Дослідження впливу градієнта складу і дефектів гратки на оптичні, фотоелектричні властивості та механізми переносу заряду в твердих розчинах HgCdTe і фоточутливих структурах на їх основі - Автореферат

Широке коло фундаментальних та прикладних досліджень вузькощілинних напівпровідникових твердих розчинів HGCDTE зумовлено цілою низкою їх виняткових властивостей, серед яких найбільш важливою є можливість зміни ширини забороненої зони із зміною хімічного складу, що зумовлює в свою чергу їх широке практичне застосування у приладах ІЧ фотоелектроніки. Внаслідок того, що ширина забороненої зони CDTE або Cd1-YZNYTE (УЈ0,04, Eg»1,6 ЕВ) набагато перевищує ширину забороненої зони плівок Hg1-XCDXTE для фотоприймачів з червоною межею фотовідгуку l»10 мкм (х@0,215, Eg»0,1 ЕВ), між підкладкою та плівкою виникає шар з градієнтом ширини забороненої зони, товщина якого залежить від технологічних умов вирощування епітаксійних плівок (перш за все температури процесу РФЕ та часу), матеріалу, хімічного складу підкладки, густини дислокацій на гетеромежі, та ін. Характер зміни градієнта складу та повязаного з ним градієнта ширини забороненої зони, особливо в області p-n-переходу фотодіода, визначає в заначній мірі їх характеристики внаслідок майже експоненційної залежності величини фоточутливості від ширини забороненої зони. Значну роль в процесах переносу заряду у фотодіодах на основі HGCDTE відіграють глибокі центри у забороненій зоні, які можуть виникаюти як під час вирощування самих матеріалів, так і при виготовленні приладів на їх основі. Основною метою роботи були експериментальні дослідження і теоретичний аналіз оптичних, фотоелектричних та електрофізичних властивостей однорідних та варізонних епітаксійних плівок Hg1-XCDXTE і діодних структур на їх основі для вивчення можливості управління характеристиками p-n переходів (довгохвильова межа фоточутливості, динамічний опір, виявна здатність і т.д.) та цілеспрямованого впливу на ці характеристики.У вступі обгрунтована актуальність теми досліджень, сформульована мета і визначені задачі досліджень, показана наукова новизна та практичне значення одержаних результатів.Оскільки коефіцієнт поглинання не є в цьому випадку характеристикою всієї плівки, слід користуватися поняттям оптичної густини D. Вибираючи градієнт ¶Eg/¶z в якості підгоночного параметра, із співставлення розрахункових та експериментальних залежностей D(hw) можна встановити профіль Eg(z) в досліджуваній плівці, що і було завданням даної роботи. На другій ділянці до вказаного механізму поглинання додаються прямі переходи для фотонів, які мають енергію , а на третій поглинання здійснюється тільки за рахунок прямих переходів із зони легких і важких дірок в зону провідності. Якщо ж край поглинання формується з участю експоненційних “хвостів” густини станів, то легко пересвідчитись у тому, що друга похідна в точці Eg буде змінювати знак. При наявності градієнта ширини забороненої зони залежності T(hw) зсуваються в короткохвильову область у порівнянні із залежностями, одержаними при його відсутності.Дослідження оптичного пропускання дозволяють зробити кількісний та якісний аналіз градієнта ширини забороненої зони в епітаксійних плівках HGCDTE. Значення Egmin та Egmax з достатньою точністю можуть бути визначені з аналізу другої похідної оптичної густини, при умові, що величина градієнта не дуже велика (DEG= Egmax-Egmin<0.2 ЕВ). Експериментальні дослідження спектральних залежностей Т(hw) в РФЕ Hg1-XCDXTE з градієнтом складу, проведені при кімнатній температурі дозволяють передбачити спектральну залежність фотопровідності при температурі 77 К. Вимірювання спектрів фотовідгуку та фотопровідності дозволяють виявляти досить малі градієнти складу (Dx@0.005) у HGCDTE РФЕ шарах та діодних структурах на їх онові. В плівках р-типу з градієнтом складу і фотодіодах n -p типу на їх основі спостерігається широкополосний спектр, оскільки дифузійно-дрейфові дожини електронів набагато більші за товщину плівки (товщину бази і шару обємного заряду у фотодіодах).

Основний зміст роботи

1. Дослідження оптичного пропускання дозволяють зробити кількісний та якісний аналіз градієнта ширини забороненої зони в епітаксійних плівках HGCDTE. Спектральні залежності оптичного пропускання Т(hw)в плівках Hg1-XCDXTE, вирощених методом РФЕ на підкладках CDTE та CDZNTE, з градієнтом ширини забороненої зони є чутливими як до абсолютної величини градієнта, так і до вигляду залежності Eg(z) - лінійна вона, чи експоненційна. Значення Egmin та Egmax з достатньою точністю можуть бути визначені з аналізу другої похідної оптичної густини, при умові, що величина градієнта не дуже велика (DEG= Egmax- Egmin<0.2 ЕВ). В меншій мірі спектри оптичного пропускання чутливі до вибору локального коефіцієнта поглинання.

2. Експериментальні дослідження спектральних залежностей Т(hw) в РФЕ Hg1-XCDXTE з градієнтом складу, проведені при кімнатній температурі дозволяють передбачити спектральну залежність фотопровідності при температурі 77 К.

3. Вимірювання спектрів фотовідгуку та фотопровідності дозволяють виявляти досить малі градієнти складу (Dx@0.005) у HGCDTE РФЕ шарах та діодних структурах на їх онові. Вплив градієнта складу на фотоелектричні властивості проявляється у розширенні їх довгохвильової межі та зміщенні спектра у короткохвильову область. В плівках р-типу з градієнтом складу і фотодіодах n -p типу на їх основі спостерігається широкополосний спектр, оскільки дифузійно-дрейфові дожини електронів набагато більші за товщину плівки (товщину бази і шару обємного заряду у фотодіодах).

4. Виміряно та обчислено темновий струм у фотодіодах Hg1-XCDXTE (х@0.22) n -p типу при 77 К. Знайдено, що при малих зворотних зміщеннях домінуючими механізмами транспорту носіїв є генерація в збідненій області та тунелювання через глибокі дефектні стани. З узгодження експериментальних та розрахункових даних знайдено величини концентрації тунельних центрів (1013-1015 см-3) і їх енергії (0.72 Eg). Виміряний 1/f шум при низьких зворотних зміщеннях може бути зумовлений тунельним темновим струмом через глибокі дефектні стани.

Основні результати дисертації опубліковані у таких роботах

1. Z.F. Ivasiv, V.V.Tetyorkin, F.F.Sizov and V.A.Petryakov. Optical Properties of Hg1-XCDXTE/CDTE Epitaxial Films With Graded Band Gap // Proc. SPIE. 1998. v.3890. P. 82-86.

2. В.В. Тетьоркін, З.Ф. Івасів, Ф.Ф. Сизов. Край поглинання варізонних плівок Hg1-XCDXTE, вирощених методом рідкофазної епітаксії // УФЖ. 1999. т.44, N9. С. 1128-1132.

3. Z.F. Ivasiv, V.V. Tetyorkin and F.F. Sizov. Noise spectra and dark current investigations in n -p-type Hg1-XCDXTE (x@0.22) photodiodes // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 1999. v.2, N3. P. 21-25.

4. З.Ф. Івасів, Ф.Ф. Сизов, В.В. Тетьоркін. Оптичні властивості епітаксійних плівок Hg1-XCDXTE/CDTE з градієнтом ширини забороненої зони // Доповіді НАНУ. 1999. N11. C. 92-96.

5. Z.F. Ivasiv, V.A. Petryakov, F.F. Sizov, V.V. Tetyorkin. Optical and photoelectrical investigations of HGCDTE-CDTE (CDZNTESE) heterosystems // Proc. International Conf. on Optical Diagnostics of Materials and Devices for Opto-, Micro-, and Quantum Electronics.Kiev (Ukraine). 1997. P. 177.

6. Z.F. Ivasiv and V.V. Tetyorkin. Investigation of infrared transmission in Hg1-XCDXTE/CDTE epitaxial films with graded band gap// Тези доповідей IX науково-технічної конференції “Хімія, фізика і технологія халькогенідів та халькогалогенідів”. Ужгород. 1998. С. 161.

7. Z.F. Ivasiv, V.V. Tetyorkin, F.F. Sizov and V.A. Petryakov. Optical and photoelectrical properties of Hg1-XCDXTE/CDTE epitaxial films with graded band gap// Proc. IV International Conf. on Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics.Kyiv (Ukraine). 1998. P. 35.

8. Z.Ivasiv, V.Tetyorkin and F.Sizov. Noise and dark current investigations in Hg1-XCDXTE photodiodes//The 7th international conference of physics and technology of thin films. Ivano-Frankivsk (Ukraine). 1999. P. 71.

9. Z. Ivasiv, V. Tetyorkin and F. Sizov. Noise and dark current studies in Hg1-XCDXTE photodiodes// Third intern. School-conference: Physical problems in material science of semiconductors.Chernivtsi (Ukraine). 1999. P. 278.