Введение к работе
Актуальность работы. Прогресс в физике полупроводников и полупроводниковой технике тесно связан с получением новых материалов и структур. Получение этих материалов, в свою очередь, основывается на детальном исследовании и интерпретации их свойств. Возможности получения новых материалов существенно расширяется при использовании твердых растворов. Проблема создания твердых растворов является одной из центральных в физике полупроводников, что подтверждается неослабевающим потоком информации, посвященной как уже хорошо себя зарекомендовавшим на практике твердым растворам на основе соединений А3В5 и А2В5, так и твердым растворам на основе, сравнительно недавно открытых новых перспективных классов соединений AJB3C6 и А'В3С62. Интерес к изучению сложных полупроводников обусловлен необходимостью расширения наших представлений относительно формирования зонной структуры кристаллов по мере усложнения состава и изменения объема элементарной ячейки, а также вытекающих в этой связи особенностей физических свойств.
Соединения А3В3С6 и А'В3Сб2 является изоэлектронными аналогами известных полупроводников групп А3В3 и А2В6, соответственно. Определенную перспективу в этом плане с нашей точки зрения, имеют твердые растворы на основе ТПпБг и CuInS2. Эти соединения являются перспективными материалами для разработки на их основе приемников излучения для видимой, ближней - ИК и рентгеновской областей спектра, а также для солнечных элементов с высоким КПД. В частности, монокристаллы соединений типа T1BJC62 (где В3 - In, Ga; С — S, Se) обладают яркой выраженной анизотропной структурой, и отличаются по физическим свойствам от таких классических полупроводников как германий, кремний и от соединений типа А3В5. Кристаллы данной группы обладают уникальными свойствами: прозрачны в широком спектральном диапазоне, обладают слабой чувствительностью электрических свойств к вводимым примесям, низкой подвижностью и концентрацией свободных носителей заряда по сравнению с выше указанными полупроводниками. Это обстоятельство делает соединения типа Т1В3С62 особенно интересными, как с точки зрения выяснения фундаментальных особенностей кристаллического строения слоистых полупроводников, так и с точки зрения технического применения.
Анализ литературных данных показывает, что исследования физических свойств исходных соединений TlInS2 и CuInS2, находятся фактически на начальном этапе. Объем и глубина этих исследований носят не достаточный, а порой и противоречивый характер, не позволяющий сделать адекватные обобщения, а тем более дать практические рекомендации. Поэтому возникает необходимость систематических исследований электрических, оптических и фотоэлектрических свойств указанных кристаллов, определяющих весь комплекс происходящих в них физических процессов, а также выявление реальных закономерностей изменения физических параметров с целью разумного управления ими. С этой точки зрения тема настоящей диссертационной работы - «ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕ-СИЯ И ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА СИСТЕМЫ TlInS2 - CuInS2» представляется весьма актуальной, открывающей возможности получения новых полупроводниковых материалов -твердых растворов между соединениями, кристаллизующимися в совершенно различных структурах.
Целью настоящей работы являлось - изучение фазовых равновесий в системе /?-TlInS2-CuInS2 и комплексное исследование твердых растворов на основе /?-THnS2 в плане выявления закономерностей физических свойств этой группы материалов. Такое исследование приводилось в следующих направлениях:
- построение диаграммы состояния и диаграмм состав свойства
системы /?-THnS2-CuInS2;
- определение характера и особенностей оптических переходов, энер
гетических параметров зонной структуры и оптических констант моно
кристаллов TlInS2-CuInS2;
- выявление основных закономерностей взаимосвязи фундаменталь
ных параметров изученных кристаллов и перспективы их практического
использования.
Объектами для исследования являлись образцы монокристаллов /?-TIInS2 и твердых растворов на его основе, выращенные методом Бриджмена-Стокбаргера. Монокристаллы /?-TlInS2 и твердые растворы на их основе обладали моноклинной (псевдотетрагональной) слоистой структурой. Научная новизна
1. Впервые изучена диаграмма состояния системы /?-THnS2-CuInS2, определены области существования твердых растворов, разработаны технологии получения монокристаллов твердых растворов /?-Tli_xCuxInS2 (0<Х<0,015).
2. В монокристаллах /?-TlInS2 при 5К установлено наличие экситонных
состояний п = 1 и п = 2, определены их основные параметры: энергия связи
Ежс= 33 тэВ, боровский радиус яБ = 23 А, приведенная масса u. = 0,21т0.
-
Установлен механизм формирования края собственной полосы поглощения в монокристаллах /?-Tli_xCuxInS2 (0<Х<0,015). Показано, что смещение края собственной полосы поглощения в монокристаллах твердых растворов /?-Tli_xCuxInS2 (0<Х<0,015) обусловлено образованием примесной зоны у потолка валентной зоны.
-
Изучены неравновесные процессы в кристаллах /?-Tli_xCuxInS2 (0<Х<0,015). Исследованием примесной фотопроводимости установлено наличие неконтролируемых глубоких примесей в них.
-
Из измерений термостимулированной проводимости и деполяризации определены параметры уровней прилипания в кристаллах /?-TInS2.
6. Разработаны фотоприемники на основе монокристаллов
y9-Tl!.xCuxInS2 (0 < X < 0,015) для видимой и ближней - ИК областей спектра,
а также эффективные гетеропереходы Tli.xCuxGaSe2//?-THnS2 (0 < X < 0,02).
Практическая значимость работы. Сведения, полученные о механизмах электронных процессов происходящих в полупроводниках /?-THnS2 и твердых растворах на их основе, способствуют более глубокому пониманию их специфических свойств и позволяет рекомендовать данные материалы для создания на их основе:
приемников излучения в видимой и ближней ИК областях спектра;
гетероконтактов Tl,_xCuxGaSe2/- TlInS2 (0 < X < 0,02); Результаты работы используются в лабораторном спецпрактикуме на
кафедре общей физики ИнгГУ.
Личный вклад автора. Диссертация представляет собой законченную работу, результаты которой получены автором в соавторстве с сотрудниками кафедры физики Грозненского нефтяного института им. М.Д. Миллионщи-кова, кафедры общей физики Ингушского государственного университета, а также ФИ им. П.Н. Лебедева РАН. Все положения, выносимые на защиту, были доказаны лично автором настоящей работы. Автором проведены экспериментальные исследования и интерпретация полученных данных.
Положения представленные к защите:
1. Диаграмма состояния (Г - X) псевдобинарной системы /?-TlInS2 — CuInS2, построенные во всем концентрированном интервале с использованием методов дифференциально-термического (ДТА), рентгенофазового (РФА), рентгеноструктурного (РСА) анализов, а также измерениями
удельного сопротивления и плотности; границы областей твердых растворов и режимы выращивания монокристаллов из этих областей.
2. Механизм формирования края собственной полосы поглощения в
кристаллах /?-Tl,.xCuxInS2 (0<Х<0,015).
3. Перспективность использования выращенных кристаллов
y5-Tli_xCuxInS2 (0,015) для создания на их основе фотоприёмников для
видимой и ближней ИК- области спектра.
Апробация результатов работы
Результаты исследований докладывались на: Всесоюзном совещании «Химическая связь, электронная структура и физико-химические свойства полупроводников и полуметаллов», Калинин, октябрь 1985г. Первой Международной научно-технической конференции «Материаловедение алма-зоподобных и халькогенидных полупроводников», Украина, Череповец, 1994г., И-ой Международной конференции «Оптика полупроводников», УГУ, Ульяновск, 2000г., IV-ой Международной конференции«Оптика, оп-тоэлектроника и технологии», УГУ, Ульяновск, 2002г., V-ой Международной конференции «Оптика, оптоэлектроника и технологии», УГУ, Ульяновск, VI-ой Международной конференции «Опто - наноэлекторника, на-нотехнологии и микросистемы»., УГУ, Ульяновск-Астрахань, 2004г., Х1-я Всероссийская конференция «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов». Екатеринбург, 2004г.
Достоверность результатов
Всесторонний характер исследований, проведенных автором данной работы на одних и тех же образцах с использованием различных методик физического эксперимента, убеждает в достоверности, представленных результатов и обоснованности выводов, следующих на их основе. Все полученные результаты по исследованным объектам достаточно обоснованы и сопоставлены как с теоретическими расчетами зонных структур, так и с экспериментальными результатами других авторов. Результаты исследований обсуждались на российских и международных конференциях.
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 17 научных трудах. Список приводится в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения 4 глав, приложения, заключения и выводов. Она содержит 191 страниц компьютерного текста, 52 рисунка и 21 таблицу, в списке литературы 196 наименований.
