Структура и электрические свойства поликристаллических плёнок теллурида кадмия, синтезированных при различных технологических условиях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ХАМРОКУЛОВ РАДЖАБМУРОД БАДРИДДИНОВИЧ

СТРУКТУРА И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЁНОК ТЕЛЛУРИДА КАДМИЯ, СИНТЕЗИРОВАННЫХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

УСЛОВИЯХ

Специальность: 01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 Р ДПР 2(:'а

Душанбе - 2012

га выполнена на кафедре физической электроники Таджикского

национального университета.

Научные руководители: доктор физ.-мат. наук, профессор Султонов Н.;

кандидат физ.-мат. наук, доцент Акобирова А. Т.

Официальные оппонентьпдоктор физ.-мат. наук, профессор Исмоилов И.;

доктор техн. наук, доцент Лаврентьев В.В.

Ведущая организация: Худжандский государственный университет им. академика Б.Г. Гафурова

Защита состоится 3 мая 2012 г. в Ю00 часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 737.004.04 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Таджикском национальном университете по адресу: 734025, Республика Таджикистан, г. Душанбе, проспект Рудаки, 17, факс (992-372) 21-77-11. Зал заседаний Ученого совета ТНУ.

Отзывы направлять по адресу; 734025, г. Душанбе, проспект Рудаки, 17, ТНУ, диссертационного совета ДМ 737.004.04, E-mail: tgnu@mail.tj.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ТНУ.

Автореферат разослан « 2012

г.

Ученый секретарь объединенного

диссертационного совета ДМ 737.004.04, /> У

кандидат физ.-мат. наук, доцент ——^ Табаров С.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Поликристаллические пленки соединений А2В6, главным образом, теллурида кадмия СсГГе , 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 С(1Те 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 СсГГе. Оптимальная ширина запрещенной зоны и высокий коэффициент поглощения в видимой области спектра делает поликристаллический СсГГе наиболее перспективным материалом для солнечных преобразователей.

Теллурид кадмия, вследствие больших атомных номеров компонентов, а также большой ширины запрещенной зоны (ДЕ=1,5 эВ), в настоящее время представляет собой один из наиболее перспективных материалов для создания дозиметров и счетчиков у- квантов.

Поликристаллические пленки соединении 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 Сс1Те 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 СсГГе 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 полукристаллических 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 поликристаллического 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 А1/С(1Те, А^СсГГе;

-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 СсГГе толщиной до —500 мкм методом вакуумного напыления в квазизамкнутом объеме на различных монокристаллических подложках.

-установлено, что синтезируемые пленки СсГГе толщиной 30+500 мкм на различных подложках обладают поликристаллической структурой с размерами зерен 150-175 А;

-предложен механизм проводимости поликристаллических высокоомных плёнок СсГГе 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 С<1Те; показано уменьшение числа барьеров более чем на порядок с ростом температуры отжига;

-разработана технология получения барьера Шоттки на границе плёнок СсГГе и металлов (А1, 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 СсГГе 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 СсГГе и результаты, подтверждающие поликристалличность плёнок, полученных при разных условиях синтеза;

-механизм проводимости поликристаллических высокоомных плёнок СёТе на основе модели потенциальных меж]сристаллитных 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-летаю 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель работы, отражена научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава обзорная, в ней рассмотрено современное состояние физики полнкристаллических полупроводников. Анализируются электронные состояния на межзеренных границах. На основе данных по исследованию барьерных эффектов на бикристаллах кремния как n-, так и р-типа показано наличие на поверхности зерен состояний, подобных донорам и акцепторам. Анализ работ по спектроскопии глубоких уровней на бикристаллах показывает, что плотность состояния имеет максимум вблизи середины запрещенной зоны.

Рассмотрен механизм проводимости поликристаллических полупроводников на • основе диффузионной модели и модели термоэлектронной эмиссии, анализированы выражения, полученные для плотности тока и её зависимости от величины потенциального барьера на границе кристаллитов при отсутствии и наличии внешнего смещения.

В конце главы приводится обзор экспериментальных работ по структуре и электрическим свойствам плёнок теллурида кадмия из которого следует, что они, в основном, посвящены исследованию монокристаллических плёнок теллурида кадмия, однако, количество работ по поликристаллическим пленкам крайне ограничено и отсутствует систематическое исследование.

Во второй главе приведены результаты по разработке технологии получения плёнок теллурида кадмия и методика рентгеновского анализа и электрических измерений, проанализировано распределение потенциала на поверхности пленки и методика ее регистрации.

В параграфе 2.1 данной главы излагаются некоторые сведения^ об особенностях тонкопленочной технологии (процессы конденсации тонких плёнок и режимы роста плёнок), суть которых сводится к следующему: 1) режимы роста плёнок разделяются на послойный, островковый и промежуточный и 2) структура и электрофизические, оптические, прочностные и др. свойства плёнок в основном определяются технологическим режимом роста пленки.

В параграфе 2.2 рассматривается технология напыления толстых поликристаллических плёнок теллурида кадмия на монокристаллических подложках. Эмпирически установлено, что толстые поликристаллические пленки теллурида кадмия (до 200 мкм и более) можно получить при температуре подложки 493 К и скорости роста пленки (40^ 132) нмс . Измерения показали, что полученные пленки являются высокоомными и их удельное сопротивление составляет (5,2*9,0)-10 Ом-см.

Для получения тонких (до 2 мкм) и толстых (до 300 мкм) плёнок была использована квазизамкнутая рабочая камера, представляющая собой небольшой объем, ограниченный кварцевой трубой с внутренним

диаметром 83 мм и длиной 120 мм. Многочисленные опыты позволили подобрать оптимальную температуру подложки и оптимальную скорость напыления плёнок.

В качестве подложки использовались пластины низкоомного монокристаллического теллурида кадмия (?г= ^-Ю1'" ем"*) и арсенида галлия (к == 1<3*?ш~г). Активные пленки теллурида кадмия на

разных подложках получали при вакууме 10"5 мм.рт.ст. и температуре подложки 493 К на установке ВУП-5М. Скорость роста плёнок составлял для толстых (40-432) нмс"1, для тонких (0,5+20) нмс"1.

При других условиях синтеза плёнок либо наблюдалось отслоение пленки от подложки, либо сильно ухудшаюсь ее качество.

В качестве исходного материала для получения толстых плёнок использовался монокристаллический CdTe, легированной хлором, с удельным сопротивлением ~ Ю10 + 5-Ю10 Ом-см. Для получения тонких плёнок (до ~2 мкм) испол ьзовали нелегированный CdTe.

Электрические измерения проводили при помощи модернизированного нановольтамперметра Р341, который позволял измерять ток в пределах 0,5 нА - 50 мкА. При помощи встроенных делителей можно было расширять пределы измерения до 250 мкА.

Рентгеновские измерения проводили на установке ДРОН-2 с медным излучением с длиной волны 1,54 А, фильтрованным Ni при углах дифракции 29=10-75°. Размеры кристаллитов определялись с точностью -0,2%.

Оптические исследования проводили на спектрофотометре ИК-14АМ. Длина волны изменялась в пределах 0,68 до 2,5 мкм; ширина спектра источника составляла 0,6+1,6 нм.

В главе III приведены результаты структурных измерений в толстых пленках CdTe, полученных на различных подложках — CdTe, Si, GaAs. Толщина активной пленки теллурида кадмия варьировала от 30 до 500 мкм.

Показано, что при конденсации на подложке (110) CdTe преимущественную ориентацию в пленках CdTe имеют плоскости (110) и (111), параллельные плоскости подложки, на подложках из (111) Si получены пленки с ориентацией (111) CdTe. На монокристаллических подложках (100) GaAs возможно получение плёнок CdTe с ориентацией (110). Форма кристаллитов зависит от того, какая плоскость оказывается энергетически выгодной при осаждении из газовой фазы. В случае CdTe этими плоскостями являются (100), (110) или (111) и в подобных структурах направление преимущественной ориентации при росте пленки имеют грани (100), (110) или (111).

На рис. 1 представлены дифрактограммы плёнок CdTe-GaAs различной толщины, а в табл. 1 структурные характеристики этих плёнок.

Рис. 1. Дифрактограммы плёнок СёТе-СаАв разной толщины: 1,2 — Д=30 и 50 мкм; 3 — 80 мкм; 4 — линия диффузного фона.

Как видно из рис. 1 и табл. 1, полуширина рефлекса составляет ~Ъ9 угловых минут, что соответствует размерам кристаллитов Ьк = 150А. Конечность полуширины рефлексов свидетельствует о поликристаллической природе структуры плёнок.

Таблица 1

Некоторые структурные характеристики плёнок теллурида кадмия на подложках Сс1Те и ОаАз и та зависимость от толщины

Образец Толщина пленки Я (»«и) Температура ПОДЛОЖИ! т„,к Интенсивность рассеяния в максимуме, 1„, (имп/сек) Поперечн. размер кристаллитов ht, А Межплоскостное расстояние d, А

CdTe-GaAs 30 303 68 94 3,9427

30 493 113 145 3,8938

50 493 ИЗ 150 3,8936

80 493 91 139 3,8825

CdTe-CdTe 30 303 56 78 3,8872.

30 493 124 170 3,8660

50 493 124 169 3,8624

80 493 117 164 3,8510

Аналогичные результаты получены для плёнок Сс1Те-Сс1Те, однако размеры кристаллитов заметно больше, чем для плёнок СсГГе-ОаАз. На основе данных рис. 1 и табл. 1 можно заключить, что: 1) размеры кристаллитов и интенсивность в максимуме зависят от температуры подложки- изменение температуры от 300 до 493 К сопровождается увеличением ^ почти в два раза; 2) слабое уменьшение размеров

кристаллитов на фоне заметного возрастания диффузного рассеяния; 3) с ростом толщины образцов увеличивается вероятность появления дефектов структуры, что препятствует росту кристаллов и появлению микроискажений, 4) близкая поликристалличность (табл. 1) образцов разной толщины, осажденных при 493 К на подложке из СсГГе связывается с одинаковой структурой подложки и активной пленки; 5) экспериментально выявлен технологический режим синтеза, где все пленки на разных подложках имеют поликристаллическую структуру с размерами кристаллитов 150+170А.

Аналогичные результаты получены для толстых плёнок (Д=24(Н500 мкм), где размеры кристаллитов для всех типов плёнок составляют 160-П75А.

Наряду с вакуумным методом получения плёнок в КЗО был разработан альтернативный метод получения поликристаллических плёнок облучением тяжелыми ионами аргона 4оАг+ поверхности монокристаллического образца.

На основе полученных результатов установлено, что облучением тяжелыми ионами 4оАт+4 с энергией 250 МэВ на поверхности монокристаллической пластины можно получить поликристаллический приповерхностный слой толщиной -90 мкм, который является непосредственной частью подложки и поэтому исключена возможность отслоения.

В четвертой главе изложены электрические и оптические свойства поликристаллических плёнок теллурида кадмия.

В параграфе 4.1.1 рассмотрен механизм токопереноса в поликристаллических пленках, полученных на подложках из монокристаллических ОаАэ, СсГГе, 81. Толщина активной пленки варьировалась в пределах 80-200 мкм.

Выбор толщины плёнок в пределах 80-200 мкм связан с тем, что он является оптимальным для изготовления пленочных детекторов ядерного излучения. Высокие атомные номера С<1 и Те позволяют уменьшать толщину активного слоя до 100-150 мкм.

На основе данных по электрическим измерениям установлено, что зависимость проводимости а от напряжения для плёнок, полученных на разных подложках, состоит из трех прямых участков (рис 2а): участка медленного роста а до напряжений 200 В, участка её резкого увеличения при напряжении V >200 В, который соответствует пробою барьеров и участка, соответствующего высоковольтной омической области, связанной с эффективным пробоем всех барьеров (V > 300) (рис. 2а).

Некоторые отличия, наблюдаемые в проводимости плёнок (наклон начального участка, а также напряжение пробоя барьеров), связываются с отличием в структуре плёнок, полученных на различных подложках.

а)

б)

Рис. 2. Вольтамперные характеристики (а) и дифрактограммы плёнок (Же на разных подложках: 1 - Сс1Те-С<Ле; 2 - Сс1Те-СаАз; 3 - Сс1Те-81.

Таблица 2

Структурные характеристики плёнок, полученных на разных подложках

Подложка | Толщина Д, мкм

СсГГе СаАБ

110 110 110

Температура подложки, К

493 493 493

Интенсивность макс, рефлекса

(III), 1щ

110_

117_

44

Размеры кристаллитов

ЬьА

160_

150_

125

Межплоскостн. расстояние

а, А_

3,8740

3,8714__

3,7950

В частности, межплоскостное расстояние для кристаллитов в пленках СЖе-(Же п СёТе-ОаАБ отличается на несколько процентов, однако эта разница между Сс1Те-Сс1Те и Сс1Те-81 составляет около 20%. Этим объясняется отличие в рентгенограммах плёнок, полученных на различных подложках (рис. 26). На основе анализа структурных характеристик (табл. 2) и электрических свойств плёнок, полученных на различных подложках, установлено, что характер структурообразования существенно влияет на электрические параметры. На основе полученных данных предложен механизм проводимости поликристаллических полупроводников и, согласно этой модели, на границе каждого кристаллита может существовать область р-типа, окружающая кристаллит п-типа, и вся пленка состоит из большого числа включенных последовательно потенциальных барьеров, как показано на рис. 3.

Изгиб энергетических зон вблизи электрически заряженной границы (рис. 3) препятствует передвижению электронов в свободной зоне и дырок в валентной зоне. Воздействие внешнего смещения способствует уменьшению величины барьера (от до цУО и движению носителей слева на направо.

.ХАЛ...

а)

V/

б)

Рис. 3. Схематическое изображение энергетических барьеров в межкристаллитной области для плёнок Сс1Те-Сс1Те: энергетический барьер в отсутствие внешнего напряжения (а) и с внешним напряжением (у0 =у2— V]) (б). Ус- высота барьера при отсутствие смещения, W - ширина барьера.

Установлено, что проводимость поликристаллических плёнок с межкристаллитными барьерами описывается уравнением

I = АТ2 ехр

кТ

ехр

■ехр

кТ

(1)

Здесь А - постоянная Ричардсона, Е8- ширина запрещенной зоны полупроводника, ЕР- уровень Ферми кристаллических зерен, Я-постоянная

Больцмана и ц - заряд электрона.

Согласно (1) токоперенос в поликристаллических полупроводниковых

г (Е^-ЕгУ

пленках (рис. 2) зависит от двух сомножителей: первого- ехр

характеризующего процесс

КГ

пар в

кристаллитах; второго' -

ехр

электронно-дырочных

л

, являющегося основным в

генерации

. кТ ) Ч кГ токопереносе при наличии внешнего смещения.

На основе модели электростатических потенциальных барьеров установлено, что возрастание проводимости на рис. 2 связано с понижением межкристаллитных потенциальных барьеров, которое способствует переходу носителей заряда через многослойные потенциальные барьеры (рис. 3).

На основе опытов по влиянию толщины плёнок на структуру и электрические свойства установлено, что рост толщины плёнок от 80 до 200 мкм сопровождается уменьшением о на порядок, интенсивности кристаллических рефлексов на 20% и размера кристаллитов на 15%. Обнаруженная корреляция имеет место как для подложки из СсГГе, так и из ¿аАБ. Уменьшение размеров кристаллитов, а также появление вакансий, микроискажений и дислокаций является одним из возможных причин падения о.

Обнаружен рост протяженности области пробоя, а также наличие трёх изломов на зависимости для плёнок толщиной Д > 200 мкм, что

свидетельствует о наличии на пленках двух типов барьеров соответственно при напряжениях -200 и -300 В. Появление строго определенных межкристаллитных барьеров по мере синтеза плёнок из паровой фазы маловероятно: всегда имеется некоторое распределение в значениях величин потенциальных барьеров, что вызывает пробой в некоторой области напряжения, причем это область более растянута для более толстых плёнок. Для плёнок с Д > 200 мкм возможно образование кристаллитов, отличающихся дефектностью, о чем свидетельствует падение интенсивности кристаллических рефлексов. С этим связываются выделение двух типов барьеров на зависимости .

Установлено, что зависимость проводимости от толщины плёнок Д хорошо аппроксимируется экспонентой вида

а = сг0 ехр

где Йо, сто - постоянные величины.

!да

Д_

\

13

1Г

100 200 Цнт

Рис. 4. Зависимость проводимости от толщины плёнок

Как видно из рис. 4 проводимость поликристаллических плёнок зависит от числа барьеров, т.е. от толщины плёнок не линейно, как утверждают некоторые авторы, а экспоненциально.

На основе опытов по влиянию температуры отжига на структуру и электрические свойства плёнок установлено, что имеется корреляция между величиной удельной проводимости и размерами кристаллитов: так, возрастание размера кристаллитов в три раза сопровождается увеличением проводимости на порядок. Показано, что при Тотж > 603 К кубическая модификация структуры переходит в гексагональную с ориентацией плоскостей (002) перпендикулярно плоскости подложки. На основе изменения соотношения интенсивностей отражения (002) и (110) установлено улучшение ориентации кристаллитов с ростом Тотж.

Заметное возрастание проводимости с ростом Тотж связывается с возрастанием размеров кристаллитов и их ориентацией. Рост размера кристаллита приводит к уменьшению числа межкристаллитных барьеров при заданной величине толщины плёнок и, тем самым, к росту ст.

На основе анализа начального участка вольтамперной характеристики исходных и отожженных плёнок в предположении, что к каждому барьеру в среднем приложено напряжение V/m (m-число барьеров между электродами, V-межэлектродное напряжение) определены параметр т, среднее расстояние между барьерами Нк и высота барьера АЕ0.

Результаты обработки и вычислений представлены в табл. 3.

Таблица 3

Влияние температуры отжига на Нк и высоту барьера

Толщина Т Т 1 ОТЖ5 ш Нк, Ä Высота

плёнок, мкм к К барьера, эВ

300 - 13615 80 0,55

493 - 5711 200 0,5

110 493 533 3420 323 0,45

493 603 2152 512 0,4

493 623 1497 735 0,35

Оказалось, что высоты барьеров разных типов незначительно отличаются друг от друга, однако расстояния между барьерами (Нк) различаются почти на порядок. Это свидетельствует о том, что электрические свойства плёнок практически полностью определяются процессами на межкристаллитных барьерах. Таким образом, в неоднородных полупроводниковых пленках, имеющих мелкозернистую структуру, электрические явления обусловлены, в первую очередь, энергетическими барьерами, возникающими на границах кристаллитов и определяются высотой барьеров и линейными размерами между ними.

На основе опытов по температурной зависимости проводимости (рис. 5) проведена оценка энергии активации носителей заряда для исходных (-0,47 эВ) и термообработанных при 603 К (~ 0.41 эВ) плёнок.

Анализ результатов исследования спектральной зависимости удельной проводимости в области энергий Ьу=0,8+1,6 эВ и величин энергий активации, вычисленных на основе опытов по температурной зависимости ст (рис. 5) позволил установить наличие в высокоомных пленках СсГГе р-типа, легированных хлором, локальных энергетических уровней в нижней половине запрещенной зоны в области ~ Еу -+0,47 эВ.

В последующих двух параграфах исследованы электрические и оптические характеристики тонких (до 2 мкм) поликристаллических плёнок теллурида кадмия.

В параграфе 4.2 рассмотрены электрические свойства тонких плёнок (до 2 мкм) а также характеристики и параметры диода Шоттки на их основе.

1дст

Рис. 5. Температурная зависимость проводимости плёнок Сс1Те толщиной 110 мкм: 1 — исходный; 2 — после отжига.

Изучение электрических свойств и структуры плёнок толщиной 0,41 мкм показали тесную взаимосвязь структуры плёнок с их удельным сопротивлением (табл. 4). В частности, с ростом толщины плёнок появляются отражения (110), (211), (220) и сильно возрастают их интенсивность и размеры кристаллитов. Оказалось, что усовершенствование структуры плёнок сопровождается уменьшением удельного сопротивления (табл. 4).

Таблица 4.

Изменение удельного сопротивления и размеров кристаллитов с ростом ___толщины плёнок_■__

Д, мкм толщины плёнок hk, А размеры кристаллитов 1ш, усл. ед. интенсивность реф. (002) . р, Ом-см удельное сопротивление

0,4 70 52 8-Ю8

0,6 100 70 4,8-108

0,8 130 115 8,2-107

1,0 135 120 8,МО7

Показано, что направленным изменением структуры плёнок на молекулярном и надмолекулярном уровнях операциями тонкопленочной технологии можно синтезировать пленки с задаными электрическими свойствами.

Произведена оценка высоты межкристаллитных потенциальных барьеров для тонких плёнок (Д = 2 мкм), которая составляет ~0,4 эВ.

Малая удельная проводимость Ом"5' СМ-1) и заметная

энергия активация проводимости (~ 0,4 эВ) позволяют предполагать, что основную роль в проводимости тонких плёнок играют.межкристаллитные барьеры. Оказалось, что ограничение темпового тока межкристаллитными границами является доминирующим в механизме прохождения тока в тонких пленках Сс!Те.

Методом тонко плёночной технологии разработана технология изготовления барьера Шоттки " А1/СсГГе и А§/Сс1Те. Показано, что при напряжениях 0+10 В вольт-амперная характеристика диода А1 /СйТе линейна, однако при У>!0 В в достаточно широких пределах напряжения она является нелинейной, что связывается с эффектом границ зерен. На основе опытов по зависимости плотности тока от приложенного напряжения вычислена высота барьера Шоттки на контакте с А1 и Эти величины оказались равными 0,66 и 0,75 эВ соответственно.

В параграфе 4.3 рассмотрен оптический метод определения ширины межзонных переходов в тонких пленках С(1Те и её зависимость от технологии получения.

В этом параграфе изучен ближний ИК-спектр пропускания тонких плёнок, синтезированных при различных температурах и скоростях роста плёнки; выявлены условия получения плёнок с высоким пропусканием и четким краем полосы собственного поглощения.

Исследования спектров пропускания плёнок с разными технологическими параметрами показали, что для плёнок, синтезированных при низких или умеренных скоростях осаждения характерна высокая пропускаемость и острый край поглощения при температурах подложки 533 К и выше, однако при низких температурах подложек пропускание уменьшается и край поглощения становится нечётким.

Показано, что наиболее четкий спектр пропускания наблюдается при скорости роста & =5 нмс"1, однако при д >10 нмс"1 коэффициент пропускания уменьшается в десятки раз.

Термоотжиг в атмосфере азота для плёнок, полученных при высоких температурах и средних скоростях роста плёнок не приводит к изменению четкости спектра, однако в плёнках, полученных при низких температурах, термообработка сопровождается ростом пропускания и улучшением , четкости края поглощения. Влияния примесей 1п на четкость спектра не обнаружено.

Определен коэффициент поглощения плёнок путем расчёта интерференционных максимумов в спектре пропускания.

На основе зависимости коэффициента поглощения а от энергии фотонов установлено, что поглощение в области линейного роста коэффициента а связанно с прямыми межзонными переходами. Показано, что ширина запрещенной зоны Ег плёнок, синтезированных при Т = 523

К, составляет величину 1,47 эВ и немного меньше, чем Ев монокристаллов СёТе, для которых Ев = 1,49 эВ. Пленкам, синтезированным при низких температурах, соответствуют низкие значения Ев; термоотжиг этих плёнок вызывает увеличение Ев подобно плёнкам, выращенным при высоких температурах. Обнаружено, что уменьшение ИК- пропускания и потери чёткости- края поглощения в пленках, полученных при высоких скоростях роста и низких температурах подложки связывается с тем. что механизм поглощения отличается от идеального межзонного перехода.

Корреляцию между спектром пропускания и технологическими параметрами можно объяснить, если предположить, что условия высокотемпературного синтеза плёнок при невысоких скоростях роста благоприятствуют росту поликристаллических плёнок с большими размерами кристаллитов и оптическими свойствами, близкими к оптическим свойствам монокристаллов.

Установлено, что как уменьшение ширины запрещённой зоны (оптической щели Ей) в плёнках', полученных при температурах ниже 573 К, так и их расширение при термоотжиге может быть отнесено к наличию областей с высокой плотностью состоянии энергий около полос, которые дают подъём нижнему краю полосы. Эти области или уровни могут быть связаны с электронными состояниями на границах кристаллитов, плотность которых заметно уменьшается с термообработкой.

Возможность изменения ширины запрещенной зоны в заметных пределах (от Е8=1,42 до 1,48 эВ) технологическими условиями осаждения и отжигом поликристаллических плёнок СсГГе создает новую перспективу для их использования в электронике, микроэлектронике и преобразовательной технике.

ВЫВОДЫ

1. Разработана технология получения тонких (до 2 мкм) и толстых (30 4-200 мкм) поликристаллических плёнок теллурида кадмия на различных подложках, выявлены оптима.. ;ые технологические параметры синтеза плёнок из газовой фазы в квазизамкнутом объеме -температура подложки, температура отжига и скорость роста плёнок.

2. Установлено, что плёнки, полученные на монокристаллических подложках, имеют поликристаллическую структуру с эффективными размерами кристаллитов 150 -И 75 А; молекулярная и кристаллитная структура плёнок определятся условиями синтеза плёнок из газовой фазы. С ростом толщины' плёнок кристаллиты становятся более дефектными.

3. На основе опытов по температурной зависимости проводимости плёнок проведена оценка энергии активации не "гелей заряда для исходной (ДЕ --0,47 эВ) и термообработанной (ДЕ ~ 0,41 эВ) плёнок. Обнаружена корреляция между межкристаллитными энергетическими барьерами и

размерами кристаллитов для плёнок, полученных при разных температурах подложки и отжига.

4. Предложен механизм проводимости поликристаллических высокоомных плёнок теллурида кадмия на основе модели потенциачьных барьеров между кристаллитами. Согласно этой модели, понижение высоты потенциальных барьеров при внешнем смещении сопровождается ростом проводимости плёнок и имеет активационную природу. Установлено, что величина межкристаллитных энергетических барьеров для плёнок, полученных при различных технологических условиях, составляет ~0,3 4-0,5 эВ.

5. Показано, что направленным изменением структуры операциями тонкоплёночной технологии можно синтезировать сверхтонкие пленки теллурида кадмия ' (0,4*1 мкм) с регулируемой удельной проводимостью. На основе анализа удельной проводимости и энергии активации носителей установлено, что ограничение темнового тока межкристаллитными границами является доминирующим в механизме прохождения тока в тонких (до 2 мкм) плёнках теллурида кадмия.

6. Разработана технология изготовления барьеров Шоттки на основе тонких плёнок теллурида кадмия на границе с алюминием и серебром, исследована их вольтамперная характеристика и произведена оценка высоты барьера на контакте А1-С<1Те (0,66 эВ) и А§-Сс1Те (0,75 эВ).

7. Изучен ближний ИК- спектр пропускания тонких плёнок и выявлены технологические условия получения их высокого пропускания с четким краем полосы собственного поглощения: на основе данных по спектральной зависимости коэффициента поглощения впервые установлено, что имеют место прямые межзонные переходы в поликристаллических пленках теллурида кадмия, синтезированных при

. высоких температурах и средних скоростях роста пленки.

8. Показана прямая корреляция между шириной запрещенной зоны (Ей) и размерами кристаллитов в поликристаллических пленках, полученных при различных технологических условиях; возрастание размеров кристаллитов и их совершенства сопровождается увеличением ширины запрещенной зоны.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Акобирова А.Т., Азизов К.Д., Султонов Н., Хамрокулов Р.Б. Влияние отжига на фотоэлектрических свойства поликристаллических плёнок теллурида кадмия // Материалы международной конференции «Старение и стабилизация полимеров», Душанбе, 20-21 декабря 2002. -С. 83-86.

2. Султонов Н., Акобирова А.Т., Азизов К. Д., Хамрокулов Р.Б. Влияние межкристаллических барьеров на проводимость поликристаллических

плёнок CdTe // Материалы международной конференции «Старение и стабилизация полимеров», Душанбе, 20-21 декабря 2002. - С. 87-89.

3. Султонов Н., Акобирова А.Т., Азизов К. Д., Хамрокулов Р.Б. Получение поликристаллических плёнок CdTe и исследование их электрических характеристик // Материалы международной конференции по современным проблемам физико-механических свойств конденсированных сред. Худжанд, 2-4 май 2002. - С. 60-65.

4. Акобирова А.Т., Султонов Н., Азизов К.Д., Хамрокулов Р.Б. Влияние режима напыления на электропроводность и фоточувствительность плёнок CdTe // Материалы научно - теоретической конф. профессорско-преподавательского состава и студентов, посвященной 10-летию 16-й сессии Верховного совета РТ 12-го созыва. Душанбе, 2002. - С. 28.

5. Акобирова А.Т., Султонов Н.С., Хамрокулов Р.Б. Влияние режима напыления на характеристики плёнок CdTe // Материалы научно-теоретической конференции профессорско-преподавательского состава и студентов, посвященной 60-летию Победы в Великой Отечественной войне «Во имя мира и счастья на земле». — Душанбе, 2005. С. 42-43.

6. Султонов Н.С., Акобирова А.Т., Хамрокулов Р.Б., Сафаров А. Структурные изменения в монокристаллах теллурида кадмия при облучении ионами аргона // Тезисы докладов научно-теоретической конференции «Современные проблемы физики и астрофизики» посвященной 100-летию теории относительности А. Эйнштейна и 40-летию физического факультета ТГНУ». - Душанбе, 2005. часть 2. С. 48.

7. Султонов Н.С., Акобирова А.Т., Хамрокулов Р.Б., Структурные изменения в монокристаллах теллурида кадмия при облучении ионами аргона// Вестник Таджикского национального университета, 2006.-№2,-С. 55-58.

8. Акобирова А.Т., Султонов Н.С., Хамрокулов Р.Б., Давлатов М.М. Влияние условий получения плёнок теллурида кадмия на их фотопроводимость // Программа и тезисы докладов научно-теоретической конференции «Проблемы современной физики», посвященной 65-летию со дня рождения профессора Саидова Д.С. Душанбе, 9 декабря 2006. - С. 37.

9. Султонов Н.С., Акобирова А.Т., Хамрокулов Р.Б. Изучение структуры плёнок теллурида кадмия, полученных на монокристаллических подложках // Программа и тезисы докладов научно-теоретической конференции «Проблемы современной физики», посвященной 65-летию со дня рождения профессора Саидова Д.С. Душанбе, 9 декабря 2006. -С. 38.

10.Султонов Н.С., Акобирова А.Т., Хамрокулов Р.Б. М Изучение структуры плёнок теллурида кадмия, полученных на монокристаллических подложках // Вестник Таджикского национального университета, 2006.-№5.-С. 96-102.

И.Султонов Н.С., Акобирова А.Т., Хамрокулов Р.Б. Рентгеновский анализ пленочных детекторных структур, полученных на

монокристаллических подложках // Программа и тезисы докладов научно-теоретической конференции «Современные проблемы физики конденсированных сред», посвященной памяти заслуженного деятеля науки Таджикистана профессора Нарзуллаева Б.Н. 4-5 Душанбе, мая,

2007.- С. 48-49.

12.Султонов Н.С., Акобирова А.Т., Хамрокулов Р.Б. Структура плёнок теллурида кадмия различной толщины // Материалы межд. конф. «Наука и современное образование: проблемы и перспективы» Душанбе, 24-25 октября 2008. - С. 87.

13.Султонов Н.С., Акобирова А.Т., Хамрокулов Р.Б., Гафуров О. Влияние условий напыления и отжига на электрофизические и фотоэлектрические свойства теллурида кадмия // Материалы международной конференции «Наука и современное образование: проблемы и перспективы» посвященной 60-летию ТТНУ. Душанбе,

2008. - С. 88.

14.Султонов Н.С., Акобирова А.Т., Хамрокулов Р.Б., Азизов К.Д. Влияние толщины плёнок теллурида кадмия на их надмолекулярную структуру // Материалы международной конференции «Современные проблемы физики конденсированных сред и астрофизики», посвященной 70-летию профессора Султонова Н., Душанбе: ТНУ. - 2010. - С.10-14.

15.Султонов Н.С., Акобирова А.Т., Хамрокулов Р.Б., Азизов К.Д. Исследование проводимости и фоточувствительности плёнок CdTe на сапфире // Материалы межд. конф. «Современные проблемы физики конденсированный сред и астрофизики» (к 70-летию профессора Султонова Н. Душанбе, 21-22 май 2010. - С. 15-17.

16.Султанов Н.С., Акобирова А.Т., Хамрокулов Р.Б., Азизов К.Д. О возможности изготовления высокоэффективных солнечных элементов на основе плёнок CdTe // Материалы IV- международной научно-практической конференции «Перспективы развития науки и образования» Душанбе. 20-22 мая 2010. - С. 197-199.

17.Султонов Н.С., Акобирова А.Т., Хамрокулов Р.Б., Азизов К.Д. Получение плёнок арсенида галлия и исследование их характеристик // Материалы респ. науч. конф. «Проблемы современной координационной химии» посвященной 60-летию профессора Аминжонова А. А. Душанбе, 13-14 января 2011. - С. 85-86.

'18. Хамрокулов Р.Б., Султанов Н.С, Акобирова А.Т., Азизов К.Д. Структура и электрофизические свойства плёнок CdTe // Вестник таджикского национального университета, 2011 .-№ 6(70).- С. 26-31.

Поступило в печать 20.03.2012. Подписано в печать 20.03.2012. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура литературная. Печать офсетная. Усл.печ.л.1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 65.

Отпечатано в типографии ООО «Эр-граф». 734036, г.Душанбе, ул.Р.Набиева 218.

61 12-1/987

Министерство образования Республики Таджикистан Таджикский национальный университет

На правах рукописи

ХАМРОКУЛОВ РАДЖАБМУРОД БАДРИДДИНОВИЧ

СТРУКТУРА И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЁНОК ТЕЛЛУРИДА КАДМИЯ, СИНТЕЗИРОВАННЫХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

УСЛОВИЯХ

Специальность: 01.04.07 - физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: доктор физико-математических наук, доцент Султонов Н., кандидат физико-математических наук, доцент Акобирова А. Т.

Душанбе - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ......................................................................... 5

Глава 1. Современное состояние физики поликристаллических полупроводников

1.1. Электронные состояния на межзёренных (межкристаллитных) границах (МЗГ) в поликристаллических полупроводниках........ 11

1.2. Сравнение с экспериментальными данными, полученными при электрических измерениях на бикристаллах......................... 14

1.3. Модель электростатического потенциального барьера для МЗГ

в полупроводниках......................................................... 15

1.4. Проводимость поликристаллических полупроводников: диффузионная модель и модель термоэлектронной эмиссии .... 17

1.5. Равновесные значения интенсивностей захвата и эмиссии электронов, локализованных на поверхности раздела.............. 19

1.6. Межзёренная граница в условиях приложенного напряжения: стационарное состояние и квазиуровень Ферми электрона на границе........................................................................ 20

1.7. Определение плотности состояний на МЗГ на основе вольт-амперных характеристик бикристаллов............................... 21

1.8. Структура и электрические свойства плёнок СёТе, полученных

на различных подложках................................................. 23

Глава 2. Технология получения плёнок и методики измерения

2.1. Некоторые особенности тонкопленочной технологии............. 30

2.2. Технология напыления толстых поликристаллических плёнок СсГГе на монокристаллических подложках........................... 34

2.3. Физические процессы при нанесении плёнок в вакууме........... 37

2.4. Методика определения распределения потенциала в плёнке теллурида кадмия........................................................... 44

2.5. Методика рентгеновского анализа поликристаллических

веществ..............................................................................................................................................46

2.5.1. Точность определения межплоскостного расстояния..............................46

2.5.2. Оценка размеров кристаллитов....................................................................................47

2.6. Методика электрических измерений......................................................................49

Глава 3. Исследование структуры плёнок Сс1Те, полученных

вакуумным напылением в квазизамкнутом объёме

3.1. Изучение структуры плёнок СёТе на различных подложках .... 52

3.2. Структура толстых плёнок Сс1Те на различных подложках............62

3.3. Структурные изменения в монокристаллах СсГГе при облучении 66

3.3.1. Технология получения поликристаллических плёнок облучением поверхности монокристаллической подложки..............66

3.3.2. Структурные исследования............................................................................................68

Глава 4. Электрические и оптические свойства

поликристаллических плёнок СсГГе, полученных при различных технологических условиях 4.1. О механизме токопереноса в поликристаллических плёнках

теллурида кадмия........................................................... 73

4.1.1. Электрические свойства толстых плёнок Сс1Те, полученных на различных подложках..................................................... 74

4.1.2. Токоперенос в плёнках различной толщины......................... 81

4.1.3. Температурная зависимость проводимости плёнок СсГГе разной толщины...................................................................... 90

4.2. Электрические свойства тонких плёнок теллурида кадмия и изучение барьера Шоттки на границе металл-полупроводник (А1/Сс1Те)..................................................................... 93

4.2.1. Проводимость плёнок..................................................... 94

4.2.2. Характеристики барьера Шоттки на плёнках СсГГе................ 97

4.3. Оптический метод определения ширины межзонных переходов в тонких поликристаллических плёнках Сс1Те и её зависимость

от технологии получения..................................................................................................100

4.3.1. Спектры пропускания плёнок, полученных при различных технологических условиях................................................................................................101

4.3.2. Вычисление оптических параметров......................................................................104

4.3.3. Влияние технологии получения плёнок на коэффициент поглощения и ширину запрещённой зоны......................................................107

ЛИТЕРАТУРА............................................................................................................................................117

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Поликристаллические плёнки соединений А2В6, главным образом, теллурида кадмия Сс1Те , все шире используются в основных областях электронной техники, микроэлектронике, оптоэлектронике, солнечной энергетике.

Возможность получать поликристаллические плёнки с различным удельным сопротивлением, отличающимся на несколько порядков по величине, а также технологические преимущества сделали СёТе 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 СсГГе. Оптимальная ширина запрещённой зоны и высокий коэффициент поглощения в видимой области спектра делает поликристаллический СёТе наиболее перспективным материалом для солнечных преобразователей.

Теллурид кадмия, вследствие больших атомных номеров компонентов, а также большой ширины запрещённой зоны (АЕ=1,5 эВ), в настоящее время представляет собой один из наиболее перспективных материалов для создания дозиметров и счетчиков у- квантов.

Поликристаллические плёнки 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 плёнках, их свойства могут отличаться необычайно резко. Это связано с тем, что МЗГ в полупроводниковых плёнках создают электрически активные центры.

Возможность создания приборов и устройств на основе поликристаллических плёнок СсГГе 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. Её 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 плёнках 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 Сс1Те с возможностью ре1улирования, 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 объёме;

-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 А1/СёТе, Ая/Сс1Те;

-влияние температуры и скорости роста тонких (2 мкм) плёнок на спектр пропускания и коэффициент поглощения плёнок теллурида кадмия; оценка ширины запрещённой зоны на основе оптических данных и её зависимости от технологических условий синтеза плёнок. Научная новизна работы:

-разработана технология синтеза высокоомных поликристаллических плёнок СсГГе толщиной до -500 мкм методом вакуумного напыления в квазизамкнутом объёме на различных монокристаллических подложках.

-установлено, что синтезируемые плёнки СсГГе толщиной 30^500 мкм на различных подложках обладают поликристаллической структурой с размерами зёрен 150-175 А;

-предложен механизм проводимости поликристаллических высокоомных плёнок СёТе 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 СсГГе; показано уменьшение числа барьеров более чем на порядок с ростом температуры отжига;

-разработана технология получения барьера Шоттки на границе плёнок СсГГе и металлов (А1, Ag), исследованы их вольтамперные характеристики и произведена оценка высота барьера Шоттки и параметр идеальности;

-выявлены оптимальные технологические параметры синтезируемой плёнки - температура подложки, температура отжига и скорость роста плёнки, при которых имеет место максимальное поглощение. Из спектральной зависимости коэффициента поглощения оценена величина ширины запрещённой зоны;

-установлена однозначная взаимосвязь между размерами кристаллитов и шириной запрещённой зоны при изменении условий синтеза плёнки; совершенствование и рост кристаллитов сопровождается возрастанием ширины запрещённой зоны.

Практическая значимость.

Результаты, изложенные в диссертации, являются основой для разработки технологии получения приборов для оптоэлектроники и микроэлектроники. Полученные высокоомные плёнки необходимой толщины из СёТе 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 СсГГе и результаты, подтверждающие поликристалличность плёнок, полученных при разных условиях синтеза;

-механизм проводимости поликристаллических высокоомных плёнок СсГГе 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 запрещённой 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 объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 129 страницах, включая 37 рисунков, 8 таблиц и списка цитируемой литературы из 162 наименований.

ГЛАВА 1

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ФИЗИКИ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

1.1. Электронные состояния на межзёренных (межкристаллитных) границах (МЗГ) в поликристаллических полупроводниках

Электрические свойства поликристаллических полупроводников в основном определяются процессами, происходящими на межзёренных границах. Межзёренные границы - один из двумерных протяженных дефектов, наиболее часто встречающихся в кристаллах. Наличие межзёренных границ является основным признаком поликристалла. В полупроводниках из-за растущего интереса к использованию дешевого поликристаллического кремния, а так же соединений А3В5 и А2В6, наиболее важным является наличие МЗГ и их влияние на электрические свойства.

Атомная структура МЗГ тесно связана с кристаллической структурой объёмного материала. Харбеке Г. [1] впервые предложил модель периодической структуры поверхности раздела между зернами. В рамках этой модели МЗГ представляют собой атомную плоскость, атомы которой занимают промежуточные позиции между решёточными узлами кристаллитов-соседей. В работе [2] предложена островковая модель, согласно которой на МЗГ чередуются области хорошего и плохого согласования обеих соседних кристаллических решеток.

Эксперименты по дифракции электронов [3] и дифракции рентгеновских лучей [4] показали, что МЗГ имеет кристаллоподобную структуру, которая является сверхрешёткой по отношению к периодической решетке кристалла.

В течение длительного времени подозревали, что состояния оборванных связей влияют на барьерные эффекты, которые наблюдались на межзёренных границах (МЗГ) в ковалентных полупроводниках. Недавние

эксперименты по электронному спиновому резонансу показали, что в случае поликристаллического кремния [5, 6] это действительно так. В результате снова повысился интерес к исследованию электрических свойств электронных состояний на МЗГ. Потенциально одним из наиболее обещающих методов измерения является метод спектроскопии переходных ёмкостных процессов.

В данной главе приводится краткий обзор последних данных по состояниям на МЗГ в различных полупроводниках, прич�