Структурні, електрофізичні та оптичні властивості плівок сполук А2В6 і гетеропереходів на їх основі

Abstract

Дисертаційна робота присвячена дослідженню фізичних процесів і явищ, пов’язаних з реальною структурою плівок сполук групи А2В6 та гетероструктур на їх основі, оптимізації структурних, оптичних та електрофізичних характеристик одно- та багатошарових систем на їх основі з метою створення фотоактивних приладів мікроелектроніки з покращеними характеристиками. Для досягнення цієї мети проведено комплексне дослідження морфології поверхні, елементного складу, структурних та субструктурних особливостей плівок халькогенідів залежно від фізико-технологічних умов їх конденсації, виявлено вплив цих параметрів на оптичні та електрофізичні характеристики шарів, ансамбль точкових дефектів. У результаті встановлені режими отримання структурно та оптично досконалих однофазних конденсатів сполук, придатних для використання у приладобудуванні. Розроблено метод інжекційної спектроскопії, який дозволяє на безмодельній основі одержати інформацію про параметри локалізованих станів (ЛС) у забороненій зоні сполук А2В6 та споріднених матеріалах з енергетично вузькими розподілами пасток, що входять до складу приладових структур, безпосередньо з експериментальних вольт-амперних характеристик (ВАХ), струмів, обмежених просторовим зарядом (СОПЗ). Досліджено вплив просторової неоднорідності конденсатів за їх товщиною та наявності приповерхневих станів, розміщених на одній або обох межах поділу, на точність визначення параметрів ЛС. При цьому проведені розрахунки коригувальних коефіцієнтів, що дозволяють врахувати просторову неоднорідність матеріалу при визначенні параметрів пасток. З використанням методів аналізу ВАХ СОПЗ, s-Т - залежностей та низькотемпературної фотолюмінесценції визначені параметри ЛС (енергії залягання та концентрації) у плівках та проведена їх ідентифікація. Отримані гетеросистеми ZnTe/CdTe та ZnS/CdTe, досліджені їх структурні та електрофізичні властивості. Встановлені механізми струмоперенесення через межу поділу гетеропереходів та визначені параметри, що характеризують ці механізми, побудовані зонні діаграми переходів.

Диссертационная работа посвящена исследованию физических процессов и явлений, связанных с реальной структурой пленок соединений группы А2В6 и гетероструктур на их основе, оптимизации структурных, оптических и электрофизических характеристик одно- и многослойных систем на их основе с целью создания фотоактивных приборов микроэлектроники с улучшенными характеристиками. Для достижения этой цели проведено комплексное исследование морфологии поверхности, элементного состава, структурных и субструктурных особенностей пленок халькогенидов в зависимости от физико-технологических условий их конденсации, выявлено влияние этих параметров на оптические и электрофизические характеристики слоев, ансамбль точечных дефектов. В результате установлены режимы получения структурно и оптически совершенных однофазных конденсатов соединений, пригодных для использования в приборостроении. Разработан метод инжекционной спектроскопии, позволяющий на безмодельной основе получать информацию о параметрах локализованных состояний (ЛС) в запрещенной зоне соединений А2В6 и родственных им материалов с энергетически узкими распределениями ловушек зарядов, входящих в состав приборных структур, непосредственно из экспериментальных вольт-амперных характеристик (ВАХ), токов ограниченных пространственным зарядом (ТОПЗ). Изучено влияние пространственной неоднородности конденсатов по их толщине и присутствия приповерхностных состояний, размещенных на одной или обеих поверхностях раздела материалов, на точность определения параметров ЛС. При этом выполнены расчеты корректирующих коэффициентов, позволяющих учесть пространственную неоднородность материалов при определении параметров ловушек. С использованием взаимно дополняющих один другого методов анализа ВАХ СОПЗ, s-Т - зависимостей и низкотемпературной фотолюми-несценции определены параметры ЛС (энергии залегания и концентрации) точечных дефектов (ТД) в пленках и проведена их идентификация. Предложен и реализован универсальный подход для описания процессов дефектообразования в халькогенидах цинка и кадмия, учитывающий наиболее полный спектр ТД в материалах. С использованием этого подхода и результатов расчетов термодинамических параметров дефектообразования «ab initio», проведено моделирование ансамбля собственных дефектов в пленках для случаев полного равновесия и закаливания в зависимости от физико- технологических условий их получения. Расчеты проведены для различных наборов энергий ионизации собственных дефектов, в частности, использованы результаты собственного экспериментального изучения параметров ЛС. Изготовлены гетеросистемы ZnS/CdTe та ZnTe/CdTe, исследованы их структурные и электрофизические характеристики. Установлены механизмы токопереноса через границы раздела гетеропереходов (ГП) и определены параметры, характеризующие эти механизмы. Показано, что при напряжениях смещения U < 0,5 В в ГП ZnS/CdTe реализуется эмиссионно-рекомбинационный механизм переноса носителей заряда, который при U > 0,5 В сменяется туннельно-рекомбинационным. Исследование темновых ВAХ ГП показало, что коэффициент идеальности исследованных ГП изменяется в диапазоне А = 2,70-7,04. Наименьшее значение он приобретает в системах, полученных при TS = 623 К где происходит образование твердого раствора на гетерогранице материалов. В ГП ZnTe/CdTe при увеличении температуры конденсации пленок ZnTe туннельный механизм токопереноса сменяется эмиссионно-рекомбинационным, характерным для систем с более совершенной границей раздела материалов. В завершении построены зонные энергетические диаграммы ГП для случаев с границы раздела материалов, близкой к идеальной, и с учетом поверхностных состояний на гетерогранице.

The thesis is devoted to research of the physical processes and effects related to real structure of the II-VI compound thin films and their heterojunction, optimization of the structural, optical and electrophysical properties one- and multilayer structures based on II-VI compound in order to development photoactive microelectronic devices with improved properties. For this purpose the complex analysis of the surface morphology, chemical composition, structural and substructural properties of the films depending on growth conditions was performed, also the influence of this parameters on optical and electrophysical, as well as point defects structure. As a result the growth conditions of the single-phase layers with good optical and structural properties, usable for devices manufacture has been determined. The method of injection spectroscopy which allow to obtain information about localized centers (LC) parameters in II-VI compound band-gap and related materials with narrow distribution of localized centers directly from the voltage-current characteristics (VCC) of the space charge limited current (SCLC) was developed. The influence of spatial inhomogeneity of the films along depth and with presence of near surface states at one or both interfaces on LC parameters determination accuracy has been studied. Also the calculations of corrective coefficients which allow taking into account spatial inhomogeneity of the material during traps parameters determination. With the help of the analysis of the VCC SCLC, s-Т dependencies and lowtemperature photoluminescence the (LC) parameters (depth energy and concentration) in films was determined and their identification was carried out. The ZnTe/CdTe and ZnS/CdTe heterojunctions (HJ) were obtained, and then the structural and electrophysical properties of these multilayer structures were investigated. Namely the current flow mechanisms and parameters which described these mechanisms were defined, also the band diagrams of the HJ was plotted.