Введение к работе
Актуальность работы. Поликристаллические пленки соединений А2В6, главным образом, теллурида кадмия CdTe , все шире используются в основных областях электронной техники, микроэлектронике, оптоэлектронике, солнечной энергетике.
Возможность получать поликристаллические пленки с различным удельным сопротивлением, отличающимся на несколько порядков по величине, а также технологические преимущества сделали CdTe очень перспективным материалом для использования во многих дискретных приборах (диоды, транзисторы, солнечные батареи, лазеры) и интегральных схемах.
Многообещающее развитие солнечной полупроводниковой энергетики требует создания дешевого материала для фотопреобразователей с большой площадью. Одним из наиболее перспективных материалов, отвечающих этим требованиям, является поликристаллический CdTe. Оптимальная ширина запрещенной зоны и высокий коэффициент поглощения в видимой области спектра делает поликристаллический CdTe наиболее перспективным материалом для солнечных преобразователей.
Теллурид кадмия, вследствие больших атомных номеров компонентов, а также большой ширины запрещенной зоны (DЕ=1,5 эВ), в настоящее время представляет собой один из наиболее перспективных материалов для создания дозиметров и счетчиков g- квантов.
Поликристаллические пленки соединений А2В6 используются в оптоэлектронике для целей электролюминесценции, в частности, для создания цветных экранов большой площади. Однако получение поликристаллических плёнок со стабильно повторяющимися свойствами резко осложняется их структурными особенностями, важнейшим из которых является наличие межзёренных границ (МЗГ). В зависимости от типа границ, характера и взаимодействия с фоновыми и легирующими примесями и, как следствие, концентрации и поведения носителей заряда в поликристаллических полупроводниковых пленках, их свойства могут отличаться необычайно резко. Это связано с тем, что МЗГ в полупроводниковых пленках создают электрически активные центры.
Возможность создания приборов и устройств на основе поликристаллических плёнок CdTe определяется уровнем технологии синтеза плёнок с воспроизводимыми и контролируемыми свойствами.
Исходя из этого, повышение воспроизводимости в технологии создания пленочных поликристаллических структур является важнейшей задачей микроэлектроники и оптоэлектроники. Ее решение определяется возможностью прогнозирования влияния технологических факторов на структуру и электрические свойства плёнок, для чего необходимо моделирование технологических процессов и межоперационный контроль.
Возрастающая потребность в поликристаллических пленках вызвана и тем, что в монокристаллах, ввиду особенностей механизмов роста, невозможно получить тот спектр структур, который присущ поликристаллическому беспорядку.
В связи с этим синтез поликристаллических плёнок на основе CdTe с возможностью регулирования, активации или торможения электронных процессов на границе кристаллитов технологическими приёмами и исследование их структуры и электрооптических свойств являются важными и актуальными задачами не только в научном, но и в практическом плане.
Целью работы является разработка технологии синтеза поликристаллических плёнок теллурида кадмия на различных подложках и исследование их структуры (на молекулярном и надмолекулярном уровнях) и электрооптических свойств, которая охватывает следующие задачи:
-разработка технологии синтеза тонких и толстых плёнок теллурида кадмия методом вакуумного напыления в квазизамкнутом объеме;
-исследование влияния типа подложки на молекулярную и надмолекулярную структуры плёнок, полученных при различных условиях;
-изучение взаимосвязи структурных параметров и электрических свойств поликристаллических плёнок, синтезированных при различных технологических условиях;
-установление механизма проводимости поликристаллических систем на основе модели гетерогенной структуры плёнок, определение величин межкристаллитных барьеров и установление их зависимости от параметров осаждения;
-разработка радиационного способа получения поликристалли-ческого слоя на поверхности монокристаллического теллурида кадмия и исследование его структурно-электрических характеристик;
-исследование структуры и электрических свойств тонких плёнок (до 1 мкм) теллурида кадмия в рамках модели неоднородного полупроводника с межкристаллитными барьерами; оценка величины межкристаллитных барьеров, а так же барьера Шоттки и фактора идеальности на контактах Al/CdTe, Ag/CdTe;
-влияние температуры и скорости роста тонких (2 мкм) плёнок на спектр пропускания и коэффициент поглощения плёнок теллурида кадмия; оценка ширины запрещенной зоны на основе оптических данных и ее зависимости от технологических условий синтеза плёнок.
Научная новизна работы
-разработана технология синтеза высокоомных поликристаллических плёнок CdTe толщиной до ~500 мкм методом вакуумного напыления в квазизамкнутом объеме на различных монокристаллических подложках.
-установлено, что синтезируемые пленки CdTe толщиной 30500 мкм на различных подложках обладают поликристаллической структурой с размерами зерен 150-175 А;
-предложен механизм проводимости поликристаллических высокоомных плёнок CdTe на основе модели потенциальных барьеров между кристаллитами; согласно этой модели проводимость поликристаллических плёнок обусловливается уменьшением высоты потенциальных барьеров при внешнем смещении и имеет активационную природу;
-произведена оценка высоты межкристаллитных энергетических барьеров для плёнок, полученных при различных технологических условиях, которая составляет величину ~0,3 – 0,5 эВ для исходных и термообработанных плёнок CdTe; показано уменьшение числа барьеров более чем на порядок с ростом температуры отжига;
-разработана технология получения барьера Шоттки на границе плёнок CdTe и металлов (Al, Ag), исследованы их вольтамперные характеристики и произведена оценка высота барьера Шоттки и параметр идеальности;
-выявлены оптимальные технологические параметры синтезируемой пленки – температура подложки, температура отжига и скорость роста пленки, при которых имеет место максимальное поглощение. Из спектральной зависимости коэффициента поглощения оценена величина ширины запрещенной зоны;
-установлена однозначная взаимосвязь между размерами кристаллитов и шириной запрещенной зоны при изменении условий синтеза пленки; совершенствование и рост кристаллитов сопровождается возрастанием ширины запрещенной зоны.
Практическая значимость.
Результаты, изложенные в диссертации, являются основой для разработки технологии получения приборов для оптоэлектроники и микроэлектроники. Полученные высокоомные пленки необходимой толщины из CdTe можно использовать в качестве активного элемента в спектрометрических детекторах ядерного излучения, а исследования структуры и электрических свойств тонких плёнок важны для их применения в оптоэлектронике, в частности, для солнечных батарей.
Защищаемые положения.
-технология получения высокоомных плёнок CdTe и результаты, подтверждающие поликристалличность плёнок, полученных при разных условиях синтеза;
-механизм проводимости поликристаллических высокоомных плёнок CdTe на основе модели потенциальных межкристаллитных барьеров, согласно которой проводимость плёнок обусловливается уменьшением высоты межкристаллитных барьеров при внешнем смещении;
-экспериментальные результаты по оценке высоты межкристаллитных барьеров методом вольтамперных характеристик и температурной зависимости удельной проводимости, подтверждающие гетерогенную модель поликристаллических плёнок;
-определение высоты барьера Шоттки и параметра идеальности;
-оптические исследования, подтверждающие прямые межзонные переходы электронов, выявление корреляции между шириной запрещенной зоны и технологическими параметрами синтезируемых плёнок.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных методов исследования структуры, фотоэлектрических и электрофизических свойств поликристаллических плёнок теллурида кадмия.
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в разработке технологии получения плёнок, исследовании их структуры и электрофизических свойств, интерпретации полученных результатов, подготовке основных публикаций по работе.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Республиканской научно-практической конференции молодых учёных и специалистов (Душанбе, 2001); международной конференции «Старение и стабилизация полимеров», Душанбе, 20-21 декабря 2002; международной конференции «Физика конденсированного состояния» (Душанбе, ФТИ, АН РТ, 2004); научно-теоретической конференции «Современные проблемы физики и астрофизики», посвященной 100-летию теории относительности А. Эйнштейна и 40-летию образования физического факультета ТГНУ, Душанбе, 2005; научно-теоретической конференции «Проблемы современной физики», посвященной 65-летию со дня рождения профессора Саидова Д.С., Душанбе – 2006г.; научно теоретической конференции «Современные проблемы физики конденсированных сред», посвященной памяти заслуженного деятеля науки Таджикистана, профессора Нарзуллаева Б.Н., Душанбе 2007г.; международной конференции «Наука и современное образование: проблемы и перспективы», Душанбе 2008г.; международной конференции «Современные проблемы физики конденсированных сред и астрофизики», посвященной 70-летию профессора Султонова Н.,- Душанбе, 2010;
Публикации. По результатам работы опубликовано 15 статьей и 12 тезисов докладов, в том числе, 4 - в рецензируемых журналах из Перечня ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 132 страницах, включая 37 рисунков, 8 таблиц и списка цитируемой литературы из 162 наименований.
Похожие диссертации на Структура и электрические свойства поликристаллических плёнок теллурида кадмия, синтезированных при различных технологических условиях
