WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 6 Физические свойства полуизолирующих монокристаллов CdTe : Cl, выращенных из газовой фазы ¶ © В.Д. Попович, Г.М. Григорович, Р.М. Пелещак, П.Н. Ткачук Дрогобычский государственный педагогический университет им. И. Франко, 82100 Дрогобыч, Украина Черновицкий национальный университет им. Ю. Федьковича, 58012 Черновцы, Украина (Получена 8 ноября 2001 г. Принята к печати 28 ноября 2001 г.) Описан газофазный метод получения высокоомных монокристаллов CdTe : Cl. Приведены результаты исследования фотолюминесценции этих кристаллов в зависимости от содержания легирующей примеси в исходном материале. Путем измерения электрических и фотоэлектрических характеристик выявлено положение энергетического уровня, который определяет электропроводность полученных монокристаллов.

1. Введение свойств с целью выявления локальных уровней в запрещенной зоне кристаллов, определяющих эти свойства.

В последнее время сильно выросла потребность в стуктурно совершенных полуизолирующих монокри2. Получение кристаллов сталлах теллурида кадмия для создания на их основе неохлаждаемых детекторов -излучения и рентгеновПроцесс получения кристаллов включает два этаских лучей. Одним из методов получения высокоомпа: синтез химического соединения и непосредственное ного CdTe является его компенсирующее легирование формирование монокристалла. Это дает возможность в процессе выращивания. Как правило, легирующим на первом этапе подобрать условия для получения элементом выступает хлор. В результате явления самооднородной по химическому составу шихты, а на втокомпенсации [1,2] достигается равновесие между конром — обратить основное внимание на формирование центрациями донорных и акцепторных уровней, что структурно совершенных монокристаллов необходимого делает материал полуизолирующим.

размера.

Способами, которые наиболее широко используются Синтез шихты проводился в откачанных до остадля получения высокоомного CdTe : Cl больших разметочного давления p = 10-5 Торр кварцевых ампулах.

ров, являются методы выращивания из жидкой фазы — В качестве исходных материалов использовались Cd различные модификации методов Бриджмена [3,4] и и Te марки „Экстра“ и предварительно обезвоженная плавающей зоны [5,6]. Таким образом можно получить соль CdCl2. Соответствующие навески рассчитывались полуизолирующий материал (удельное сопротивление исходя из предположения, что атомы хлора занимают в >108 Ом·см), обладающий подходящими для приклад- матрице CdTe место атомов теллура. Отпаянная ампула ных целей параметрами переноса (произведение подвиж- помещалась в горизонтальную двухсекционную печь, ности на время жизни составляет 10-4-2 · 10-3 см2/В где постепенно нагревалась в безградиентном режиме для электронов и 10-5-10-4 см2/В для дырок). Тем до температуры на 5-10C выше температуры плавлене менее однородность и степень структурного совер- ния CdTe с одновременным вращением со скоростью шенства таких кристаллов оказываются недостаточными 10 мин-1. При этих условиях ампула выдерживалась в (имеются двойники, микротрещины и раковины), что течение 12 ч, чтобы состоялся полный синтез химиснижает выход детекторного материала. ческого соединения. После этого температура в печи понижалась приблизительно на 50C, и между концаС этой точки зрения более приемлемыми являются ми ампулы устанавливался градиент в 20-30C. Такой методы выращивания из газовой фазы, которые дают режим приводит к интенсивному переносу материала возможность использовать более низкие температуры через газовую фазу в холодную зону ампулы. Потом знак роста без значительного отклонения от стехиометриградиента менялся на противоположный. Поскольку конческого состава. Недавно были осуществлены попытки векционные потоки в газовой фазе при таком темпераполучения полуизолирующего CdTe : Cl методом химитурном режиме значительны, а хлор является летучим ческих транспортных реакций [7] и модифицированным элементом, после 2-3 полных переносов достигается методом Маркова [8].

почти равномерное распределение легирующей примеси В представленной работе описан способ получе(Cl) по объему шихты.

ния больших однородных высокоомных монокристаллов Качество синтезированного слитка шихты контролиCdTe : Cl методом сублимации в вакууме и приведеровалось по ее удельному сопротивлению, которое опрены результаты исследований некоторых их физических делялось бесконтактным методом с помощью измери¶ E-mail: vpopovych@yahoo.com теля добротности E 9-4 при использовании следующего Физические свойства полуизолирующих монокристаллов CdTe : Cl, выращенных из газовой фазы соотношения [9]:

Q1Q2 f n2R4l = k, (1) Q1 - Q2 L где — удельное сопротивление шихты (Ом · см), f — частота измерений (МГц), L — индуктивность катушки без слитка (мкГн), n — число витков на 1см катушки (см-1), R — радиус слитка (см), l — длина слитка (см), Q1 — добротность катушки на частоте f без слитка, Q2 — добротность катушки на той же частоте со слитком внутри катушки, коэффициент k = 1.945 · 10-4.

Второй этап получения CdTe : Cl состоит в непосредственном формировании монокристалла из предварительно механически измельченной шихты путем возгонки в ампуле специальной формы, откачанной до Рис. 1. Спектральные зависимости стационарной фотолюминесценции при 77.3 K монокристаллов CdTe : Cl, выращенных p = 10-5 Торр. Температурный профиль в вертикальной из газовой фазы. Концентрация хлора в навеске NCl, см-3:

печи для выращивания монокристалла подбирался так, a —1017, b —1018, c —1019.

чтобы обеспечить предшествующую очистку места зародышеобразования и роста от мелких частичек шихты, которые могли туда попасть в процессе откачки. Кроме того, скорость роста кристалла при таком температурЗначительная ширина бесструктурной несимметричной ном режиме равнялась скорости вытягивания ампулы.

полосы в области 1.4 эВ указывает на неэлементарный Описанным выше способом были получены монокрихарактер соответствующего излучательного процесса.

сталлы CdTe : Cl длиной до 40 мм и диаметром до 18 мм Ее существование связано с так называемыми акцепбез микротрещин и раковин. Выращены кристаллы с торными A-центрами, которые состоят из атомов заметремя различными концентрациями хлора в навеске:

щения хлора на месте теллура и ближайшей вакансии NCl = 1017, 1018 и 1019 см-3.

в подрешетке кадмия (VCdClTe)-. Их уровень расположен на 0.14 эВ выше потолка валентной зоны [12].

Излучательные переходы на акцептор совершаются из 3. Исследование фотолюминесценции зоны проводимости (коротковолновая составляющая) и с уровней доноров внутри донорно-акцепторной пары Для выявления локальных уровней, оценки однород(длинноволновая составляющая), которые не разделяности и кристаллического качества на полученных моются при температуре жидкого азота [13]. Максимум нокристаллах CdTe : Cl проводилось исследование фотополосы для кристаллов с концентрацией хлора в навеске люминесценции в области длин волн = 750-1000 нм NCl = 1018 и 1019 см-3 приходится на hmax = 1.447 эВ, (энергии фотонов h = 1.25-1.65 эВ) при 77.3 K.

тогда как максимум для образцов с NCl = 1017 см-Спектры фотолюминесценции исследовались на свежих смещен в длинноволновую область — hmax = 1.432 эВ.

сколах, взятых из разных частей кристаллов всех трех Аналогичное смещение отмечалось ранее в рабоконцентраций. Для возбуждения использовали гелийте [14]. Его, вероятно, можно объяснить уменьшением неоновый лазер ( = 632.8нм) с мощностью излучения расстояния между составляющими донорно-акцепторной P = 40 мВт и диаметром светового пучка 0.1 мм. Анапары с ростом уровня легирования, что приводит к лиз фотолюминесцентного излучения проводился моноувеличению кулоновского взаимодействия между ними хроматором типа МДР-24 с дифракционной решеткой и смещению в высокоэнергетическую область согласно 600 штрихов / мм.

выражению [13] Типичные спектральные зависимости стационарной фотолюминесценции полученных монокристаллов eCdTe : Cl изображены на рис. 1. Спектр фотолюминес- h = Eg - (EA - ED) + + J(R), (2) R ценции кристаллов с концентрацией введенного хлора NCl = 1018 и 1019 см-3 состоит из узкой линии где ED и EA — энергетические уровни донора и акс энергией максимума hmax = 1.582 эВ и широкой цептора относительно краев соответствующих зон; — бесструктурной полосы в области 1.4 эВ. В спектре диэлектрическая проницаемость кристалла; R — расстофотолюминесценции кристаллов с NCl = 1017 см-3 про- яние между составляющими пары, J(R) — обменное является дополнительная полоса значительно меньшей слагаемое, которое быстро уменьшается с ростом R;

интенсивности с максимумом при hmax = 1.545 эВ. Eg — ширина запрещенной зоны.

Доминирующая полоса 1.582 эВ является результатом Полосу 1.545 эВ, характерную для кристаллов с конизлучательной рекомбинации экситонов в CdTe [10,11]. центрацией хлора в навеске NCl = 1017 см-3, можно 3 Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 676 В.Д. Попович, Г.М. Григорович, Р.М. Пелещак, П.Н. Ткачук интерпретировать как результат излучательного перехода зона проводимость –акцептор, который является доминирующим типом переходов в этой области спектра при азотной температуре [15,16]. Энергия ионизации акцептора EA оценивается из положения максимума этой полосы [17]:

hmax = Eg - EA + kBTe, (3) где Eg = 1.602 эВ — ширина запрещенной зоны CdTe при 77.3 K, Te — температура электронов (которая совпадает при использованных низких уровнях возбуждения с температурой решетки), kB — постоянная Больцмана.

Полученное значение EA = 0.062 эВ хорошо согласуется с энергетическим положением центров, созданных однократно ионизированными вакансиями кадмия VCd, концентрация которых является значительной при данном Рис. 2. Температурная зависимость темнового тока монокриуровне легирования хлором [13].

сталлов CdTe : Cl, выращенных из газовой фазы. Концентрация Следует отметить, что интенсивность соответствуюхлора в навеске NCl, см-3: 1 —1018, 2 —1019.

щих полос фотолюминесценции для образцов, взятых из различных частей одного кристалла, почти не менялась.

Это свидетельствует о высокой степени однородности полученных монокристаллов CdTe : Cl.

4. Исследование электрических и фотоэлектрических свойств Измерение эффекта Холла показало, что полученные монокристаллы CdTe : Cl с концентрацией хлора в навеске NCl = 1018 и 1019 см-3 при комнатной температуре обладают удельным сопротивлением = (3-4) · 108 Ом · см и проводимостью n-типа. Концентрация основных носителей (электронов) составляет n = (5-7) · 107 см-3, а их холловская подвижность µn = 300-400 см2/В · с. Положение уровня Ферми для этих кристаллов определялось с помощью выражения для компенсированного невырожденного полупроводника [18]:

ND - NA F = Ec + kBT ln, (4) Nc где Nc = 2(2mkBT /h2)3/2 9.17 · 1017 см-3 — e эффективная плотность состояний в зоне проводимости теллурида кадмия; разность концентраций доноров и Рис. 3. Спектральная зависимость фотопроводимости акцепторов ND -NA = n при 300 K. Получено следующее при 80 K (приведенная на одинаковое число квантов) в мозначение: F = Ec - (0.599-0.608) эВ.

нокристаллах CdTe : Cl, выращенных из газовой фазы. КонценКристаллы с NCl = 1017 см-3 обладают преимущетрация хлора в навеске NCl, см-3: 1 —1018, 2 —1019.

ственно проводимостью p-типа, а их удельное сопротивление приблизительно на 2 порядка выше. Это соответствует результатам исследования фотолюминесценции и объясняется значительной концентрацией мелких акцеп- для этих (как и для фотоэлектрических) измерений изторных центров VCd в кристаллах с NCl = 1017 см-3. готавливались путем вплавления металлического индия Для выявления глубоких уровней, которые играют на свежих кристаллических сколах. Для того чтобы определяющую роль в электрических свойствах и явле- избежать возможного влияния термостимулированных ниях переноса, на полученных полуизолирующих моно- токов, перед началом измерений все образцы прогревакристаллах CdTe : Cl было осуществлено исследование лись до T = 330 K и длительное время выдерживались в температурных зависимостей темнового тока. Контакты темноте при комнатной температуре.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Физические свойства полуизолирующих монокристаллов CdTe : Cl, выращенных из газовой фазы ложение этих центров относительно потолка валентной зоны. Получено значение Ev + 0.94 эВ. Приняв ширину запрещенной зоны CdTe при азотной температуре равной 1.602 эВ [19], получим положение центров относительно дна зоны проводимости: Ec - 0.662 эВ. Это значение практически совпадает с положением уровня, определенного из температурной зависимости темнового тока.

С большой степенью вероятности можно также утверждать, что этот же центр проявляется и в примесной фотопроводимости полуизолирующих монокристаллов CdTe : Cl. Уровни с близкими энергиями ионизации часто связывались с двукратно ионизированной вакансией 2кадмия VCd [13,20]. Значительное различие между величинами термической и оптической энергий ионизации в таком случае можно объяснить преодолением кулоновского барьера, связанного с центром Ec -0.66 эВ. Однако недавние исследования показали, что вакансии кадмия не могут создавать энергетический уровень, размещенный на 0.47 эВ выше потолка валентной зоны CdTe [14].

Поэтому для выяснения природы обнаруженных центров Рис. 4. Спектральное распределение оптического гашения необходимы более детальные исследования.

фототока при 80 K в монокристаллах CdTe : Cl, выращенных из газовой фазы. I0 — фоновый ток, Ist — фототок, установившийся при гашении. Концентрация хлора в навеске NCl, см-3:

5. Заключение 1 —1018, 2 —1019.

Получены большие однородные монокристаллы CdTe : Cl методом сублимации из газовой фазы.

Типичные температурные зависимости темнового тоПолуизолирующие кристаллы n-типа проводимости ка (I) кристаллов с NCl = 1018 и 1019 см-3 приведены на с удельным сопротивлением =(3-4) · 108 Ом · см рис. 2. Видно, что в области температур T = 250-330 K были получены при концентрации хлора в исходном энергия активации электропроводности одинакова для материале NCl 1018 см-3. Это объясняется снижением обеих концентраций (0.66 эВ). Поскольку данные криконцентрации мелких акцепторных уровней сталлы обладают проводимостью n-типа, эта энергия Ev + 0.062 эВ с повышением степени легирования.

соответствует ионизации уровня, расположенного ниже Выявлено, что проводимость полученных описанным дна зоны проводимости на 0.66 эВ, т. е. в окрестности способом монокристаллов CdTe : Cl в области темперауровня Ферми.

тур 250-330 K определяется уровнем, размещенным на Полученные монокристаллы CdTe : Cl с NCl = 1018 и 0.66 эВ ниже дна зоны проводимости.

1019 см-3 характеризуются высокой фоточувствительностью в собственной области спектра как при азотной, Список литературы так и при комнатной температурах. На рис. 3 приведены спектры фототока (Iph) этих кристаллов при 80 K.

Pages:     || 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.