Влияние примесей галлия и иттербия на электрические и фотоэлектрические свойства теллуридов свинца-олова-германия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. ІО. Федьковича

ВИГРАНЕНКО Юрій Костянтинович

УДК 621.315.592.3

ВПЛИВ ДОМІШОК ГАЛІЮ ТА ІТЕРБІЮ НА ЕЛЕКТРИЧНІ І ФОТОЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ТЕЛУРИДІВ СВИНЦЮ-ОЛОВА-ГЕРМАНІЮ

01.04.10 - Фізика напівпровідників і діелектриків

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Чернівці - 1997

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Чернівецькому відділенні Інституту проблем матеріалознавства НАН України.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник Слинько Євген Іларіонович,

Чернівецьке відділення ІПМ НАН України, зав. відділом вузькозонних напівпровідників.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Заячук Дмитро Михайлович,

Державний університет “Львівська політехніка”, професор кафедри напівпровідникової електроніки;

кандидат фізико-математичних наук, доцент Фрасуняк Василь Михайлович,

Чернівецький державний університет, доцент кафедри фізичної електроніки.

Провідна установа: Інститут фізики напівпровідників НАН

України, м. Київ.

Захист відбудеться /£. 1997 р. о 15-ій год.

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д. 76.051.01 при Чернівецькому державному університеті ім. Ю.Федьковича (274012, м.Чернівці, вул. Коцюбинського, 2).

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Чернівецького державного університету ім. Ю.Федьковича (м.Чернівці, вул. Л. Українки, 23).

Автореферат розіслано “ //п // 1997 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої рад

Курганецький М.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми досліджень. Перспективними матеріалами ІЧ-оптоелектроніки є напівпровідники типу А4Вб з домішками, які створюють глибокі або резонансні стани в енергетичному спектрі кристала. В таких системах спостерігається стабілізація рівня Фермі - концентрація носіїв заряду майже не залежить від концентрації інших домішок або дефектів, а визначається тільки складом твердого розчину. Це зумовлює високу просторову однорідність електрофізичних параметрів кристала. Якщо стабілізація рівня Фермі відбувається в забороненій зоні, то при низьких температурах реалізується діелектричний стан, що є незвичайним для вузькозонних напівпровідників.

Ефект стабілізації рівня Фермі спостерігався в твердих розчинах на основі РЬТе, легованих індієм; в РЬТе, РЬі.хЄехТе, РЬ,.хМпхТе з домішкою галія, а також в РЬГе<ТІ> іРЬТе<Сг>.

Довгочасові релаксаційні процеси провідності виявлені в матеріалах, легованих Іп і Єа. Великий час життя нерівноважних носіїв обумовлює аномально високу чутливість кристалів і плівок до слабких потоків ІЧ-випромінювання.

Виникнення довгочасових релаксаційних процесів у сполуках А4В6 пояснюють утворенням в енергетичному спектрі автолокалізованого бар’єру між станами локалізованого і вільного електрона. Невідомо, утворюються довготривалі стани безпосередньо домішковими атомами чи легування тільки сприяє формуванню дефектів, які і утворюють такі стани. Але незаперечно одне - властивості центрів визначаються сортом домішкового атома. Так, наприклад, явища затриманої фотопровідності спостерігаються в легованих індієм матеріалах при температурах Т<20К, а в кристалах, легованих галієм, при Т<80К [1].

Для розвитку викладеної вище проблеми необхідно розширити коло об’єктів, в яких реалізуються вказані явища, як шляхом синтезу нових складних твердих розчинів, так і шляхом пошуку нових домішок, які утворюють локалізовані стани. Це актуально як для вирішення фундаментальної проблеми домішкових станів у вузькозонних напівпровідниках типу А4В6, так і для практичного застосування цих матеріалів в ІЧ-оптоелектроніці.

В даній дисертаційній роботі проведено комплексне дослідження електричних і фотоелектричних властивостей кристалів РЬі_,ЗпхТе<Са> і РЬ 1.уОехТе<Оа>. Передумовою висунення другого

напрямку є той факт, що всі відомі до теперішнього часу домішки, які формують резонансні чи глибокі рівні в А4Вб, - елементи зі змінною валентністю. Тому були синтезовані і вивчені кристали з домішкою ітербію.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота тісно пов’язана з планами науково-дослідних робіт Чернівецького відділення Інституту проблем матеріалознавства НАН України, зокрема з темою 1.6.2.34 “Розробка наукових основ технології і принципів управління властивостями складних напівпровідникових твердих розчинів”, затвердженою Президією НАН України 27 грудня 1991 р., № 474 (номер державної реєстрації 01930028748).

Мета роботи - визначення основних електричних і фотоелектричних параметрів та можливостей практичного використання твердих розчинів телуридів свинцю-олова-германію, легованих галієм та ітербієм.

Задачі, які вирішувалися згідно з поставленою метою:

1. Визначити умови легування для отримання компенсованих кристалів твердих розчинів на основі РЬТе.

2. Дослідити основні електричні та фотоелектричні властивості одержаних кристалів.

3. Встановити залежність параметрів глибоких рівнів від складу твердого розчину.

4. Визначити можливості практичного використання досліджу-, ваних матеріалів в ІЧ-фотоелектроніці.

Вирішення поставлених задач базується на використанні завершеного комплексу методів, які включають вирощування легованих кристалів і дослідження їхніх електричних та фотоелектричних властивостей. Розрахунки параметрів і характеристик проведені на основі сучасних модельних уявлень і теорій з застосуванням апробованих методик.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше одержано і досліджено тверді розчини телуридів свинцю-олова-германію, леговані галієм та ітербієм, в яких рівень Фермі стабілізується в забороненій зоні.

2. Визначено енергетичне положення домішкових рівнів в залежності від складу твердих розчинів.

з

3. Визначено спектральні та кінетичні характеристики фотопровідності в твердих розчинах РЬІ_х8пхТе<(іа> і РЬ 1_хОехТе<Єа>.

4. Вперше проведено дослідження фотоелектричних властивостей твердого розчину РЬі.х.уОехїЬуТе<Оа>.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Отримано тверді розчини РЬі.хБпхТе<Оа> і РЬі.хЄехТе<Оа>, на основі яких можна створити фотодетектори діапазону Зн-7 мкм.

2. Розроблена технологія одержання монокристалів твердого розчину РЬ1.х.уОехїЬуТе, придатних для використання в якості напівізолюючих підкладок під епітаксію квантово-розмірних структур.

3. Одержаний твердий розчин РЬі.х.уОехУЬуТе<Са> є перспективним з точки зору створення високочутливих фотоприймачів з внутрішнім інтегруванням сигналу.

На захист виносяться:

1. Технологічні умови одержання твердих розчинів РЬі.^пхТе і РЬ2.хОехТе, легованих галієм та ітербієм.

2. Сукупність електричних і фотоелектричних властивостей твердих розчинів телуридів свинцю-олова і свинцю-германію, легованих галієм, та узгоджена з ними енергетична модель локалізованих станів.

3. Експериментальні докази існування глибокого донорного рівня в енергетичному спектрі багатокомпонентного твердого розчину РЬі.х_уСехУЬуТе.

4. Рекомендації по використанню багатокомпонентного твердого розчину РЬі.х.уСехїЬуТе<Са> для розробки фотоприймачів з високою виявляючою здатністю.

Особистий внесок здобувача: виконав синтез легованих

кристалів [1, 3, 4]; провів виміри температурних залежностей

гальваномагнітних коефіцієнтів твердих розчинів РЬ!.^пхТе і РЬі.хОехТе, легованих галієм [1, 5, 6 ], самарієм [7], ітербієм [2,

8, 9] а також галієм і ітербієм [4]; дослідив фотоелектричні властивості цих матеріалів, запропонував механізм рекомбінації електронно-діркових пар через двоелектронні центри [4, 10].

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались і обговорювались на: І Міжвузівській

конференції “Матеріалознавство і фізика напівпровідникових фаз змінного складу” (Ніжин, 1991); II Українській конференції “Матеріалознавство і фізика напівпровідникових фаз змінного складу” (Ніжин, 1993); Міжнародній конференції по матеріалознавству халькогенідних і алмазоподібних напівпровідників (Чернівці, 1994); VIII науково-технічній конференції “Хімія, фізика і технологія халькогенідів і халькогалогенідів” (Ужгород, 1994); Міжнародній школі-конференції по фізичним проблемам матеріалознавства напівпровідників (Чернівці, 1995).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 10 наукових робіт, перелік яких наведено в кінці автореферату.

Структура та об’єм дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку цитованої літератури і додатку. Робота викладена на 122 сторінках, включає ЗО рисунків, З таблиці і список літератури, що містить 72 джерела.

КОРОТКИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Зроблено короткий огляд основних експериментальних і теоретичних досліджень телуриду свинцю, легованого галієм. Розглянуто технологічні умови одержання компенсованих кристалів РЬТе<Са>. Описані явища - стабілізація рівня Фермі, затримана фотопровідність, домішкове поглинання та інші ефекти - свідчать про наявність в легованому матеріалі глибоких електронних рівнів. Аналіз експериментальних даних вказує на існування одно- і двоелектронних станів домішкового центра. Довгочасові релаксації нерівноважних носіїв пояснюються утворенням автолокалізованого бар’єру між станами локалізованого і вільного електрона.

Відомо, що стабілізація рівня Фермі відбувається в твердому розчині РЬі_хСехТе<Са>, але детальне дослідження цієї сполуки не проведено. Спроби синтезувати високоомні кристали РЬі.3БпхТе<0а> були невдалими. Визначення технологічних умов одержання і дослідження властивостей твердих розчинів на основі РЬТе, легованих галієм, є актуальним.

Із аналізу електрофізичних властивостей телуриду свинцю, легованого домішками лантаноїдного ряду, зроблено висновок, що тільки УЬ формує донорний рівень поблизу вершини валентної зони. Тверді розчини на основі РЬТе з компонентою УЬ, крім РЬБпУЬТе, не вивчалися.

Виходячи з актуальності проблеми домішкових станів у вузькозонних напівпровідниках типу А4Вб, визначено напрямок подальших досліджень - встановлення технологічних умов утворення і оцінка параметрів глибоких рівнів у твердих розчинах на основі РЬТе, легованих галієм та ітербієм.

Для виготовлення легованих твердих розчинів були застосовані різні технологічні методи з метою одержання об’єктивної інформації стосовно глибоких рівнів, які формуються за допомогою домішок галію та ітербію.

Макроскопічно однорідні кристали твердих розчинів РЬі-х5пхТе<Єа> (х=0-т-0.08) і РЬі.хОехТе<Оа> (х=0н-0.1) одержано методом твердотільної перекристалізації. Синтезований матеріал з контрольованим співвідношенням між концентрацією домішки і відхиленням від стехіометрії охолоджувався до температури 650°С і відпалювався в ізотермічних умовах на протязі 120 годин.

Вирощування монокристалів РЬг.хОехТе з домішкою УЬ або легованих одночасно домішками УЬ та Єа проведено методом Бріджмена. В умовах градієнта температур 35+40 °С/см і швидкості переміщення фронту кристалізації 1 мм/год явище концентраційного переохолодження не приводить до виділення сторонніх фаз, якщо концентрації домішок Єа та УЬ не перевищують ~0.5 і ~1 ат.% відповідно. З метою гарантованого отримання легованих монокристалів застосована система безпосереднього виявлення теплового ефекту спонтанної кристалізації. Визначено типовий розподіл компонентів твердого розчину РЬі.х.уОехУЬуТе вздовж злитку. Склад зразків визначався методом рентгенівського флюоресцентного аналізу.

В досліджуваних напівпровідниках при низьких температурах реалізується діелектричний або металевий стан, тому для вимірів електропровідності та коефіцієнта Холла були застосовані методики відповідно на постійному і змінному струмах. Дослідження кінетичних явищ проводилось в умовах повного екранування зразків від фонового випромінювання за допомогою спеціально сконструйованих кріостатів. Кінетичні коефіцієнти

вимірювались в широкому інтервалі температур 4.2+380К на автоматизованій установці з комп’ютерною обробкою результатів.

Для дослідження спектральних характеристик фотопровідності в області 3+25 мкм створена автоматизована установка з проточним кріостатом оригінальної конструкції. Розроблений пакет комп’ютерних програм (під БОБ) забезпечував вимірювання, обробку та зберігання спектральних залежностей фотопровідності.

З метою визначення інтервалу складу х твердих розчинів РЬі.х$пхТе<Оа>, в яких реалізується високоомний стан, були досліджені електричні властивості зразків з х=0.02, 0.04, 0.06, 0.08, концентрацією домішки галію ІУса=0.2+0.4 ат.% і відхиленням від стехіометрії в бік телуру г<0.6 ат.%. Встановлено, що характер температурних залежностей коефіцієнта Холла Яц в діапазоні 77-380К визначається головним чином складом х. Зразок стехіометричного складу (г=0) при х=0.02 і N^=0.2 ат.% має и-тип провідності і |/?н| активаційно зростає в усьому температурному інтервалі; концентрація електронів при 77К складає 7-Ю1 см', питомий опір - р«560 Ом-см. При х=0.04,7^Оа=0.4 ат.% і г=0.2 ат.% спостерігається інверсія знака коефіцієнта Холла при Т1ПУ=:96К і провідність в області низьких температур стає дірковою; р77к&Ю3 Ом-см - найбільша досягнута величина. Зі збільшенням вмісту олова температура Тту зсувається в область більш високих температур; концентрація дірок при Т=77К підвищується до 8-Ю14 і 3-Ю16 см'3 відповідно при г=0.06 і 0.08. Енергія термічної активації донорного рівня у випадку РЬТе оцінюється величиною 65 меВ і зростає в твердому розчині РЬі.^пхТе<Са> при збільшенні вмісту олова зі швидкістю 7.8 меВ/ат.%.

Таким чином, діелектричний стан в РЬі.£пхТе спостерігається лише в обмеженому інтервалі складів х=0+0.08 і певній концентрації домішки галію Лоа=0.2+0.4 ат.%. В зразках з *=0.02+0.04 рівень Фермі близький до центра забороненої зони і концентрація вільних носіїв близька до власної.

Виявлено, що електричні властивості кристалів РЬи^пхТе з фіксованим складом х визначаються не тільки концентрацією ДОМІШКИ Л^а, але й відхиленням від стехіометрії г. При однакових значеннях х =0.02 і г=0 збільшення концентрації домішки від 0.2 до 0.4 ат.% викликає помітне відхилення ходу температурних залежностей гальваномагнітних коефіцієнтів від типового, що пояснюється наявністю в компенсованому кристалі мікрообластей «-типу з металевою провідністю. Однорідні кристали з ІУой=0.4ат.%,

отримані з відхиленням від стехіометрії в бік Те (2=0,1 ат.%), за своїми гальваномагнітними характеристиками близькі до зразків з N00=0.2 ат.%, 2=0.

Встановлено, що компенсовані кристали п-РЬ;./}ехТе < Оа> (х=0+0.1) одержуються при ^=0.15+0.3 ат.%. Енергія активації домішкової провідності зростає при збільшенні вмісту германію з швидкістю 9.1 меВ/ат.%.

Виявлено, що температурні залежності питомого опору, коефіцієнта Холла та холлівської рухливості зразків РЬ і./}ехТе<Са> (х=0.06+0.1) немонотонні. Так, питомий опір зразка п-РЬ0.94Єео.обТе<Оа> активаційно зростає при зниженні температури від кімнатної до Те=70К; в інтервалі 50+70К він спадає на чотири порядки і при подальшому зниженні температури стабілізується на рівні -80 Омсм. При Т>Те температурний хід холлівської рухливості легованого зразка подібний до нелегованого, але при Т<Те спостерігається різкий спад і при подальшому зниженні температури - стабілізація | Яц \ ст, що типово для сильнолегованих напівпровідників з потенціальним рельєфом. Температура екстремуму Те зростає зі збільшенням вмісту ОеТе в твердому розчині. Описане явище пояснюється формуванням в кристалі нескінченного кластера з металевою провідністю при температурах, на декілька десятків градусів нижчих за температуру сегнетоелектричного фазового переходу.

Температурні залежності коефіцієнта Холла твердих розчинів р-РЬ і.уїЬуТе (у=0+0.03), р-РЬ і.х.уОехїЬуТе (х=0+0.06, ^=0.006+0.008) пояснюються існуванням глибокого донорного рівня біля вершини валентної зони. Швидкість зміщення рівня відносно вершини валентної зони в РЬі„уПуТе оцінюється величиною <Ж/<^»13 меВ/ат.%. При невеликих складах х іу (до -1 ат.%), в залежності від температури, рівень може стати резонансним. При більшому вмісті УЬТе або СеТе рівень знаходиться в забороненій зоні, що і зумовлює діелектричний стан. Так, для складу р-РЬІ.х.уЄехЇЬуТе (х=0.06, ^=0.008) термічна енергія активації склала 18 меВ.

Модель, згідно якої донорна дія ітербію зумовлена зміною зарядового стану з УЬ2+ на ЇЬ3+ (перехід 4і14-»4!13+емнний), підтверджується магнітними дослідженнями. Виміри намагніченості зразків РЬі.х.уЄехЇЬуТе (г=0.01, _у=0.005) в температурному діапазоні 1.3+50 К і магнітних полях до 5 Тл проведено на ЗРУШ магнетометрі. Встановлено, що зразки р-типу провідності -

парамагнітні, тобто частина іонів ітербію знаходиться в електрично і магнітно активному стані УЬ3+(4-^, 3=1/2). Ці зразки, переведені відпалом в «-тип, стали діамагнітними. В цьому випадку рівень Фермі розташований вище домішкового рівня і всі іони ітербію знаходяться у немагнітному стані ЇЬ2* (4^ - заповнена ґ-оболонка).

Високоомні зразки твердих розчинів п-РЬі.х5пхТе<Єа> (х<0.02) і п-РЬ і_хЄехГе (х<0.06) - фоточутливі. Час спаду фотопровідності при 77К в залежності від складу становить ~10_5-г10'1с, тобто перевищує час життя фотоносіїв в нелегованому матеріалі (~10-8 с). Спектри фотопровідності твердих розчинів РЬ0.9^Щ.о2Те<Са>, РЬо.940ео.обТе<Са> і РЬТе<Са> при Т=84К подібні: крім основної складової власної фотопровідності, біля краю власного поглинання спостерігається вузька смуга невласної фотопровідності. Поглинання, з яким пов’язана ця додаткова складова, є об’ємним і має домішкову природу.

Висока фоточутливість високоомних матеріалів пов’язується з домішковими центрами, перезарядка яких супроводжується перебудовою кристалічного оточення, що є причиною існування нерівноважних довгочасових станів. З метою пояснення власної фотопровідності зроблено припущення, що рекомбінація фотозбуджених електронно-діркових пар відбувається саме через ці центри. Відповідні електронні переходи розглядаються за узагальненою конфігураційною діаграмою двоелектронного центра ян-теллерівського типу, яка узгоджена з відомими параметрами енергетичного спектра РЬТе<Са>. Залежність повної енергії системи (енергія електронів + енергія пружньої деформації центра) від конфігураційної координати Д у випадку локалізації на центрі 7=0,1, 2 електронів описується виразом [1]:

£;(Д) = Д72Д0+Л&-Д) + ТО,.2, (1)

де До, є0 - феноменологічні параметри центра; У=е2/єг -кулонівська енергія взаємодії двох електронів, які локалізовані на центрі, г - радіус зв’язаного стану, є - діелектрична проникливість з врахуванням просторової дисперсії. Перехід центра з рівноважного стану з ‘і ’ локалізованими електронами в стан у ’ здійснюється через енергетичний бар’єр IV,} Мінімальна енергія системи при у'=1, 2 -Еі(До)—20 меВ і Е2(2До)—150 меВ. З метою визначення можливості захоплення дірки центром, який знаходиться в рівноважному стані ‘2’, введено додатковий стан системи ‘3’ - центр і електронно-діркова пара. Відповідна парабола на конфігураційній діаграмі

побудована з врахуванням того, що термалізована електронно-діркова пара збільшує енергію системи на ширину забороненої зони Ег. Згідно наведеної діаграми, перехід ‘3-Я’ може відбутися при незмінній конфігурації центра. Метастабільний стан ‘ 1 ’ може перейти в ‘0’ при делокалізації електрона шляхом термоактивації або під дією довгохвильового випромінювання. У випадку стаціонарної фотопровідності генерація станів ‘Г урівноважується переходами цих центрів у стан ‘2’ шляхом захоплення зонних електронів. Необхідно врахувати, що перехід центра в метастабільний стан ‘Г може відбутися і у випадку захоплення електрона порожнім центром (перехід ‘0—>1 ’).

У відповідності з вказаними електронними переходами розглянуто кінетичні рівняння фотопровідності [2]:

~^- = а^Нс-у^, (2)

о і

дИ

-—^ = упН1п-а21Ис^-К, (3)

о /

ЛГ0+^+Лґ2=ЛГ, ‘ (4)

де п і Ис - концентрація носіїв заряду і ефективна густина станів в зоні провідності; Щ - концентрація центрів з 1, 2

локалізованими електронами; N- загальна концентрація центрів; сгу, Ур - ймовірності переходів Я - швидкість рекомбінації дірок

через стан ‘2’. Четвертим рівнянням системи є рівняння електронейтральності. Вважалося, що просторовий перерозподіл заряду відсутній і донорні домішкові центри компенсують акцептори (вакансії РЬ):

2^-ИА)=2И2+Н,+п, (5)

де N4 - концентрація акцепторів.

Для випадку стаціонарної фотопровідності і однорідного збудження (Л«77Ф/сї) одержано розв’язок:

час життя нерівноважних електронів при малому рівні збудження, п0 - темнова концентрація електронів, сі - товщина зразка, Т] -зовнішній квантовий вихід, Ф - густина потоку фотонів з А и>Ее, а ЕрИ^п+^п+^-Що)/2. Цей розв’язок узгоджується з характеристиками стаціонарної фотопровідності.

Встановлено залежність фотоструму іфп від інтенсивності збудження Ф:

Іфіі~Ф , (8)

де показник а=0.91, 0.89, 0.72 відповідно для зразків

РЬі.хЄехТе<Са> складу х=0; 0.025; 0.06. Виміри проведено при

екрануванні фонового випромінювання, Т=78К і густині потоку збуджуючого випромінювання (Я.^0.8 мкм) в межах 10”7-г10'3 Вт/см .

Виявлено, що температурні залежності фотоструму зразка в інтервалі 80Ч-170К визначаються не тільки складом твердого розчину РЬі.урехТе<Оа>, але й умовами збудження - величинами фонового потоку і довжиною хвилі модульованого випромінювання. Активаційне зростання змінюється насиченням фотоструму при нижчих температурах. Відносно висока температура переходу до насичення фотоструму спостерігається у випадку найбільших

потоків фонового і модульованого випромінювання, а найбільш низька - при фотозбудженні об’єму зразка. Насичення Іф(Т) обумовлене перевищенням концентрації нерівноважних електронів, яка визначається фоновим потоком, над темновою концентрацією. Використовуючи вираз Іф~ехр(Еф/кТ), визначена енергія активації Еф в інтервалі Т=120-г145 К, де залежність ^(Іф)=/(1000/Т) близька до лінійної. Типові значення Еф= 116 і 149 меВ відповідно для зразків РЬТе<Єа> іРЬ0^е0.0бТе<Са>.

Виявлено, що експериментальні криві спаду фотопровідності мають складний характер: після закінчення збуджуючого імпульсу відбувається швидке падіння фотоструму до певного рівня, а потім -більш тривале. У відповідності з розглянутою моделлю, “швидка” складова обумовлена високою швидкістю захоплення зонних електронів “порожніми” центрами і утворенням метастабільних станів (перехід ‘0-»Г), а “довгочасова” складова - переходом

\

центрів в основний стан з двома локалізованими електронами (перехід ‘1—>2’).

Таким чином, фотопровідність в області власного поглинання пояснюється рекомбінацією фотозбуджених носіїв через домішкові центри, стани яких у конфігураційному просторі відокремлені від зонних енергетичними бар’єрами.

Наведено розрахунок фотоелектричних характеристик фоторезистора на основі твердого розчину РЬі_уОехТе<Оа> (г=0+0.06). У випадку РЬТе<Єа> питома виявляюча здатність фоторезистора Б* обмежується флуктуаціями фонового випромінювання при Т<90К, а з застосуванням твердого розчину РЬ1_хОехТе<Оа>(х=0.06) - при Т<120К. Даний матеріал

рекомендовано для використання в багатоелементних (~104 елементів) фотоприймачах систем теплобачення з малими апертурними кутами. Час життя нерівноважних носіїв заряду (т= ІО-гІОО мс при 77К) більший, ніж в інших вузькозонних напівпровідниках (ІпБЬ, ЩСсІТе). Тому фотоелементи матриці можуть працювати в режимі накопичення сигналу, що підвищує відношення сигналу до шуму і значно спрощує електронний тракт приладу.

Встановлено, що в твердому розчині РЬ І.х.уОехїЬуТе<Са> відсутні області з металевою провідністю, тому, на відміну від РЬі_хОехТе<Оа>, діелектричний стан є стійким. Досліджувались монокристалічні зразки складу' х=0.06 і _у=0.005-0.01 з енергією активації домішкової провідності ~100 меВ в області температур рідкого азоту. При Т<50 К зразки мали екстремально високий питомий опір р>108 Ом-см і спостерігалась довгочасова релаксація фотопровідності. Короткочасним опроміненням (~1с) від теплового джерела випромінювання вдавалось перевести зразок до низькоомного стану з часом життя фотозбуджених електронів ~104 с при 4,2К. При нагріві зразка зі швидкістю ~2К/хв його низький опір зберігався до температури ~50К, далі збільшувався (приблизно на два порядки) і при Т>80К температурна залежність співпадала з темновою. На спектральній залежності фотопровідності (Т=104К) максимум фоточутливості спостерігається при Х=4.1 мкм. Цей матеріал рекомендовано застосувати в детекторах випромінювання діапазону 3+5 мкм, які працюють в режимі накопичення фотоносіїв.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

1. Визначено технологічні умови одержання легованих галієм та ітербієм твердих розчинів телуридів свинцю-олова та свинцю-германію, в енергетичному спектрі яких спостерігаються глибокі стани.

2. Визначено, що в твердому розчині РЬі.£пхТе<Оа> лише при х<0.08 утворюються глибокі донорні стани, енергія термічної активації яких зростає при збільшенні х. В зразках з х=0.02+0.04 і Л^в-0-2+0.4 ат.% концентрація вільних носіїв близька до власної.

3. Показано, що в твердих розчинах РЬі.хСехТе<Оа> стабілізація рівня Фермі в забороненій зоні відбувається при х=0+0.1 і

15+0.3 ат.%. Встановлено, що температурні залежності питомого опору, коефіцієнта Холла та рухливості немонотонні. Це пояснюється формуванням в кристалі нескінченного кластера з металевою провідністю при температурах, на декілька десятків градусів нижчих за температуру сегнетоелектричного фазового переходу.

4. Експериментально доказано існування глибокого донорного рівня біля вершини валентної зони твердого розчину РЬі_х_уОехїЬуТе. Донорна дія ітербію зумовлена зміною зарядового стану УЬ2+ на ЇЬ3+, що підтверджується магнітними дослідженнями - при зміні типу провідності здійснюється перехід парамагнетик-діамагнетик.

5. В спектрах фотопровідності легованих галієм твердих розчинів телуридів свинцю-олова та свинцю-германію біля краю власного поглинання виявлено вузьку смугу і доведено, що вона має домішкову природу.

6. На основі сукупності електричних і фотоелектричних характеристик твердих розчинів на основі РЬТе, легованих Оа, встановлено параметри енергетичної моделі, яка описує перебудову двоелектронного центра в конфігураційному просторі.

7. Багатокомпонентний твердий розчин РЬі.х.уЄехУЬуТе<Оа> може бути використаний для розробки високочутливих фотоприймачів спектрального діапазону 3+5 мкм.

Основні результати дисертаційної роботи викладено в

публікаціях:

1. Выграненко Ю.К., Слынько В.В., Слынько Е.И. Глубокие состояния в твердых растворах Pbi.J5nxTe, легированных галлием// ФТП. - 1993. - Т.27, №8. - С. 1387-1389.

2. Выграненко Ю.К., Слынько Е.И.,Слынько В.Е. Электрические свойства твердых растворов Pbi-xGexTe, легированных иттербием// Изв. АН России. Неорганические материалы. -1995. - Т.31, №10,- С.1338-1339.

3. Grodzicka Е., Dobrovolski W., Story Т., Slynko E.I., Vygranenko Yu.K. Resonant State of 4f14/13 Yb Ion in Pbi.xGexTell Acta Physica Polonica A.- 1996 - v.90, № 4 - P.801-804.

4. Выграненко Ю.К., Слынько Е.И. Фотоэлектрические свойства твердых растворов PbUxGexTe<Ga,Yb> И ФТП. - 1996 - т.30, №10. - С.1876-1878.

5. Выграненко Ю.К., Копыл А.И., Летюченко С.Д., Слынько Е. И. Диэлектрическое состояние в твердых растворах Pb1.xSnxTe<Ga>// Тезисы докладов первой межвузовской конф. “Материаловедение и физика полупроводниковых фаз переменного состава”. - Нежин. - 1991- С. 81.

6. Выграненко Ю.К., Слынько В.В., Слынько Е.И. Особенности электрических свойств твердых растворов Pbi.xGexTe с примесью Ga И Тези доповідей II Української конф. “Матеріалознавство і фізика напівпровідникових фаз змінного складу”. - 4.2. - Ніжин. - 1993. - С. 167-169.

7. Выграненко Ю.К., Слынько Е.И., Слынько В.В. Легирующее действие самария в твердых растворах РЬ ;^пхТе и Pbi.yGeyTe// Тезисы докладов VIII научно-технической конф. “Химия, физика и технология халькогенидов и халькогалогенидов”. -Киев: ИПМ НАН Украины. - 1994. - С. 59.

8. Выграненко Ю.К., Слынько В.В., Слынько Е.И. Электрические свойства твёрдых растворов Pbj.xGexTe с примесью иттербия// Тез. докл. VIII научно-технической конф. “Химия, физика и

технология халькогенвдов и халько-галогенидов”. - Киев: ИПМ НАН Украины. - 1994. - С. 54.

9. Выграненко Ю.К., Слынько В.Е., Слынько Е.И. Энергетическое положение примесного уровня иттербия в твердом растворе PbTe-GeTe// The First International Conference on Material Science of Chalcogenide and Diamond-Structure Semiconductors. - Abstract Booklet. - Vol. 1. - Chemivtsi. - 1994. - P. 161.

10. Kaminski V.M., Slynko E.I., Slynko V.V., Vygranenko Yu.K. Photosensitive PbSnTe and PbGeTe solid solution doped with Gall Abstr. International school-conference on physical problems in material science of semiconductors. - Chemivtsi. - 1995- P.209.

Список цитованої літератури:

1. Акимов Б.А., Зломанов В.П., Рябова Л.И.,Хохлов Д.Р. Перспективные материалы ИК-оптоэлектроники на основе соединений группы А4Вб // Высокочистые вещества. - 1991. -№6,- С. 22-34.

2. Chishko V.F., Dirochka A.I., Osipov V.V. et al. Photoelectric Properties of Pb i.x.^nxGeyTe:In Epitaxial Films I I Applied Physics A. - 1993. - v.57.- P. 567-572.

Виграненко Ю.К. Вплив домішок галію та ітербію на електричні і фотоелектричні властивості телуридів свиицю-олова-германію. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика

напівпровідників і діелектриків. - Чернівецький державний університет, Чернівці, 1997.

Дисертація присвячена дослідженню фізичних властивостей телуридів свинцю-олова і свинцю-германію, легованих галієм та ітербієм. Визначено технологічні умови одержання кристалів РЬ,.хЗпхТе<Са> і РЬі_хОехТе<Єа>, в енергетичному спектрі яких спостерігаються глибокі рівні. Сукупність електричних і фото-

електричних характеристик цих напівпровідників пояснюється на основі загальноприйнятої моделі, яка описує перебудову двоелектронного центра в конфігураційному просторі. Експериментально доведено існування глибокого донорного рівня біля вершини валентної зони твердого розчину РЬ]_х.уСехЇЬуТе. Виявлено і досліджено довгочасові релаксації фотопровідності в твердому розчині РЬі_х_уОехУЬуТе<Оа>. Приведено рекомендації з використання досліджених матеріалів в ІЧ-оптоелектроніці.

Ключові слова: ІЧ-оптоелектроніка, напівпровідник, тверді розчини, домішка, глибокий рівень, фотопровідність.

Выграненко Ю.К. Влияние примесей галлия и иттербия на электрические и фотоэлектрические свойства теллуридов свинца-олова-германия. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков. - Черновицкий государственный университет, Черновцы, 1997.

Диссертация посвящена исследованию физических свойств теллуридов свинца-олова и свинца-германия, легированных галлием и иттербием. Определены технологические условия получения кристаллов РЬ 1.хЯпхТе<Оа> и РЬ 1_хСехТе<Оа>, в энергетическом спектре которых наблюдаются глубокие уровни. Совокупность электрических и фотоэлектрических характеристик этих полупроводников объясняется на основе общепринятой модели, описывающей перестройку двухэлектронного центра в конфигурационном пространстве. Экспериментально доказано существование глубокого донорного уровня вблизи вершины валентной зоны твердого раствора РЬ1.х.уОех¥ЬуТе. Обнаружены и исследованы долговременные релаксации фотопроводимости в твердом растворе РЬ,.х.уСехУЬуТе<Оа>. Приводятся рекомендации по использованию исследуемых материалов в ИК-оптоэлектронике.

Ключевые слова: ИК-оптоэлектроника, полупроводник, твёрдые растворы, примесь, глубокий уровень, фотопроводимость.

Vygranenko Yu.K. Effect of gallium and ytterbium impurities on the electric and photoelectric properties of lead-tin-germanium tellurides. - Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree by speciality 01.04.10 -physics of semiconductors and dielectrics; Chemivtsi State University, Chemivtsi, 1997.

The dissertation is devoted to researches of the physical properties of lead-tin and lead-germanium tellurides doped with gallium and ytterbium impurities. The technological conditions of the growth of PbiJSnxTe<Ga> and Pbj.xGexTe<Ga> crystals, in which deep levels are observed in the energy spectrum, are determined. Electric and photoelectric characteristics of these semiconductors are explained using a conventional model which describes a transformation of the two-electron center in a configurational space. The existence of a deep donor level near the top of the valence band is experimentally proved for the Pbj.x.yGexYbyTe solid solutions. The long-time relaxations of photoconductivity in Pb1.x.yGexYbyTe<Ga> alloys are observed and studied. Some recommendations on the practical use of investigated materials in the infrared optoelectronics are presented.

Key words: infrared optoelectronics, semiconductor, solid solutions, impurity, deep level, photoconductivity.