Вплив поверхні на транспортні процеси в тонких плівках халькогенідів олива
Досліджено вплив поверхні на електричні параметри щойно вирощених та відпалених у вакуумі і на повітрі плівок халькогенідів олива n- і р-типу провідности. Результати пояснено у рамках двошарового моделю Петріца....
Gespeichert in:
| Datum: | 2008 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2008
|
| Schriftenreihe: | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76194 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Вплив поверхні на транспортні процеси в тонких плівках халькогенідів олива / Д.М. Фреїк, Б.С. Дзундза // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 4. — С. 1111-1117. — Бібліогр.: 5 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-76194 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-761942015-10-31T18:46:14Z Вплив поверхні на транспортні процеси в тонких плівках халькогенідів олива Фреїк, Д.М. Дзундза, Б.С. Досліджено вплив поверхні на електричні параметри щойно вирощених та відпалених у вакуумі і на повітрі плівок халькогенідів олива n- і р-типу провідности. Результати пояснено у рамках двошарового моделю Петріца. Influence of the surface on electrical parameters of lead chalkogenide films is studied. These fresh-grown films annealed in vacuum and in the air of n- and ptype of conductivity are investigated. Results are explained within the scope of the two-layered Petritz model. Исследовано влияние поверхности на электрические параметры свежевырощенных и отожженных в вакууме и на воздухе пленок халькогенидов свинца n- и р-типа проводимости. Результаты объяснены в рамках двухслойной модели Петрица. 2008 Article Вплив поверхні на транспортні процеси в тонких плівках халькогенідів олива / Д.М. Фреїк, Б.С. Дзундза // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 4. — С. 1111-1117. — Бібліогр.: 5 назв. — укр. 1816-5230 PACS numbers: 07.57.-c,72.20.Ee,73.25.+i,73.50.Dn,73.50.Jt,73.61.Jc,81.40.Rs http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76194 uk Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| description |
Досліджено вплив поверхні на електричні параметри щойно вирощених та
відпалених у вакуумі і на повітрі плівок халькогенідів олива n- і р-типу
провідности. Результати пояснено у рамках двошарового моделю Петріца. |
| format |
Article |
| author |
Фреїк, Д.М. Дзундза, Б.С. |
| spellingShingle |
Фреїк, Д.М. Дзундза, Б.С. Вплив поверхні на транспортні процеси в тонких плівках халькогенідів олива Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| author_facet |
Фреїк, Д.М. Дзундза, Б.С. |
| author_sort |
Фреїк, Д.М. |
| title |
Вплив поверхні на транспортні процеси в тонких плівках халькогенідів олива |
| title_short |
Вплив поверхні на транспортні процеси в тонких плівках халькогенідів олива |
| title_full |
Вплив поверхні на транспортні процеси в тонких плівках халькогенідів олива |
| title_fullStr |
Вплив поверхні на транспортні процеси в тонких плівках халькогенідів олива |
| title_full_unstemmed |
Вплив поверхні на транспортні процеси в тонких плівках халькогенідів олива |
| title_sort |
вплив поверхні на транспортні процеси в тонких плівках халькогенідів олива |
| publisher |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| publishDate |
2008 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76194 |
| citation_txt |
Вплив поверхні на транспортні процеси в тонких плівках
халькогенідів олива / Д.М. Фреїк, Б.С. Дзундза // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 4. — С. 1111-1117. — Бібліогр.: 5 назв. — укр. |
| series |
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| work_keys_str_mv |
AT freíkdm vplivpoverhnínatransportníprocesivtonkihplívkahhalʹkogenídívoliva AT dzundzabs vplivpoverhnínatransportníprocesivtonkihplívkahhalʹkogenídívoliva |
| first_indexed |
2025-07-06T00:38:14Z |
| last_indexed |
2025-07-06T00:38:14Z |
| _version_ |
1836855902355849216 |
| fulltext |
1111
PACS numbers: 07.57.-c, 72.20.Ee, 73.25.+i, 73.50.Dn, 73.50.Jt, 73.61.Jc, 81.40.Rs
Вплив поверхні на транспортні процеси в тонких плівках
халькогенідів олива
Д. М. Фреїк, Б. С. Дзундза
Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника,
вул. Шевченка, 57,
76000 Івано-Франківськ, Україна
Досліджено вплив поверхні на електричні параметри щойно вирощених та
відпалених у вакуумі і на повітрі плівок халькогенідів олива n- і р-типу
провідности. Результати пояснено у рамках двошарового моделю Петріца.
Influence of the surface on electrical parameters of lead chalkogenide films is
studied. These fresh-grown films annealed in vacuum and in the air of n- and p-
type of conductivity are investigated. Results are explained within the scope of
the two-layered Petritz model.
Исследовано влияние поверхности на электрические параметры свежевы-
рощенных и отожженных в вакууме и на воздухе пленок халькогенидов
свинца n- и р-типа проводимости. Результаты объяснены в рамках двух-
слойной модели Петрица.
Ключові слова: халькогеніди олива, тонкі плівки, епітаксія, неодноріднос-
ті, модель Петріца.
(Отримано 23 листопада 2007 р.)
1. ВСТУП
Тонкі плівки халькогенідів олива – перспективні матеріяли для
створення детекторів та джерел випромінення в інфрачервоному
діяпазоні оптичного спектру.
Явища переносу у тонких напівпровідникових плівках суттєво
відрізняються від монокристалів у зв’язку із впливом поверхневих
ефектів: міжфазних меж («плівка—вільна поверхня», «плівка—під-
ложжя») та дефектів росту (міжзернові межі, дислокації невідпові-
дностей). При цьому, якщо наявність міжзернових меж еквівален-
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies
2008, т. 6, № 4, сс. 1111—1117
© 2008 ІМФ (Інститут металофізики
ім. Г. В. Курдюмова НАН України)
Надруковано в Україні.
Фотокопіювання дозволено
тільки відповідно до ліцензії
1112 Д. М. ФРЕЇК, Б. С. ДЗУНДЗА
тна у електричних властивостях послідовному з’єднанню, то між-
фазні межі аналогічні до паралельного з’єднання приповерхневих
областей і об’єму.
У даній роботі у рамках моделю Петріца досліджено внесок пове-
рхні в ефективні значення коефіцієнтів переносу для тонких плівок
халькогенідів олива різного типу провідности.
2. МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТУ
Досліджували епітаксійні плівки PbTe, PbSe, PbS n- i p-типу з кон-
центрацією носіїв заряду (1017—1020) см
−3
які вирощували осаджен-
ням парової фази у вакуумі методою гарячої стінки на підкладках із
кристалів фтористого барію орієнтації (111) [2, 3]. Вирощування
плівок здійснювали при постійній температурі підкладок і швидко-
сті конденсації, а також сталій для кожного технологічного проце-
су інтенсивности випаровування джерела халькогену. Якість плі-
вок оцінювали методою Рентґенової дифрактометрії, топографії та
Голлових мірянь. Товщину плівок задавали часом осадження пари,
пошарове щавлення плівок здійснювали хемічними методами.
Зразки для міряння Голлового ефекту і електропровідности мали
чотири Голлових і два струмових зонди. Міряння проводили на про-
стому струмі у постійному магнетному полі. Виключення впливу
побічних ґальвано- і термомагнетних ефектів при цьому забезпечу-
вали усередненням результатів мірянь при різних напрямках стру-
му і магнетного поля. Струм, який протікав через зразок складав
∼ 1 мА, а магнетне поле 2,0 Тл. Похибка мірянь не перевищувала
5%.
Відпал плівок здійснювали у вакуумі 6,5⋅10−4
Па при температу-
рах То = 550—700 К. Міряння після кожного циклу відпалу прово-
дили на повітрі при кімнатній температурі.
Поведінку ефективних значень питомої електропровідности (σ) і
Голлового коефіцієнта (RH) у плівках, можна пояснити наявністю
поверхневих шарів. Аналізу електричних властивостей плівок при
цьому доцільно виконувати за допомогою двошарового моделю Пе-
тріца [1], у якому тонку плівку представляють складеною з двох
шарів: поверхневого (s) (область поверхневого заряду) завтовшки
ds, концентрація носіїв струму в якому ns, а їх рухливість μs, і
об’ємного (b), що характеризується аналогічними величинами db,
nb, μb які з’єднані паралельно (рис. 1). Товщина плівки = +s bd d d .
Ефективний Голлів коефіцієнт (RH) і питому електропровідність
у цьому випадку можна виразити через питомі провідності і Голлів
коефіцієнт поверхневого (σs, Rs) і об’ємного шарів (σb, Rb):
( )
σ + σ
=
σ + σ
2 2
2
s s s b b b
H
s s b b
R d R d
R d
d d
, (1)
ПОВЕРХНЯ І ТРАНСПОРТНІ ПРОЦЕСИ В ПЛІВКАХ ХАЛЬКОГЕНІДІВ Pb 1113
σ + σ
σ = s s b bd d
d
. (2)
Ця конфіґурація є доцільною з експериментальної точки зору за
рахунок простоти реалізації, малого впливу контактів, низьких
шумів.
3. РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ЇХ АНАЛІЗА
Важливими технологічними факторами, що визначають структур-
ні характеристики плівок та їх електричні параметри є температура
осадження (Тп) та парціяльний тиск пари халькогену (
2XP ) у зоні
осадження, як більш леткої компоненти. Ці чинники в основному
формують відхилення від стехіометричного складу в області існу-
вання сполук і, таким чином, рівноважний стан точкових дефектів,
які і визначають тип провідности та величину концентрації носіїв
струму [4].
Досліджено залежності питомої електропровідности σ, Голлової
сталої RН, концентрації nH і рухливости носіїв від товщини осадже-
них плівок. Результати проведених експериментальних досліджень
наведено на рис. 2—4 відповідно для щойно вирощених, відпалених
у вакуумі та витриманих в атмосфері кисню. Видно, що у плівках
має місце розмірний ефект для досліджуваних електричних пара-
метрів. Так, зокрема, із зменшенням товщини d щойно вирощених
та витриманих в атмосфері кисню плівок питома електропровід-
ність зростає. При цьому щойно вирощені плівки n-типу при тов-
щинах, менших за d ∼ 1 мкм мають область із дірковою провідністю
(рис. 2, а, крива 4).
Результати розрахунків кінетичних параметрів плівок у рамках
двошарового моделю Петріца наведено у таблиці. Видно, що харак-
терною особливістю для щойно вирощених плівок із ефективною
електронною провідністю є наявність шарів р-типу із збагаченою
концентрацією дірок (табл.). При цьому для плівок із ефективною
дірковою провідністю приповерхневі шари плівок характеризують-
ся підвищеною концентрацією основних носіїв, які переважають
об’ємну більш ніж на порядок величини (табл.).
Рис. 1. Двошаровий модель Петріца і його електрична схема. Струми і Гол-
лові напруги є паралельними [1].
1114 Д. М. ФРЕЇК, Б. С. ДЗУНДЗА
Зазначені ефекти пов’язані із інтенсивним збагаченням пари на
халькогени, як більш леткі компоненти у сполуках на початкових
етапах випаровування наважки. Це і обумовлює формування кон-
денсату в області гомогенности на межі збагаченій на халькоген,
який відповідальний за акцепторну дію.
Встановлено, що відпал у вакуумі плівок n-типу призводить до
незначного збільшення концентрації електронів (рис. 3, а, крива 4).
Деяке зростання Голлової рухливости носіїв струму на початкових
етапах відпалу (рис. 3, а, крива 3) обумовлене покращенням струк-
тури епітаксійних плівок. Це і є причиною збільшення питомої
електропровідности (σ) з часом відпалу.
Цілком інакше поводяться плівки р-типу (рис. 3, б). Концентра-
ція і рухливість дірок у цьому випадку значно змінюються. Спосте-
рігається ефект конверсії типу провідности (рис. 3, б, криві 2, 4). Як
видно (рис. 3, б, крива 4), у процесі відпалу концентрація швидко
зростає, прямуючи до нескінченности, а потім також швидко зме-
ншується. У точці розриву відбувається конверсія типу провідности
(знаку Голлового коефіцієнта (рис. 3, б, криві 2, 4)), а Голлова рух-
ливість обертається в нуль (рис. 3, б, крива 3). Залежності, які спо-
стерігаються специфічні для структур, що складаються з двох про-
шарків протилежного типу провідности. Слід зауважити, що хара-
ктер кінетичних кривих суттєво залежить від температури відпалу.
а
б
Рис. 2. Залежність питомої електропровідности (σ – 1), Голлової сталої
(RH – 2), рухливости (μ – 3) та концентрації (n – 4) від товщини (d)
для щойно вирощених плівок n-PbТe (а) і p-PbТe (б).
ПОВЕРХНЯ І ТРАНСПОРТНІ ПРОЦЕСИ В ПЛІВКАХ ХАЛЬКОГЕНІДІВ Pb 1115
Підвищення температури відпалу, як правило, призводить до зме-
ншення часу, протягом якого плівки із ефективного р-типу стають
ефективно електронними.
Можливість формування n—p-структури в процесі вакуумного від-
палу прямо випливає з фазової P—Т—х-дiяграми рівноваги для халь-
когенідів олива при прямуванні парціяльного тиску халькогеніду до
нуля. Фізичною причиною її утворення є збіднення приповерхневого
прошарку плівок халькогеном, вакансії якого в кристалічній ґрат-
а
б
Рис. 3. Залежність питомої електропровідности (σ – 1), Голлової сталої
(RH – 2), рухливости (μ – 3) та концентрації (n – 4) від товщини (d) для
плівок n-PbTe (а) і p-PbTe (б), відданих вакуумному відпалу при 640 К на
протязі 2,5 год.
Рис. 4. Залежність питомої електропровідности (σ – 1), Голлової сталої
(RH – 2), рухливости (μ – 3) та концентрації (n – 4) від товщини (d)
для плівок n-PbTe, витриманих в атмосфері кисню.
1116 Д. М. ФРЕЇК, Б. С. ДЗУНДЗА
ниці є електричноактивними донорами і ґенерують електрони. Та-
ким чином, із підвищенням температури та збільшенням часу відпа-
лу, поверхня плівки стає все більше збагачена на вакансії халькогену
і концентрацію електронів. Це і обумовлює початкову компенсацію
діркової провідности матеріялу, а в подальшому конверсію типу
провідности з р- на n-тип і зростання концентрації електронів.
Взаємодія із киснем може призводити до істотного перерозподілу
як елементного складу матеріялу, так і цілого комплексу нових фізи-
ко-хемічних властивостей матеріялу. Профіль розподілу електрич-
них параметрів плівок відданих відпалу в кисні, подано на рис. 4
Специфічний характер зміни концентрації і рухливости носіїв заряду
свідчить про утворення в процесі взаємодії з киснем двошарової р—n-
структури у плівках із початковою електронною провідністю (рис. 4,
крива 4). Для плівок p-PbTe має місце тільки деяке зростання конце-
нтрації основних носіїв як на поверхні, так і в об’ємі плівок (табл.).
Передумовою цього є те, що плівки PbTe активно взаємодіють із
киснем який є ефективним акцептором. Міґруючи по межах зерен,
він проникає у глибину плівки, компенсуючи донорні центри. Вна-
слідок цього на поверхні плівок утворюється достатньо товстий шар
p-типу провідности (рис. 4, крива 4; табл.).
4. ВИСНОВКИ
1. У рамках двошарового моделю Петріца визначено значення еле-
ТАБЛИЦЯ. Значення кінетичних параметрів приповерхневого шару (s) і
об’єму (b) для плівок PbTe, PbSe і PbS n- і р-типу провідности, розрахова-
них згідно двошарового моделю Петріца.
Плівки Щойно вирощені Відпалені у вакуумі
Витримані
у атмосфері кисню
Параметри PbTe-n PbTe-p PbTe-n PbTe-p PbТe-n PbS-n
σs, Ом
−1⋅см−1 120 800 40 38 180 10
Rs, см
3⋅Кл−1 8 0,3 −5 −15 5 4
ns, см
−3 7,8⋅1017
(р) 2,1⋅1019 1,6⋅1018 4,2 1017 (n) 1,6⋅1018 (р) 1,5⋅1018 (р)
σs, см
2⋅В−1⋅с−1 960 240 200 570 900 40
ds, мкм 0,1 0,08 0,5 0,2 0,6 0,3
σb, Ом
−1⋅см−1 70 140 76 140 40 28
Rb, см
3⋅Кл−1 −20 2,8 −24 3 −18 −50
nb, см
−3 3,1⋅1017 (n) 2,2⋅1018 2,6⋅1017 2,1⋅1018 (р) 3,5⋅1017 (n)1,3⋅1017 (n)
σb, см
2⋅В−1⋅с−1 1400 392 1824 420 720 1400
ПОВЕРХНЯ І ТРАНСПОРТНІ ПРОЦЕСИ В ПЛІВКАХ ХАЛЬКОГЕНІДІВ Pb 1117
ктричних параметрів поверхневих шарів на міжфазних межах і
об’ємі плівок.
2. Встановлено, що міжфазні межі щойно вирощених плівок біля
підкладок завжди збагачені на халькоген, що обумовлює їх р-тип
для електронного матеріялу і збагаченого на дірки для р-типу.
3. Відпал у вакуумі плівок n-PbTe обумовлює деяке зростання кон-
центрації електронів. Для плівок p-PbTe, біля вільної поверхні при
цьому формується двошарова p—n-структура, що пов’язано із випа-
ровуванням халькогену і дифузією його вакансій у напрямку нор-
малі до поверхні в об’єм плівки.
6. При витримці плівок із початковою електронною провідністю в
атмосфері кисню утворюється двошарова структура із приповерх-
невим шаром р-типу. Для конденсату р-типу формується збагачена
на дірки приповерхнева область за рахунок адсорбції кисню який є
активним акцептором.
Роботу частково профінансовано МОН України (державний ре-
єстраційний номер 0106U00220) та ДФФД МОН України (держа-
вний реєстраційний номер 0107U006769).
ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
1. R. L. Petritz, Phys. Rev., 110, No. 6: 1254 (1958).
2. Д. М. Фреик, М. А. Галущак, Л. Й. Межиловская, Физика и технология
тонких пленок (Львов: Вища школа: 1988).
3. А. Г. Миколайчук, Д. М. Фреик, В. М. Шперун, Физико-технологические
основы синтеза полупроводниковых пленок: Учебное пособие для физиче-
ских специальностей (Львов: Вища школа: 1978).
4. Ю. Н. Равич, Б. А. Ефимова, Н. А. Смирнова, Методы исследования полу-
проводников в применении к халькогенидам свинца PbTe, PbSe, PbS
(Mосква: Наука: 1968).
5. Н. Х. Абрикосов, Л. Е. Шелимова, Полупроводниковые материалы на осно-
ве соединений А
IVBVI
(Mосква: Наука: 1975).
|