WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 9 Транспорт носителей заряда в отожженных крупно- и мелкозернистых поликристаллах CdTe © Ю.В. Клевков, С.А. Колосов, А.Ф. Плотников Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 119991 Москва, Россия (Получена 26 декабря 2005 г. Принята к печати 13 января 2006 г.) Исследовано влияние отжига в атмосфере насыщенных паров Cd на проводимость мелко- и крупнозернистных поликристаллов CdTe. Показано, что до отжига и в мелко- и в крупнозернистных поликристаллах транспорт носителей определяется в основном прыжковой проводимостью. Отжиг приводит к исчезновению прыжковой проводимости и возникновению в крупнозернистых поликристаллах единственного дефекта, по-видимому, сложного, однако никак не связанного с наличием межзеренных границ. В мелкозернистых поликристаллах отжиг приводит к появлению сложных протяженных дефектов, определяемых либо сегрегацией примесей на межзеренных границах, либо скоплением вблизи них собственных дефектов.

PACS: 72.20.Ee, 81.20.Dz, 81.40.Rs 1. Введение процессы протекания тока, но не позволили ответить на вопрос о том, влияют ли они на формирование Поликристаллические полупроводники давно зареко- спектра электронных состояний в запрещенной зоне мендовали себя как ценный материал, позволяющий поликристаллов.

решать многие практические задачи, такие как произВ данной работе предпринята попытка ответить на водство дешевых тонкопленочных солнечных батарей, этот вопрос.

резисторов, биполярных и MOS-транзисторов.

Физика явлений переноса в поликристаллических полупроводниках — это в основном физика межзеренных 2. Экспериментальная часть границ, которые решающим образом влияют на свойства поликристаллов. Во-первых, потенциальные барьВ работе исследовались электрические свойства круперы, создаваемые заряженными межзеренными гранинозернистых (размер зерна 1.5-2мм) и мелкозерцами, существенно уменьшают подвижность основных нистных (размер зерна 50 мкм) высокочистых полиносителей заряда. Во-вторых, межзеренные границы — кристаллических образцов p-CdTe с удельным сопроэто оборванные связи, которые в процессе роста потивлением 103-105 Ом · см при комнатной темпеликристалла могут являться местом стока примесей и ратуре. Все образцы получались на стадии финишной собственных дефектов, образуя сложные по природе очистки при температурах 620-650C методом вакуумсостояния, существенно усложняющие интерпретацию ной сублимации соединения в условиях, удаленных от электрофизических свойств поликристалла.

термодинамического равновесия. Степень неравновесГлавная задача современного материаловедения поности процессов регулировалась изменением режимов добных материалов — научиться управлять всеми видвижения газодинамических потоков паров в реакторе дами дефектов в процессе приготовления поликристали скорости их осаждения в условиях динамического лов и понять, чем же определяются их свойства, в вакуума.

частности спектр глубоких электронных состояний и Крупнозернистые поликристаллы получались при скопроводимость. В литературе предложено достаточно рости осаждения 500 мкм/ч с направлениями роста много моделей, которые более или менее успешно монозерна [111], мелкозернистые — при скорости осакачественно интерпретируют экспериментальные данждения 750 мкм/ч. Во втором случае, кроме зерен ные. Однако ни одна из этих моделей не объясняет вдоль направления роста [111] появляются также зерна несоответствие между результатами кристаллографис ориентацией [110] и [331].

ческих измерений и электронными характеристиками Масс-спектрометрический анализ материала показал, поликристаллов. В частности, остается неясным, почему что общее содержание в нем примесей (кроме O, C, N, S) только часть атомов Cl, которыми обычно легируют не превышает 1015 см-3.

поликристаллы CdTe для получения высоких удельных сопротивлений, электрически активны. Для измерений проводимости образцы вырезались из В предыдущих наших работах [1,2] было исследо- середины слитка перпендикулярно направлению роста, обрабатывались стандартными методами приготовления вано влияние межзеренных границ на транспортные явления в мелко- и крупнокристаллических поликри- поверхности с последующим нанесением золотых консталлах p-CdTe. Эти исследования показали, что меж- тактов. Расстояние между контактами во всех случаях зеренные границы существенным образом влияют на равнялось 3 мм.

Транспорт носителей заряда в отожженных крупно- и мелкозернистых поликристаллах CdTe Едва ли не решающее значение в формировании ста- основным законом Мотта [5] бильных электрофизических свойств рассматриваемого T0 1/материала имеет его отжиг в различных условиях. В дан- ln =, (1) 0 T ной работе исследуемые поликристаллы отжигались в атмосфере насыщенных паров кадмия при температугде рах 600C.

1/0 T, T0 =, kBN()akB — постоянная Больцмана, N() — плотность со3. Результаты и их обсуждение стояний на уровне Ферми, a — радиус локализации носителей.

3.1. Крупнозернистые поликристаллы На рис. 1, a представлена температурная зависимость удельного сопротивления одного из неотожженных крупнозернистых поликристаллов с удельным сопротивлением при комнатной температуре 3 · 103 Ом · см. Из рисунка следует, что энергия активации проводимости в области от 300 K до примерно 238 K не зависит от температуры и определяется энергией ионизации акцептора с достаточно глубоким уровнем. Расчеты показывают, что образец сильно компенсирован — в нем содержится около 3 · 1017 см-3 акцептороподобных центров с Ea = 0.13 ± 0.02 эВ и примерно столько же донороподобных.

Выше мы упоминали о том, что общее содержание основных примесей в данном материале не превышает 1015 см-3, поэтому наблюдаемые экспериментальные результаты могут свидетельствовать лишь о том, что проводимость материала определяется не остаточными примесями, а дефектами сложной структуры, включающими множество собственных точечных дефектов, в образовании которых, возможно, участвуют и остаточные примеси. Так, подобный центр с энергией активации EV + 0.14 эВ (EV — энергия потолка валентной зоны) наблюдали в работах [3] и [4]. По их мнению, этот акцепторный центр представляет собой комплекс, состоящий из вакансии Cd и атома Cl, замещающего ближайший к вакансии атом Te. Мы, по-видимому, наблюдаем некий другой комплекс, поскольку содержание хлора в наших образцах не превышает 1015 см-3.

Далее, в области более низких температур, энергия активации проводимости начинает зависеть от температуры, что разумнее всего объяснить прыжковой проводимостью. Подобные процессы наблюдались и ранее, например в Ge и Si [5] и компенсированных кристалла p-CdTe [6]. В нашем случае, однако, эти процессы проявляются более наглядно.

Согласно представлениям Шкловского [7] и Мотта [5], прыжковая проводимость может наблюдаться либо при перескоках носителей между примесными атомами, либо при перескоках носителей, локализованных в потенциальных ямах, возникающих из-за флуктуаций в пространственном распределении примесей или дефектов.

В том случае, если состояния более или менее регуРис. 1. Температурная зависимость удельного сопротивлелярно распределены в энергетическом и координатном ния неотожженного крупнозернистого поликристалла 1/2 1/пространстве, следует ожидать, что температурная зави- p-CdTe (a); b — то же самое в координатах /T = f (1/T );

симость прыжковой проводимости будет определяться сплошная прямая проведена на глаз.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1030 Ю.В. Клевков, С.А. Колосов, А.Ф. Плотников На рис. 1, b показана та же температурная зависимость удельного сопротивления, что и на рис. 1, a, 1/2 1/но в других координатах — /T = f (T ). Видно, что в этих координатах при понижении температуры ниже 238 K зависимость становится линейной, что прекрасно согласуется с законом Мотта (1). Вычисленная из наклона этой зависимости величина T0 составила 1.3 · 105 K. Определив величину T0 и используя стандартную процедуру Мотта, можно оценить отношение среднего расстояния между центрами локализации R(T ) к средней величине радиуса локализации носителей a [8]. В данном образце при 100 K R/a 2.3, что довольно близко к подобному отношению в аморфном Ge: R/a 8.5 при 4.2 K. Полученное соотношение свидетельствует в пользу того, что наблюдаемая прыжковая проводимость обусловлена перескоками носителей, локализованных в потенциальных ямах, образованных локальными скоплениями избыточных атомов — в нашем случае, скорее всего, избыточными атомами Te.

Образования таких скоплений, как мы полагаем, связаны с особенностями неравновесных процессов быстрой Рис. 2. Температурная зависимость удельного сопротивлеконденсации паров при испарении поликристаллическония крупнозернистого поликристалла p-CdTe после отжига го CdTe, предварительно очищенного и приведенного в парах Cd при температуре 485C в течение 125 ч.

к составу в точке, соответствующей давлению Pmin при 650C. Увеличение плотности потока паров за счет повышения температуры испарения CdTe, увелиДалее нас интересовало, как в процессе отжига перечение пересыщения на фронте кристаллизации и, как распределяются в поликристалле эти избыточные атомы следствие, увеличение скорости конденсации приводят и какова при этом роль межзеренных границ. Заметим к нарушению соотношения между давлениями паров сразу, что в исследуемых крупнокристаллических образ2PCd = PTe в сторону избытка теллура. Возникающие цах, при расстояниях между измерительными контаклокальные концентрационные и термические флуктуатами в 3 мм, между ними могут быть расположены не ции на интерфейсе способствуют захвату избыточного более 3 межзеренных границ.

теллура и образованию включений как внутри зерна, так На рис. 2 представлена температурная зависимость и на межзеренных границах.

удельного сопротивления того же образца, что и на Соблюдение закона Мотта (1) в области температур рис. 1, после его отжига в парах Cd в течение 125 ч при от 238 до 80 K возможно лишь в том случае, когда температуре 485C. Эта температурная зависимость избыточные атомы Te, подчиняясь неизвестным законам характерна для кристаллов, в которых компенсация не пространственной организации, распределяются в виде проявляется при достаточно высоких температурах и формирований, весьма похожих на кластеры, причем начинает проявляться при понижении температуры [11].

размеры этих кластеров и средние расстояния между Проводимость отожженного поликристалла (рис. 2) во ними приблизительно одинаковы.

всей области температур определяется энергией иониЭти представления в какой-то мере согласуются с результатами авторов работы [9], которые, изучая про- зации акцепторного центра с энергетическим уровнем цессы компенсации в полуизолирующих поликристал- EV + 0.14 ± 0.02 эВ, — по-видимому, тем же самым центром, который мы наблюдали и в неотожженном образце лах CdTe, показали следующее. Более 90% избыточных (см. рис. 1). Отжиг, однако, приводит к уменьшению атомов Te в процессе охлаждения кристаллов, выпадая в более чем на порядок концентрации акцепторных ценосадок, образуют зародыши преципитатов Te, каждый из тров и более чем на 2 порядка концентрации донорных, которых представляет собой группу из 5 близлежащих атомов Te, окруженных определенным количеством ва- уменьшая тем самым степень компенсации. Интересен и другой факт: отжиг приводит к исчезновению прыжковой кансий. По их мнению, каждый из этих комплексов является ловушкой дырок с энергетическим уровнем, проводимости. Трудно предполагать, что в процессе расположенным вблизи потолка валентной зоны. Весьма такого отжига избыточные атомы Te покидают кристалл.

похожую картину в распределении избыточных ато- Скорее всего, в объеме кристалла происходит какая-то мов Te в поликристаллах CdTe, выращенных верти- перегруппировка этих атомов. Например, авторы [12] кальным методом Бриджмена, наблюдали в работе [10]. утверждают, что после отжига в парах Cd при темпеВполне вероятно, что именно эти образования обуслов- ратуре 700C в течение 50 ч избыточные атомы Te ливают наблюдаемую нами прыжковую проводимость. образуют преципитаты с размерами от 3 до 20 мкм, Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Транспорт носителей заряда в отожженных крупно- и мелкозернистых поликристаллах CdTe которые, не изменяя спектра электронных состояний, существенно изменяют величины подвижностей носителей зарядов.

Возможен и другой процесс — во время отжига атомы Cd проникают в поликристалл и, соединяясь с атомами Te, уменьшают их избыточность.

3.2. Мелкозернистные поликристаллы На рис. 3 представлена температурная зависимость удельного сопротивления неотожженного мелкозернистого поликристалла. Эту зависимость интерпретировать весьма сложно — во всем интервале температур нет ни одного участка, где энергия активации не зависела бы от температуры. Скорее всего, здесь имеет место прыжковая проводимость, связанная либо с перескоками дырок между локализованными состояниями, либо с наличием щели в распределении плотности состояний от энергии вблизи уровня Ферми. Мы не имеем возможности сколь-нибудь разумно объяснить эту зависимость. Во-первых, распределение плотности состояний Рис. 4. Температурная зависимость удельного сопротивления от энергии внутри запрещенной зоны в CdTe неизвестно.

мелкозернистого поликристалла p-CdTe после отжига в Во-вторых, что такое плотность локализованных состопарах Cd при температуре 500C в течение 125 ч.

яний в поликристаллах с размерами зерен 50 мкм — тоже вопрос.

Мы считали своей задачей выяснить влияние отжига на электрические свойства поликристаллов CdTe — ни во всей области температур от 250 до 77 K нет ни один практически значимый прибор не изготавливается одного участка, где бы энергия активации зависела от на неотожженных кристаллах. На рис. 4 представлена температуры. Это означает, что отжиг образца привел температурная зависимость удельного сопротивления к исчезновению прыжковой проводимости. На темпетого же образца, что и на рис. 3, но измеренная после ратурной зависимости удельного сопротивления этого его отжига в насыщенных парах Cd при температу- образца четко обозначаются два наклона: первый — в ре 500C в течение 125 ч. Из рис. 4 следует, что области температур 280-170 K и второй — в области 160 K и ниже. Первый наклон соответствует энергии активации 0.24 ± 0.02 эВ и, по-видимому, обусловлен локальными центрами, которые мы наблюдали ранее [2].

Второй наклон при T < 160 K интерпретировать сложнее. Его нельзя связать с захватом дырок на мелкие акцепторы, которые при данных температурах ионизованы и, следовательно, не могут давать вклад в изменение концентрации свободных носителей.

Аналогичные температурные зависимости удельного сопротивления мы наблюдали и ранее [2] и связали появление второго наклона с уменьшением подвижности дырок при понижении температуры из-за их рассеяния на заряженных межзеренных границах, которых в данных мелкозернистых поликристаллах достаточно много.

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.