WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 11 Основные принципы послеростового отжига слитка CdTe : Cl для получения полуизолирующих кристаллов © О.А. Матвеев¶, А.И. Терентьев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 26 апреля 2000 г. Принята к печати 28 апреля 2000 г.) Исследован процесс отжига слитка CdTe : Cl при охлаждении его после выращивания. Отжиг производился в 2 этапа: высокотемпературный этап, когда при термодинамическом равновесии кристалла с паром летучих компонентов устанавливается примерное равенство концентраций хлора и вакансий кадмия, и низкотемпературный этап, когда заряженные дефекты взаимодействуют с образованием нейтральных ассоциатов.

Определены необходимые для получения полуизолирующего кристалла концентрации легирования хлором для различных скоростей охлаждения слитка на высокотемпературном этапе. Определена зависимость концентрации примеси [Cl+ ] в слитке от температуры его отжига на высокотемпературном этапе. Получены Te значения времен жизни и дрейфовых подвижностей носителей заряда в кристалле в зависимости от температуры и от давления паров кадмия при послеростовом отжиге слитка.

Низкая проводимость кристаллов CdTe, высокие вре- ся условия для самокомпенсации заряженных атомных мена жизни и подвижности свободных носителей заряда, дефектов в кристалле, начиная с максимально высонеобходимые для детекторов ядерного излучения [1,2], ких температур. Самокомпенсация осуществляется на достигаются, как известно, в материале, легированном двух этапах отжига. Первый этап — высокотемперахлором, вследствие эффекта самокомпенсации заряжен- турный отжиг (Tann = 1070-800C), когда растворимость собственных атомных дефектов велика [10] иможных атомных дефектов [3–6].

но получить высокую концентрацию вакансий кадмия Самокомпенсация ранее изучалась нами при отжиге -2 -1 [VCd ] +[VCd ] [Cl+ ], которая также должна быть образцов CdTe : Cl (размер 3312 мм3), имитирующем Te больше концентрации неконтролируемых примесей. При охлаждение слитка после выращивания кристалла при этих температурах ассоциация доноров и акцепторов температуре T 980C [7,8]. Отжиг проводился мала и ею можно пренебречь [3,10]. Второй этап — под регулируемым давлением паров кадмия и теллура.

низкотемпературный отжиг (Tann = 800-400C). Здесь В результате отжига были получены образцы полуглавным является взаимодействие заряженных дефектов изолирующие, с проводимостью 10-10 Ом-1 · см-1, -с образованием незаряженных ассоциатов: (VCd 2Cl+ )0, с низкой концентрацией свободных носителей заряда Te (VCdCl+ )0, (A-D+)0. В кристалле остаются несвязанp(n) =(107-108) см-3. Однако произведения подвижноTe -ные в нейтральные ассоциаты основные дефекты: VCd, сти и времени жизни электронов и дырок на отжигаемых -2 -образцах µee 10-4 см2 ·В-1, µhh 10-5 см2 ·В-1 бы- (VCd Cl+ )- и другие, например (VCd D+)-, (A-2Cl+ )Te Te ли существенно ниже, чем в слитке после выращивания: (где D и A — фоновые примеси доноров и акцепторов), µee 10-3 см2 · В-1, µhh 10-4 см2 · В-1. К сожале- дающие в запрещенной зоне уровни энергии Ev + 0.9эВ, нию, в этих работах отжиги не могли быть проведены Ev + 0.14 эВ, Ev +(0.5-0.9) эВ [11]. Концентрации этих при максимально высоких температурах, начиная с ко- дефектов определяют величины подвижностей и времен жизни носителей заряда в кристалле. Здесь и в дальнейторых происходит послеростовой отжиг слитка, а также -min шем не указывается вакансия VCd, которая присутствует в области низких давлений пара кадмия PCd PCd, поскольку в этих условиях сублимация материала в хо- в значительно меньшем количестве по сравнению с -2 -вакансией VCd ; доминирование дефекта VCd является лодную часть ампулы приводила не только к изменениям определяющим для самокомпенсации в CdTe [6,10].

на поверхности, но и в объеме образца, что было заметно Рассмотрим условия самокомпенсации при отжиге по неоднородной электропроводности образца.

слитка на высокотемпературном этапе. При длительВ данной работе приводятся результаты исследования ной выдержке слитка при постоянной температуре в самокомпенсации при отжиге слитка непосредственно течение t = (5-15) ч в результате термодинамическопосле его выращивания. При этом отжиг начинается го равновесия между CdTe и давлением паров PCd в практически с температуры кристаллизации соединения.

ампуле устанавливается соответствующий состав криСлитки CdTe : Cl (весом 0.5-1.0кг) выращиваются сталла, т. е. устанавливается необходимая концентрация методом горизонтальной направленной кристаллизации вакансий кадмия. Основным условием осуществимости под управляемым давлением пара кадмия [9]. Материал процесса самокомпенсации является необходимая раслегируется хлором при его выращивании в концентратворимость VCd при температурах отжига слитка. Темпеции N(Cl). При послеростовом охлаждении осущература Tann = 800C является наименьшей, при которой ствляется отжиг слитка, в процессе которого создаютвозможно получить достаточно высокую концентрацию -¶ E-mail: Oleg.matveev@pop.ioffe.rssi.ru дефектов [VCd ] [Cl+ ]. При более низких значениях Te Основные принципы послеростового отжига слитка CdTe : Cl... Tann в условиях равновесия кристалл–газ растворимость -акцепторных дефектов VCd даже при самых малых даmin влениях паров PCd PCd недостаточна для самокомпенсации заряженных дефектов.

Следующим условием осуществления самокомпенсации является сохранение соотношения концентраций -доноров и акцепторов [VCd ] [Cl+ ] при охлаждении Te на высокотемпературном этапе отжига. При этом экспериментально обнаружено, что получение полуизолирующего самокомпенсированного материала зависит от концентрации хлора. Если концентрация дефектов [Cl+ ] Te при охлаждении слитка будет превышать концентрацию вакансий кадмия, то получается материал высокой проводимости, n 1016 см-3. При уменьшении температуры кристалла CdTe уменьшается растворимость и хлора, и вакансий кадмия [12,13]. Следовательно, при охлаждении слитков могут реализоваться два вариан-та. Первый — когда уменьшение концентраций [VCd ] и [Cl+ ] происходит примерно одинаково, соотношение Te -[VCd ] [Cl+ ] сохраняется и получается полуизолируTe ющий материал. И второй вариант, когда соотношение концентраций изменяется таким образом, что стано-вится [Cl+ ] > [VCd ] и получается материал высокой Te проводимости.

Результаты получения CdTe полуизолирующего или Рис. 1. Области низкой (A) и высокой (B) провысокой проводимости в зависимости от концентрации водимости кристаллов CdTe : Cl в зависимости от уровхлора N(Cl) и скорости охлаждения слитка (vCdTe) на ня легирования кристалла хлором и от различных сковысокотемпературном этапе показаны на рис. 1. Кон- ростей охлаждения слитка (vCdTe) в интервале температур центрация N(Cl) включает в себя хлор, растворенный 1070-900C. Области A и B соответствуют концентрациям: A — p 108 см-3, B — n 1016 см-3. Обозначения:

в слитке CdTe, — электрозаряженный (Cl+ ) и хлор, Te 1 — полуизолированный CdTe, 2 — CdTe высокой проводинаходящийся на границах зерен, а также хлор, заполняюмости.

щий газовое пространство ампулы, адсорбируемый графитовым покрытием ампулы и контейнера, и т. д. Можно считать, что при соблюдении одинаковых условий опыта изменение N(Cl) будет приводить соответственно к тако- В условиях отжига, отраженных на рис. 1 областью му же изменению концентрации хлора непосредственно высокой проводимости B (незаштрихованное поле рисунв кристалле. Нами использовались концентрации N(Cl) ка), большие скорости охлаждения при высоких величиот 2 · 1018 см-3 — наименьшей величины, необходи- нах содержания хлора в слитке не позволяют сохранять мой для самокомпенсации в кристалле при выращива- равенство концентрации хлора и вакансий кадмия. Это нии CdTe из расплава [14], до N(Cl) 2 · 1019 см-3, вызвано тем, что при быстром снижении температуры при которой наблюдается выделение CdCl2 на границах не успевает, из-за низкого коэффициента диффузии хлора зерен [15]. Для получения полуизолирующих кристаллов (по сравнению с вакансией кадмия) [13,16], устанавлискорость охлаждения слитка должна быть такой, чтобы ваться концентрация [Cl+ ], соответствующая равновесTe -соотношение концентраций дефектов [Cl+ ] [VCd ] не ной его растворимости. Вследствие этого примесь Cl+ Te Te нарушалось на всем высокотемпературном этапе отжига. может оказаться в кристалле в большей концентрации, -Поле на рис. 1 разделяется кривой на 2 области, отража- чем вакансии VCd, что и определяет получение материющие два варианта соотношений между концентрациями: ала с n 1016 см-3.

-2 -[VCd ] [Cl+ ] и [Cl+ ] > [VCd ]. Полуизолирующий Таким образом, определены условия осуществления Te Te материал получается во всем интервале легирования самокомпенсации в CdTe : Cl путем отжига слитка на N(Cl) = 2 · 1018-2 · 1019 см-3, когда vCdTe = 2K/ч всем высокотемпературном интервале охлаждения после (см. рис. 1). При более высоких скоростях охлаждения выращивания кристалла в широком интервале легироваслитка происходит сужение этой области со стороны ния и скоростей охлаждения слитка.

высоких концентраций хлора, когда получается мате- Отжиг слитка на низкотемпературном этапе проводитриал высокой проводимости (область B на рис. 1). ся также в соответствии с требованиями осуществления При самых высоких скоростях роста vCdTe = 48 K/ч самокомпенсации. На этом этапе охлаждение слитка полуизолирующий кристалл получается уже только для проводится с такой экспериментально подобранной, досамых малых концентраций N(Cl) =(2-4) · 1018 см-3. статочно высокой скоростью v = 50-80 K/ч, что в Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1318 О.А. Матвеев, А.И. Терентьев объеме его не успевает устанавливаться соответствующая этим температурам, 800-400C, низкая концентрация вакансий кадмия [17,18]. Таким образом не нарушается достигнутое на высокотемпературном этапе соответствие концентраций заряженных дефектов. В то же время эта скорость охлаждения вполне достаточна, чтобы обеспечить образование ассоциатов доноров Cl+ с Te -акцепторами VCd, т. е. чтобы реализовалась ”самоочистка” в кристалле [5]. Образование ассоциатов происходит при миграции дефектов друг к другу. Оценка вероятности образования ассоциатов производится по механизму случайных блужданий [19]. Вероятность того, что переход дефекта приведет его к ”стоку” (к образованию ассоциата), приблизительно равна вероятности того, что узел, в который попадает дефект, является стоком. Эта вероятность равна атомной доле стоков C. В нашем случае -[Cl+ ] [VCd ] 1016 см-Te C = 10-6, N0 N0 1022 см-где N0 — концентрация атомов в см3. Поэтому среднее число переходов, необходимых для попадания в сток, приблизительно равно n 1/C = 106. Для определе ния времени завершения процесса образования ассоциРис. 2. Концентрация хлора N(Cl) в слитке CdTe : Cl в завиатов необходимо оценить постоянную времени спада симости от температуры отжига Tann, определенная методами:

концентраций не провзаимодействующих дефектов ( ).

1 — масс-спектрального анализа, 2 — атомно-сорбционного Это можно вычислить с помощью теории диффузии:

анализа, 3 — по данным измерений эффекта Холла.

n = z, где z = 4 — координационное число, = D/a2 — средняя частота скачков в направлении к стоку и соответствует коэффициенту диффузии D перемещающегося дефекта, = 1 для кубических решеток, свободных носителей, соответствующая концентрации a = 2.5 · 10-8 см — межатомное расстояние в CdTe. хлора (мелкого донора) n = [Cl+ ] [10]. Хлор из свяTe -Отсюда следует 1.6 · 10-10/D. Для крайних зна- занных состояний (VCd 2Cl+ )0, (A- Cl+ )0 переводился Te Te чений температур второго этапа отжига 400C и 800C в донорное отжигом кристалла при высоких давленикоэффициенты диффузии перемещающихся дефектов со- ях PCd [7]. Результаты прямого и косвенного методов ставляют [13,16] показывают одинаковый характер зависимости конценD(Cl) =10-11 см2 · с-1, D(VCd) =10-10 см2 · с-1 трации хлора в слитке CdTe от температуры отжига в условиях послеростового охлаждения слитка. Количеи ство хлора, определенное методом измерения эдс Холла наименьшее по сравнению с другими методами анализа, D(Cl) =10-9 см2 · с-1, D(VCd) =2 · 10-8 см2 · с-так как в нем учитываются только электрозаряженные автономные дефекты Cl+.

соответственно. Выбранное в эксперименте время охлаTe На рис. 3 показаны зависимости концентраций носиждения 6 ч составляет 103 даже при самом малом телей заряда n, p от давления PCd для двух температур коэффициенте диффузии D, и вследствие этого процесс отжига. Видно, что при больших давлениях PCd величиассоциации дефектов можно считать завершенным.

Поскольку для получения полуизолирующих кристал- на n достигает значений 1016 см-3 вследствие того, что -при этом устанавливается соотношение [Cl+ ] > [VCd ].

лов необходимо на двух стадиях отжига соблюдать Te -Дефекту Cl+ соответствует мелкий донорный уровень в соотношение [Cl+ ] [VCd ], важно знать концентрацию Te Te запрещенной зоне Ec = 0.01 эВ, поэтому его избыток хлора непосредственно в кристалле и температурное ее изменение с тем, чтобы обоснованно задавать концентра- приводит к быстрому росту n в кристалле. Дефект --VCd и ассоциаты с ним дают глубокие уровни энергии цию [VCd ] с помощью поддержания давления PCd.

Содержание хлора в слитке для разных температур Ev + (0.5-0.9) эВ, поэтому рост p с уменьшением отжига было установлено методами масс-спектрального, давления PCd также наблюдается, но он происходит знаатомно-сорбционного анализов и косвенным путем — чительно медленнее и p возрастает только до 109 см-3.

при измерении эффекта Холла на специально отожжен- Зависимости n, p от PCd для температур отжига ных монокристаллических образцах (рис. 2). Посред- и 1070C удивительно похожи по форме при практиством измерения эдс Холла определялась концентрация чески одинаковых концентрациях свободных носителей Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Основные принципы послеростового отжига слитка CdTe : Cl... низких температурах Tann = 800-900C, т. е. подвижности достигают своей практически предельной величины при нижней температуре высокотемпературного этапа отжига слитка. В полуизолирующем CdTe : Cl подвижность носителей заряда определяется также деформациями и неоднородностями, которые ограничивают объем проводящей части кристалла, либо вызывают дополнительное рассеяние [20]. При более низких температурах отжига растворимость заряженных атомных дефектов уменьшается. Это приводит к уменьшению неоднородностей и нейтральных скоплений примесей и дефектов структуры, вызывающих рассеяние носителей заряда.

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.