РОЗДІЛ 2
Дифузія і рівновага власних дефектів у кристалах Hg1-xCdxTe
2.1. Вступ
На відміну від широкозонних сполук A2B6, тип провідності кристалів Hg 0,8Cd 0,2Te регулюється відносно просто і в широких межах шляхом легування і відпалу в парах ртуті. Відомо, що легування елементами першої групи дає після такого відпалу матеріал p-типу, тоді як елементи третьої та сьомої груп виявляють донорні властивості [147]. Елементи п'ятої групи можуть бути як акцепторами, так і донорами залежно від умов відпалу [12, 147-150]. Активність більшості домішків при низьких концентраціях близька до 100 % [12], а утворення комплексних точкових дефектів спостерігається, головним чином, при високих T і сильному легуванні; наприклад, воно було достовірно зафіксоване при введенні In [151-153].
Типом провідності Hg 0,8Cd 0,2Te можна керувати і без легування, оскільки власні дефекти в ньому електрично активні, а їх кількість залежить від умов термообробки в парах, в ході якої відбувається термодифузія Hg [11, 79-80; 154-161]. Якщо температури відпалу досить низькі, а тиск пари Hg - високий, після відпалу здебільшого спостерігається конверсія провідності з p- в n-тип [157-161]. Тривалий час жваво дискутувалася природа залишкових донорів. Одна частина дослідників вважала їх міжвузловинними атомами Hg [162], інша - домішками [163]. Зараз віддається перевага домішковому походженню цих донорів [80], проте досить активно обговорюється ще один можливий тип власних донорних дефектів - антиструктурний Te [164].
Дослідження дефектоутворення в напівпровідниках ведуть, як правило, двома шляхами. Перший з них полягає в дослідженні високотемпературної термодинамічної рівноваги теплових дефектів. Стосовно Hg 0,8Cd 0,2Te цей метод було вперше застосовано в [165] і розвинуто в [11], де для побудови дефектної структури Hg 0,8Cd 0,2Te було послідовно застосовано квазіхімічну теорію Крьогера [166]. Недоліком цього методу є те, що в Hg 0,8Cd 0,2Te концентрація власних електронів при високій температурі, як правило, перевищує кількість активних дефектів або сумірна з нею, а тиск пари Hg і Te над Hg 0,8Cd 0,2Te дуже високий, що створює агресивне хімічне середовище. Тому концентрацію дефектів тут оцінюють по концентрації домішкових носіїв заряду в зразках, приведених у рівновагу з паровою фазою при високій температурі й загартованих до низької температури. Це вимагає додаткового обґрунтування коректності ототожнення кількості загартованих дефектів з їх кількістю в умовах рівноваги [11; 79-80].
Другий метод дослідження утворення точкових дефектів полягає у вивченні кінетики дифузійних процесів і базується на її залежності від концентрації власних дефектів [167]. Найчастіше з цією метою досліджують самодифузію компонентів на основі застосування методу радіоактивних індикаторів. Стосовно Hg 0,8Cd 0,2Te цей напрямок розвивався у працях [168-176]. Ці експерименти виявляють присутність у кристалах Hg 0,8Cd 0,2Te вакансій Hg та міжвузловинних атомів Hg і Te. Спроба відтворити дефектну структуру Hg 0,8Cd 0,2Te за даними дослідження самодифузії ртуті, здійснена в [168-171; 174-176], дала зовсім інші результати, ніж було отримано в [11]. За цими даними область гомогенності є односторонньою, зміщеною убік надлишку Te лише при T > 400?C, а в діапазоні 150-350?C вона двостороння, причому максимальна розчинність ртуті досягає 0,005 %.
Цей метод також має істотні недоліки. По-перше, для коректного вивчення дефектної структури в умовах рівноваги можна застосовувати лише врівноважені дифузійні процеси [167], тоді як в експерименті досліджується лише встановлення рівноваги, кінетика якого чутлива до структури кристалу. Наслідком цього є численні відхилення від закону Фіка, що спостерігаються при дослідженні дифузії в напівпровідниках [167]. Зокрема, дифузійні профілі розподілу радіоактивної ртуті складаються в Hg 0,8Cd 0,2Te з двох і більше гілок з різними поверхневими концентраціями та глибинами проникнення [168-176], що якраз свідчить про відсутність рівноваги між дефектами [167]. По-друге, швидкий та повільний дифузійні потоки приписуються одним і тим самим точковим дефектам, які перебувають у різних зарядових станах, тоді як насправді у випадку вузькощілинних напівпровідників при високих температурах частота перезарядки дефектів (особливо донорів, які тут взагалі не здатні локалізувати електрон) набагато вища за частоту дифузійних стрибків. По-третє, поверхнева концентрація ізотопу в кристалі, як правило, надто низька (менша за 10-2 % навіть для повільного компонента) [168-176], тоді як вона повинна дорівнювати співвідношенню між радіоактивним і нерадіоактивним ізотопами в дифузійному джерелі ртуті. Такий компонент спостерігався експериментально в роботі [177] і відповідав третьому, ще більш повільному дифузійному потоку ртуті, який залишився непоміченим у [168-176]. Нарешті, дослідження дифузії дає тільки якісну картину і не дає безпосередньо кількість дефектів у рівновазі [164, 167]. Ці та інші аргументи, зокрема, висунута в [177] та обґрунтована в [178-179] теза про вплив дислокацій та інших дефектів структури на прискорені дифузію ртуті в Hg 0,8Cd 0,2Te, ставлять під сумнів побудовану в [168-171, 174-176] дефектну структуру Hg 0,8Cd 0,2Te.
Теоретичні розрахунки дефектоутворення в Hg 0,8Cd 0,2Te найбільш детально виконані в [164], де обчислювалися константи рівноваги різних точкових дефектів у Hg 0,8Cd 0,2Te, виходячи з перших принципів. Згідно [164], в цьому напівпровіднику основними точковими дефектами є вакансії ртуті, а друге місце посідають антиструктурні дефекти (Te у катіонних вузлах), концентрація яких може досягати 1016 см-3. Відзначається непогане узгодження з експериментальними даними [11] щодо вакансій Hg, тим часом як аргументи на користь або проти існування антиструктурного дефекту досить непевні. Зокрема, за даними виконаного в [164] розрахунку пружна складова енергії утворення мала і негативна (що відповідає виграшу енергії), тоді як насправді заміщення невеликого за розміром атома Hg значно більшим атомом Te повинно вимагати здій
- Киев+380960830922