчинів у перехідному шарі КМХН при ІЛО.

Аналіз фазових спектрів у контрольних точках опромінених структур (рис.9, табл.2) підтверджує модель трансформації перехідного шару в КМХН Al–n-In4Se3 внаслідок дії термостимульованих механічних напруг при використовуваних дозах ІЛО. Установлено факт фазового перетворення сполуки In4Se3 у сполуки In2Se та InSe у твердому стані при ІЛО. Збагачення перехідного шару киснем (можливо в молекулярному стані) пояснюється латеральною дифузією О2 по границі розділу КМХН при механічній деформації двошарової структури.

Рис.9. Морфологія поверхні структури Al–n-In4Se3 опроміненої при I25 кВт/см2 (а) та перехідного шару (б), і контрольні точки в яких проведено фазовий аналіз.

Дослідження коефіцієнта пропускання кристалів підкладки, а також C-V-характеристик структури Au–n-In4Se3 після лазерного опромінення підтверджують, що крім основної фази In4Se3, для якої Eg=0,65еВ, у перехідному шарі контактів можливі значні включення фаз InSe з Eg=1,25еВ та In2Se з Eg=0,9еВ. Аналіз ВАХ показує, що в структурах Al(Au)–n-In4Se3 також основними є ГРС і надбар’єрний струми. Збільшення інтенсивності ІЛО до значень 20кВт/см2 приводить до поступової трансформації ВАХ від випрямляючих до омічних. Точкові прижимні контакти Au до неопроміненої області базового кристалу – є високоомними, в той час як до реструктурованої – інверсно випрямляючими, що узгоджується з результатами [8*].

Таблиця 2

Розподіл хімічних елементів у контрольних точках рис.9

Хім. елем. | Атомні % | Вагові % | Спектр | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 1 | 2 | C K | 7,18 | 6,20 | 7,18 | 4,33 | 4,30 | O K | 56,86 | 48,76 | 57,60 | 55,62 | 54,09 | 2,86 | Al K | 7,52 | 5,74 | 9,11 | 2,64 | 6,42 | 6,77 | Cl K | 0,75 | 0,62 | 0,82 | 0,63 | 0,66 | Se L | 10,92 | 15,56 | 9,97 | 31,02 | 13,23 | 13,52 | 37,99 | 32,54 | In L | 16,77 | 23,12 | 15,33 | 44,23 | 19,78 | 20,64 | 59,15 | 67,46 | N K | 22,11 | In:Se, ат.од. | 3:2 | 3:23:211:8 | 3:2 | 3:21:1 | 4:3 | Сполуки | 1:1

In2Se:

InSe | 1:1

In2Se:

InSe | 1:1

In2Se:

InSe | 2:1:1

In4Se3:

In2Se:

InSe | 1:1

In2Se:

InSe | 1:1

In2Se:

InSe | InSe | In4Se3 |

Критичні значення інтенсивності ІЛО при опроміненні структур Al(Au)–PbTe і Al(Au)–Pb1-xSnxTe, які приводять до руйнування КМХН, складають І0>2050 квт/см2. Характер міжфазної взаємодії плівки Al і підкладки Pb1-xSnxTe аналогічний до процесу твердофазної епітаксії в системах Al-Sі та Іn4Se3 при ізотермічному відпалі та ІЛО.

Приповерхневий шар підкладки Pb0,88Sn0,12Te товщиною близько 0,5 мкм є збагаченим Те (рис.10, табл.3). При ІЛО контактів Al(Au)–Pb1-xSnxTe в режимах близьких до оптимальних значно активізується дифузія Te і сторонніх домішок. У приконтактному шарі як алюмінію, так і золота спостерігаються точкові вкраплення (рис.10а), збагачені Те. При більших інтенсивностях ІЛО у перехідному шарі КМХН виділяється фаза, наближена за складом до чистого PbTe (рис.10б).

Рис.10. Морфологія поверхні Au (a) і перехідного шару структури Au–Pb0,88Sn0,12Te (б) після ІЛО.

Таблиця 3

Розподіл хімічних елементів у структурах Au–Pb0,88Sn0,12Te (рис.10)

Область

спектра | Хімічні елементи у вагових (атомних) %Твердий

розчин | C | O | Cl | Sn | Te | Au | Pb | До ІЛО | Підкладка

PbSnTe | 4,55 | 41,32 | 54,14 | Pb0,88Sn0,12Te, | Контакт

Au-PbSnTe | 2,81 | 1,64 | 2,29 | 2,07 | 19,38 | 48,64 | 23,18 | Pb0,87Sn0,13Te | Після ІЛО | Спектр 1 | 7,33 | 6,15 | 1,93 | 4,33 | 80,26 | Плівка Au | Спектр 2 | 8,31 | 6,02 | 2,77 | 3,13 | 79,77 | Плівка Au | Спектр 3 | 6,72 | 1,75 | 1,81 | 89,72 | Плівка Au | Спектр 1 | 3,94 | 1,89 | 3,64 | 37,35 | 4,43 | 48,75 | Pb0,88Sn0,12Te | Спектр 2 | 12,33 | 1,96 | 26,30 | 3,94 | 55,48 | Pb0,95Sn0,05Te | Спектр 3 | 3,49 | 4,49 | 40,92 | 51,10 | Pb0,87Sn0,13Te |

Процес реструктуризації перехідного шару проідентифіковано також за результатами C-V вимірювань зміни величини згину зон бар’єра (рис.11б). Після ІЛО структури Al(Au)–Pb1-xSnxTe, як і Al(Au)–n-In4Se3, можуть схематично бути представлені паралельно ввімкненими бар’єрними структурами, які мають різні значення електрофізичних параметрів і описуються різними механізмами переносу заряду.

Рис.11. ВАХ структур Al–р-Pb1-xSnxTe (а) та ФВХ – Al(Au)-PbTe (б).

Оскільки Аl в ґратці PbTe є донором, то при твердофазній лазерній епітаксії на границі розділу Al–p-PbTe можливе формування нанорозмірного шару інверсного типу провідності і, відповідно, Al–p--p-PbTe або Al–n-p-PbTe переходу. Важливо, що ІЛО при оптимальних режимах забезпечує стабілізацію системи структурно-домішкових дефектів в ОПЗ контакту, і відповідно, ВАХ бар’єрних структур Al(Au)–Pb1-xSnxTe і Al(Au)–PbTe (рис.11а).

Основні результати і висновки

Проведені комплексні дослідження впливу малопотужного ІЛО на трансформацію дефектної підсистеми та фазові перетворення на границі метал-халькогенідний напівпровідник дали змогу отримати наступні основні результати і зробити такі висновки:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

СПИСОК ЦИТОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1*. Gnatyuk V.A., Aokі T., Hatanaka Y and Vlasenko O.І. Metal-semiconductor interfaces in CdTe crystals and modification of their properties by laser pulses // Applіed Surface Scіence. – 2005. – Vol. 244. – Р.528-532.

2*. Дьюли У. Лазерная технология и анализ материалов: Пер. с англ. – М.: Мир, 1986. – 504 с.

3*. Родерик Э.Х. Контакты металл-полупроводник. - М.: Наука, 1982.– 210 c.

4*. Баранюк В. Е., Махний В.П. Механизмы прохождения тока в гетеропереходах теллурид-селенид цинка // ФТП. – 1997. – Т.31, № 9. – С.1074-1076.

5*. Косяченко Л.А., Маслянчук Е.Л., Склярчук В.М. Особенности переноса заряда в диодах Шоттки на основе полуизолирующего // ФТП. – 2005. – Т. 39, вып. 6. – С.754-761.

6*. Боброва Е.А., Клевков Ю.В., Медведев С.А., Плотников А.Ф. Исследование глубоких электронных состояний в текстурированных поликристаллах p-CdTe стехиометрического состава методом// ФТП. – 2002. – Т. 36, вып. 12. – С.1426-1431.

7*. Scholz K., Stiens H., Mьller-Vogt G. Investigations on effect of contacts on p-type CdTe DLTS-measurements // Journal of Crystal Growth. – 1999. – 197. – P.586-592.

8*. Товстюк К.Д., Пляцко Г.В., Орлецький В.Б., Кияк С.Г., Бобицький Я.В. Утворення p-n- i n-p-переходів у напівпровідниках випромінюванням лазера // УФЖ. – 1976. – Т.21, №11. – С.1918-1920.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Горлей П.М., Воробець Г.І., Воробець О.І., Ульяницький К.С., Хом’як В.В. Вплив імпульсного лазерного випромінювання на детектуючі властивості контактів Pt-p-CdTe:Cl з бар’єром Шотткі// Український фізичний журнал. – 2006. – Т. 51, №8. – С.795-799.

2. Vorobets G.I., Vorobets O.I., Strebejev V.N. Laser manipulation of clusters, structural defects and nanoaggregates in barrier structures on silicon and binary semiconductors// Applied Surface Science. – 2005. – 247. – P.590-601.

3. Vorobets G.I., Vorobets O.I., Fedorenko A.P., Shkavro A.G. Aging and degradation of aluminum-silicon structures with a Schottky barrier after a pulsed laser irradiation// Functional materials. – 2003. – Vol. 10, №3. – P.468-473.

4. Воробець Г.І., Воробець О.І., Добровольський Ю.Г. Спосіб виготовлення діода Шотткі на основі високоомного телуриду кадмію. Деклараційний патент на корисну модель (Україна), №17438.

5. Горлей П.М., Воробець Г.І., Воробець О.І., Воропаєва С.Л. Пристрій для автоматизації оптичних досліджень бар’єрних структур на основі напівпровідникових сполук А2В6, А3В5// Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Фізика. – 2004. – №6 – С.40-42.

6. Воробец А.И., Воробец Г.И, Мельничук С.В. Оптимизация аппаратно-программного обеспечения для автоматизации спектрофотометра СФ-20// Технология и конструирование в электронной аппаратуре. – 2006. – №2. – С.19-22.

7. Горлей П.М., Воробець Г.І., Воробець О.І. Шістнадцятирозрядний аналогово-цифровий перетворювач сигналів для шини ISA IBM PC// Науковий вісник Чернівецького університету: Зб. наук. пр.: Фізика. Електроніка. – 2002. – Вип.133. – С.109-112.

8. Gorley P.M., Vorobets G.I., Vorobets O.I., Voropaeva S.L. Automation of researches of optical performances of barrier structures on the basis of binary and threefold semiconductor linkings// Fourth International Young Scientists Conference “Problems of Optics and High Technology Material Science (SPO 2003)”. – Kyiv (Ukraine), 2003. – Р.88.

9. Vorobets G.I., Vorobets O.I., Fedorenko A.P. Aging and degradation of the metal-semiconductor structures after a pulse laser irradiation// Third International Young Scientists Conference “Problems of Optics and High Technology Material Science (SPO 2002)”. – Kyiv (Ukraine), 2002. – Р.156.

10. Horley P.M., Vorobets G.I., Vorobets O.I., Ulyanitskyi K.S., Homyak V.V. Influence of a pulse laser irradiation on the charge transfer mechanisms in Pt(Al,Au)-CdTe structures with a Schottky barrier // 12th International Conference on II-VI Compounds. – Warsaw (Poland), 2005. – Р.247.

11. Vorobets G.I., Vorobets O.I., Strebejev V.N. Laser manipulation of clusters, structural defects and nanoaggregates in barrier structures on silicon and binary semiconductors// Abstr. E-MRS 2004 Spring Meeting (Symposium N, N-IX.I) – Strasbourg (France), 2004.

12. Воробец Г.И., Воробец А.И., Мельничук Т.А., Стребежев В.Н. Влияние лазерной обработки на свойства барьерных структур на основе монокристаллов In4Se3// ІІ Українська наукова конференція з фізики напівпровідників (за участю зарубіжних науковців) (УНКФН-2). – Чернівці-Вижниця (Україна), 2004. – Т.2. – С.46-47.

13. Воробець Г.І., Воробець О.І., Микитюк В.І., Мельничук Т.А., Стрєбєжев В.М. Особливості міжфазної взаємодії при лазерному опроміненні систем метал-твердий розчин Pb1-xSnxTe, (In4Se3)1-xTe3x// ІІ Українська наукова конференція з фізики напівпровідників (за участю зарубіжних науковців) (УНКФН-2). – Чернівці-Вижниця (Україна), 2004. – Т.2. – С.49-50.

14. Хом’як В.В., Ілащук М.І., Ульяницький К.С., Орлецький І.Г., Воробець О.І. Механізми перенесення струму у поверхнево-бар’єрних структурах Pt/n-CdTe // ІІ Українська наукова конференція з фізики напівпровідників (за участю зарубіжних науковців) (УНКФН-2). – Чернівці-Вижниця (Україна), 2004. – Т.2. – С.176.

15. Vorobets G.I., Vorobets O.I., Melnychuk T.A., Strebejev V.N. Laser synthesis, nanostructuring and manipulation of phase composition of superficially-barrier systems and heterojunctions on the basis of monocrystals A2B5, A3B6// Abstr. E-MRS 2005 Spring Meeting (Symposium J, J/P1.12). – Strasbourg (France), 2005. – P.J-4/19.

16. Vorobets G.I., Vorobets O.I., Fedorenko A.P. Theoretical simulation of features of the heat and mass transfer in multilayer structures a metal – semiconductor at a pulse laser irradiation// Fifth International Young Scientists Conference “Problems of Optics and High Technology Material Science (SPO 2004)”. – Kyiv (Ukraine), 2004. – Р.162.

17. Vorobets G.I., Vorobets O.I., Fedorenko A.P., Tanasyuk Yu.V. Modeling of charge transfer mechanisms in Au-CdTe structures after pulse laser irradiation// Seventh International Young Scientists Conference “Optics and High Technology Material Science (SPO 2006)”. – Kyiv (Ukraine), 2006. – P.90.

18. Воробець О.І., Воробець Г.І., Мельничук Т.А., Стребежев В.М., Ульяницький К.С. Вплив лазерного опромінення на фізичні процеси на границі розділу і бар’єрні властивості структур плівка металу – CdZnTe, CdMnTe// Х Міжнародна конференція “Фізика і технологія тонких плівок (МКФТТП-Х)”. – Івано-Франківськ (Україна), 2005. – С.175-176.

19. Горлей П.Н., Воробец А.И., Воробец Г.И., Ульяницкий К.С. Коррекция параметров детектирующих контактов In–туннельно-тонкий диэлектрик–CdTeAu импульсным лазерным излучением// Труды седьмой Международной научно-практической конференции „Современные информационные и электронные технологии”. – Одесса (Украина), 2006. – Т.2. – С.145.

20. Vorobets G.I., Vorobets O.I., Strebegev V.N., Tanasyuk Yu. V. Laser gettering of structural - impurity defects in the metal - intrinsic CdTe contacts with a Schottky barrier// Abstr. E-MRS 2007 Spring Meeting (Symposium P, Р/Р3 22). – Strasbourg (France), 2007. – P.P-14.

21. Горлей П.М., Воробець О.І., Воробець Г.І., Стребежев В.М., Обедзинський Ю.К. Структурні зміни в оксидних та металевих плівках на поверхні монокристалів CdTe, зумовлені дією лазерного