ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені Юрія Федьковича

ДЕМИЧ

МИКОЛА ВАСИЛЬОВИЧ

УДК 621.382.2

ЕЛЕКТРИЧНІ ТА ФОТОЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ДІОДНИХ СТРУКТУР НА БАЗІ МОНОКРИСТАЛІЧНОГО ТЕЛУРИДУ КАДМІЮ

(01.04.10- фізика напівпровідників і діелектриків)

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Чернівці - 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі фізичної електроніки Чернівецького державного університету імені Юрія Федьковича.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Махній Віктор Петрович, Чернівецький державний університет, професор кафедри оптоелектроніки

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Ковалюк Захар Дмитрович, Чернівецьке відділення Інституту проблем матеріалознавства НАН України, директор

доктор фізико-математичних наук, професор Корбутяк Дмитро Васильович, Інститут фізики напівпровідників НАН України, завідувач відділом

Провідна організація: Львівський національний університет імені Івана Франка (м. Львів)

Захист відбудеться " 25 " жовтня 2000 р. о 15 год на засіданні спеціалізованої вченої ради Д76.051.01 при Чернівецькому державному університеті імені Юрія Федьковича за адресою: 58012, м. Чернівці, вул. Коцюбинського, 2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Чернівецького державного університету імені Юрія Федьковича (вул. Л. Українки, 23).

Автореферат розісланий 22 вересня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради М.В. Курганецький

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Телурид кадмію є одним з найбільш перспективних матеріалів для створення різноманітних приладів напівпровідникової електроніки, що спричинено низкою його фізико-хімічних та технічних параметрів. Відносно широка заборонена зона (Eg=1,5 еВ при 300 К) забезпечує роботу приладів в області високих температур і, крім того, є оптимальною для перетворення сонячної енергії в електричну [1]. Великі густина та атомний номер у поєднанні з високою радіаційною стійкістю сприяють ефективній та стабільній роботі виготовлених на базі CdTe детекторів у широкому діапазоні енергій іонізуючих випромінювань різних типів [2].

Разом з тим, основна увага дослідників та розроблювачів напівпровідникових приладів на основі телуриду кадмію зосереджена на резистивних детекторах [3]. У цьому напрямку уже досягнуті певні успіхи, особливо, на високоомних кристалах Cd1-хZnxTe з малим вмістом цинку [4]. Останній, виступаючи в ролі ізовалентної домішки і практично не змінюючи ширину забороненої зони CdTe, приводить до значного підвищення деяких параметрів матеріалу - радіаційної та температурної стійкості, часу життя та рухливості носіїв заряду тощо. Відмітимо, що використання бар’єрних структур для детектування є у ряді випадків більш доцільним, оскільки вони мають цілу низку переваг перед резистивними: зменшення темнових струмів і, в результаті цього, покращення відношення сигнал/шум; використання підкладинок довільної за величиною провідності, а не обов’язково високоомних; підвищення швидкодії за рахунок наявності бар’єрного поля; можливість експлуатації без зовнішнього джерела напруги тощо [5]. Однак, на сьогоднішній день, створенню таких структур і дослідженню їх властивостей присвячено недостатня кількість робіт через певні об’єктивні причини. Головними з них є відсутність досконалих технологічних методів виготовлення діодів, а також різноманітність електричних і фотоелектричних властивостей випрямляючих структур, створених навіть за однаковою технологією. Крім того вивчення та інтерпретація фотоелектричних та дозиметричних характеристик здебільшого стосуються тільки конкретних типів приладів, мають фрагментарний характер і часом суперечать одне одному. Зауважимо також, що роботи з технології та фізики сонячних елементів зосереджені на плівкових структурах, головним чином на гетеропереходах сульфід-телурид кадмію [6]. Значно менша увага приділяється кристальним фотоперетворювачам, а перспективні з цієї точки зору гетеропереходи телурид кадмію-цинку зовсім не вивчені. Таким чином, створення діодних структур різного типу на базі кристалів телуриду кадмію з широким спектром зміни параметрів та дослідження їх електричних і фотоелектричних властивостей є актуальною науково-технічною задачею.

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

Робота є складовою частиною науково-дослідних робіт "Дослідження фізичних процесів в бар’єрних детекторах оптичного та іонізуючого випромінювання на основі широкозонних II-VI сполук" та "Дослідження процесів переносу заряду та оптичних явищ в бар'єрних структурах на основі напівпровідникових сполук", які виконувались на кафедрі оптоелектроніки ЧДУ в рамках Координаційного плану НДР Міносвіти України на 1997-1999 рр. "Фізика конденсованого стану, включаючи метали, напівпровідники, діелектрики та рідини"; "Дослідження процесів росту кристалів, структури дефектів і електронних явищ в складних напівпровідниках на основі II-VI і IV-VI сполуках" та "Складні напівпровідникові діоди" які виконувались на кафедрі фізичної електроніки ЧДУ в рамках Координаційного плану НДР Міносвіти України на 1997-2000 рр. та договору 2М/232-99 про міжнародне українсько-угорське співробітництво.

Метою роботи є виготовлення діодних структур різного типу на базі монокристалічних підкладинок CdTe і Cd1-хZnхTe , дослідження їх основних електрофізичних і фотоелектричних властивостей та вивчення можливостей практичного використання.

Досягнення мети передбачає вирішення таких задач:

1. Вибір оптимальних методів створення діодних структур різного типу на основі монокристалів CdTe та Cd1-хZnхTe.

2. Проведення комплексних досліджень електричних і фотоелектричних характеристик діодних структур у залежності від технології їх виготовлення та параметрів базового матеріалу.

3. Визначення можливих областей практичного використання досліджуваних діодів.

Наукова новизна результатів, отриманих в дисертаційній роботі, полягає в тому, що в ній вперше:

1. Обгрунтовано технологічні методи та режими виготовлення структур різного типу (поверхнево-бар’єрні діоди, р-n-гомо- та гетеропереходи) у залежності від параметрів базового матеріалу (хімічний склад, тип та величина провідності).

2. Встановлено роль процесів надбар’єрної емісії, генерації-рекомбінації, захоплення глибокими центрами, тунелювання та ударної іонізації у формуванні темнових і світлових характеристик об’єктів досліджень.

3. Показано, що домінуючу роль у процесах лавинного помноження носіїв заряду у телуриді кадмію відіграють дірки. Експериментально визначена величина відношення коефіцієнтів ударної іонізації електронів і дірок.

4. Виявлено та пояснено ефект підвищення короткохвильової чутливості р-n-гомопереходів на основі високоомних кристалів Cd1-хZnхTe<Cl> з ростом прикладеної оберненої напруги.

5. Встановлено зв’язок між спостережуваними електричними і фотоелектричними властивостями та основними параметрами базових матеріалів і діодних структур.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Запропоновано метод модифікації поверхні підкладинки для підвищення низки фізичних та технічних параметрів поверхнево-бар’єрних діодів типу Au-nCdTe.

2. Встановлено технологічні умови (тип випрямляючого контакту та метод його створення, інгредієнти, температура та час обробки поверхні підкладинки) виготовлення випрямляючих структур у залежності від типу та величини провідності базових матеріалів.

3. Створено лабораторні зразки високоефективних сонячних елементів, фотодетекторів з внутрішнім підсиленням, а також фотодіодів з керованою чутливістю в області енергій фотонів більших за ширину забороненої зони базової підкладинки.

Публікації і особистий внесок дисертанта.

За результатами дисертації опубліковано 16 робіт: 6 статей в наукових вітчизняних та зарубіжних журналах, 10 тез конференцій. Перелік публікацій приведено в кінці автореферату. В усіх наукових роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачу належить розробка технології та виготовлення експериментальних зразків. Крім того, дисертант проводив експериментальні дослідження діодних структур на основі CdTe, Cd1-хZnхTe [1*-9*, 11*-15*], здійснював відповідні аналітичні розрахунки [1*-6*, 9*,11*], приймав участь в обговоренні одержаних результатів та написанні статей.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати досліджень викладені в дисертаційній роботі, доповідались і обговорювались на конференціях:

·

· XXVII Internatiolal school of physics of semiconducting compounds. Jaszowiec, Poland, 1998.

· E-MRS'98 Spring Meeting. Growth, Characterisation and Applications of Bulk II-VIs. Strasburg, France, 1998.

· Third International School-conference on Physical Problems in Material Science of Semiconductors. (Chernivtsi 1999);

· Международная конференция, посвященная методам рентгенографической диагностики несовершенств в кристаллах, применяемых в науке и технике. (Черновцы 1999).

· European Conference on Photovoltaics. Cracov, Poland, 1999.

· 5th International Workshop on Expert Evaluation & Control of compound Semiconductor Materials & Technologies. Heraklion, Crete, Greece, 2000.

Структура і об’єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків та списку використаних джерел із 121 найменувань. Робота викладена на 126 сторінках, включає 71 рисунок і 12 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність вибраної теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та основні задачі досліджень, наукова новизна та практична цінність результатів, а також відомості про апробацію та особистий внесок здобувача.

Перший розділ має оглядовий характер і присвячений аналізу основних результатів досліджень електричних та фотоелектричних властивостей діодних структур на основі телуриду кадмію. Розглянуто технологічні методи створення поверхнево-бар’єрних діодів (ПБД), а також структур з р-n-гомо- і гетеропереходами. Наведено основні фізико-хімічні параметри телуридів кадмію і цинку, а також тонких напівпрозорих металевих та оксидних плівок, які використовуються як випрямляючі контакти. Аналізуються місце телуриду кадмію серед інших детекторних матеріалів і причини обмеженої кількості робіт з технології та фізики бар’єрних CdTe-детекторів різного типу випромінювань. Розділ завершується короткими висновками.

У другому розділі описано основні технологічні режими створення декількох типів діодних структур - поверхнево-бар’єрних діодів, р-n-гомо- та гетеропереходів. Окрема увага приділяється підготовці напівпровідникових підкладинок, нанесенню напівпрозорих випрямляючих контактів та омічних контактів до розглядуваних типів діодів. Особливістю даної роботи є використання базових кристалів з широким діапазоном зміни питомого опору та складу легуючих домішок, табл. 1.

Табл.1. Основні параметри базових підкладинок при 300 К

Матеріал легуюча домішка тип провідності питомий опір, ОмЧсм

CdTe нелегов. n 100-106

нелегов. p 108

In n 1-5

Li p 1-10

Cl p 106-108

ZnTe нелегов. p 102-103

As p 1-100

Cd1-xZnxTe Cl p 106-108

нелегов. n 40-60

Всі кристали отримувались методом Бріджмена, а керування провідністю здійснювалось за рахунок надлишку власного компонента, або введенням відповідної домішки. Деякі зразки легувались In або Li шляхом відпалу високоомних підкладинок товщиною ~1 мм у закритому об’ємі. Зауважимо, що концентрація Zn у кристалах Cd1-xZnxTe не перевищувала 0,05 мольн.проц. і не приводила до зміни ширини забороненої зони порівняно з CdTe. Разом з тим, цинк виступає в ролі ізовалентної домішки, яка забезпечує появу низки позитивних ефектів, притаманних таким домішкам [2].

У цьому розділі також описані необхідні методики досліджень, які використовувалися для вимірювань характеристик структур та визначення їх основних параметрів. Аналіз вольтфарадних характеристик свідчить, що діоди можуть бути розділені на два типи - з параболічним ходом потенціалу та р-і-n-структурою. Приведено вирази для розрахунку висоти j0 та ширини d0 бар’єру. Особлива увага приділена дослідженню впливу параметрів підкладинки (тип та величина провідності), матеріалу випрямляючого контакту (Au та ІТО) і препаративних умов виготовлення на електричні та фотоелектричні параметри ПБД. Встановлено оптимальні технологічні режими створення поверхнево-бар’єрних структур з точки зору їх використання як сонячних елементів.

Третій розділ присвячено дослідженню електричних та фотоелектричних властивостей поверхнево-бар’єрних діодів. Показано, що контакти Au-nCdTe з модифікованою поверхнею мають значно вищий бар’єр ніж контрольні (без модифікації). Більший температурний коефіцієнт зміни j0 ПБД порівняно з Eg матеріалу пояснюється впливом поверхневих рівнів. Кожен з механізмів формування залежностей темнового І та світлового Ip струмів від напруги V та температури Т для ПБД (як і для решти діодів) обговорено окремо. Така можливість обумовлена правильним вибором умов досліду (V, T, спектральний склад випромінювання та його інтенсивність тощо) та використанням адекватних фізичних моделей.

Для діодів на широкозонних напівпровідниках надбар’єрний струм Id суттєвий тільки при V, які близькі до j0/е, однак, істинна залежність І(V) спотворюється за рахунок послідовного опору Rn. У цьому випадку вольтамперну характеристику (ВАХ) зручно представити у вигляді [7]

(1)

Експериментальні ВАХ всіх ПБД добре описуються виразом (1) при великих прямих струмах, рис. 1. Згідно теорії [7] струм відсічки Is визначає висоту бар’єра при 0 К, оскільки . Дослідні залежності Is(Т) підкоряються експоненційному закону, а j0 узгоджується з величиною цього параметра, визначеною з вольтфарадних характеристик. Відхилення експериментальних точок від прямої при малих І (рис. 1) зумовлено порушенням ідеальності інжектуючих переходів, яке викликано захопленням носіїв заряду глибокими пастками. При цьому ВАХ описується степеневим законом виду

I~V m, (2)