Влияние легирования селеном на рост. структуру и свойства монокристаллов теллура Шульга, Наталья Константиновна

Введение к работе

Актуальность работы. Теллур принадлогит к немногочисленному классу элементарных полупроводников, изучение которых имеет значение как' с точки зрения фундаментальной науки, так и для прикладных научных разработок, в особенности из-за сильной анизотропии, которой обладают кристаллы теллура, и его широкого применения в качестве компонента большинстьа узкозошшх соединений типа А²В⁶ и А⁴В^, халькогенидных стекол и др. Существование еще одного элементарного полупроводника с аналогичной структурой, но отличпюцегося по свойствам, - селена - делаех актуальным изучение свойств системы твердых растворов этих элементов, поскольку плавкое изменение состношения последних приводит к непрерывному изменению как зонной структуры, так и яле-ктрических и оптических свойств сплава.Поэтому работа, посвященная проблеме получения монокристаллов в система Te-Se и изучению их структуры и сеойств, представляется своевременной и актуальной. Получение воспроизводимых результатов при исследовании кристаллической структуры и электрофизических свойств в широком температурном интервале становится возможным в этой системе только при наличии монокристаллических образцов с минимальным содерканием дефектов решетки.

Поэтому цель работы заключалась в определении технологических границ для выращивания монокристаллов твердых растворов Ter_^Se^ и последующем анализе влияния условий роста и состава полученных образцов на их структуру и свойства.

При определении условие выращивания и выборе способа получения кристаллов за основу были взяты данные, полученные для чистого теллура, а при анализе свойств твердых растворов Те_т ,.Se„ проводилось сравнение с чистым теллуром, свойства которого достаточно хорошо изучены.

В работе основное внимание уделено решению следущих вопросов.

1. Поиск оптимальных условий для выращивания кристаллов Te-j Se„, причем в качестве одного из перемртшнх параметров выращивания исследовано влияние урсвнл гравитации на рост .; свойства кристаллов.

2. Мсследованио ронггеновскили мотодамл зависимости сте-

-4-пбнм кристаллического совершенства от способа получения образцов теллура, а также исследование теплового расширения решетки теллура и Tej_jSe_x ,

3. Исследование электрофизических свойств твердых растворов Te_I__xSe_x.

4. Изучение процессов дефектообразования при росте кристаллов теллура и формировании кристаллической решетки твердых растворов, а также анализ роли селена как примеси и компонента твердого раствора.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Из прямых рентгеноструктурных измерений получены тем
пературные зависимости линейных коэффициентов теплового расши
рения совершенных монокристаллов теллура в интервале I0-300K,
обнаружен положительный участок на зависимости а. ниже 40К, не
наблюдавшийся ранее в дилатометрических измерениях. Появление
положительной области связывается с минимальным содержанием

. дефектов в исследованном кристалле. Показано, что увеличение дефектности образца путем введения селена в решетку приводит к исчезновению положительного участка &.

2. в чистом теллуре концентрация носителей тока в примес-
' ной области проводимости определяется суммой концентраций элек
трически активной примеси и собственных, также электрически
активных, дефектов решетки. Разделить эти вклады можно восполь
зовавшись уравнением Пфанна для продольной макросегрегации при
меси. Гальваномагнітнії" измерения являются единственным спосо
бом для определения концентрации электрически активной примеси
в кристаллах полупроводниковоП чистоты (N1 <1СГ^ат.Ж). Концент
рациH собственных дефектов и их распределение вдоль образца
определяются в частности уровнем гравитации.

3. Поuышiниe силы тяжести в 5 и 10 раз по сравнению с
обычной при выращивании кристаллов теллура из расплава верти
кальным методом Бриджмена принципиально не изменяет режима кон
ьекцин в расплаве, но увеличивает количество дефектов в начале
кристаллизации и препятствует их залечиванию в процессе роста
Kристалла. Увеличение вязкостИ расплаБа (при введении солена)
г/:. іЬ,пя-т ь нем еcvcсLPHHyso кснвекциК'.и в этом случае ПОВШІЄ-
v..;t- >;Гг-мч і раtкт:їцші является одним из техяологн'кских

-5-факторов, способных значительно изменить условия выращивания.

4. Разработан и реализован способ получения кристаллов теллура и твердого раствора Tej__xSe_x вертикальным методом Бри-джмена с применением монокристалла теллура в качестве затравки, аппаратурно совместимый с выращиванием при повышенной гравитации (на центрифуге).

, 5. Увеличение ширины запрещенной зоны в сплавах Te___xSe_x происходит при содвржании селена более 5 ат.%, при меньшей концентрации ширина запрещенной зоны остается равной или даже меньшей, чем у чистого теллура, из-за искривления краев зоны. При меньших концентрациях селей ведет себя как электрически нейтральная примесь. Отжиг образцов Te_T__xSe^ не уменьшает количество дефектов, источником которых является селен, поэтому влияние отжига заметно только при малом содержании селена.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней

1. Впервые рентгеновским методом измерены параметры кристаллической решетки теллура в интервале температур от комнатной до гелиевой и линейные коэффициенты теплового расширения, которые подтвердили наличие сильной анизотропии кристаллической решетки не только по величине коэффициентов теплового расширения, но и по их изменению с температурой. Проведенное сравнение с дилатометрическими измерениями позволяет определить роль дефектов решетки в тепловом расширении.

2. Впервые выращены монокристаллы теллура в условиях повышенной в 5 и 10 раз по сравнению с нормальной гравитацией и показана роль силы тяжести в распределении собственных дефектов и остаточной примеси сурьмы в кристаллах теллура.

3. В твердых растворах Tej__xSe_x выяснена зависимость постоянных решетки от состава и подтверждено ее отклонение от закона Ве-гарда для направления, перпендикулярного к главной оси. Впервые измерены коэффициенты теплового расширения в сплаве Твj Se и показано влияние добавок Se, которое сводится к образованию дефектов вакансионного типа при введении малых концентраций компонента.

4. Впервые выполнены эксперименты по выращиванию кристаллов Te_т „Sb_v при повышенной гравитации и показано влияние различ-шхіехнологических фактороB на распределение селена и морфо-

логию кристаллов. Анализ результатов позволил определить оптимальные услоеия для выращивания кристаллов твердых растворов Tej__KSe_x в нормальных условиях.

Научная и практическая значимость. Результаты прове-деншх исследований позволили получить важную информацию о процессах теплового расширения теллура и роли дефекгов в нем, а также о процессе формирования твердого раствора. Исследовйние влияния различных технологических факторов на рост монокристаллов в системе с большой вязкость» расплава, включая изменение уровня гравитации, может быть использовано в дальнейшем при получении совершенных монокристаллов. Использование монокрис-тяллической затравки при выращивании методом Бриджмена позволило совместить преимущества методов Бридашена и Чохральского.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладавзлись на двух конгрессах Междукародной Лстронавтической Федерации (1АІ') (Австрия- IS85 и Германия- 1990 г.г.), на Международнкх cеминарах по гравитационному материаловедению (I986, I9S9, 1ЭЭ1, 1993 г.г.), на советско-американском и советско-китайском симпозиумах (Москва, Харбин-ІЗЗїг.), на Всесоюзных семинарах ш космическому материаловбдению (Москва-1987г., Тби--ИСИ-І939Г.), на Польской'конференции по кристаллографии (Вроц-ЛЯВ-ТЭЭ1Г.), а также на семинарах в ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН.

Публинации. Материалы данной работы изложены в 12 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата'.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключешя" и библиографии. Работа содержит 1?6 страниц текста, 48 рисунков, 12 таблиц и список литератуоы из 113 наименований.