Введение к работе
Актуальность работы
Твердые растворы халькогенидов свинца - халькогенидов олова находят практическое применение в оптоэлектронике и термоэнергетике. На их основе изготавливаются излучатели," фотоприемники и термоэлектрические преобразователи. К настоящему времени проведены обширные исследования свойств этих материалов.
Эффективность работы приборов существенно зависит от структурного совершенства используемых кристаллов, их химической однородности, а также от распределения электрофизических свойств. Поэтому в центре внимания продолжают оставаться вопросы улучшения технологии выращивания монокристаллов, поиск путей снижения их дефектности и повышения структурного совершенства.
Для роста наиболее совершенных монокристаллов обычно используют методы выращивания из паровой фазы. Однако, необходимость последующих механических этапов (резки, шлифования и полировки) значительно ухудшает качество кристаллов из-за образования нарушенного слоя. Поэтому для приборных реализаций большое значение имеют разработки и исследования, направленные на развитие технологий получения материалов, не требующих последующей механической обработки. Наибольший интерес с этой точки зрения представляет развитие методов выращивания ограненных монокристаллов халькогенидов свинца - олова малых размеров, а также исследования особенностей массопереиоса с целью получения в едином цикле управляемого количества монокристаллов.
Параметры приборов на основе халькогенидов свинца - олова существенно зависят от концентрации электрически активных дефектов, в том числе и собственных, обусловленных отклонением от стехиометрии.
Использование легирующих примесей позволяет создавать р-п-переходы, менять тип проводимости, улучшать термоэлекгричесие свойства.
Диффузия примесей в халъкогенидах свинца - олова исследовалась многими авторами. Как правило, диффузию изучали на образцах, подвергавшихся механической и химической обработке, и, безусловно, наличие нарушенного слоя искажает получаемую информацию и ухудшает воспроизводимость результатов измерений.
Таким образом, влияние поверхности на поведение примеси можно оценить при легировании монокристаллов с естественной огранкой, обладающих более высоким структурным совершенством.
Так как тип электропроводности и значения концентрации носителей заряда в халькогенидах свинца - олова значительно изменяются при отклонении состава от стехиометрии в пределах области гомогенности, для оценки однородности распределения электрофизических свойств в монокристаллах малых размеров необходимо разработать локальные методики.
С этой точки зрения перспективным является термозондовый метод. К моменту начала диссертационной работы этот метод позволял получать только качественные характеристики. Для количественных оценок необходимым являлось развитие представлений о взаимосвязи между значениями коэффициентов термо-ЭДС, определяемых термозондовым и стационарным интегральным методами, а также учет влияния строения зонной структуры на зависимость коэффициента термо-ЭДС от концентрации носителей заяда.
Таким образом, тема диссертационной работы, связанная с развитием методов получения ограненных монокристаллов халькогенидов свинца -олова с высоким качеством выращенной грани, влиянием качества естественной грани на процессы диффузии примесей и с разработкой количественного термозондового метода как метода физико-химического анализа твердых растворов халькогенгидов свинца - халькогенгидов олова, является актуальной.
Целью работы являлось исследование режимов выращивания и получения ограненных монокристаллов халькогенидов элементов IV группы, а также анализ однородности и распределения электрофизических свойств для создания полупроводниковых оптоэлекгронных приборов, работающих в инфракрасном диапазоне длин волн.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Разработана методика выбора оптимальных технологических режимов и прогнозирования результатов экспериментов по выращиванию качественных монокристаллов соединений А4В6 методом двухкамерного реактора.
-
Проведен анализ качества растущих граней методом атомно-силовой микроскопии. Установлено, что степень шероховатости граней не только зависит от условий выращивания, но и отличается для различных граней одного и того же кристалла.
-
Проведены диффузионные отжиги ограненных монокристаллов РЬТе, обладающих высоким структурным совершенством, в парах цинка и кадмия. Установлено образование слоистой структуры типа ZnTe(CdTe)/Pb/PbTe на атомно-гладких поверхностях, что может быть использовано для определения степени качества полученных кристаллов.
-
Разработан количественный термозондовый метод, позволяющий проводить измерение коэффициента термо-ЭДС с локальностью порядка 40...50 мкм и обеспечивать определение однородности электрофизических свойств, оценку отклонения от стехиометрии, а также концентрации носителей заряда в полупроводниковых соединениях А4В6 и твердых растворах на их основе.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
-
Создано программное обеспечение для выбора оптимальных технологических режимов и прогнозирования результатов экспериментов по выращиванию качественных монокристаллов соединений А В методом двухкамерного реактора.
-
Выращены ограненные монокристатлы РЬТе, Pbi.xSnxTe (х=0.175; 0.22), PbSe, Pbi-xSnxSe (х=0.06; 0.1), РЬТе <Т1>, пригодные для практического применения.
-
Создан пакет прикладных программ для расчета зависимостей кинетических коэффициентов в узкозонных полупроводниковых материалах класса А В и твердых растворах на их основе от состава "х", положения уровня Ферми и изменения температуры в приближениях Диммока и Кейна с учетом смешанного механизма рассеяния.
Основные научные положения, выносимые на защиту
-
Разработанный метод, использующий кварцевый контейнер с разделенными камерами, позволяет не только эффективно управлять массопереносом и регулировать количество возникающих зародышей, но и обеспечивает возможность получения ограненных легированных монокристаллов с саморегулируемым содержанием растворенной примеси.
-
Разработанные модельные представления и программное обеспечение по нестационарному термозондовому методу в рамках моделей Кейна и Диммока обеспечивают возможность определения концентрации носителей заряда в локальной области для халькогенидов свинца - олова, позволяют оценивать отклонение от стехиометрии в микрообъемах нелегированных образцов, а также анализировать перераспределение собственных
электрически активных дефектов в зависимости от термодинамических условий получения и обработки. 3. При взаимодействии паров Zn и Cd с атомно-гладкой поверхностью кристаллов халькогенидов свинца и твердых растворов на их основе процессы диффузии протекают по реактивному механизму с образованием поверхностного слоя ZnTe (CdTe) и прослоек, обогащенных свинцом.
Апробация результатов
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Международной научно-технической конференции "Прикладная оптика" (Санкт-Петербург, 1996г.);
Ш Международной конференции "Материаловедение и свойства материалов для инфракрасной оптоэлектроники" (Ужгород, Украина, 1996);
X Российском Симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (Черноголовка, 1997);
2-й Международной школе - конференции "Физические проблемы полупроводникового материаловедения" (Черновцы, Украина, 1997);
Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ 1993-1998 гг.
Кроме того, тезисы докладов по диссертационной работе представлялись на:
XI Международной конференции по росту кристаллов (Гаага, Голландия, 1995).
V Европейской Конференции по развитию материалов, процессов и применению (Маастрихт, Голландия, 1997);
Публикации
По результатам диссертации опубликовано 11 печатных работ.
Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 157 наименований, и приложения. Основная работа изложена на 134 страницах машинописного текста. Работа содержит 42 рисунка и 10 таблиц.
