Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 2 Самокомпенсация в CdTe Cl в условиях фазового равновесия кристалЦпар кадмия (теллура) й О.А. Матвеев, А.И. Терентьев Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 14 апреля 1997 г. Принята к печати 16 апреля 1997 г.) Исследовано явление самокомпенсации заряженных точечных дефектов в CdTe Cl до предельно низких концентраций свободных носителей заряда (ni pi) во всем интервале изменения давления паров PCd и PTe в равновесии кристалЦгаз при отжиге. В условиях контроля PTe2 при отжиге кристалла обнаружено возрастание концентрации электронов n от 107 до 1014 см-3, при увеличении PTe от Pmin до насыщения CdTe Te. Этот результат объяснен образованием антиструктурного дефекта, TeCd. Появление TeCd в кристалле приводит к уменьшению содержания вакансий кадмия в нем, что нарушает механизм точной самокомпенсации CdTe Cl и получаются низкоомные кристаллы n-типа электропроводности. Полученные данные о концентрации p(n) от PTe2 позволили построить полную зависимость n-ni-pi-n при изменении PCd-PTe2, отражающую состояние точечных дефектов в CdTe Te. Использованная методика отжига кристалла в двухфазном равновесии кристалЦгаз позволяла обратимо проводить инверсию ni-pi электропроводности кристалла.

CdTe Ч бинарное соединение с двумя летучими ком- ческого слитка. Концентрация NCl = 2 1018 см-3 Чнапонентами. Давление паров кадмия (PCd) (или теллура веска CdCl2, вводимая в расплав, при выращивании (PTe)) является параметром состояния, определяющим слитка. Использовались кристаллы p-типа проводимости при данной температуре кристалла CdTe (tcr) его состав, с p =(1-5) 108 см-3 и 40 см2/В с.

= обогащенный кадмием (или теллуром) по сравнению с Самокомпенсацию проводимости на таких полуизолисоставом конгруэнтной сублимации (Pmin) (рис. 1).

рующих кристаллах целесообразно изучать около облаВCdTe Cl, как известно, наблюдается самокомпенсасти инверсии проводимости, которая происходит вблизи 1/ция электропроводности, заключающаяся в уменьшении Pmin, когда PCd PTe(PTe2 ). В этом случае необходимо количества электронов проводимости за счет захвата их создать такие условия отжига образцов, при которых собственными точечными дефектами (СТД), образующибудет практически исключена не только даже незнамися в кристалле [1,2]. Практически самокомпенсация чительная сублимация кристалла, но и состав образца происходит с довольно высокой точностью при термодибудет определяться задаваемым давлением пара одного намическом равновесии кристалла с газовой фазой [2,3].

Методика отжига кристаллов CdTe Cl для исследования явления самокомпенсации подробно описана нами в работе [4]. Суть его состоит в следующем. На первой стадии отжига кристаллы выдерживались при высокой температуре tcr 700C для установления термодинамического равновесного состояния фаз кристалл (CdTe) Чгаз (Cd,Te). В зависимости от tcr, давления пара PCd(PTe) и концентрации хлора (NCl) образуются соответствующие количества СТД Ч вакансий кадмия и теллура (NV Cd, NV Te) и межузельных атомов (NCdi, NTei).

Образование ассоциатов СТД с ClTe при этих tcr маловероятно [5].

На второй стадии отжига, заключающейся в медленном охлаждении кристалла до комнатной температуры и управлении PCd(PTe), происходит ассоциация заряженных СТД с ClTe и при этом не только сохраняется самокомпенсированное состояние кристалла [2], а одновременно происходит ФсамоочисткаФ кристалла [6].

Самокомпенсация приводит к низкой электропроводности ( 10-9 Ом-1 см-1), низким n и p ( ni), а самоочистка Ч к возрастанию величин подвижностей и времен жизни свободных носителей заряда.

Образцы для отжига приготавливались из монокриРис. 1. Область существования твердого CdTe на диаграмме сталла CdTe Cl, вырезанных из середины кристалли- состояния CdЦTe (T -X-координаты).

160 О.А. Матвеев, А.И. Терентьев Рис. 2. a Ч схема установки отжига кристаллов: 1 Чзона отжига образцов, 2 Ч зона печи засыпки, 3 Ч зона холодная, задающая PTe2 (PCd), 4 Ч отжигаемые кристаллы, 5 Чзасыпка, 6 Ч теллур (кадмий); b Ч распределение температур в системе по длине печи при отжиге кристаллов.

етучего компонента, а не будет изменен за счет ухода связано, по-видимому, с потерей образцов теллура, ушедиз него в ампулу второго летучего компонента. шего из образца в газовую фазу на стадии охлаждения.

Все эти требования могут быть выполнены при прове- Аналогичные разультаты были получены и при отжиге в дении отжигов в парах Te2 или Cd на установке, схема- парах Te, приведенные в настоящей работе (рис. 3, b).

тично изображенной на рис. 2. Образцы размещались Далее приведены результаты изучения равновесия фаз в зоне 1, засыпка Ч в зоне 2, теллур (кадмий) Ч кристалл CdTe Cl Чпар Te2. Область, контролируемая в зоне 3 вакуумированной ампулы (10-4 Па). Засыпка давлением Te2, интересна, так как при этом должно проприготавливалась измельчением кристалликов из того исходить увеличение NV Cd, которые играют, как известно, же слитка, что и образцы для отжига. Большая поверх- определяющую роль в процессе самокомпенсации.

ность кристалликов засыпки демпфирует массообмен Отжиги проводились при температурах tcr = образца с газовой фазой, исключая сублимацию образца. и 900C. Температуры отжигов, при которых исследоОднако, поскольку давление пара одного из летучих вали самокомпенсацию в CdTe Cl при контролируемом компонентов, например, PTe2 в ампуле, строго говоря, PCd2, ограничивались сверху (tcr 900C) наблюдаемой не предохраняет исследуемый образец от потерь друго- деформацией образца из-за сублимации CdTe. Нижний го летучего компонента, Cd, то, чтобы не произошло предел температур отжига tcr 735C выбирался из изменения исходного состояния образца, температура соображений длительности диффузионных процессов, засыпки выбирается на 5C выше температуры образца. определяющих установление состава в кристалле, соотВ этом случае заполнение объема газовой фазы обоими ветствующего задаваемому PTe2. Время отжига при tcr летучими компонентами происходит за счет засылки и составляло 24 ч.

теллура (кадмия), помещенного в зону 3, осуществляя, Полученные из измерений коэффициента Холла на таким образом, защиту образца от неконтролируемых отожженных кристаллах величины концентраций свободизменений. ных носителей заряда в зависимости от PTe2 показаны на В подтверждение правильности выбранного режима рис. 3. При низких PTe2 Pmin происходит сублимация отжига могут быть приведены результаты по отжигам в образца, на рис. 3 это область PTe < 10-3 Па. Из рис. парах кадмия (теллура) при равных температурах образ- видно, что образцы после отжига получались как p-, ца и засыпки. В этом случае не наблюдалось сублимации так и n-типа электропроводности. Для всех tcr отжига образцов. Однако при отжигах в парах кадмия образцы можно отметить три хорошо выделенных участка: пероставались n-типа проводимости во всем диапазоне из- вый Ч с низкой и примерно постоянной концентрацией менения PCd. Инверсия в p-тип не наблюдалась даже n(p) (107-109) см-3 для низких PTe2, второй Ч с при низких PCd. Это показало в работе [4] (рис.3), что высокой n 1014 см-3 для высоких значений PTe2 и треФизика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Самокомпенсация в CdTe Cl в условиях фазового равновесия кристалЦпар кадмия (теллура) Рис. 3. Концентрация свободных носителей заряда в кристалле в зависимости от PTe2, a Ч tcr = 735C, b Ч 900C. 1 Ч tp = tcr, 2 Ч tp-tcr + 5C, темные точки Ч n, светные точки Ч p.

-тий Ч переходный между этими участками. Первый Ч сации [2] образуется заряженный центр VCd, создающий соответствует весьма точному самокомпенсированному глубокий уровень в запрещенной зоне и определяющий состоянию донорных и акцепторных дефектов кристал- низкую величину n. Величина n при этом была наи-лической решетки (Cl+ и VCd ). Энергетический уровень меньшей по сравнению с измеренной на кристаллах, Te -отожженных при более высоких tcr. При увеличении VCd в запрещенной зоне Ev + 0.83 эВ [7]. Второй Ч меtcr, следуя линии Pmin (см. рис. 1), получается больханизму контролируемой донором электропроводности.

шая концентрация акцепторных СТД (VCd) в кристалле На рис. 3, b, на участке самокомпенсированного со(рис. 3, b). Образцы, отожженные при tcr = 900C при стояния донорных и акцепторных точечных дефектов построены две кривые для условий отжига, когда tp = tcr PTe2 Pmin, имели электропроводность p-типа при малых давлениях, которая при увеличении давления переходила и tp = tcr +5C. Кривая 1, соответствующая первому в проводимость n-типа (рис. 3, b, кривая 2), которая условию, расположена ниже вдоль оси концентраций и затем, оставаясь n-типа, резко возрастала. Этот переход характеризует образцы минимальной электропроводнов n-тип с резким ростом концентрации электронов при сти n-типа. Кривая 2 характеризует преимущественно увеличении PTe2 не объяснить традиционно используемыобразцы p-типа электропроводности. Меньшая защищенми СТД в механизме самокомпенсации.

ность от потери атомов кадмия в газовую фазу при Полученные результаты по переходу в n-тип с резким отжиге в первом случае приводит к высокому содер-ростом концентрации электронов при увеличении PTeжанию VCd. Глубокий уровень энергии этого дефекта можно объяснить, рассматривая участие в термодинамирасположен выше середины запрещенной зоны в CdTe и ческом равновесии антиструктурного дефекта, являющеобъясняет нижнюю кривую. В образцах, ФзащищенныхФ гося донором Ч Te+2. Образование антиструктурных Cd засыпкой при отжиге, p-тип электропроводности объясдефектов можно представить как переход атомов Te из няется образованием комплексов [VCdCl]-, уровень энерузлов или межузельных Tei на место VCd, концентрация гии которых находится в нижней половине запрещенной которых возрастает по мере увеличения PTe2:

зоны.

Рассмотрим результаты, представленные на рис. 3 в VCd + Tei = TeCd. (1) области низких PTe2 Pmin. Образцы, отожженные при tcr = 735C, проявляли только n-тип электропроводности Расчет энтальпии образования TeCd для (рис. 3, a). При этой температуре растворимость VCd условий насыщения CdTe теллуром дал величину по сравнению с концентрацией Cl+ в кристалле мала H(TeCd) =3.76 эВ [8], что меньше энтальпии образоTe (см. рис. 1). В соответствии с процессом самокомпен- вания H(VCd) =4.75 [8]. Эти величины существенно 3 Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 162 О.А. Матвеев, А.И. Терентьев созданию антиструктурного дефекта TeCd, причем концентрации центра могут быть значительными ( NTei), а распределение по кристаллу весьма неоднородным, создавая n- и p-области с компенсированной проводимостью.

На основании результатов по отжигу кристаллов CdTe Cl в парах теллура (данные настоящей работы) и в параз кадмия (данные нашей работы [4]) можно привести обобщенную зависимость изменения концентрации носителей заряда от PCd и PTe. Видно (рис. 4), что при PCd 104 Па кристалл имеет n-тип проводимости с n 1014 см-3, который определяется мелкими -донорами Cl+, нескомпенсированными VCd, вследствие Te малой их концентрации при высоком PCd. С уменьше-нием PCd концентрация VCd растет, повышая степень самокомпенсации, концентрация электронов при этом резко падает до величины 107 см-3, и затем наступает инверсия проводимости в p-тип. При дальнейшем снижении PCd концентрация дырок слабо растет до величины 108 см-3 и затем, уже при увеличении PTe2, продолжает также слабо расти до 109 см-3. В этой облаРис. 4. Концентрация свободных носителей заряда в кристалле сти малых давлений PCd и PTe дырочная проводимость в зависимости от PCd и PTe2 при tcr = 900C, темные точки Ч -определяется глубоким акцептором VCd, концентрация n, светлые точки Ч p.

которых растет по мере возрастания PTe2. А затем в области давлений PTe 5 103 Па (на рис. 4 отмечено стрелкой) проводимость кристалла снова меняет знак отличаются от известных ранее H(TeCd) = 5.56 эВ на n-тип и концентрация электронов резко растет до и H(VCd) = 2.5эВ [9,10]. Данные работы [8] 1014 см-3. Эта неожиданная инверсия проводимости и позволяют сделать вывод о смещении равновесия (1) ее резкое возрастание объясняется (как и при большом в сторону образования антиструктурного дефекта.

PCd) мелкими донорами Ч Cl+, появление которых Te Доминированием последнего, однако, незьзя объяснить может быть обусловлено лишь снижением концентрации -возрастание n до 1014 см-3 в кристалле при увеличеVCd. При высоком PTe это может произойти только нии PTe2, так как уровень центра Te+2 расположен ниже Cd за счет образования антиструктурного дефекта Te+2.

Cd Ec - 0.6 эВ в запрещенной зоне теллурида кадмия [8].

Действительно, с ростом PTe2 становится все больше -Концентрация n 1014 см-3 может быть получена в VCd и Tei, которому, как было сказано выше, энер-кристалле вследствие уменьшения общего количества гетически выгодно встать на место VCd и нарушить VCd из-за сдвига равновесия (1) вправо. В этом случае процесс самокомпенсации. Таким образом, видно, что произойдет нарушение равновесия самокомпенсации самокомпенсация идет достаточно полно и приводит к + NCl = 1/2NV Cd-2. Остающийся нескомпенсированным созданию полуизолирующих кристаллов p- и n-типа при донор Cl+ (Ec - 0.01 эВ [11]) и является центром, Te давлениях PCd и PTe < 104 Па, а при больших давлениях ответственным за n-тип электропроводности с такой PCd и PTe самокомпенсация нарушается и получаются большой концентрацией носителей заряда.

низкоомные кристаллы n-типа.

Расчет в работе [8] показывает, что компенсация может происходить не только при высоких температурах равновесного термодинамического состояния, но и при Список литературы охлаждении кристалла вследствие локального выигрыша энергии, когда не успевает осуществиться диффузион- [1] F.A. Kroger, J. Vink. Phys. St. Sol., 3, 310 (1956).

ный сток СТД. Известно, что при высоких темпе- [2] G. Mandel. Phys. Rev. A, 134, 1073 (1964).

[3] Ф. Крегер. Химия несовершенных кристаллов (М., 1969) ратурах содержание Tei достигает больших значений c. 654.

1016 см-3 [12]. Находясь в тетраэдрическом междо[4] О.А. Матвеев, А.И. Терентьев. ФТП, 27, 1894 (1993).

узлии, Tei обладает высокой наружной релаксацией и [5] R.O. Bell, F.V. Wald, C. Canaly, F. Nava, G. Ottaviani. IEEE будет охотно притягиваться к областям, где напряжения Trans. N.S., NS-21, 331 (1974).

кристаллической решетки (возникающие при охлажде[6] О.А. Матвеев, Е.Н. Аркадьева, Л.Н. Гончаров. ДАН СССР, нии) могут быть устранены, т. е. в области высокой 221, 325 (1975).

концентрации VCd, в которых происходит релаксация и [7] E.N. Arkadyeva, O.A. Matveev. Rev. de Phys. Appl., 12, сдвиг соседних атомов [13]. Это и будет способствовать (1977).

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Самокомпенсация в CdTe Cl в условиях фазового равновесия кристалЦпар кадмия (теллура) [8] M.A. Berding, M. Van Schilfgaarde, A.T. Paxton, A.Sher. J.

Vac. Sci. Technol. A, 8, 1103 (1990).

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам