Электрические и фотоэлектрические свойства диодных структур на базе монокристаллического теллурида кадмия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені Юрія Федьковича

. П С--

ДЕМИЧ МИКОЛА ВАСИЛЬОВИЧ

УЖ 621.382.2

ЕЛЕКТРИЧНІ ТА ФОТОЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ДЮД1ШХ СТРУКТУР 11А 1ЇА31 МОНОКРИСТАЛ ІЧІІОГО ТЕЛУРИДУ КАДМІЮ

(01.04.10- фініка иапішіровідників і діелектриків)

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Чернівці - 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі фізичної електроніки Чернівецького державного університету імені Юрія Федьковича.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук,

професор Махній Віктор Петрович,

Чернівецький державний університет, професор кафедри оптоелектроніки

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

професор Ковалюк Захар Дмитрович, Чернівецьке відділення Інституту проблем матеріалознавства НАН України, директор

доктор фізико-математичних наук, професор Корбутяк Дмитро Васильович, Інститут фізики напівпровідників НАН України, завідувач відділом

Провідна організація: Львівський національний університет імені Івана Франка (м. Львів)

Захист відбудеться " 25 " жовтня 2000 р. о 15 год на засіданні спеціалізованої вченої ради Д76.051.01 при Чернівецькому державному університеті імені Юрія Федьковича за адресою: 58012, м. Чернівці, вул. Кощобішського, 2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Чернівецького державного університету імені Юрія Федьковича (вул. Л. Українки, 23).

Автореферат розісланий " 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

М.В. Курганецький

Актуальність теми. Телурид - кадмію є .. одним з _ найбільш перспективних матеріалів для створення різноманітних приладів напівпровідникової електроніки, що спричинено низкою його фізико-хімічних та технічних параметрів, Відносно широка заборонена зона (£В=Г,5 еВ при 300 К) забезпечує роботу приладів в області високих температур і, крім того, є оптимального для перетворення сонячної енергії в електричну [1]. Великі густина та атомний номер у поєднанні з високою радіаційною стійкістю сприяють ефективній та стабільній роботі виготовлених на базі СсІТе детекторів у широкому діапазоні енергій іонізуючих випромінювань різних типів [2].

Разом з тим, основна увага дослідників та розроблювачів напівпровідникових приладів на основі телуриду кадмію зосереджена на резистивних детекторах [3]. У цьому напрямку уже досягнуті певні успіхи, особливо, на високоомних кристалах Сс^.^пД'е з малим вмістом цинку [4]. Останній, виступаючи в ролі ізовалентної домішки і практично не змінюючи ширину забороненої зони СсІТе, приводить до значного підвищення деяких параметрів матеріалу - радіаційної та температурної стійкості, часу життя та рухливості носіїв заряду тощо. Відмітимо, що використання бар’єрних структур для детектування є у ряді випадків більш доцільним, оскільки вони мають цілу шоку переваг перед резистнпшши: зменшення темнових струмів і, в результаті цього, покращення відношення сигнал/шум; використання підкладинок довільної за величиною провідності, а не обов’язково високоомних; підвищення швидкодії за рахунок наявності бар’єрного поля; можливість експлуатації без зовнішнього джерела напруги тощо [5]. Однак, на сьогоднішній день, створенню таких структур і дослідженню їх властивостей присвячено недостатня кількість робіт через певні об’єктивні причини. Головними з них є відсутність досконалих технологічних методів виготовлення діодів, а також різноманітність електричних і фотоелектричних властивостей випрямляючих структур, створених навіть за однаковою технологією. Крім того вивчення та інтерпретація фотоелектричних та дозиметричних характеристик здебільшого стосуються тільки конкретних типів приладів, мають фрагментарний характер і часом суперечать одне одному. Зауважимо також, що роботи з технології та фізики сонячних елементів зосереджені на плівкових структурах, головним чином на гетеропереходах сульфід-телурид кадмію [6]. Значно менша увага приділяється кристалышм

фотоперетворювачам, а перспективні з цієї точки зору гетероперехода телурид кадмію-цинку зовсім не вивчені. Таким чином, створення діодних структур різного типу на базі кристалів телуриду кадмію з широкім спектром зміни параметрів та дослідження їх електричних і фотоелектричних властивостей є актуальною науково-технічною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, аланами, темами.

Робота є складовою частиною науково-дослідних робіт "Дослідження фізичних процесів в бар’єрних детекторах оптичного та іонізуючого випромінювання на основі широкозонних ІІ-УІ сполук" та "Дослідження процесів переносу заряду та оптичних явшц в бар'єрних структурах на основі напівпровідникових сполук", які виконувались на кафедрі оптоелектроніки ЧДУ в рамках Координаційного плану НДР Міносвіти України на 1997-1999 рр. "Фізика конденсованого стану, включаючи метали, напівпровідники, діелектрики та рідини"; "Дослідження процесів росту кристалів, структури дефектів і електронних явищ в складних напівпровідниках на основі ІІ-УІ і IV-VI сполуках” та "Складні напівпровідникові діоди" які виконувались на кафедрі фізичної електроніки ЧДУ в рамках Координаційного плану НДР Міносвіти України на 19972000 рр. та договору 2М/232-99 про міжнародне українсько-угорське співробітництво.

Метою роботи є виготовлення діодних структур різного типу на базі монокристалічних підкладинок СсІТе і С<іі.^пхТе , дослідження їх основних електрофізичних і фотоелектричних властивостей та вивчення можливостей практичного використання.

Досягнення мети передбачає вирішення таких задач:

1. Вибір оптимальних методів створення діодних структур різного типу на основі монокристалів СсіТе та Сс1|.х2пхТс.

2. Проведення комплексних досліджень електричних і фотоелектричних характеристик діодних структур у залежності від технології їх виготовлення та параметрів базового матеріалу.

3. Визначення можливих областей практичного використання досліджуваних діодів.

Наукова новизна результатів, отриманих в дисертаційній роботі, полягає в тому, що в ній вперше:

1. Обгрунтовано технологічні методи та режими виготовлення структур різного типу (поверхнево-бар’єрні діоди, р-п-гомо- та

' з

гетеропереходи) у залежності від параметрів базового матеріалу (хімічний склад, тип та величина провідності). .

2. Встановлено роль процесів надбар’єрної__ емісії, генерації-рекомбінації, захоплення глибокими центрами, тунєлювання та ударної іонізації у формуванні темнових і світлових характеристик об’єктів досліджень.

3. Показано, що домінуючу роль у процесах лавинного помноження носіїв заряду у телуриді кадмію відіграють дірки. Експериментально визначена величина відношення коефіцієнтів ударної іонізації електронів і дірок.

4. Виявлено та пояснено ефект підвищення короткохвильової чутливості р-п-гомопереходів на основі високоомітх кристалів Сйі_^пхТе<С1> з ростом прикладеної оберненої напруги.

5. Встановлено зв’язок між спостережуваними електричними і фотоелектричними властивостями та основними параметрами базових матеріалів і діодних структур.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Запропоновано метод модифікації поверхні підкладинки для підвищення низки фізичних та технічних параметрів поверхнево-бар’єрних

діодів типу Аи-пСсіТе.

2. Встановлено технологічні умови (тип випрямляючого контакту та метод його створення, інгредієнти, температура та час обробки поверхні підкладинки) виготовлення випрямляючих структур у залежності від типу та величини провідності базових матеріалів.

3. Створено лабораторні зразки високоефективних сонячних елементів, фотодєтекторів з внутрішнім підсиленням, а також фотодіодів з керованою чутливістю в області енергій фотонів більших за ширину забороненої зони базової підкладинки.

Публікації і особистий внесок дисертанта.

За результатами дисертації опубліковано 16 робіт: 6 статей в наукових вітчизняних та зарубіжних журналах, 10 тез конференцій. Перелік публікацій приведено в кііщі автореферату. В усіх наукових роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачу належить розробка технології та виготовлення експериментальних зразків. Крім того, дисертант проводив експериментальні дослідження діодних структур на основі СсЗТе, Ссіі.ч2пчТе [1*-9*, 11 *-15*]. здійснював відповідні аналітичні розрахунки [1*-

6*, 9*.11*]. приймав участь в обговоренні одержаних результатів та написанні статей.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати досліджень викладені в дисертаційній роботі, доповідались і обговорювались на конференціях:

— International Conference on Solid State Crystals. Zakopane, Poland, 1998.

— XXVII Intematiolal school of physics of semiconducting compounds. Jaszowiec, Poland, 1998.

— E-MRS’98 Spring Meeting. Growth, Characterisation and Applications of Bulk II-VIs. Strasburg, France, 1998.

— Third International School-conference on Physical Problems in Material Science of Semiconductors. (Chemivtsi 1999);

— Международная конференция, посвященная методам рентгенографической диагностики несовершенств в кристаллах, применяемых в науке и технике. (Черновцы 1999).

— European Conference on Photovoltaics. Cracov, Poland, 1999.

— 5th International Workshop on Expert Evaluation & Control of compound Semiconductor Materials & Technologies. Heraklion, Crete, Greece, 2000. Структура і об’єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, п’яти

розділів, висновків та списку використаних джерел із 121 найменувань. Робота викладена на 126 сторінках, включає 71 рисунок і 12 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність вибраної теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та основні задачі досліджень, наукова новизна та практична цінність результатів, а також відомості про апробацію та особистий внесок здобувача.

Перший розділ має оглядовий характер і присвячений аналізу основних результатів досліджень електричних та фотоелектричних властивостей діодних структур на основі телуриду кадмію. Розглянуто технологічні методи створення поверхнево-бар’єрних діодів (ПБД), а також структур з p-n-гомо- і гетеропереходами. Наведено основні фізико-хімічні параметри телуридів кадмію і цинку, а також тонких напівпрозорих металевих та оксидних плівок, які використовуються як випрямляючі контакти. Аналізуються місце телуриду кадмію серед інших детекторних

матеріалів і причини обмеженої кількості робіт з технології та фізики бар'єрних СсІТе-детекторів різного типу випромінювань. Розділ завершується короткими висновками.

У другому розділі описано основні технологічні режими створення’ декількох типів діодних структур - поверхнево-бар'єрних діодів, р-п-гомо-та і етеропереходін. Окрема увага приділяється підготовці напівпровідникових підкладинок, нанесенню напівпрозорих випрямляючих контактів та омічних контактів до розглядуваних типів діодів. Особливістю даної роботи с використання базових кристалів з широким діапазоном зміни питомого опору та складу деіуючпх домішок, табл. 1.

Табл.1. Основні параметри базових підкладинок при 300 К

Матеріал легуюча домішка тип провідності питомий опір, Ом-см

СсЗТе нелегов. п 10°-106

нелегов. р 108

Іп п 1-5

Іл р 1-10

СІ р 106-108

?лТе нелегов. р 102-103

Ая р 1-100

Сс1,_ч2пчТе СІ р 106-108

нелегов. п 40-60

Всі кристали отримувались методом Бріджмена, а керування провідністю здійснювалось за рахунок надлишку власного компонента, або введенням відповідної домішки. Деякі зразки легувались Іп або І.і шляхом відпалу високоомних підкладинок товщиною ~1 мм у закритому об'ємі. Зауважимо, що концентрація 7п у кристалах Ссі,_^пхТе не перевищувала

0,05 мольн.проц. і не приводила до зміни ширини забороненої зони порівняно з СсІТе. Разом з тим, цинк виступає в ролі ізовалентної домішки, яка забезпечує появу низки позитивних ефектів, притаманних таким домішкам [2].

У цьому розділі також описані необхідні методики досліджень, які використовувалися для вимірювань характеристик структур та визначення їх основітх параметрів. Аналіз вольтфарадних характеристик свідчить, що діоди можуть бути розділені на два типи - з параболічним ходом потенціалу та р-і-п-структурою. Приведено вирази для розрахунку висоти <й, та ширини

<1й бар’єру. Особлива увага приділена дослідженню впливу параметрів підкладинки (тип та величина провідності), матеріалу випрямляючого контакту (Аи та ІТО) і препаративних умов виготовлення на електричні та фотоелектричні параметри ПБД. Встановлено оптимальні технологічні режими створення поверхнево-бар’єрних структур з точки зору їх використання як сонячних елементів.

Третій розділ присвячено дослідженню електричних та фотоелектричних властивостей поверхнево-бар’єрних діодів. Показано, що контакти Аи-пСсІТе з модифікованою поверхнею мають значно вищий бар’єр ніж контрольні (без модифікації). Більший температурний коефіцієнт зміни <ра ПБД порівняно з £в матеріалу пояснюється впливом поверхневих рівнів. Кожен з механізмів формування залежностей темпового І та світлового /р струмів від напруги У та температури Т для ПБД (як і для решти діодів) обговорено окремо. Така можливість обумовлена правильним вибором умов досліду (У, Т, спектральний склад випромінювання та його інтенсивність тощо) та використанням адекватних фізичних моделей.

Для діодів на широкозонних напівпровідниках надбар’єрний струм Іл суттєвий тільки при V, які близькі до <рц/е, однак, істинна залежність І {У)

спотворюється за рахунок послідовного опору К„. У цьому випадку

вольтамперну характеристику (ВАХ) зручно представити у вигляді [7]

еУ Л

кТ кТ

Експериментальні ВАХ всіх ПБД добре описуються виразом (1) при великих прямих струмах, рис. 1. Згідно теорії [7] струм відсічки /8 визначає висоту бар’єра при 0 К, оскільки І5 ~ ехр(-<ро / кТ). Дослідні залежності

/,(7) підкоряються експоненційному закону, а (р0 узгоджується з величиною цього параметра, визначеною з вольтфарадних характеристик. Відхилення експериментальних точок від прямої при малих 1 (рис. 1) зумовлено порушенням ідеальності інжектуючих переходів, яке викликано захопленням носіїв заряду глибокими пастками. При цьому ВАХ описується степеневим законом виду

І~Ут, (2)

де показник т у залежності від ролі областей діодної структури у процесах переносу заряду може приймати значення 3/2, 2 або 4 [8]. Дослідні ВАХ ПБД у цьому інтервалі прямих напруг добре описуються виразом (2) при ш=4, рис. 2. Залежність І{Т) при напрузі К=1,2В у напівлогарифмічних

-70

-50

-ЗО

ІПУ

1077’, К'

О 10 20 ЗО 40 І-10'6, А

Рис. 1. Зіставлення прямої ВАХ контакту Аи-пСсіТе з виразом (1) при 300 К.

координатах апроксимується прямою, з нахилу якої визначено глибину залягання домішкового рівня £а=0,35 еВ. Останній молена зв’язати з акцепторпим рівнем кисню, що дифундує в кристал з повітря при відпалі у процесі модифікації поверхні п-СсіТс.

Центри захоплення впливають також па генераційно-рекомбшаційш процеси в області просторового заряду (ОПЗ), які описуються виразом

Експериментальні ж значення п більші за 2. Суперечність знімається, якщо допустити наявність в і-області глибоких пасток, якими є рівні кисшо. Товщина і-області для різних зразків знаходиться в межах 30-50 мкм і перевищує дифузійні довжини електронів і дірок у СсіТе. Температурна

дослідна величина 1,6 еВ узгоджується з шириною забороненої зони СсіТе при 0 К. Генерацінпі процеси в 0113 визначають також обернені ВАХ

На врізці - температурні залежності темнового /5 та світлового /® струмів відсічки.

залежність /цГ описується експонентою, тобто

1,2 1,6 2,0 2,4 V, В

Рис. 2. Зіставлення прямої ВАХ т-і-п-структури на базі контакту Аіі-пСііїє з виразом (2) при 300 К. На врізках - зонна діаграма діода та температурна залежність прямого струму при К=1,2 В.

ПБД при низьких напругах.

При великих зміщеннях спостерігається більш різке зростання /, яке зумовлено процесами ударної іонізації. їх найбільш зручно досліджувати із залежностей фотоструму від оберненої напруги, які дають змогу знайти коефіцієнти помноження АГ при кожній V. Аналіз залежності М(У) показує, що іонізація здійснюється переважно носіями одного знаку. Дослідження експериментальних кривих М(Ьсіі) (рис. 3) показує, що помноження у телуриді кадмію проводиться дірками, причому відношення коефіцієнтів ударної іонізації дірок ар та електронів при 300 К складає «р/Оп»30-40.

Спектри фоточутливості 5ш(й(и) найбільш широкі для контактів Аи-пСсІТе, займають інтервал 1,4-5,0 еВ при 300 К. ІТО обмежує високоенергетичну чутливість енергіями ~4 еВ. Інтегральні світлові характеристики не мають особливостей і адекватно описуються у рамках відомих теоретичних моделей. Відмітимо, що залежності струму короткого замикання /5С від напруги холостого ходу Кос підкоряються залежності

/.«с = А°с ехр(е V / пкТ),

(4)

о і------------1-----------1---------1----------1

1,2 1,4 1,6 1,8 йй),еВ

Рис. 3. Спектральні залежності коефіцієнта помноження для діодів ІТО-рСсіТе (1) і Аи-пСсіТе (2) при 300 К.

причому п-1, що характерно для надбар’єрного струму, а /Л°с(Т)

узгоджується з І$(Т), рис. 1. Для структур Аи-пСсіТе з модифікованою поверхнею в умовах освітлення ЛМ2 при 300 К досягнутий к.к.д 13 %. Ця величина (примана без онтимізації конструкції та використання просвітлення, що свідчить про значні резерви підвищення к.к.д. Обговорено можливості практичного використання структури Аи-пСМТе з модифікованою поверхнею.

- У четвертому розділі описано властивості структур з р-п-гомо- та гетеропереходом (ПІ). Початкові ділянки прямих та обернених темнових В АХ ГП pZriГe-nCdTє (виготовлених на підкладинках СсіТе), рис. 4, описуються відомими виразами, які характерні для гунельно-рекомбіпаційних процесів в ОПЗ.

/пр=/,°ехр(аК + ^Г),

(5)

/

\

(6)

Тут а, а0, Ь0 - параметри, які не залежать від V, а Р - від Т. Параметр а0 визначається заповненням рівнів, з яких відбувається тунелювання. Залежність сіа(Т) (рис. 46) дає значення Еял0,12 еВ, що відповідає деякому

1,0

10

2,0 У, В /_ А

I, А

300 340 Г, К

а)

б)

Рис. 4. Пряма (а) та обернена (б) ВАХ гетеропереходу р2пТе-пСс1Тс при 300 К. На врізках - температурні залежності прямого струму при У=соп$1 (а) і параметра а0 (б).

акцепторному рівневі у р-2пТе, оскільки тунелювання при оберненому зміщенні проходить з ZnTв у СсіТе. Відхилення обернених ВАХ від залежності (6) при великих V пов’язана з процесами лавинного помноження носіїв заряду. Для ГП, виготовлених на нелегованих підкладинках ЕпТе, прямі ВАХ описуються виразом типу (2). Однак, величина пі при цьому суттєво залежить від напруги і приймає значення 1, 2, 7 і знову 2, рис. 5.

І, А

Рис. 5. Пряма ВАХ гетеропереходу пСсіТе-р2пТе при 300 К.

Такі ВАХ характерні для струмів обмежених просторовим зарядом і дозволили знайти деякі параметри структури, табл. 2.

Табл. 2. Основні параметри 1 П nCdTe-pZnTe^

кч,в Утп, В і/;, мкм Ро, СМ"’ Е0, сВ 6>о іУь см'3 £„ еВ

0.1 . 0,2 2 5-Ю6 0,86 2-Ю'7 510п 0,66

ВАХ р-п-переходів. отриманих відпалом нідкладтток п-тнпу на повітрі під шаром ІлСО:„ при малих дописуються виразом (3), рис. 6.

/, А 0,4 ’ 0,8 V, В

Рис. 6. Прямі (а) та обернені (б) ВАХ р-и-переходу при 300 (1) і 370 К (2). Точки -експеримент, суцільні лінії - розраховані ча формулою (3).

Відхилення експериментальних точок від розрахованої залежності Ді7) при Уоб>2-5 В зумовлено помноженням носіїв внаслідок ударної іонізації. Це підтверджується також помноженням фотоструму. Прямі струми при У>0,6 В контролюються процесами захоплення носіїв на акцепторні рівні кисню, оскільки залежність /пр(Т) дає величину Ла~0,35 еВ. При ¥<<р^е прямий струм р-п-переходів та ГП pZnTe-nCdTe контролюється надбар’єрним проходженням носіїв заряду.

Спектр фоточутливості р-п-иереходів мало відрізняється від контактів Аи-пСдТе, а для ГП - обмеженні! Е% контактуючих матеріалів. Низько- та високоенергетична відсічки на осі енергій з температурою змінюються у відповідності з температурними коефіцієнтами зміни Е„ телуридів кадмію та цинку. Залежності Лс(Кос) описуються виразом (4) з

п= 2, що характерно для переважаючої генерації фотоносіїв в ОПЗ. Струм короткого замикання лінійно залежить від рівня освітленості Ь, а напруга холостого ходу при великих і проявляє тенденцію до насичення. Характер залежностей М(У) свідчить про переважаючу роль у процесах ударної іонізації одного типу носіїв заряду. При 300 К в умовах освітлення АМ2 для ГП отримано максимальний к.к.д. гр*5 %.

П ’ятий розділ присвячено аналізу електричних та фотоелектричних характеристик діодів на базі високоомних кристалів. Оскільки найбільш цікаві результати отримано на п-р-переходах виготовлених дифузією А1 в рСсІь^Те і ПБД типу ІТО-пСсГГе, то розгляд обмежено саме цими структурами.

Початкові ділянки прямих ВАХ дифузійних діодів описуються виразом

(3), а нахил залежності /®г (Т) дає £а« 1,6 еВ, що узгоджується з Ег

матеріалу при 0 К. Величина «=2,5-2,8, що свідчить про вплив центрів захоплення. Прямий струм при великих V підкоряється закону (2), однак, на відміну' від ПБД і р-п-переходів на низькоомішх підкладинках, т=2. Така залежність характерна для р-і-п-структур, коли рекомбінація у п- та р-областях переважає над рекомбінацією у високоомній області. Температурна залежність напруги відсічки ¥0 функції Іт{У) дозволяє знайти ширину забороненої зони матеріалу, яка виявилася рівною 1,6 еВ. Струм короткого замикання лінійно змінюється з освітленістю при низьких

рівнях, переходячи у залежність /£ ,~Л - при великих. Залежність характерна для діодів, які мають високоомну область. Експериментальні криві /5С(К0С) описуються виразом (4) при п~2, що свідчить про генерацію

носіїв в ОПЗ діода. Температурна залежність параметра /5°с дає ширину забороненої зони 1,6 еВ, рис. 7. Найбільш цікавим для практики є зростання високоенергетичної чутливості при збільшенні оберненої напруги, що пояснюється зменшенням впливу поверхневої рекомбінації, рис. 8. Для таких структур спостерігається також значне помноження фотоструму (більше 5 порядків), рис. 8. Воно, очевидно, пов’язане з домішкою СІ, оскільки на інших зразках не спостерігається.

Найбільш характерною особливістю контактів ІТО з високоомним п-СсіТе є залежності фотоструму від прямої напруги і рівня освітленості. При низьких Ь прямі темнова і світлова ВАХ в області великих струмів описуються однаковим законом (2), а т=4. При високих Ь проходить зміна області генерації і показник степеня зменшується до 2/3, що характерно при

Рис. 7. Залежності ДС(К0С) для дифузійних р-п-переходів на високоомному (1) і низькоомному (2) матеріалі та ГП пС(іТе-р7пТе (3)

при 300 К. На врізці - температурні залежності / для тих же діодів.

й,,/5и| 7Р-Л

Рис. 8. Залежність фотоструму від оберненої напруги (1) та відносної фоточутливості при ¥2=80 В і ¥,-0 В (2) для р-п-переходу па Сс1,.х2пхТе<С1> при 300 К.

домінуючих процесах захоплення глибокими центрами у високоомній області. Початкові ділянки прямих темнових ВАХ описуються виразом (3) з и«2, які потім замінюються більш повільною залежністю (2) з «2=4. Експериментально встановлено, що максимальне відношення світлового струму до темпового досягається в області кімнатних температур при

1 В.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І висновки

1. Виготовлено діодні структури різного типу (поверхнево-бар’єрні діоди, р-п-гомо- та гетеропереходи) на базі монокристалів СсіТс з широким спектром зміни їх параметрів (тип та величина провідності, склад домішок та власних дефектів тощо).

2. Аналіз показує, що у досліджуваних діодах мають місце наступні механізми струмопроходження: теплова та польова емісії, генераційно-рекомбінаційні процеси в області просторового заряду, процеси захоплення глибокими рівнями, ударна іонізація, а також струми обмежені просторовим зарядом. Варіація типу структури та її параметрів а також умов досліду' дозволило знайти режими, при яких кожен з розглянутих механізмів є домінуючим і, таким чином, дослідити їх окремо.

3. Надбар’єрний темновий струм є суттєвим при прямих напругах, близьких до висоти бар’єру і адекватно описується в рамках існуючих моделей. Надбар’єрна емісія під дією світлового випромінювання реалізується тільки в поверхнево-бар’єрних діодах з відносно низьким потенціальним бар’єром.

4. Початкові ділянки прямих гілок вольтамперних характеристик р-п-гомопереходів контролюються рекомбінацією через глибокі рівні в області просторового заряду за участю центрів захоплення (п>2). Ці процеси також визначають обернений струм при малих зміщеннях даних структур, а різкий ріст оберненого струму при великих напругах зумовлено процесами ударної іонізації.

5. Встановлено, що прямий рекомбінаційних струм описується степеневою залежністю напруги з різним показником степені, який визначається внеском областей структури в загальний струм.

6. Тунельні процеси визначають початкові гілки прямих та обернених вольтамперних характеристик гетеропереходів ZnTe-CdTe. Струм гетеропереходів телурид кадмію-цинку на базі кристалів 2пТе описується в рамках теорії струмів обмежених просторовим зарядом.

7. Показано, що основним механізмом формувати інтегральних світлових характеристик більшості поверхнево-бар’єрних діодів та бар’єрів з р-п-псреходом на низькоомних підкладинках с процеси генерації фотоносіїв в області просторового заряду. В структурах з високоомною базою спостерігається інжекційне підсилення, яке може досягати чотирьох порядків. Ще більше внутрішнє підсилення спостерігається в обернено-змітцених р-п-переходах на основі кристалів Cdl-xZnxTe<Cl> (п’ять порядків).

8. Показано, що найбільш широкий спектр енергій (1,5-5 еВ) притаманний поверхнево-бар’єрним діодам з напівпрозорим золотим контактом, а фоточутливість гетеропереходів та контактів 1ТО-нанівпровідник обмежується ширинами заборонених зон контактуючих матеріалів. Виявлено ефект підвищення короткохвильової чутливості з прикладеною зворотною напругою, який є найбільш суттєвим для р-п-гомопереходів з високоомною базою.

9. Виявлена спектральна залежність коефіцієнта помноження, яка використана для знаходження коефіцієнтів ударної іонізації носіїв заряду. Встановлено, що ударна іонізація проводиться переважно дірками, оскільки їх коефіцієнт ударної іонізації майже на півтора порядки перевищує

аналогічний коефіцієнт для електронів.

10. На впсокоомних гіідкладинках створено фотодетектори чутливі в діапазоні 1,5-4 еВ з підсиленням 103-105 раз. На базі поверхнево-бар’єрних діодів виготовлено сонячні елементи з к.к.д. і]«13% при 300 К в умовах сонячного освітлення АМ2.

Список цитованої літератури

1. Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. Пер. с англ. под ред. Суриса Р.А. - М.: Мир, 1984.- 1,2. - 456 с и 352 с.

2. Рыжиков В.Д. Спинтилляционные кристаллы полупроводниковых

соединений А2В6. Получение, свойства, применение. - М.:

НИИТЭХИМ, 1989. - 123 с.

3. Корбутяк Д.В., Мельгшчук С.В., Корбут Є.В., Борисюк М.М. Телурид кадмію: домішково-дефектні стани та детекторні властивості. - К.: Іван Федоров. - 2000. - 198 с.

4. Мельников А.А. Неохлаждаемые детекторы ионизирующих излучений на основе монокристаллов квазибинарных соединений Cdi vZnxTe/7 Микроэлектроника. - 1999. - 28, №3. - С. 234-237.

5. Махішй В.П., Барасюк >1.11, Склярчук В.М. Детектор рентгеновского

излучения на основе гетероперехода сульфид-теллурид кадмия // ПТЭ.-1997.-N2.-c. 115-117.

6. Чопра К., Дас С. Тонкопленочные солнечные элементы. - М.: Мир, 1986.-440 с.

7. Махний В.П. Физические процессы в диодных структурах на основе широкозонных полупроводников А2В6: Дне... докт. физ.-мат. наук: 01.04.10. -Черновцы, 1992. - 293 с.

8. Адирович Э.И., Карагеоргий-Алкалаев П.М., Лейдерман А.Ю. Токи двойной инжекции в полупроводниках. - М.: Сов. Радио. - 1978. - 320 с.

Основні результати дисертаційної роботи викладені в наступних публікаціях:

1.* Демич М.В., Горлей ГІ.М., Махній В.П., Ульяницький К.С. Вплив параметрів підкладинки та умов виготовлення контактів Au-CdTe на їх фотоелектричні властивості // Науковий вісник ЧДУ: Фізика. - ЧДУ, 1998. -ЗО. -С. 124-127.

2* Ciach R., Demych M.V., Gorley P.M., Kuznicki Z., Makhniy V.P., Malimon I.V., Swiatek Z. Photo and X-ray sensitive heterostructures based on cadmium telluride // Journal of Crystal Growth. - 1999. - 197. - P. 675-679.

3.* Горлей П.М., Демич M.B., Махній В.П., Свянтек 3., Ульяницький К.С., Цях Р. Фотоелектричні властивості контактів метал- телурид кадмію з модифікованою поверхнею // Науковий вісник ЧДУ: Фізика. Електроніка -ЧДУ, 1999. - 63. - С. 82-84.

4.* Махній В.П., Бараіпок B.C., Барасюк Я.М., Демич М.В., Махній О.В., Мельник В.В., Собіщанський Б.М. Бар’єрні детектори електромагнітного випромінювання на основі широкозонних II-VI сполук // Науковий вісник ЧДУ: Фізика. Електроніка - ЧДУ, 2000. - 66. - С. 24-27.

5.* Горлей П.Н., Демич Н.В., Махний В.П., Ульяницкий К.С. Свойства гетеропереходов в системе nCdTe-pZnTe// Неорг. Матер. - 2000. - 36, №9. - С. 871-873.

6.* Горлей П.М., Демич М.В., Махній В.П., Ульяницький К.С., Хорват Ж. Електричні і фотоелектричні властивості діодів на основі CdxZn1.xTe<Cl>// Науковий вісник ЧДУ: Фізика. Електроніка - ЧДУ, 2000. - 79. - С. 30-34.

7* Ciach R., Swiatek Z., Barasyuk Ya. М., Demych M.V., Gorley P.M., Makhniy V.P.. Electric and Photoelectric Properties of Heterojunctions of Cadmium Sulfide-Teluride and Zinc Cadmium Teluride Systems. / Abstracts of International Conference on Solid State Crystals. Zakopane, Poland.-1998. P. 1.

8.* Demych M.V., Gorley P.M., Makhniy V.P. Photoelectric properties of Shottky barrier based on cadmium telluride with the modified surface / Abstracts of XXVII Internatiolai school of physics of semiconducting compounds.- Jaszowiec, Poland.- 1998,-P. 101.

9.* Ciach R., Demych M.V., Gorley P.M., Kuznicki Z., Makhniy V.P., Malimon I.V., Swiatek Z. Photo and X-ray sensitive heterostructures based on cadmium telluride / Abstracts of E-MRS'98 Spring Meeting. Growth, Characterisation and Applications of Bulk II-VIs. Strasburg, France. -1998. P. 20.

10.* Maxmin В.П., Баранюк В.П., Барасюк Я.Н., Демич Н.В., Малимон И.В., Мельник В.В., Собшцанский Б.М. Проблемы создания барьерных детекторов на основе широкозонных II-VI соединений / Тезисы докладов международной конференции, посвященной методам рентгенографической диагностики несовершенств в кристаллах, применяемых в науке и технике. -Черновцы, Украина. - 1999- С. 78.

П.* Gorley P.M., Demych M.V., Makhniy V.P., Ulyanitsky K.S., KadelnykD.V. Detectors on the base of Cdi„xZnxTe<Cl> / Abstracts of Third International conference on Physical Problems in Material Science of Semiconductors. - Chemivtsy, Ukraine. - 1999. - P. 272.

12.* Makhniy V.P., Demych M.V., Gorley P.M., Horley P.P., Horvath Zs.J., Vo Van Tuyen. Electrical Properties of Photo Converters on the Base of Au-CdTc Structures / Abstracts of European Conference on Photovoltaics. - Cracov. Poland.

- 1999. P. 19.

13.* Demych M.V., Gorley P.M., Ilorley P.P., Makhniy V.P.. Swiatek Z., Ciach R., Beltowska-Lehman E. Photoelectric Properties of Surface Barrier Diodes Based on Cadmium Telluride / Abstracts of European Conference on Photovoltaics. - Cracov, Poland. - 1999. P. 54.

14.* Gorley P.M., Makhniy V.P., Ulyanitsky K.S., Demych M.V., KadelnykD.V., Ciach R., Swiatek Z., Beltowska-Lehman E.. Photoelectric Properties of Photodiodes on the Base of Cd].xZn4Te<Cl> Crystals / Abstracts of European Conference on Photovoltaics. - Cracov, Poland. - 1999. P. 56.

15.* Beltowska-Lehman E., Swiatek Z., Ciach R., Demych M.V., Gorley P.M., Horley P.P., Makhniy V.P.. Electrical and Photoelectric Heterojunction Properties of Cadmium-Zinc Teluride System. / Abstracts of European Conference on Photovoltaics. - Cracov, Poland. - 1999. P. 55.

16.* Horvath Zs. J., Makhniy V.P., Demych M.V., Tuyen Vo Van, Balazs J., Reti I., Gorley P.M., Ulyanitsky K.S., Horley P.P., Slitter D., Sitter H. and Dozsa L. Electrical and photoelectrical behaviour of CdTe structures / Abstract of

5th International Workshop on Expert Evaluation & Control of compound Semiconductor Materials & Technologies. Heraklion, Crete, Greece, 2000. P 006.

Дсмич M.B. Електричні та фотоелектричні властивості діодних структур на базі монокристалічного телуриду кадмію. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків. - Чернівецький державний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці, 2000.

Дисертацію присвячено створенню діодних структур на базі монокристалів телуридів кадмію і цинку, дослідженню їх електричних і фотоелектричних властивостей, а також вивченню можливостей практичного застосування. Особливістю даної роботи є використання базових матеріалів з широким діапазоном зміни питомого опору і вмісту легуючих домішок та створенню на їх основі випрямляючих структур різних типів - поверхнево-бар’єрних діодів, р-п-гомо- та гетеропереходів. Ці фактори в сукупності з варіацією умов досліду (напруга, температура, спектральний склад освітлення і його рівень та ін.) дозволили виділити з великої кількості механізмів формування темпових і світлових вольтамперних характеристик (ВАХ) необхідний і детально його вивчити. Дослідження показали, що в діодах реалізуються практично всі можливі механізми проходження струму: теплова і польова емісії, генераційно-рекомбінаційні процеси в області просторового заряду, процеси захоплення глибокими пастками, ударна іонізація, а також процеси обмеження струму просторовим зарядом.

Спектр фоточутливості визначається типом діода, а найбільш широкий (1,5-5 еВ) у структур Au-nCdTe. Обговорено ефект різкого збільшення короткохвильової чутливості в р-п-переходах на базі CdJ.xZn:(Te<Cl>. Встановлено, що коефіцієнт ударної іонізації дірок на півтори порядки більший, ніж відповідний параметр для електронів. На високоомних підкла-динках створені лабораторні зразки фотодетекторів, чутливих в діапазоні 1,5-4 еВ із внутрішнім підсилешим 103-105. На базі ПБД виготовлені сонячні елементи з К.К.Д.® 13 % при 300 К в умовах освітлення АМ2.

Ключові слова: випрямляюча структура, телурид кадмію, поверхнево-бар’єрний діод, гетероперехід, механізми струмопроходження, спектр фоточутливості, детектор, сонячний елемент.

Демич Н.В. Электрические и фотоэлектрические свойства диодных структур на базе монокристаллического теллурида кадмия. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-

математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков. - Черновицкий государственный университет имени Юрия

Федьковта, Черновцы, 2000.----- ----- ..._______

Диссертация посвящена получению диодных структур на основе монокристаллов теллурида кадмия и цинка, исследованию их электрических и фотоэлектрических свойств, а также изучению возможностей практического применения. Особенностью данной работы является использование базовых материалов с широким диапазоном изменения удельного сопротивления и содержания легирующих примесей и создание на их базе выпрямляющих структур различных типов -поверхностно-барьерные диоды (ПБД), р-п-гомо- и гетеропереходы. Эти факторы в совокупности с вариацией условий опыта (напряжете, температура, спектральный состав освещения и его уровень и др.) позволили выделить из многообразия механизмов формирования темповых и световых вольтамперных характеристик (ВАХ) необходимый и детально его изучить. Исследования показали, что в диодах реализуются практически все возможные механизмы прохождения тока: тепловая и полевая эмиссии, генерационно-рекомбинационные процессы в области пространственного заряда (ОПЗ), процессы захвата глубокими ловушками, ударная ионизация, а также процессы ограничения тока пространственным зарядом. Надбарьерпый темновой ток I существенен только при прямых напряжениях К близких к высоте барьера и адекватно описывается в рамках существующих моделей. Надбарьерная эмиссия под действием света реализуется только в ПБД с низким <ра. Начальные участки прямых ветвей ВАХ р-п-гомоиереходов контролируются рекомбинацией в ОПЗ через глубокие уровни при участии центров захвата. Последние определяют также характер /(I7) при больших прямых токах в зависимости от области преобладающей рекомбинации в диодной структуре. Обратный ток при таких смещениях контролируется процессами генерации в ОПЗ диода, а резкое возрастание при больших V - обусловлено процессами ударной ионизации. Начальные участки прямых и обратных ветвей ВАХ гетеропереходов, изготовленных на основе низкоомных подложек СсГГе, объясняются тунелыю-рекомбинационными процессами в ОПЗ. ВАХ гетеропереходов на базе /пТе описывается теорией токов ограниченных пространственным зарядом. Спектр фоточувствительности определяется типом диода, а наиболее широким (1,5-5 эВ) обладают структуры Аи-пСсЛ'е. Обнаружен эффект резкого увеличения коротковолновой чувствительности в р-и-переходах на базе Сл!>_х7пчТс<С]>. Установлено, что в теллуриде кадмия коэффициент ударной ионизации дырок на полтора порядка больше чем аналогичный параметр для электронов. На высокоомных подложках созданы лабораторные образцы фотодетекторов, чувствительных в диапазоне 1,5-4 зВ и обладающих внутренним усилением

Юэ-105. На базе ПБД изготовлены солнечные элементы с к.п.д.«13 % при 300 К в условиях освещения АМ2.

Ключевые слова: выпрямляющая структура, теллурид кадмия, поверхностно-барьерный диод, гетеропереход, механизм токопереноса, спектр фоточувствительности, детектор, солнечный элемент.

Demych M.V. - Manuscript. Electrical and photoelectrical properties of diode structures on the base of monocrystal cadmium telluride.

Thesis for a Candidate's Sciences degree by speciality 01.04.10 - Physics of Semiconductors and Dielectrics. - The Yuriy Fedkovich State University of Chemivtsy, Chemivtsy, 2000.

The thesis is devoted to reception of diode structures on the base of telluride cadmium and zinc monocrystals, investigation of their electrical and photoelectrical properties, and study of opportunities of practical application. Peculiarity of the work is the use of basic materials with a wide range of specific resistance and of doping impurities content as well as producing of different type rectifying structures on their base such as surface-barrier diodes (SBD), p-n-homo- and heterojunctions. These factors together with the variation of experiment conditions (bias, temperature, light spectrum and its level etc) allowed to distinguish the appropriate mechanism of dark and light current-voltage characteristic formation and to study it in details. The investigations shows that practically all possible mechanisms of current flowing are realized in diodes. Spectrum of photosensitivity is determined by the type of diode. The effect of shortwave sensitivity sharp increase in p-n-junctions on the base of CdI.xZnxTe<Cl> has been observed. It is set up that the coefficient of hole impact ionization is 1.5 orders more than corresponding electron parameter. Laboratory detectors with sensitivity range 1.4-4 eV and inner application 103-105 were made on high resistant substrates. Solar cells with efficiency 13 % (300 К, AM2) were made on the base of SBD.

Key words: rectifying structures, cadmium telluride, surface-barrier diode, heterojunction, mechanism of current flowing, photosensitivity spectrum, detector, solar cell.