Вивчення впливу акустичних хвиль ультразвукового діапазону частот та допорогової інтенсивності на систему дефектів і властивості вузькозонних твердих розчинів CdхHg1-хTe. Вивільнення зв"язаних в дислокаційні атмосфери дефектів під впливом ультразвуку.
Аннотация к работе
Дослідження процесів природної та стимульованої трансформації системи дефектів в напівпровідникових кристалах відіграє важливу роль при розв?язанні як фундаментальних, так і прикладних проблем фізики твердого тіла і є складовою сучасного наукового напрямку, що має назву “конструювання” дефектів (defect engineering ). При умові правильно підібраних режимів ультразвукова хвиля може служити як ефективним інструментом активного впливу на кристал з метою поліпшення його параметрів, так і бути використаною для неруйнівного контролю дефектності вихідного матеріалу та готових приладних структур. При перевищенні останньою деякої порогової величини в кристалі розпочинаються незворотні процеси, пов?язані з генерацією точкових та лінійних дефектів, внаслідок чого відбувається незворотна зміна параметрів матеріалу. Метою роботи було встановлення домінуючих процесів акустостимульованого перетворення системи дефектів в твердих розчинах CDXHG1-XTE при допороговому УЗ навантаженні та пошук можливостей практичного застосування ультразвуку допорогової інтенсивності для неруйнівного контролю ступеня структурної досконалості цього матеріалу. Вивчити залежність акустостимульованих ефектів в кристалах CDXHG1-XTE від параметрів УЗ навантаження та зясувати, чи існує кореляції між величиною цих ефектів в цьому матеріалі та вихідним станом дефектної системи кристалу.З метою визначення домінуючих механізмів впливу ультразвуку допорогової інтенсивності на процес розсіювання носіїв в кристалах CDXHG1-XTE були досліджені температурні залежності (Т=77?300К) холлівської рухливості носіїв заряду ?H(T) на прикладі зразків n-типу провідності. Огляд літературних даних показав, що до домінуючих факторів, які обмежують рухливість носіїв в кристалах CDXHG1-XTE в температурному діапазоні (4?300 К) більшість авторів відносять розсіювання на іонізованих домішках, розсіювання на сплавному потенціалі та розсіювання на полярних оптичних фононах. Показано, що в присутності ультразвуку зменшення рухливості носіїв заряду, обумовленої розсіюванням на іонізованих домішках ?ion, внаслідок АС підвищення концентрації центрів розсіювання значною мірою може бути компенсоване збільшенням ?ion внаслідок підвищення ефективності екранування та середньої енергії електронів в полі УЗ деформації. Збільшення концентрації носіїв заряду в присутності ультразвуку повинно приводити до збільшення вкладу механізму розсіювання на сплавному потенціалі ?al , а отже зменшення рухливості носіїв, внаслідок залежності рухливості ?al від енергії електронів (?e-1/2). Таким чином, аналіз процесу розсіювання носіїв заряду в кристалах CDXHG1-XTE в умовах УЗ навантаження показав, що АС модифікація умов розсіювання, а саме: збільшення концентрації центрів розсіювання, підвищення ефективності розсіювання на сплавному потенціалі та на оптичних фононах приводить до зменшення рухливості електронів, що і спостерігається в досліджених кристалах в області власної провідності.
Список литературы
Результати дисертаційної роботи опубліковані в 13 працях, з яких 8 - статті у фахових наукових журналах, 1 - у збірнику наукових праць, 4 - у збірниках наукових тез.
Структура й обсяг дисертації.
Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел. Робота викладена на 140 сторінках, включає 26 рисунків, 5 таблиць, 1 додаток і список літератури, що містить 162 джерела, розташований на 13 сторінках.
ОСНОВНИЙ Зміст роботи
У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи та її звязок з науковими програмами, планами і темами досліджень, які виконуються в ІФН НАНУ, сформульовані мета та задачі дослідження, наукова новизна і практичне значення одержаних результатів, наведені дані про апробацію роботи, кількість публікацій та особистий внесок здобувача.
У першому розділі подано огляд літературних джерел, в якому коротко представлені питання, що стосуються теми дисертаційної роботи: проаналізовано механізми взаємодії ультразвуку з твердим тілом та розглянуто відомі акустостимульовані ефекти в напівпровідникових кристалах. Розглянуті також ефекти впливу ультразвукових обробок на електрофізичні та фотоелектричні параметри твердих розчинів CDXHG1-XTE, визначено коло невирішених питань для цього матеріалу. Наприкинці глави визначені мета й завдання даної роботи.
В другому розділі викладено загальні принципи методики допорогового ультразвукового навантаження, яка має дві характерні особливості. По-перше, акустостимульовані зміни властивостей кристалів CDXHG1-XTE контролювалися безпосередньо в присутності УЗ навантаження. По-друге, був використаний режим допорогового УЗ навантаження, тобто всі АС ефекти мали зворотний характер та після виключення ультразвуку значення досліджуваних параметрів поверталися до вихідних. Отже, існувала можливість вивчення впливу ультразвуку на одну і ту ж дефектну структуру кристалу при різних УЗ режимах та різними взаімодоповнюючими методами. Приведена також схема способу УЗ навантаження досліджуваних зразків та наведена робоча блок-схема установки контролю УЗ режимів та дослідження впливу ультразвуку на властивості кристалів CDXHG1-XTE.
В досліджуваних кристалах за допомогою пєзоперетворювача з ніобату літія збуджувалася повздовжня УЗ хвиля частотою FUS~5?7МГЦ та інтенсивністю WUS ? 104 Вт/м2. Величина механічних напружень SUS ( або ефективного тиску P), які створюються акустичною хвилею в зразку, була розрахована за формулою : SUS=( 8U2K2CFUS(rv)T (rv)S / (rv)B S )1/2(1) де U - ефективне значення напруги на виході генератора, К - коефіцієнт електромеханічного звязку, (rv) - хвильовий опір, r та v - відповідно густина та швидкість повздовжньої акустичної хвилі в зразку (індекс S), в перетворювачі (індекс T) та буфері (індекс B), C - ємність перетворювача, S - площа перетворювача, що має акустичний контакт із зразком, FUS - резонансна частота перетворювача. Величина SUS не перевищувала границі пружної деформації для досліджуваного матеріалу.
В другому розділі також описані режими дослідження температурних та магнітопольових залежностей електрофізичних параметрів кристалів CDXHG1-XTE методом ефекту Холла та магніторезистивного ефекту, отримання спектрів комбінаційного розсіювання світла, дослідження системи протяжних структурних дефектів методом оптичної мікроскопії та спосіб селективного травлення. Наведена методика підготовки кристалів CDXHG1-XTE до вимірів. Визначені переваги обраного для дослідження матеріалу.
В третьому розділі представлені результати вивчення дефектоперетворення в кристалах CDXHG1-XTE, стимульованого ультразвуком допорогової інтенсивності, яке складалося з комплексних досліджень впливу УЗ навантаження на властивості твердих розчинів CDXHG1-XTE. Вивчалися температурні, магнітопольові, амплітудні ( від інтенсивності ультразвука ) залежності основних електрофізичних параметрів та перехідні процеси, залежність величини АС ефектів від ступеня структурної досконалості в досліджуваних зразках та супутній ефект АС розігріву кристалу.
Результати дослідження дозволяють говорити про те, що в кристалах CDXHG1-XTE як n- так і р-типу провідності відбувається АС підвищення вкладу електронної компоненти в провідність. Причому, визначальну роль в цьому процесі відіграють лінійні структурні дефекти - дислокації та малокутові границі, оскільки встановлено, що величина АС зміни концентрації носіїв при одних і тих же значеннях УЗ інтенсивності, прикладеної до досліджуваних кристалів, відрізняється для різних зразків та корелює з густиною протяжних структурних дефектів. Це узгоджується із загальновідомим механізмом акустодислокаційної взаємодії, згідно якому саме поблизу дислокацій, що рухаються в полі УЗ хвилі, відбувається переважне поглинання енергії останньої.
Вивчення перехідних процесів показало, що при включенні та виключенні УЗ навантаження величина досліджуваного параметру (в даному випадку це концентрація носіїв заряду) стабілізувалася за час від 10 до 103 с. Величина часу релаксації залежала від температури та УЗ інтенсивності, корелювала з величиною зміни параметру та не залежала від часу озвучення.
Існує декілька можливих механізмів АС дефектоперетворення при допороговому УЗ навантаженні, які і були проаналізовані в третьому розділі. Дислокації, як відомо, створюють енергетичні рівні в забороненій зоні кристалу. Зміна зарядового стану таких рівнів в полі УЗ деформації повинна впливати на концентрацію вільних носіїв. Проте цей механізм, а також міжзонну генерацію носіїв в вузькозонних включеннях можна виключити із розгляду внаслідок того, що час релаксації для таких процесів повинен бути порядку ( 10-7?10-6 ) с, тобто набагато меншим за той, що спостерігається експериментально. Макроскопічне значення величини часу релаксації вказує скоріш за все на домінування іонного механізму АС перетворення дефектної структури в кристалах CDXHG1-XTE. Крім того, локальне підвищення температури поблизу лінійних дефектів повинно приводити до генерації додаткової концентрації сходинок на дислокаційних лініях, які згідно літературним данним є місцем утворення дефектів донорного типу. Проте вклад цього механізму не є настільки суттєвим, щоби пояснити кількісно величину зміни концентрації. Густина сходинок навіть при Nd = 1010 м-2 складає величину ?1019м-3.
Перебіг АС процесів в кристалах CDXHG1-XTE при допороговому низькотемпературному УЗ навантаженні можна повязати з існуванням атмосфер звязаних поблизу дислокацій власних дефектів та домішок - так звані атмосфери Котрела [3]. Ці дефекти не дають вкладу в провідність та можуть знаходитися як в нейтральному, так і в іонізованому стані, утворюючи в останньому випадку області просторового заряду. При УЗ навантаженні частина звязаних в атмосферах дефектів може бути переведена в електричноактивний стан шляхом акустоактивації з подальшою іонізацією. Цьому сприяє інтенсивне виділення тепла біля дислокацій внаслідок переважаючого поглинання енергії УЗ хвиля саме поблизу таких макродефектів. На користь термоакустоактиваційного механізму зміни концентрації носіїв заряду свідчить також характер амплітудних залежностей, досліджених при різних температурах на прикладі одного з кристалів CDXHG1-XTE n-типу провідності та представлених на рис. 1. Видно, що при підвищенні інтенсивності УЗ навантаження відбувається експоненційне зростання концентрації, яке можно описати виразом : nb(SUS)=n(T?,SUS)- n0 (T?,0)= N0bexp(-(U0 - GSUS)/KTI), (2) де N0b - загальна концентрація звязаних дефектів; U0 - їх енергія звязку (активації), g - еффективний коефіцієнт взаємодії УЗ хвилі з дефектами кристала. Нахил залежності lgn=f(sus), sus= (2RUUSWUS)1/2, дещо збільшується із збільшенням температури, що свідчить на користь термоактивованого характеру коливального руху дислокацій в досліджуваних кристалах.
В результаті дослідження впливу ультразвуку на електрофізичні властивості твердих розчинів CDXHG1-XTE було встановлено, що величина АС зміни концентрації носіїв заряду при однакових значеннях прикладеної до кристалів інтенсивності ультразвуку WUS відрізняється від зразка до зразка та корелює з густиною протяжних структурних дефектів - дислокацій NDIS та малокутових границь (МКГ) Nlab..Було зясовано, що максимальний ефект впливу УЗ коливань на досліджуваний матеріал спостерігається в кристалах з розгалуженою сіткою МКГ. Згідно моделі вимушених ( в полі зовнішнього УЗ навантаження ) резонансних коливань границь субблоків структури в кристалах CDXHG1-XTE [10] максимальна зміна таких параметрів кристалу, як концентрація та рухливість рівноважних носіїв заряду, відбувається в тому випадку, коли зовнішня частота FUS. близька до частоти, повязаної з геометричними розмірами субблочної структури fr. Цей звязок можна подати у вигляді : fr=VUS /2L, де L=(Nlab )-1- середній розмір субблока зразка, VUS = 3.4?103 м/с- швидкість повздовжньої акустичної хвилі в CDXHG1-XTE.
Були досліджені дві групи кристалів CDXHG1-XTE, для яких величини АС зміни концентрації носіїв, густини протяжних дефектів та розрахованої власної частоти FR наведені в таблиці 1. Для першої групи зразків умова резонансу акустодислокаційної взаємодії не виконується. Величина FR, ? 0.5 МГЦ суттєво відрізняється від частоти УЗ навантаження та максимальна величина зміни концентрації носіїв не перевищує D = NUS /n0 ? 1.5. Для другої групи зразків з розгалуженою сиситемою МКГ величина D набагато більша. Умови, близьки до резонансу ( FR = 8.5 МГЦ близька до частоти УЗ навантаження FUS ) та, відповідно максимальний АС ефект реалізується для зразка №4 (див. Таблицю 1, група 2).
Таким чином, дослідження показали, що величина АС ефектів в твердих розчинах CDXHG1-XTE визначається вихідним станом дефектної структури кристалу, тобто залежить від густини протяжних дефектів. Зміна електрофізичних параметрів тим більша, чим ближче частота поля УЗ деформації до власної частоти субблочної структури.
Таблиця 1. Вихідні та розраховані параметри досліджених зразків CDXHG1-XTE : густина протяжних структурних дефектів, відносна АС зміна концентрації носіїв заряду D та розрахована власна середня частота субблочної структури fr
1 група зразків NLAB ? 3 cm-1, FR, ? 0.5 МГЦ 2 група зразків NDIS ~ 105cm-2
При розповсюдженні в напівпровідниковому кристалі акустичної хвилі мегагерцового діапазону втрати акустичної енергії, у відповідності з механізмом акустодислокаційної взаємодії, відбуваються переважно поблизу макроскопічних дефектів, що рухаються в полі акустичної хвилі (АХ). Отже, поблизу дислокацій та малокутових границь можна очікувати інтенсивне виділення тепла.
Дислокації, які здійснюють коливальний рух при розповсюдженні в кристалі акустичної хвилі, були розглянуті як лінійні джерела тепла. За пів періода АХ TUS=(2FUS)-1 відбувається стиснення та розігрів матриці поблизу таких дефектів. Час релаксації акустостимульованого розігріву можна оцінити за виразом
TR=d2/p2DT де d - середня по кристалу відстань між дислокаціями, DT - температуропровідність кристалу. Величина густини дислокацій для досліджених зразків CDXHG1-XTE знаходиться в межах Ndis = 108?1010 м-2 . Відповідно середня по кристалу відстань між дислокаціями дорівнює d=NDIS-1/2= (10-5?10-4) м. Характеристичний час релаксації акустостимульованого розігріву області навколо дислокації складає величину TR=10-3?10-1 с. Виконується умова адиабатичності TUS<TR , тобто теплова рівновага за пів періода акустичної хвилі встановитися не встигає. Отже, на фоні середньої температури в матриці існують джерела постійного розігріву.
Розвязання рівняння теплопровідності для дислокації що рухається, як для лінійного джерела тепла, дозволяє отримати вираз, який описує розподіл температури в межах радіусу розігріву дислокації у вигляді : (3) де W0 - енергія, що розсіюється одиницею довжини дислокації за одиницю часу, R0=2c/Crvdis - стаціонарний радіус розігріву дислокації, c, С, r - відповідно теплопровідність, теплоємність та густина матриці, vdis - швидкість руху дислокацій, Т0 - середня рівноважна температура по кристалу. Оцінка величини радіусу області розігріву навколо дислокації для кристалів CDXHG1-XTE дає величину R0 ~ 2?10-6 м. Розподіл температури навколо ядра дислокації в кристалі CDXHG1-XTE, розрахований за виразом (3), представлено на рис.2. Оцінка показала, що при використаних інтенсивностях УЗ навантаження температура поблизу дислокації, яка коливається в полі УЗ деформації, збільшується на величину ~ 20 К
Якщо густина структурних дефектів в кристалі така, що виконується умова перекриття областей розігріву навколо сусідніх дислокацій, а саме d<2R0, то акустичне навантаження приведе до макроскопічного розігріву зразка. Стосовно виконання цієї умови критичною є густина дислокацій 1011 м-2.
В роботі виявлено, що таке обмеження по густині дислокацій дійсно має місце. А саме, при УЗ навантаженні зразки з Ndis > 1011 м-2 нагрівалися рівномірно внаслідок неперервного розподілу в них теплових джерел - дислокацій. В кристалах, в яких середня величина Ndis не перевищувала 1010 м-2 , проте розподіл дислокацій був суттєво неоднорідним, УЗ навантаження приводило до появи градієнтів температури внаслідок макроскопічного розігріву областей підвищеної дефектності. В зразках же з рівномірним розподілом та густиною дислокацій Ndis ~ 108 м-2 нагрів кристалу мав локальний характер і в макроскопічних ефектах не проявлявся.
Результати дослідження ефектів метастабільного дефектоперетворення в околі дислокацій та макроскопічного розігріву областей підвищеної дефектності в кристалах CDXHG1-XTE дозволили запропонувати для даного матеріалу новий, неруйнівний метод експрес-контролю структурної досконалості, суть якого в безконтактному виявленні ділянок підвищеної дефектності в пластинах CDXHG1-XTE по розподілу температури в пластині при УЗ навантаженні.1. Олих Я.М., Савкина Р.К. Акустостимулиированная активация глубоких уровней в нейтронно-легированном германиии // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника.-1996.- №31.- С.62-67.
3. Olikh Ya.M., Savkina R.K., Vlasenko O.I. Acoustodynamic influence on electronic propeties of CDHGTE alloys // Proc. of SPIE - 1999.- Vol.3890.- Р.536-540.
4. Власенко О.І., Оліх Я.М., Савкина Р.К. Особливості динамічного впливу ультразвуку на електрофізичні параметри напівпровідникових кристалів CDHGTE (x=0.2) // УФЖ.-1999.-Т.44, №5.- С.618-621.
5. Власенко А.И., Олих Я.М., Савкина Р.К. Акустостимулированная активация связанных дефектов в твердых растворах CDHGTE // ФТП.-1999.- Т.33, №4,- С.410-414.
6. Власенко А.И., Олих Я.М., Савкина Р.К. Подвижность носителей заряда в кристаллах n-CDHGTE в условиях динамического ультразвукового нагружения // ФТП.-2000.- Т.34, №6.- С.670-676.
7. Olikh Ya.M., Savkina R.K., Vlasenko O.I. Acoustodynamic transformation of the defect structure in Hg1-x Cdx Te alloys // Simiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics.-2000.- Vol.3, №3.- Р.304-307.
8. Власенко О.І., Савкіна Р.К. Теплові ефекти в кристалах CDHGTE при допороговому ультразвуковому навантаженні // Вісник Київського університету.- 2001.-№.2.-С.491-494.
9. Власенко О.І., Оліх Я.М., Савкіна Р.К. Природа акустостимульованої зміни рухливості електронів в кристалах n-CDXHG1-XTE // УФЖ.-2001.-Т.46, № 9.-C. 950-956.
10. Власенко О.І., Оліх Я.М., Савкина Р.К. Вплив динамічного ультразвукового навантаження на електрофізичні властивості CDHGTE (x=0.2) // Тези доповідей IX науково-технічної конференції "Хімія, фізика і технологія халькогенідів та халькогалогенідів".- Ужгород : Україна.- 1998.- С.168.
11. Власенко О.І., Оліх Я.М., Савкина Р.К. Вплив ультразвуку на протікання струму в структурно недосконалих кристалах CDHGTE (x=0.2) // Тези доповідей Міжнародної школи-конференції з актуальних питань фізики напівпровідників.- Дрогобич: Україна.- 1999. -С.90.
12. Olikh Ya.M., Savkina R.K., Vlasenko O.I. Acoustostimulated p®n transition and other effects in CDHGTE alloys at dynamic ultrasound loading // Third Intrn. School-Conference PPMSS.- Chernivtsi (Ukraine).- 1999.- Р.101
13. Savkina R.K., Vlasenko O.I. Acoustostimulated change of the charge carriers concentration in n- and p-CDHGTE alloys with different initial state of the defect structure // in 10th International Conference on II-VI Compounds. - Bremen ( Germany ).- 2001.-Mo-P41.