WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]

Структура и электрические свойства поликристаллических плёнок теллурида кадмия, синтезированных при различных технологических условиях

Автореферат кандидатской диссертации

 

На правах рукописи

 

 

ХАМРОКУЛОВ

РАДЖАБМУРОД БАДРИДДИНОВИЧ

 

 

СТРУКТУРА И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЁНОК ТЕЛЛУРИДА КАДМИЯ, СИНТЕЗИРОВАННЫХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Специальность: 01.04.07 – физика конденсированного состояния

 

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата

физико-математических наук

 

 

Душанбе – 2012


Работа выполнена на кафедре физической электроники Таджикского национального университета. 

 

Научные руководители: доктор физ.-мат. наук, профессор Султонов Н.;

кандидат физ.-мат. наук, доцент Акобирова А. Т.

Официальные оппоненты:доктор физ.-мат. наук, профессор Исмоилов И.;

                                      доктор техн. наук, доцент Лаврентьев В.В.

Ведущая организация: Худжандский государственный университет

им. академика Б.Г. Гафурова

Защита состоится 3 мая 2012 г. в 1000 часов на заседании объединенного  ­­­­­диссертационного совета ДМ 737.004.04 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Таджикском национальном университете по адресу: 734025, Республика Таджикистан, г. Душанбе, проспект Рудаки, 17, факс (992-372) 21-77-11. Зал заседаний Ученого совета ТНУ.

Отзывы направлять по адресу; 734025, г. Душанбе, проспект Рудаки, 17, ТНУ, ­­­­­диссертационного совета ДМ 737.004.04, E-mail: tgnu@mail.tj.

         С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ТНУ.

Автореферат разослан «_____» ___________ 2012 г.

Ученый секретарь объединенного

диссертационного совета ДМ 737.004.04,

кандидат физ.-мат. наук, доцент                                       Табаров С.

 

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Поликристаллические пленки соединений А2В6, главным образом, теллурида кадмия CdTe , все шире используются в основных областях электронной техники, микроэлектронике, оптоэлектронике, солнечной энергетике.

Возможность  получать поликристаллические пленки с различным удельным сопротивлением, отличающимся на несколько порядков по величине, а также технологические преимущества сделали CdTe очень перспективным материалом для использования во многих дискретных приборах (диоды, транзисторы, солнечные батареи, лазеры)  и интегральных схемах.

Многообещающее развитие солнечной полупроводниковой энергетики требует создания дешевого материала для фотопреобразователей с большой площадью. Одним из наиболее перспективных материалов, отвечающих этим требованиям, является поликристаллический CdTe. Оптимальная ширина запрещенной зоны и высокий коэффициент  поглощения в видимой области спектра делает поликристаллический  CdTe наиболее перспективным материалом для солнечных преобразователей.

Теллурид кадмия, вследствие больших атомных номеров компонентов, а также большой ширины запрещенной зоны  (DЕ=1,5 эВ), в настоящее время представляет собой  один из наиболее перспективных материалов  для создания дозиметров и счетчиков  g- квантов.

Поликристаллические пленки соединений А2В6 используются в оптоэлектронике для целей электролюминесценции, в частности, для создания цветных экранов большой площади. Однако получение поликристаллических плёнок со стабильно повторяющимися  свойствами резко осложняется их структурными особенностями, важнейшим из которых является наличие межзёренных границ (МЗГ). В зависимости от типа границ, характера и взаимодействия с фоновыми и легирующими примесями и, как следствие, концентрации и поведения носителей заряда в поликристаллических полупроводниковых пленках, их свойства могут отличаться необычайно резко. Это связано с тем, что МЗГ в полупроводниковых пленках создают электрически активные центры.

Возможность создания приборов и устройств на основе поликристаллических плёнок CdTe определяется уровнем технологии синтеза плёнок с воспроизводимыми и контролируемыми  свойствами.

Исходя из этого, повышение воспроизводимости в технологии создания пленочных поликристаллических структур является важнейшей задачей микроэлектроники и оптоэлектроники. Ее решение определяется возможностью прогнозирования влияния технологических факторов на структуру и электрические свойства плёнок, для чего необходимо моделирование технологических процессов и межоперационный контроль.

Возрастающая потребность в поликристаллических пленках вызвана и тем, что в монокристаллах, ввиду особенностей механизмов роста, невозможно получить тот спектр структур, который присущ поликристаллическому беспорядку.

В связи с этим синтез поликристаллических плёнок на основе CdTe с возможностью регулирования, активации или торможения электронных процессов на границе кристаллитов технологическими приёмами и исследование их структуры и электрооптических свойств  являются важными и актуальными задачами не только в научном, но и в практическом плане.   

Целью работы является разработка технологии  синтеза поликристаллических плёнок теллурида кадмия на различных подложках и исследование их структуры (на молекулярном и надмолекулярном уровнях) и электрооптических свойств, которая охватывает следующие задачи:

-разработка технологии синтеза тонких и толстых плёнок теллурида кадмия методом вакуумного напыления в квазизамкнутом объеме;

-исследование влияния типа подложки на молекулярную и надмолекулярную структуры плёнок, полученных при различных условиях;

-изучение взаимосвязи структурных параметров и электрических свойств поликристаллических плёнок, синтезированных при различных технологических условиях;

-установление механизма проводимости поликристаллических систем на основе модели гетерогенной структуры плёнок, определение величин межкристаллитных барьеров и установление их зависимости от параметров осаждения;

-разработка радиационного способа получения поликристалли-ческого слоя на поверхности монокристаллического теллурида кадмия и исследование его структурно-электрических характеристик;

-исследование структуры и электрических свойств тонких плёнок (до 1 мкм) теллурида кадмия в рамках  модели неоднородного полупроводника с межкристаллитными барьерами; оценка величины межкристаллитных барьеров, а так же барьера Шоттки и фактора идеальности на контактах Al/CdTe, Ag/CdTe;

-влияние температуры и скорости роста тонких (2 мкм) плёнок на спектр пропускания и коэффициент поглощения плёнок теллурида кадмия; оценка ширины запрещенной зоны на основе оптических данных и ее зависимости от технологических условий синтеза плёнок.

Научная новизна работы

-разработана технология синтеза высокоомных поликристаллических плёнок CdTe толщиной до ~500 мкм методом вакуумного напыления в квазизамкнутом объеме на различных монокристаллических подложках.

-установлено, что синтезируемые пленки CdTe толщиной 30?500 мкм на различных подложках обладают поликристаллической структурой с  размерами зерен 150-175 А;

-предложен механизм проводимости поликристаллических высокоомных плёнок CdTe на основе модели потенциальных барьеров между кристаллитами; согласно этой модели проводимость поликристаллических плёнок обусловливается уменьшением высоты потенциальных барьеров при внешнем смещении и имеет активационную природу;

-произведена оценка высоты межкристаллитных энергетических барьеров для плёнок, полученных при различных технологических условиях, которая составляет величину ~0,3 – 0,5 эВ для исходных и термообработанных плёнок CdTe; показано уменьшение числа барьеров более чем на порядок с ростом температуры отжига;

-разработана технология получения барьера Шоттки на границе плёнок CdTe и металлов (Al, Ag), исследованы их вольтамперные характеристики и произведена оценка высота барьера Шоттки и параметр идеальности;

-выявлены оптимальные технологические параметры синтезируемой пленки – температура подложки, температура отжига и скорость роста пленки, при которых имеет место максимальное поглощение. Из спектральной зависимости коэффициента поглощения оценена величина ширины запрещенной зоны;

-установлена однозначная взаимосвязь между размерами кристаллитов и шириной запрещенной зоны при изменении условий синтеза пленки; совершенствование и рост кристаллитов сопровождается возрастанием ширины запрещенной зоны.

Практическая значимость.   

Результаты, изложенные в диссертации, являются основой для разработки технологии получения приборов для оптоэлектроники и микроэлектроники. Полученные высокоомные пленки необходимой толщины из CdTe можно использовать в качестве активного элемента в спектрометрических детекторах ядерного излучения, а исследования структуры и электрических свойств тонких плёнок важны для их применения в оптоэлектронике, в частности, для солнечных батарей.

Защищаемые положения.

-технология получения высокоомных плёнок CdTe и результаты, подтверждающие поликристалличность плёнок, полученных при разных условиях синтеза;

-механизм проводимости поликристаллических высокоомных плёнок CdTe на основе модели потенциальных межкристаллитных барьеров,  согласно которой проводимость плёнок обусловливается уменьшением высоты межкристаллитных барьеров при внешнем смещении;

-экспериментальные результаты по оценке высоты межкристаллитных барьеров методом вольтамперных характеристик и температурной зависимости удельной проводимости, подтверждающие гетерогенную модель поликристаллических плёнок;

-определение высоты барьера Шоттки и параметра идеальности;

-оптические исследования, подтверждающие прямые межзонные переходы электронов, выявление корреляции между шириной запрещенной зоны и технологическими параметрами синтезируемых плёнок.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных методов исследования структуры, фотоэлектрических и электрофизических свойств поликристаллических плёнок теллурида кадмия.

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в разработке технологии получения плёнок, исследовании их структуры и электрофизических свойств, интерпретации полученных результатов, подготовке основных публикаций по работе.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Республиканской научно-практической конференции молодых учёных и специалистов (Душанбе, 2001); международной конференции «Старение  и стабилизация полимеров», Душанбе, 20-21 декабря 2002; международной конференции «Физика конденсированного состояния» (Душанбе, ФТИ, АН РТ, 2004); научно-теоретической конференции «Современные проблемы физики и астрофизики», посвященной 100-летию теории относительности А. Эйнштейна и 40-летию образования физического факультета ТГНУ, Душанбе,  2005; научно-теоретической конференции «Проблемы современной физики», посвященной 65-летию со дня рождения профессора Саидова Д.С., Душанбе – 2006г.; научно теоретической конференции «Современные проблемы физики конденсированных сред», посвященной памяти заслуженного деятеля науки Таджикистана, профессора Нарзуллаева Б.Н., Душанбе  2007г.; международной конференции  «Наука и современное образование: проблемы и перспективы», Душанбе 2008г.; международной конференции «Современные проблемы физики конденсированных сред и астрофизики», посвященной 70-летию профессора Султонова Н.,- Душанбе, 2010;

Публикации. По результатам работы опубликовано 15 статьей и 12 тезисов докладов, в том числе, 4  - в рецензируемых журналах из Перечня ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 132 страницах, включая 37 рисунков, 8 таблиц и списка цитируемой литературы из 162 наименований.

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель работы, отражена научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава обзорная,  в ней рассмотрено современное состояние физики поликристаллических полупроводников. Анализируются электронные состояния на межзеренных границах. На основе данных по исследованию барьерных эффектов на бикристаллах кремния как n-, так и p-типа показано наличие на поверхности зерен состояний, подобных донорам и акцепторам. Анализ работ по спектроскопии глубоких уровней на бикристаллах показывает, что плотность состояния имеет максимум  вблизи середины запрещенной зоны.

Рассмотрен механизм проводимости поликристаллических полупроводников на основе диффузионной модели и модели термоэлектронной эмиссии, анализированы выражения, полученные для плотности тока  и её зависимости от величины потенциального барьера на границе кристаллитов при отсутствии и наличии внешнего смещения.

В конце главы приводится обзор экспериментальных работ по структуре и электрическим свойствам плёнок теллурида кадмия из которого следует, что они, в основном, посвящены исследованию монокристаллических плёнок теллурида кадмия, однако, количество работ по поликристаллическим пленкам крайне ограничено и отсутствует систематическое исследование.

Во второй главе приведены результаты по разработке технологии получения плёнок теллурида кадмия и методика рентгеновского анализа  и электрических измерений, проанализировано распределение потенциала на поверхности пленки и методика ее регистрации.

В параграфе 2.1 данной главы излагаются некоторые сведения об особенностях тонкопленочной технологии (процессы конденсации тонких плёнок и режимы роста плёнок), суть которых сводится к следующему: 1) режимы роста плёнок разделяются на послойный, островковый и промежуточный и 2) структура и электрофизические, оптические, прочностные и др. свойства плёнок в основном определяются технологическим режимом роста пленки.

В параграфе 2.2 рассматривается технология напыления толстых поликристаллических плёнок теллурида кадмия на монокристаллических подложках. Эмпирически установлено, что толстые поликристаллические пленки теллурида кадмия (до 200 мкм и более) можно получить при температуре подложки 493 К и скорости роста пленки (40?132) нмс-1. Измерения показали, что полученные пленки  являются высокоомными и их удельное сопротивление составляет (5,2?9,0)?109 Ом?см.

Для получения тонких (до 2 мкм) и толстых (до 300 мкм) плёнок  была использована квазизамкнутая рабочая камера, представляющая собой небольшой объем, ограниченный кварцевой трубой с внутренним диаметром 83 мм и длиной 120 мм. Многочисленные опыты позволили подобрать оптимальную температуру подложки и оптимальную скорость напыления плёнок.

В качестве подложки использовались пластины низкоомного монокристаллического теллурида кадмия (  и арсенида галлия ( ). Активные пленки теллурида кадмия на разных подложках получали при вакууме 10-5 мм.рт.ст. и температуре подложки 493 К на установке ВУП-5М. Скорость роста плёнок составлял для толстых (40?132) нмс-1, для тонких (0,5?20) нмс-1.

При других условиях синтеза плёнок либо наблюдалось отслоение пленки от подложки, либо сильно ухудшалось  ее качество.

В качестве исходного материала для получения толстых плёнок использовался монокристаллический CdTe, легированной хлором, с удельным сопротивлением ~ 1010 ? 5?1010 Ом?см. Для получения тонких плёнок (до ~2 мкм) использовали нелегированный CdTe.

Электрические измерения проводили при помощи модернизированного нановольтамперметра Р341, который позволял измерять ток в пределах 0,5 нА – 50 мкА. При помощи встроенных делителей можно было расширять пределы измерения до 250 мкА.

Рентгеновские измерения проводили на установке ДРОН-2 с медным излучением с длиной волны 1,54 А, фильтрованным Ni при углах дифракции  2q=10-750. Размеры кристаллитов определялись с точностью ~0,2%.

Оптические исследования проводили на спектрофотометре ИK-14АМ. Длина волны изменялась в пределах 0,68 до 2,5 мкм; ширина спектра источника составляла 0,6?1,6 нм.

В главе III приведены результаты структурных измерений в толстых пленках CdTe, полученных на различных подложках – CdTe, Si, GaAs. Толщина активной пленки теллурида кадмия варьировала от 30 до 500 мкм.

Показано, что при конденсации на подложке (110) CdTe преимущественную ориентацию в пленках CdTe имеют плоскости (110) и (111), параллельные плоскости подложки, на подложках из (111) Si получены пленки с ориентацией (111) CdTe. На монокристаллических подложках (100) GaAs возможно получение плёнок CdTe с ориентацией (110). Форма кристаллитов зависит от того, какая плоскость оказывается энергетически выгодной при осаждении из газовой фазы.  В случае СdTe этими плоскостями являются (100), (110) или (111) и в подобных структурах направление преимущественной ориентации при росте пленки имеют грани (100), (110) или (111).

имеют грани (100), (110) или (111).

На рис. 1 представлены дифрактограммы плёнок CdTe-GaAs различной толщины, а в табл. 1 структурные  характеристики этих  плёнок.

Рис. 1. Дифрактограммы плёнок CdTe-GaAs  разной толщины:

1, 2 – Д=30 и 50 мкм; 3 – 80 мкм; 4 – линия диффузного фона.

Как видно из рис. 1 и табл. 1, полуширина рефлекса составляет ~39 угловых минут, что соответствует размерам кристаллитов hk = 150A.  Конечность полуширины рефлексов свидетельствует о поликристаллической  природе структуры плёнок.

Таблица 1  

Некоторые структурные характеристики плёнок теллурида кадмия на подложках CdTe и GaAs и их зависимость от толщины

Образец

Толщина пленки

Д, (мкм)

Температура подложки

Тп, К

Интенсивность рассеяния в максимуме,

Iм, (имп/сек)

Поперечн. размер кристаллитов

hk,  

Межплоскостное расстояние

d,

CdTe -GaAs

30

303

68

94

3,9427

30

493

113

145

3,8938

50

493

113

150

3,8936

80

493

91

139

3,8825

CdTe-CdTe

30

303

56

78

3,8872

30

493

124

170

3,8660

50

493

124

169

3,8624

80

493

117

164

3,8510

          Аналогичные результаты получены для плёнок CdTe-CdTe, однако размеры кристаллитов заметно больше, чем для плёнок CdTe-GaAs. На основе данных рис. 1 и табл. 1 можно заключить, что: 1) размеры кристаллитов и интенсивность в максимуме зависят от температуры подложки- изменение температуры от 300 до 493 К сопровождается увеличением hk почти в два раза; 2) слабое уменьшение размеров кристаллитов на фоне заметного возрастания диффузного рассеяния; 3) с ростом толщины образцов увеличивается вероятность появления дефектов структуры, что препятствует росту кристаллов и появлению микроискажений, 4) близкая поликристалличность (табл. 1) образцов разной толщины, осажденных  при 493 К на подложке из CdTe связывается с одинаковой структурой подложки и активной пленки;                                      5) экспериментально выявлен технологический режим синтеза, где все пленки на разных подложках имеют поликристаллическую структуру с размерами кристаллитов 150?170А.

Произведена оценка высоты межкристаллитных потенциальных барьеров для тонких плёнок (Д = 2 мкм), которая составляет ~0,4 эВ.

Малая удельная проводимость  и заметная энергия активация проводимости (~ 0,4 эВ) позволяют предполагать, что основную роль в проводимости тонких плёнок играют межкристаллитные барьеры. Оказалось, что ограничение темнового тока межкристаллитными границами является доминирующим в механизме прохождения тока в тонких пленках CdTe.

Методом тонкоплёночной технологии разработана технология изготовления барьера  Шоттки    Al/CdTe и  Ag/CdTe.   Показано, что при напряжениях 0?10 В вольт-амперная характеристика диода  Al /CdTe линейна,  однако при  V?10 В в достаточно  широких пределах напряжения она является нелинейной, что  связывается с  эффектом границ зерен. На основе опытов по зависимости плотности тока от приложенного напряжения вычислена высота барьера  Шоттки   на контакте с Al и Ag. Эти величины  оказались равными 0,66 и 0,75 эВ соответственно.

В параграфе 4.3  рассмотрен оптический метод определения ширины межзонных  переходов в тонких пленках CdTe и её зависимость от технологии получения.

В этом параграфе изучен ближний ИК-спектр пропускания тонких  плёнок, синтезированных   при различных температурах и скоростях роста плёнки; выявлены  условия получения плёнок с высоким пропусканием   и четким краем полосы  собственного поглощения.

Исследования спектров пропускания плёнок с разными  технологическими параметрами показали,  что  для плёнок, синтезиро-ванных при низких или умеренных скоростях осаждения характерна высокая пропускаемость и острый край  поглощения  при температурах подложки 533 К и выше,  однако при низких температурах подложек   пропускание уменьшается и  край поглощения становится нечётким.

Показано, что наиболее четкий спектр пропускания наблюдается при скорости роста 5 нмс-1,  однако  при 10 нмс-1 коэффициент пропускания  уменьшается в  десятки раз.

Термоотжиг в  атмосфере азота  для плёнок, полученных при высоких температурах и средних скоростях роста плёнок не   приводит к изменению четкости спектра, однако в плёнках,  полученных при низких температурах, термообработка  сопровождается ростом пропускания и улучшением   четкости края поглощения. Влияния примесей In на  четкость спектра не обнаружено.

Определен коэффициент поглощения  плёнок путем расчёта  интерференционных максимумов  в спектре пропускания.

На основе зависимости  коэффициента поглощения  ? от энергии фотонов установлено, что поглощение в   области линейного роста коэффициента ? связанно с прямыми межзонными  переходами.  Показано, что  ширина запрещенной  зоны Еg плёнок, синтезированных при Т = 523 К, составляет величину  1,47 эВ и немного меньше, чем Еg монокристаллов CdTe,  для которых Еg = 1,49 эВ. Пленкам, синтезированным при низких температурах, соответствуют низкие значения Еg; термоотжиг  этих плёнок вызывает увеличение Еg подобно плёнкам,  выращенным при высоких    температурах. Обнаружено, что  уменьшение  ИК- пропускания и потери чёткости края поглощения  в  пленках,  полученных при высоких  скоростях роста и низких температурах подложки связывается с тем, что механизм поглощения отличается от идеального межзонного   перехода.

Корреляцию между спектром пропускания и технологическими параметрами можно объяснить, если  предположить, что условия высокотемпературного синтеза плёнок при невысоких скоростях роста благоприятствуют росту   поликристаллических  плёнок с большими размерами  кристаллитов и оптическими  свойствами, близкими к оптическим свойствам монокристаллов.

 
Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.