ВПЛИВ ТЕХНОЛОГіЧНИХ УМОВ ОТРИМАННЯ КРИСТАЛіВ СDTE:V НА їХ РіВНОВАЖНі ХАРАКТЕРИСТИКИ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

-□ □-

Дослиджено рiвноважнi характеристики монокристалiчного CdTe:V, виро-щеного методом Бриджмена, при двох концентрациях домшки у розплавi (5'1018 i 1'1019)см-3 та рiзних режимах охолод-ження злиттв. Весь вирощений матерiал був напiвiзолюючий п-типу провiдностi (рзмк=2'109-1.1010)0м^см. Установлена залежтсть властивостей кристалiв (величина холлiвськоi рухливостi носив, термостабшьтсть) вид швидкостi охо-лодження матерiалу тсля вирощування

Ключовi слова: CdTe, домшка, ком-пенсащя, дефект, термостабшьтсть, стехiометрiя,електропровiднiсть, рiвно -

вага, рухлив^ть, напiвiзолюючий

□-□

Исследовано равновесные характеристики монокристаллического CdTe:V, выращенного методом Бриджмена, при двух концентрациях примеси в расплаве (5'1018 и 1'1019)см'3 и различных режимах охлаждения слитков. Весь выращенный материал был полуизолирующим п-типа проводимости (р^00К=2.109-1.1010)0м^см. Установлена зависимость свойств кристаллов (величина холловской подвижности носителей, термостабильность) от скорости охлаждения материала после выращивания

Ключевые слова: CdTe, примесь, компенсация, дефект, термостабильность, стехиометрия, электропроводимость, равновесие, подвижность, полуизолирующий

-□ □-

УДК 621.315.592

|DOI: 10.15587/1729-4061.2014.33649|

ВПЛИВ ТЕХНОЛОГ1ЧНИХ УМОВ ОТРИМАННЯ КРИСТАЛ1В CDTE:V НА IX Р1ВНОВАЖН1 ХАРАКТЕРИСТИКИ

О. А. Па рфе нюк

Доктор фiзико-математичних наук, професор* E-mail: [email protected] А. О. Ку р и к Молодший науковий ствроб^ник Вщдт натвпровщникових детекторiв юызуючого випромшювання 1нститут фiзики натвпровщнимв ím. В. £. Лашкарьова НАН УкраТни Проспект Науки, 41, м. КиТв, УкраТна, 03028 E-mail: [email protected] М . I. I л а щ у к Кандидат фiзико-математичних наук, асистент* E-mail: [email protected] Н. М. Гавалешко Кандидат фiзико-математичних наук, доцент* E-mail: [email protected] С. М. Чупира Кандидат фiзико-математичних наук, доцент* E-mail: [email protected] *Кафедра електронки i енергетики Чершвецький нацiональний унiверситет ím. Ю. Федьковича вул. Коцюбинського, 2, м. Чершвф, УкраТна, 58012

1. Вступ

Монокристалiчний CdTe з майже власною кон-центрацieю вiльних носив вважаеться дуже перспек-тивним для створення детекторiв i спектрометрiв iонiзуючих випромшювань та використання у теле-комушкацшних системах. Це пояснюеться тим, що даний напiвпровiдник володiе цiлим спектром щнних для практичного використання властивостей, у тому чи^ i високою чутливiстю до ди iонiзуючих випромь нювань та одним з найб^ьших серед натвпровщни-кових матерiалiв значенням електрооптичного коефь цiента [1].

Сенсори, виготовлеш на основi телуриду кадмт, мають досить високу ефективнiсть реестраци в широкому дiапазонi температур (4,2-300 К). Для досяг-нення високих транспортних характеристик нерiв-новажних носив заряду, що визначаються добутком рухливосп на час життя носив, в останш роки проведено багато пошукових дослiджень по оптимiзащi технологii вирощування напiвiзолюючих кристалiв,

включаючи пошук легуючих домiшок та ix наступну термообробку.

Дана робота присвячена вивченню дослiдженню компенсуючоi ди атомiв V у телуридi кадмiю у залеж-ностi вiд умов вирощування кристалiв.

2. Аналiз лiтературних даних i постановка проблеми

Хоча CdTe уперше був вирощений бiльше 100 ро-kíb тому, розроблення технологи отримання великих за розмiрами монокристалiв 3Í стабiльними в 4aci параметрами i практично власною провщшстю все ще залишаеться актуальним завданням. Це пояснюеться такими особливостями дано1 сполуки, як значна концентращя стехюметричних дефектiв (у першу чергу VCd ) та схильшсть до самокомпенсаци. Через те вирощений з розплаву CdTe е, як правило, низькоом-ним матерiалом дiркового типу провщност з невисо-кою термостабiльнiстю.

©

Найчастше високоомний телурид кадмж отри-мують, легуючи вихiдний матерiал домiшками, яю утворюють мiлкi донорнi piBHi (елементи III I VII груп) i компенсують власнi дефекти акцепторного типу [2, 3]. Основним недолжом отриманих таким чином крис-талiв е те, що пiдвищення загального рiвня легуючих атомiв приводить до пониження часу життя вшьних носив, зменшення ix рухливостi i часто не забезпечуе необхщну термостабiльнiсть. Крiм того, вирощування телуриду кадмiю з використанням такого легування е досить складним у технолопчному вщношенш, бо ви-магае витримування у процесi кристалiзацii жорстких температурних режимiв для спiввимiрностi концен-трацiй донорних i акцепторних дефекив, якi забезпе-чують компенсащю.

Бiльш простiшим е отримання напiвiзолюючого CdTe при введеннi домiшок, яю утворюють рiвнi, роз-мiщенi в обласп середини забороненоi зони (Ge, Sn, Pb, V, Ti, Ni) [4]. Утвореш при такому легуванш глибокi рiвнi "тншгують" в околi свого розмiщення рiвноваж-ний рiвень Фермi, забезпечуючи цим напiвiзолюю-чий стан [5]. Технолопчш умови вирощування таких кристалiв е не такими строгими, як при використанш елеменпв III i VII груп.

З перерахованих легуючих елеменпв найменше до-слiджена компенсуюча дiя домiшок атомiв групи залiза. Оскiльки вони володтть власним магнiтним моментом, властивост кристалiв CdTе, легованих елементами перехщно' групи, вивчалися в основному оптичними, магштними та магнiтооптичними методами.

3. Мета i задачi дослiджень

Метою даноi роботи е вивчення впливу техноло-гiчниx факторiв (концентрацiя введеноi домiшки, тем-пературнi режими охолодження) на електрофiзичнi параметри та термостаб^ьшсть кристалiв CdTe:V

Вiдомо, що для CdTe, вирощеного з рiдкоi фази, е властивими значш концентрацп власних дефекпв акцепторного типу (VCd i асоцiати на ix основi), якi визначають рiвноважнi параметри нелегованого ма-терiалу i компенсацiя яких приводить до отримання високоомних кристалiв. Тому важливо знати змшу питомого опору матерiалу при рiзниx кiлькостяx VCd i легуючоi донорно'' домiшки. Для цього будемо дослщ-жувати зразки, виготовлеш з рiзниx дiлянок моно-кристалiчниx зливкiв, вирощених методом Брщжмена, оскiльки концентрацii власних дефектiв i легуючих домiшок змiнюються по довжиш кристала через явище сегрегацп.

4. Методика вирощування кристаив CdTe:V для дослщжень та проведення електрофiзичних вимiрювань

Зразки для дослiджень виготовляли з рiзниx дшя-нок двох кристалiчниx зливкiв, вирощених вертикаль-ним методом Брщжмена з синтезованого матерiалу стехюметричного складу у ампулах з великим вшь-ним об'емом. Вiдмiнностi при отриманш зливкiв по-лягали у тому, що у одному з них (А) концентращя домшки V у розплавi (Cvo) дорiвнювала 1х1019см-3 i

швидкiсть охолодження (v) тсля вирощування була 200 град/год, а у другому (Д), ввдповщно, Су°=5х1018см-3 та v=50 град/год.

З кожного зi зливкiв були виготовлено 3 зразки з нижньо' (Н), середньо' (С) та верхньо' (В) частин. Коефвдент Холла RH i електропровщтсть о вимiрю-вали на постшному струмi у температурному iнтервалi 295-430 К. Глибину залягання робочих рiвнiв визна-чали за стандартними формулами [6] по нахилу залеж-ностей lgRH=f(10/T ) i lgo=f(10/T )

З метою встановлення термостабiльностi криста-лiв, всi вимiрювання проводили як у напрямку тд-вищення температури, так i у напрямку ii наступного пониження.

5. Результата дослщжень та i'x обговорення

Параметри зразюв, виготовленi зi зливкiв А i В, наведенi, вiдповiдно, у табл. 1, 2. Видно, що обидва ви-рощеш зливки характеризуются малими значеннями рiвноважних концентрацiй i е досить однорiдними по довжиш. Холлiвська рухливiсть електронiв змен-шуеться у напрямку до верхньо! частини кристалiв.

Зливок А. Питомий отр всiх зразкiв, незалежно вiд того, з яко1 частини зливка вони отримаш, переви-щував 109 Ом-см. Встановлено, що зразки з початку та середини кристалу володши монополярною електрон-ною провiднiстю. Концентрацiя електрошв, визначена з холлiвських вимiрювань, була в межах п=(4^7)х х106 см-3, що практично вщповщае власнiй провщност!

При вимiрюваннi залежностей Rн=f(T) i p=f(T) на зразках Н, С i В встановлено, що при тдвищенш тем-ператури спостерiгаються два нахили (рис. 1), причо-му вищим температурам вiдповiдае бiльше значення тангенса кута (розраховаш значення енергш активацii процесiв наведено у табл. 1). При наступному понижен-ш температури низькотемпературна дiльниця зникае.

Таблиця 1

Параметри зразюв CdTe:V (A) при 300K

Тип провщ-ностi Пит. опiр Р^10-9, Ом^см Коеф. Холла RH, см3/Кл Концент. електрошв n, см-3 Холл. рухлив. Мн, см2/В^с Глибина залягання рiвня АЕ, еВ

Зразок Н

n 2.19 1,44012 4,5406 585 0.87

Зразок С

n 2.34 9,040й 6,9406 539 0,78

Зразок В

¡нверая 1,69 0,77

1снують двi причини пояснення двох напрямюв на залежностях Rн=f(T) i p=f(T):

1) перебування зразюв у нерiвноважному станi тсля iх розмiщення у вимiрнiй установцi, спричиненому iх попереднiм освггленням;

2) змiна при нагрiваннi зарядового стану швидко-дифундуючих фонових домшок (у першу чергу мiдi), що приводить до генерування додаткових донорних де-фекпв i, вiдповiдно, змши умов компенсацii матерiалу.

Так пояснюють появи двох нахилiв на температурних залежностях коефвдента Холла i електропроввд-ностi, якi е типовим для CdTe:Cl [7].

Таблиця 2

Параметри зразюв CdTe:V (Д) при 300К

Тип провщ-носп Пит. ошр р10-9, Ом-см Коеф. Холла RH, см3/Кл Концент. електро-тв п, см-3 Холл. рухлив. Цн, см2/В-с Глибина заляган-ня р1вня ДЕ, еВ

Зразок Н

п 10.9 3,3-1012 1.9-106 285 0.83

Зразок С

п 9.66 1,1-Ю11 5.9106 137 0,79

Зразок В

п 5.49 6,4-Ю11 9,7106 127 0,87

Оскiльки у дослщжуваних зразках CdTe:V темпе-ратури, при яких спостерПаеться змiна нахилiв експе-риментальних залежностей, приблизно на 30 °С нижчi, нiж для зразюв CdTe:Cl, ми вважаемо обгрунтованим перше пояснення.

Рухливють носiiв у температурному iнтервалi до-слiджень зменшувалась з ростом температури за законом це=Та (де а=-(0,13+0,15)) (рис. 2).

Рис. 1. Типова температурна залежшсть коефiцieнта Холла для зразюв, виготовлених зi зливка А (отримана на зразку Н)

Нижчi значення рухливос^ порiвняно зi значен-нями ц при розсiяннi лише на теплових коливаннях гратки (ц300К » 1000 см2/В-с) i ii слабка температурна залежшсть свiдчать про одночасну участь кшькох механiзмiв розсiювання. Вщомо [8], що у напiвiзолю-ючих кристалах одним з визначальних е розаювання на об'емних заряджених неоднорщностях, якi модулю-ють краi вщповщних зон i спричиняють бар'ери для протжання струму.

На вiдмiну вщ нижньоi i середньоi частин кристала, провщшсть у яких була монополярною - електрон-ною, провiднiсть зразка В носила змтаний характер у всьому температурному iнтервалi вимiрювань. Це шд-тверджувалося малими значеннями холлiвськоi напру-ги i тим, що п знак був рiзним для двох пар холлiвських контактiв. Така "розтягнута" область iнверсii е власти-вою для кристалiв напiвiзолюючого CdTe:V i може бути пояснена близькими значеннями перерiзiв захоплення електронiв i дiрок глибокими центрами, якi виникають при легуваннi CdTe домiшкою ванадда. Вона не спо-стерiгаеться, наприклад, у кристалах CdTe:Ge [9].

Рис. 2. Типова температурна залежшсть холлiвськоT рухливост для зразкiв, виготовлених зi зливка А (отримана на зразку Н)

Зливок Д. У зразках, виготовлених зi зливка Д, у процес вимiрного циклу вiдбувалися незворотш змiни у напрямку зменшення RH (максимальнi значення - до 2 разiв) i цН, при чому рухливють набувала активацiйного характеру (рис. 3, 4).

Наведет на рис. 3, 4 залежносл lgRH=f(103/T) для власно'Т провiдностi та ^ для електронiв у

CdTe при розсiюваннi на теплових фононах розрахова-на на основi [10].

Рис. 3. Типова температурна залежшсть коефiцieнта Холла зразюв, виготовлених зi зливка Д (отримана на зразку Н).

Штрихова лiнiя - теоретична залежшсть RH для випадку власноТ провiдностi

З наведених графiчних залежностей випливае наступне. Як видно з табл. 2, вщношення рН/рВ~2, а RH/RB»5, де: рн, рв, RH, RB - питомi опори та коефь цiенти Холла зразкiв Н i В, вiдповiдно. Оскiльки цН у дослiджуваних кристалах незначно змшюеться з температурою, то у випадку монополярно'Т (електронно'Т) провiдностi вщношення рН/рВ i RH/RB мали би бути приблизно однаковими, що не спостер^аеться. Це дае основу стверджувати, що провщшсть зразюв, виготовлених iз злитка Д, носить змтаний характер у всьому температурному iнтервалi вимiрювань. Про бiполярний характер провщносп у легованому ванадiем телуридi кадмда повiдомили у [11]. Зростання питомо'Т провiд-

носл у другш фазi вимiрного циклу (охолодження) може бути спричинене додатковою генеращею дiрок.

Рис. 4. Типова температурна залежшсть коефiцieнта Холла зразюв, виготовлених зi зливка Д (отримана на зразку Н).

Штрихова л^я - теоретична залежнiсть при розаюванш на теплових коливаннях гратки

На в«х трьох зразках |ан пiсля досягнення максимально! температури при наступному охолодженш зменшуеться. Залежшсть типу |!н~Та, де а>1, е характерною для переважаючого розствання на юшзова-них домiшках, або при кнуванш у кристалi велико-масштабних заряджених включень, якi модулюють кра! дозволених зон енергiй, створюючи цим барери для протiкання струму [8].

Обидва щ пояснення не можуть бути застосоваш для пояснення отриманих нами результалв з наступ-них причин.

1. Для того, щоб юшзоваш домiшки помiтно змь нювали величину рухливост при Т>300 К, !х концен-трацiя мае бути >1018 см-3. Додаткове утворення таких значних концентрацш iонiзованих точкових дефектiв

при на^ванш в температурному iнтервалi Т<430 К малоймовiрне.

2. При вимiрюваннi ВАХ зразкiв, у яких е велико-масштабний потенцiальний рельеф, повинш спостерь гатися вiдхилення вщ лiнiйностi при малих напру-женостях електричного поля. На зразках iз зливка Д нелшшностей ВАХ не спостер^алось.

Отже, провiднiсть матерiалу зливка Д носить бь полярний характер. Процеси, ям протiкають при на-грiваннi зразкiв CdTe:V пiд час вимiрювань, у резуль-татi яких додатково генеруються дiрки, вимагають додаткового вивчення.

6. Висновки

Домика V проявляе у CdTe компенсуючу та ста-бШзуючу дiю.

Весь вирощений матерiал був напiвiзолюючий, п-типу провiдностi (р300К @2-109-1-1010) Ом^см, до-статньо однорiдний по довжиш злиткiв, причому холлiвська рухлив^ть електронiв зменшувалася у напрямку до верхньо! частини кристала. Електричнi параметри зразшв, якi швидше охолоджувалися шсля вирощування, не змiнювалися пiсля проведення ви-мiрного циклу. Нагрiвання повыьшше охолоджених кристалiв супроводжувалося незворотними змшами у напрямку збiльшення концентрацп выьних носив та зменшення рухливостi. Причиною спостережува-них змiн може бути додаткове генерування дефеклв акцепторного типу при нагрiваннi, яке впливае на умови компенсацп.

У напiвiзолюючих кристалах CdTe:V не виявлено iснування прямого зв'язку мiж концентрацiею легую-чо! домiшки у розплавi та рiвноважними параметрами зразкiв.

При аналiзi названих процеив у вирощених зразках необхщно враховувати вплив на них всього спектру власних i домiшкових дефектiв, концентрацiя яких суттево залежить в^ технологiчних особливостей от-римання кристалiв.

Лiтература

1. Marfaing, Y. State of the art and prospects of photorefractive CdTe [Text] / Y. Marfaing // Journal of Crystal Growth. - 1999. -Vol. 197, Issue 3. - P. 707-717. doi: 10.1016/s0022-0248(98)00767-2

2. Höschl, P. Preparation of cadmium telluride single crystals for nuclear detectors [Text] / P. Höschl, P. Polivka, V. Prosser, S. Sakalas A. // Czechoslovak Journal of Physics. - 1975. - Vol. B25, Issue 5. - P. 585-596. doi: 10.1007/bf01589432

3. Koushik, B. What causes high resistivity in CdTe [Text] / B. Koushik, M.-H. Du // New Journal of Physics. - 2012. - Vol. 14, Issue 6. - P. 063020. doi: 10.1088/1367-2630/14/6/063020

4. Moravec, P. Deep levels in semi-insulating CdTe [Text] / P. Moravec, M. Hage-Ali, L. Chibani, P. Siffert // Materials Science and Engineering: B. - 1993. - Vol. B16, Issue 1-3. - P. 223-227. doi: 10.1016/0921-5107(93)90049-s

5. Fiederle, M. Modified compensation model of CdTe [Text] / M. Fiederle, C. Eiche, M. Salk, R. Schwarz, K.W. Benc, W. Stadler, D. M. Hofmann, B. K. Meyer // Journal of Applied Physics. - 1998. - Vol. 84, Issue 12. - P. 6689-6692. doi: 10.1063/1.368874

6. Киреев, П. С. Физика полупроводников [Текст] / П. С. Киреев. - М.: Высшая школа, 1968. - 590 с.

7. Savitsky, A. V. Relaxation processes in CdTe(Cl) crystals [Text] / A. V. Savitsky, O. A. Parfenyuk, M. I. Ilashchuk, P. M. Fochouk, N. D. Korbutyak // Semicond. Sci. Technol. - 2000. - Vol. 15. - P. 263-266.

8. Аркадьева, Е. Н. Электрические свойства полуизолирующих кристаллов теллурида кадмия, легированного хлором [Текст] / Е. Н. Аркадьева, О. А. Матвеев // ФТП. - 1976. - Т. 10, № 11. - С. 2153-2156.

9. Матлак, В. В. Электропроводность полуизолирующего CdTe [Текст] / В. В. Матлак, М. И. Илащук, О. А. Парфенюк, А. В. Савицкий// ФТП. - 1977. - Т. 11, № 12. - С. 2287-2291.

шТ

10. Девлин, С. С. Свойства переноса. Физика и химия соединений АПВ^ [Тект] / С. С. Девлин; пер. с англ.; под ред. С. А. Медведева. - М.: Мир, 1970. - С. 418-624.

11. Парфенюк, О. А. Р1вноважш властивост нашв1золюючих кристал1в С^е^ [Текст] / О. А. Парфенюк, М. I. 1лащук, К. С. Ульяницький, I. В. Ншолаевич // Ф1З. I Х1М. ТВ. Т1ЛА. - 2006. - Т. 7, № 2. - С. 540-545.

-□ □-

У статтi представлено резуль-тати експериментальних та тео-ретичних дослиджень синтезованих золотих нанострижтв з подальшою метою гх легуванням у холестерич-т рiдкi кристали з метою створен-ня активних матерiалiв первинних перетворювачiв оптичних сенсорiв газу. Визначено нелшшш коефщен-ти поглинання та показники залом-лення при ди лазерного випромтю-вання низьког потужностi

Ключовi слова: золотi нано-стрижт, нелшшш коеф^енти, холестеричнргдт кристали, оптич-

н сенсори газу

□-□

В статье представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований синтезированных золотых наностержней с дальнейшей целью их легирования в холестерические жидкие кристаллы с целью создание активных материалов первичных преобразователей для оптических сенсоров газа. Определены нелинейные коэффициенты поглощения и показатели преломления при воздействии лазерного излучения низкой мощности

Ключевые слова: золотые нано-стержни, нелинейные коэффициенты, холестерические жидкие кристаллы, оптические сенсоры -□ □-

УДК 532.783

pOI: 10.15587/1729-4061.2014.31875|

ДОСЛ1ДЖЕННЯ ЯВИЩА ПЛАЗМОННОГО РЕЗОНАНСУ В МЕТАЛЕВИХ НАНОЧАСТИНКАХ ПРИ НИЗЬКО1НТЕНСИВНОМУ

ЗБУДЖЕНН1

З. М. Микитюк

Доктор фiзико-математичних наук, професор* E-mail: [email protected] О. £. Сушинський Кандидат фiзико-математичних наук, доцент* E-mail: [email protected] М. В. В^сьтак Кандидат фiзико-математичних наук, доцент

Кафедра бiофiзики Львiвський нацюнальний медичний ушверситет iм. Д. Галицького вул. Пекарська, 69, м. Львiв, УкраТна, 79010 E-mail: [email protected] В. С. Петри шак Астрант*

E-mail: [email protected] Т. В. П ристай

Астрант* E-mail: [email protected] *Кафедра електронних приладiв Нацюнальний уыверситет '^BiB^^ пол^ехнка" вул. С. Бандери, 12, м. Львiв, УкраТна, 79013

1. Вступ

Одним 1з прюритетних напрямюв оргатчно! елек-тротки е р1дкокристал1чна електротка, яка базуеться на використант електрооптичних ефект1в у рщких кристалах (РК), покладених в основу створення еле-мент1в, пристро!в електронно! техтки, а саме диспле!в, сенсор1в, елемент1в штегрально! оптики, лазер1в, мо-дулятор1в, оптоелектронних систем 1 т. п. Доповню-ють цей напрямок досягнення в наноелектрошщ, а саме, створення нанорозм1рних частинок (НРЧ) та модифжащя ними р1дкокристал1чних матер1ал1в. На-норозм1рт частинки волод1ють ушкальними власти-востями, вщмшними в1д властивостей атом1в 1 молекул, з яких вони складаються. На сьогодш досягнуто

значного прогресу в технологи синтезу НРЧ. Створено щлу гаму НРЧ з е нескшченно р1зноматтними за типом матер1алами, причому постшно виявляються нов1 практично з б1льшост1 елемент1в перюдично! таблиц та !х сполук.

Р1дк1 кристали характеризуються мезоморфною фазою та поеднують у соб1 властивост1 як твердих тщ так 1 рвдин. Особлив1стю рщких кристал1в е шнування слабких дисперсшних сил м1ж молекулами та !хня ви-сока ор1ентуюча здаттсть. Тому внесення наночасти-нок у р1дк1 кристали приводить до !х певно! ор1ентацп та змши тд зовтштм впливом.

Одним 1з перспективних напрямюв дослщжень е вивчення нанорозм1рних частинок для модифжування оптичних та електрооптичних характеристик рвдких

С

©