Введение к работе
Актуальность работы. Бинарные соединения А2В6 и их твердые растворы являются перспективными материалами для микро- и оптоэлектроники, широкому внедрению которых во многом препятствует недостаточное понимание электронных процессов, протекающих в структурах, сформированных ими при конденсации. Вместе с тем в настоящее время появилось много новых работ посвященных теории неупорядоченных систем и теории инжекционно-контактных явлений, к сожалению, пока не приложенных к соединениям А2В6. В связи с этим в настоящей работе в качестве модельного объекта были выбраны многослойные гетероструктуры на основе халькогенидов цинка.
В последние годы пленочные структуры на основе халькогенидов цинка нашли широкое практическое применение. На их основе созданы полевые транзисторы, приборы ночного видения, фоточувствительные слои для приборов зарядовой связи (ПЗС), мишени телевизионных передающих трубок и т.д. В частности, на основе пленочной структуры, содержащей слои селенида цинка и твердого раствора (ТР) (Zn1-xCdxTe)1-y(In2Te3)y создана самая высокочувствительная мишень телевизионной передающей трубки типа "ньювикон", получившая наиболее широкое распространение в телевизионных камерах.
Несмотря на широкое практическое применение указанных пленочных структур, нюансы изготовления структур, технология получения пленок, их свойства и электронные процессы, происходящие в гетероструктурах подобного рода, в научной литературе остались практически не освещенными.
Имеются лишь отдельные работы, посвященные пленочным структурам на основе халькогенидов цинка, причем в этих работах многие, даже сообщаемые экспериментальные факты, остаются необъясненными.
Системы А2В6-А2В6 позволяют в широких пределах варьировать ширину запрещенной зоны и как следствие получать пленочные материалы с разнообразными электрическими и оптическими свойствами. Среди таких систем значительный интерес в научном и прикладном плане представляют монокристаллы и пленки твердых растворов (Zn1-xCdxTe). Они обладают неограниченной взаимной растворимостью компонентов, что позволяет выращивать кристаллы и пленки с широким диапазоном параметров кристаллической решетки в пределах CdTe=6,481 до ZnTe=6,103 и с шириной запрещенной зоны от 1,5 до 2,3 эВ. Это является принципиально важным для создания гетеропереходов с оптимальными структурными и фотоэлектрическими свойствами.
Возможность непрерывно изменять состав пленок твердых растворов (ПТР) по толщине и, следовательно, создавать структуры с варизонной шириной запрещенной зоны позволила японским исследователям разработать и создать мишень In2O3-ZnSe-(Zn1-xCdxTe)1-y(In2Te3)y-Sb2S3, которая положена в основу "ньювикона", а затем "ньюкосвикона"-одних из наиболее многоцелевых и выпускаемых поэтому массовым тиражом на Западе телевизионных передающих трубок (TV-трубок), обладающих высокой чувствительностью, низкими темновыми токами, малой инерционностью и широким интервалом спектральной чувствительности от 400 до 850 нм (а в трубках спецназначения-до 1000 нм).
Несмотря на перечисленные достоинства, как показывает анализ открытой литературы, публикации по получению пленок селенида цинка, ПТР (Zn1-xCdxTe), In2O3-ZnSe -(Zn1-xCdxTe)1-y(In2Te3)y, исследованию структуры, фотоэлектрических и электрофизических свойств, процессов переноса заряда в гетероструктурах на их основе, включая и данные японских авторов, носят весьма отрывочный характер. В частности, наряду с материаловедческими проблемами, именно отсутствие систематических исследований по разработке способов получения пленок ZnSe, (Zn1-xCdxTe), (Zn1-xCdxTe)1-y(In2Te3)y, изучению процессов их конденсации и исследованию процесса переноса заряда в указанной мишени на основе гетероструктуры не позволило оперативно создать аналоги "ньювикона" и "ньюкосвикона". Эта проблема не утратила своей актуальности и к началу постановки настоящей работы.
Настоящая работа с разумной полнотой охватывает все затронутые выше проблемы, главным образом анализ электронных явлений в конденсированных системах In2O3-ZnSe-In и In2O3-ZnSe-(Zn1-xCdxTe)1-y(In2Te3)y-In, и является развитием научного направления, сформулированного и разрабатываемого в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (техническом университете) А.П. Беляевым в рамках научной школы И.П. Калинкина.
Цель и задачи исследования. С учетом вышеизложенного была определена цель работы: проведение комплексных, структурных, фотоэлектрических и электрофизических исследований пленок ZnSe, твердых растворов (ПТР) (Zn1-xCdxTe), (Zn1-xCdxTe)1-y(In2Te3)y; практическая проверка ряда современных модельных представлений процессов токопереноса в теории неупорядоченных конденсированных систем на примере пленочных гетероструктур In2O3-ZnSe-In, и In2O3-ZnSe-(Zn1-xCdxTe)1-y(In2Te3)y-In ,имеющих широкое практическое применение.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Исследование процессов вакуумной конденсации пленок твердых растворов (Zn1-xCdxTe), (Zn1-xCdxTe)1-y(In2Te3)y и пленок ZnSe в широком интервале температур испарения и конденсации (от 600 С вплоть до температуры жидкого азота) на подложках различной природы (стекло, стекло со слоем оксида индия, слюда-мусковит).
Изучение адекватности ряда современных модельных представлений электронных процессов в пленочных структурах на основе неупорядоченных систем путем сравнения теории с результатами исследований температурных зависимостей проводимости, вольт-амперных характеристик, термолюминесценции, фотолюминесценции, края поглощения и фотопроводимости в гетероструктурах In2O3-ZnSe-In и In2O3-ZnSe-(Zn1-xCdxTe)1-y(In2Te3)y-In.
Построение энергетической диаграммы гетероструктур In2O3-ZnSe-In, In2O3-ZnSe-(Zn1-xCdxTe)1-y(In2Te3)y-In и феноменологической модели механизмов токопрохождения через многослойную неупорядоченную гетероструктуру на основе халькогенидов цинка.
Выявление новых свойств и эффектов в конденсированных слоях In2O3-ZnSe-In, и In2O3-ZnSe-(Zn1-xCdxTe)1-y(In2Te3)y-In., перспективных для практического применения.
Создание телевизионной передающей трубки и теоретическое обоснование технологии серийного производства высокочувствительной мишени на основе ГС In2O3-ZnSe -(Zn1-xCdxTe)1-y(In2Te3)y - In.
Научная новизна работы.
-Внесен фактический вклад в физику конденсированного состояния путем развития феноменологических представлений об электронных процессах в конденсированных неупорядоченных, многокомпонентных и многофазных системах на основе халькогенидов цинка.
- Впервые проведено детальное систематическое исследование процессов формирования пленок твердых растворов (Zn1-xCdxTe), (Zn1-xCdxTe)1-y(In2Te3)y и ZnSe при испарении и конденсации в вакууме в широком интервале температур (от 600оС вплоть до температуры жидкого азота) на подложках различной природы.
- Показано, что составляющие пленочной гетероструктуры In2O3-ZnSe-In и In2O3-ZnSe-(Zn1-xCdxTe)1-y(In2Te3)y-In, полученной методом термического испарения и конденсации, являются неупорядоченными системами.
Построены энергетические зонные диаграммы гетероструктур In2O3-ZnSe-In и In2O3-ZnSe-(Zn1-xCdxTe)1-y(In2Te3)y-In и определены соответствующие модельные параметры.
Впервые показано, что субмикронный слой селенида цинка является неупорядоченной системой, характер потенциального рельефа и степень неупорядоченности которой меняются при отжиге.
Развита феноменология электронных явлений в гетероструктурах типа In2O3-ZnSe-(Zn1-xCdxTe)1-y(In2Te3)y-In. Выявлены условия инверсии слоев под влиянием друг друга. Предложена модель электронных процессов.
Установлено, что гетероструктура In2O3-ZnSe -(Zn1-xCdxTe)1-y(In2Te3)y - In является неупорядоченной системой со сложным характером изменения зон по толщине, содержащих случайный потенциал, в формирование которого вносят вклад флуктуации состава твердого раствора.
- Установлено, что гетероструктура In2O3-ZnSe-(Zn1-xCdxTe)1-y(In2Te3)y-In содержит высокую концентрацию примесных уровней, образующих примесную зону.
Научно - практическая значимость.
Результаты диссертации являются фактической основой для создания технологий получения приборов опто – и микроэлектроники (например, видиконов).
На основе полученных результатов предложен трехтемпературный способ получения твердых растворов, позволяющий синтезировать пленки твердых растворов Zn1-xCdxTe широкого диапазона составов "х" из механической смеси одного состава. Построены соответствующие диаграммы конденсации. На предложенный способ синтеза получено авторское свидетельство.
Защищаемые положения диссертации :
1.Модель токопереноса в гетероструктуре In2O3-ZnSe-In с субмикронным слоем селенида цинка, учитывающая как процессы, происходящие на границах, так и неоднородности потенциального рельефа зон.
-
Выборка экспериментальных результатов, подтверждающих предложенную модель.
-
Результаты сравнения теории с результатами разноплановых исследований практически значимой In2O3-ZnSe-In.
-
Корреляционные связи между температурой и характером случайного потенциала рельефа зон пленок селенида цинка (под влиянием отжига увеличивается амплитуда неоднородности и изменяется характер потенциального рельефа зон).
-
Модель электронных процессов в гетероструктуре In2O3-ZnSe-(Zn1-xCdxTe)1-y(In2Te3)y-In .
-
Совокупность экспериментальных данных, подтверждающих предложенную модель и свидетельствующих, о том что
гетероструктура In2O3-ZnSe-(Zn1-xCdxTe)1-y(In2Te3)y-In является неупорядоченной системой со сложным характером изменения зон по толщине, содержащих случайный потенциал, в формировании которого вносят вклад флуктуации состава твердого раствора;
-гетероструктура In2O3-ZnSe-(Zn1-xCdxTe)1-y(In2Te3)y-In содержит высокую концентрацию примесных уровней, образующих примесную зону, токоперенос в которой определяет темновую проводимость гетероструктуры при низких температурах.
7. На примере сложной гетероструктуры In2O3-ZnSe-(Zn1-xCdxTe)1-y(In2Te3)y-In развита феноменология инжекционно- контактных и электронных явлений в неупорядоченных системах, демонстрирующая возможности и условия инверсии проводимости отдельных слоев под влиянием друг друга.
Достоверность результатов.
Достоверность полученных результатов обеспечивалась применением современных и надежных методов исследования структуры фотоэлектрических и электрофизических свойств гетероструктур на основе халькогенидов цинка.
Личный вклад автора определяется характером настоящей работы на всех этапах научного исследования: как при постановке проблемы исследований, так и в непосредственном выполнении работы по проведению комплексных, технологических, структурных, фотоэлектрических и электрофизических исследований многокомпонентных неупорядоченных систем на основе халькогенидов цинка и практической проверке ряда методов получения пленок ZnSe и Zn1-xCdxTe , процессов конденсации , современных модельных представлений токопереноса в теории неупорядоченных конденсированных систем.
Апробация. Результаты работы докладывались на Республиканской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (Душанбе, 1989); Всесоюзной научной конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (Ташкент, 1989); III - Всесоюзной конференции по физике и технологии тонких полупроводниковых пленок (Ивано-Франковск, 1990); Международной конференции "Современные проблемы физики полупроводников и диэлектриков" (Ташкент, 1995); Международной конференции "Актуальные проблемы физики полупроводниковых при–боров" 24-26 апреля 1997, (г. Ташкент.); II Международной конференции "Проблемы и прикладные вопросы физики" 1999, (г.Саранск); Научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (Худжанд, 1990 - 2007); Международной конференции «Современные проблемы физики», посвященной 100-летию академика С.У.Умарова, Душанбе, 2008. По теме диссертации опубликовано 37 работ, в том числе 26 статей, получено авторское свидетельство А.С. СССР № 1752121 ,1990 г.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и списка цитируемой литературы, включающей 204 названия. Полный объем диссертации составляет 214 страниц машинописного текста, иллюстриро–ванного 56 рисунками и 9 таблицами.
