Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]

Структура и электрические свойства поликристаллических плёнок теллурида кадмия, синтезированных при различных технологических условиях

Автореферат кандидатской диссертации

 

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

 

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата

физико-математических наук

 

 

Душанбе - 2012

Работа выполнена на кафедре физической электроники Таджикского национального университета.а

 

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

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

Официальные оппоненты:доктор физ.-мат. наук, профессор Исмоилов И.;

а доктор техн. наук, доцент Лаврентьев В.В.

Ведущая организация: Худжандский государственный университет

им. академика Б.Г. Гафурова

Защита состоится 3 мая 2012 г. в 1000 часов на заседании объединенного аннннндиссертационного 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, ннннндиссертационного совета ДМ 737.004.04, E-mail: .

аа С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ТНУ.

Автореферат разослан л_____ ___________ 2012 г.

Ученый секретарь объединенного

диссертационного совета ДМ 737.004.04,

кандидат физ.-мат. наук, доцентаа Табаров С.

 

Общая характеристика работы

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

Возможностьа получать поликристаллические пленки с различным удельным сопротивлением, отличающимся на несколько порядков по величине, а также технологические преимущества сделали CdTe очень перспективным материалом для использования во многих дискретных приборах (диоды, транзисторы, солнечные батареи, лазеры)а 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 CdTe. Оптимальная ширина запрещенной зоны и высокий коэффициента поглощения в видимой области спектра делает поликристаллическийа CdTe наиболее перспективным материалом для солнечных преобразователей.

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

Поликристаллические пленки соединений А2В6 используются в оптоэлектронике для целей электролюминесценции, в частности, для создания цветных экранов большой площади. Однако получение поликристаллических плёнок со стабильно повторяющимисяа 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 CdTe определяется уровнем технологии синтеза плёнок с воспроизводимыми и контролируемыми асвойствами.

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 CdTe с возможностью регулирования, активации или торможения электронных процессов на границе кристаллитов технологическими приёмами и исследование их структуры и электрооптических свойств аявляются важными и актуальными задачами не только в научном, но и в практическом плане.а а

Целью работы является разработка технологии асинтеза 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 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 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 амодели неоднородного полупроводника с межкристаллитными барьерами; оценка величины межкристаллитных барьеров, а так же барьера Шоттки и фактора идеальности на контактах Al/CdTe, Ag/CdTe;

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

-установлено, что синтезируемые пленки CdTe толщиной 30?500 мкм на различных подложках обладают поликристаллической структурой са размерами зерен 150-175 А;

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

-разработана технология получения барьера Шоттки на границе плёнок CdTe и металлов (Al, 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. аа

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

-механизм проводимости поликристаллических высокоомных плёнок CdTe на основе модели потенциальных межкристаллитных барьеров,а 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.

ичный 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 Старениеа 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,а 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., Душанбеа 2007г.; международной конференции аНаука 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 а- 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, ав ней рассмотрено современное состояние физики поликристаллических полупроводников. Анализируются электронные состояния на межзеренных границах. На основе данных по исследованию барьерных эффектов на бикристаллах кремния как n-, так и p-типа показано наличие на поверхности зерен состояний, подобных донорам и акцепторам. Анализ работ по спектроскопии глубоких уровней на бикристаллах показывает, что плотность состояния имеет максимума вблизи середины запрещенной зоны.

Рассмотрен механизм проводимости поликристаллических полупроводников на основе диффузионной модели и модели термоэлектронной эмиссии, анализированы выражения, полученные для плотности токаа 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 анализаа 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-1. Измерения показали, что полученные пленкиа являются высокоомными и их удельное сопротивление составляет (5,2?9,0)?109 Ом?см.

Для получения тонких (до 2 мкм) и толстых (до 300 мкм) плёнок абыла 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 ( аи арсенида галлия ( ). 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?132) нмс-1, для тонких (0,5?20) нмс-1.

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

В качестве исходного материала для получения толстых плёнок использовался монокристаллический CdTe, легированной хлором, с удельным сопротивлением ~ 1010 ? 5?1010 Ом?см. Для получения тонких плёнок (до ~2 мкм) использовали 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 дифракцииа 2q=10-750. Размеры кристаллитов определялись с точностью ~0,2%.

Оптические исследования проводили на спектрофотометре ИK-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. аВ случае СdTe этими плоскостями являются (100), (110) или (111) и в подобных структурах направление преимущественной ориентации при росте пленки имеют грани (100), (110) или (111).

имеют грани (100), (110) или (111).

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

Рис. 1. Дифрактограммы плёнок CdTe-GaAsа 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 ~39 угловых минут, что соответствует размерам кристаллитов hk = 150A. аКонечность полуширины рефлексов свидетельствует о поликристаллическойа природе структуры плёнок.

Таблица 1аа

Некоторые структурные характеристики плёнок теллурида кадмия на подложках CdTe и GaAs и их зависимость от толщины

Образец	Толщина пленки Д, (мкм)	Температура подложки Тп, К	Интенсивность рассеяния в максимуме, Iм, (имп/сек)	Поперечн. размер кристаллитов hk, а	Межплоскостное расстояние d,
CdTe -GaAs	30	303	68	94	3,9427
	30	493	113	145	3,8938
	50	493	113	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

аа аАналогичные результаты получены для плёнок CdTe-CdTe, однако размеры кристаллитов заметно больше, чем для плёнок CdTe-GaAs. 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 hk 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 апри 493 К на подложке из CdTe связывается с одинаковой структурой подложки и активной пленки; а5) экспериментально выявлен технологический режим синтеза, где все пленки на разных подложках имеют поликристаллическую структуру с размерами кристаллитов 150?170А.

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

Малая удельная проводимость аи заметная энергия активация проводимости (~ 0,4 эВ) позволяют предполагать, что основную роль в проводимости тонких плёнок играют межкристаллитные барьеры. Оказалось, что ограничение темнового тока межкристаллитными границами является доминирующим в механизме прохождения тока в тонких пленках CdTe.

Методом тонкоплёночной технологии разработана технология изготовления барьера аШоттки Al/CdTe иа Ag/CdTe.аа Показано, что при напряжениях 0?10 В вольт-амперная характеристика диодаа Al /CdTe линейна,а однако приа V?10 В в достаточноа широких пределах напряжения она является нелинейной, чтоа связывается са эффектом границ зерен. На основе опытов по зависимости плотности тока от приложенного напряжения вычислена высота барьераа Шотткиаа на контакте с Al и Ag. Эти величиныа оказались равными 0,66 и 0,75 эВ соответственно.

В параграфе 4.3а рассмотрен оптический метод определения ширины межзонныха переходов в тонких пленках CdTe и её зависимость от технологии получения.

В этом параграфе изучен ближний ИК-спектр пропускания тонкиха плёнок, синтезированныхаа при различных температурах и скоростях роста плёнки; выявленыа условия получения плёнок с высоким пропусканиемаа и четким краем полосыа собственного поглощения.

Исследования спектров пропускания плёнок с разными атехнологическими параметрами показали,а чтоа для плёнок, синтезиро-ванных при низких или умеренных скоростях осаждения характерна высокая пропускаемость и острый край апоглощенияа при температурах подложки 533 К и выше,а однако при низких температурах подложекаа пропускание уменьшается иа край поглощения становится нечётким.

Показано, что наиболее четкий спектр пропускания наблюдается при скорости роста 5 нмс-1,а однакоа при 10 нмс-1 коэффициент пропусканияа уменьшается ва десятки раз.

Термоотжиг ва атмосфере азотаа для плёнок, полученных при высоких температурах и средних скоростях роста плёнок неаа приводит к изменению четкости спектра, однако в плёнках,а полученных при низких температурах, термообработкаа сопровождается ростом пропускания и улучшениемаа четкости края поглощения. Влияния примесей In наа четкость спектра не обнаружено.

Определен коэффициент поглощенияа плёнок путем расчётаа интерференционных максимумова в спектре пропускания.

На основе зависимостиа коэффициента поглощенияа ? от энергии фотонов установлено, что поглощение ваа области линейного роста коэффициента ? связанно с прямыми межзоннымиа переходами. аПоказано, что аширина запрещенной азоны Еg плёнок, синтезированных при Т = 523 К, составляет величинуа 1,47 эВ и немного меньше, чем Еg монокристаллов CdTe,а для которых Еg = 1,49 эВ. Пленкам, синтезированным при низких температурах, соответствуют низкие значения Еg; термоотжига этих плёнок вызывает увеличение Еg подобно плёнкам,а выращенным при высоких температурах. Обнаружено, чтоа уменьшениеа ИК- пропускания и потери чёткости края поглощенияа ва пленках,а полученных при высокиха скоростях роста и низких температурах подложки связывается с тем, что механизм поглощения отличается от идеального межзонногоаа перехода.

Корреляцию между спектром пропускания и технологическими параметрами можно объяснить, еслиа предположить, что условия высокотемпературного синтеза плёнок при невысоких скоростях роста благоприятствуют ростуаа поликристаллическиха плёнок с большими размерамиа кристаллитов и оптическимиа свойствами, близкими к оптическим свойствам монокристаллов.

     Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]