РОЗДІЛ 2
ЕЛЕКТРОФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ НАПІВІЗОЛЮВАЛЬНИХ МОНОКРИСТАЛІВ CdTe
Як видно з попередньої глави, найбільший розвиток теорії невпорядкованих
монокристалів в колишньому СРСР припадає на початок 80-х років минулого
століття [2, 18, 19, 30], коли вдалося пояснити багато нагромаджених до того
часу результатів [35-38] і що стало стимулом подальших досліджень.
Перевіркою та підтвердженням основних положень теорії невпорядкованих
монокристалів можуть служити результати досліджень монокристалів CdTe. Одними з
перших в цьому плані стали публікації Аґрінської зі співавторами [39,40], а
далі серія наших праць [41-44], які становлять оригінальну частину цієї глави.
Головні висновки наших досліджень підтверджено та доповнено в подальших працях
ленінградських авторів[45-48].
Чим цікавий CdTe?
Монокристалічний СdTe, завдяки великому зарядові ядер (Сd – 48, Te – 52),
забезпечує високу ефективність реєстрації радіоактивних випромінювань.
Порівняно велика ширина забороненої зони (~ 1,5 еВ) дає змогу детекторам з CdTe
працювати без охолодження за кімнатної та вищих температур [49]. Однак
технологія вирощування таких монокристалів до недавнього часу була далекою від
досконалости – вони містили значні концентрації неконтрольованих домішок та
дефектів і таким чином значно програвали детекторам з Ge та Si.
На сучасну пору досягнутий значний прогрес в технології вирощування кристалів
[49] і детектори на основі CdTe успішно застосовуються в фізичних і медичних
дослідженнях [51,52].
Основними структурними дефектами в CdTe є атоми кадмію, що проникли у
міжвузловини ґратницниці. Оскільки за цих умов атоми втрачають по одному
електронові, тому в електричних вимірах вони поводяться як донори. Відповідно,
вакансії кадмію захоплюють електрони і виступають акцепторами. Ось чому,
змінюючи тиск пари Cd в процесі вирощування (інакше кажучи, міняючи
стехіометричну формулу), можна отримати монокристали як n -, так i p - типу.
Мірою стехіометричности кристалу St може служити співвідношення [52]:
St=(NCd –NТe) / N,
де N – повне число вузловин ґратниці, NCd і NТe , відповідно, числа атомів Cd і
Te у вузловинах.
Повністю стехіометричному кристалові відповідає St=0. Якщо St>0, в кристалі
надлишок кадмію, якщо ж St<0, – надлишок телуру.
Крім того в кристал можуть потрапити домішкові атоми Х, які можуть бути
домішками заміщення (ХCd , ХТe) або домішками впровадження Хі.
На рис. 2.1. показано одержану в роботі [53] залежність концентрації та типу
провідності в CdTe від температури й тиску пари кадмію.
В основі таких особливостей леґування й компенсації власними дефектами лежить
явище самокомпенсації, детально описане і проаналізоване для багатьох
напівпровідників[54], зокрема для CdTe - у монографіях [52, 55, 56].
Явище самокомпенсації характерне для широкозонних напівпровідників групи А2В6
[52]. Воно полягає в тому, що кристалові енергетично вигідно утворювати
ізольований власний дефект, який компенсує дію введеної домішки. Ймовірність
цього процесу зростає із ростом ширини забороненої зони Еg. Якщо Еg більша за W
(енергію утворення ізольованого власного дефекту, то компенсація буде повною.
СdTe має ту особливість , що для нього виконується співвідношення W?Еg.
Оскільки в нашому випадку кристали леґовані і компенсовані власними дефектами,
то важливо знати їхні донорні і акцепторні властивості. Як уже відмічалося
атоми можуть бути в міжвузловинах, утворюючи міжвузловинні дефекти. Відносно
енергетичного положення рівнів цих дефектів існують певні розбіжності [52].
Міжвузловинний кадмій є мілким донором з енергією ЕCd i = Еc- 0.002 еВ.
Вакансія кадмію в забороненій зоні дає рівень EV+0.47 еВ. Вакансія телуру дає,
відповідно, Ev+0.2 еВ; обидві вакансії – акцептори.
За аналогією з лужно-галоїдними сполуками вакансії неметалу в А2В6 називають
F-цетрами.
Рис. 2. 1. Залежність концентрації та знаку носіїв струму в CdTe від
температури (1 – 700; 2 – 800; 3 – 900; 4 – 1000oС) та тиску пари кадмію [53].
Найбільш благодатною домішкою в CdTe є Cl. Оскільки CdTe, легований хлором,
стає придатним і перспективним (для подальшого вдосконалення) матеріал для
виготовлення детекторів йонізуючого випромінювання [52]. Леґування CdTe хлором
приводить до зменшення концентрації їзольованих вакансій VCd-акцепторов
(розкомпенсація) і до зростання міжвузловинного Cdi та комплексів з участю
хлору.
Як зауважено в [52], у забороненій зоні CdTe виявлено масу локальних рівнів,
однозначна природа котрих ще не встановлена.
Крім того, рівень неконтрольованих домішок в такому матеріялі досить високий ~
1016 см-3. Не виключено, що леґування хлором приводить до їхньої нейтралізації
шляхом утворення з ними електрично-нейтральних комплексів.
Нас перш за все цікавили властивості монокристалів CdTe з різним ступенем
леґування й компенсації.
Опис проблеми отримання CdTe подано в монографіях К. Д. Товстюка [55], А. В.
Савицького [56] та Д. В. Корбутяка [52].
§ 2. 1. Явища перенесення носіїв струму в напівізолювальних моно-кристалах
CdTe.
Як розглянуто попередньо, CdTe є напівпровідником, в якому в процесі
вирощування можна отримувати як n - так i p – тип провідности, і, відповідно,
різний ступінь компенсації. Все це, як видно з попереднього розділу, зумовлює
флюктуацію електричного потенціалу кристалу та прояв властивостей,
передбачуваних теорією [5, 18].
Аґрінська та Кримова [40] досліджували зразки CdTe, леґовані In в процесі
вирощування. Введені донори компенсували високотемпературним (9000С)
відпалюванням зразків у вакуумі або деякого тиску пари Cd. За цих умов в
кристали CdTe вводяться компенсувальні акцептори –
- Київ+380960830922