Анотація до роботи:

Косяк В.В. Структура точкових дефектів у плівках телуриду кадмію.

– Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Сумський державний університет, Суми, 2008.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню процесів дефектоутворення у плівках CdTe шляхом порівняння результатів моделювання з даними комплексного вивчення структурних і електрофізичних характеристик моно- та полікристалічних шарів матеріалу, одержаних методом квазізамкненого об’єму (КЗО) в умовах, близьких до термодинамічно рівноважних.

Запропонований та реалізований універсальний підхід до опису процесів дефектоутворення у телуриді кадмію, що враховує найбільш повний спектр точкових дефектів матеріалу. З використанням цього підходу та результатів розрахунків термодинамічних параметрів дефектоутворення «ab initio», проведене моделювання ансамблю власних дефектів у плівках CdTe для випадків повної рівноваги та гартування залежно від фізико-технологічних умов їх вирощування. При моделюванні враховані процеси перенесення в’язкої пари компонентів з’єднання від випарника до підкладки, що відбуваються при конденсації у КЗО. Розрахунки проведено для різних наборів енергій іонізації власних дефектів, при цьому використані результати експериментального вивчення параметрів локалізованих станів (ЛС) у плівках методом аналізу ВАХ СОПЗ та залежностей провідність-температура.

На відміну від традиційного підходу оптимізація параметрів дефектоутворення проведена шляхом порівняння результатів моделювання як з електричними (концентрація носіїв та ЛС дефектів, провідність, положення рівня Фермі), так і зі структурними (стехіометрія, період гратки, рентгенівська густина) характеристиками плівок.

1. Проведене комплексне дослідження структурних (морфології поверхні, розмірів зерна, текстури, фазового складу, періоду гратки матеріалу) і субструктурних (розміру ОКР, рівня мікронапружень) характеристик плівок CdTe, отриманих методом КЗО, а також їх стехіометрії залежно від умов нанесення. Виявлений оптимальний температурний інтервал (T_s=600-650 K), в якому розмір ОКР у напрямку [111] є максимальним L~85 нм. Встановлено, що зміна рівня мікродеформацій у плівках у напрямі [111] носить активаційний характер, при цьому e слабко зменшується при збільшенні T_s від e=1,110^-3 до e=0,710^-3. За результатами цих досліджень розраховані концентрація ДП (a= 0,19-0,79 %) та густина дислокацій у плівках (r=3,9-8,110¹⁴ лін/м²).

Визначені умови конденсації (T_e=893-923 K, T_s=673-823 K) однофазних високотекстурованих, структурно-досконалих полікристалічних плівок CdTe з великим розміром зерен (d>10 мкм) та стовпчастою структурою, в яких вплив меж кристалітів та інших протяжних дефектів у середині зерен на їх електрофізичні характеристики мінімальний.

2. Уперше здійснено порівняння результатів розрахунків ансамблю ТД у монокристалах CdTe, проведених з використанням декількох найбільш обґрунтованих у наш час моделей дефектоутворення та наборів констант КР, що дозволило вибрати найбільш адекватну з них.

Запропонований універсальний підхід, що враховує найбільш повний спектр ТД у халькогеніді. З використанням цього підходу для двох крайніх випадків, ПРД та ГД, описані процеси дефектоутворення у монокристалах та тонких плівках CdTe, одержаних в умовах, близьких до термодинамічно рівноважних. Встановлено, що різні моделі передбачають, що плівки CdTe, отримані при T_e>900-970 K, незалежно від температури підкладки, завжди мають n-тип провідності. Лише при нижчих температурах T_e можна отримати плівки p-типу. При цьому температура зміни типу провідності знижується при зменшенні температури підкладки.

3. З використанням розрахунків термодинамічних параметрів дефектів «ab initio» проведене дослідження процесів дефектоутворення у плівках CdTe. Розраховані концентрації домінуючих ТД та вільних носіїв заряду (ПРД N~(710¹⁵-510¹⁶) см^-3, n~(310¹⁴-10¹⁵) см^-3, ГД N~(10¹² - 810¹³) см^-3, n~(510¹⁴ см^-3). Встановлено, що тип домінуючих ТД, як і тип провідності матеріалу істотно, залежить від вибору енергетичних параметрів дефектоутворення. Розраховано положення рівня Фермі у плівках залежно від фізико-технологічних режимів їх нанесення. Показано, що у випадку повної рівноваги рівень Фермі слабко змінюється (0,65-0,70 еВ) поблизу середини ЗЗ матеріалу, що відповідає напівізолюючому матеріалу.

4. Для випадку випаровування CdTe у КЗО, яке відповідає перехідному режиму, створена модель процесів перенесення в`язкої пари компонентів з’єднання від випарника до підкладки з їх подальшою конденсацією. Показано, що ці процеси можуть істотно впливати на величини потоків пари та парціальні тиски компонентів сполуки біля підкладки. Різниця тисків біля випарника та підкладки може становити DР=1-100 Па залежно від довжини робочої камери КЗО та Т_е. Відповідні процеси враховані при розрахунках ансамблю ТД у рамках квазіхімічного формалізму.

5. За допомогою методів аналізу ВАХ СОПЗ та s-T залежностей у ЗЗ полікристалічного матеріалу виявлені ЛС з енергіями залягання E_t1=(0,68–0,70) еВ; E_t2=(0,60–0,63) еВ; E_t3 =(0,56-0,57) еВ; E_t4 =(0,51-0,53) еВ; E_t5= (0,45-0,46) еВ; E_t6 = (0,39-0,41) еВ; E_t7 = 0,33 еВ; E_t8 = (0,13-0,15) еВ та концентраціями N_t=10¹²–10¹⁵ см^-3. Проведена ідентифікація цих рівнів як таких, що належать власним ТД, а також їх комплексам. Ці дані використані при моделюванні ансамблю дефектів у плівках CdTe.

Здійснена оптимізація параметрів дефектоутворення у конденсатах шляхом порівняння результатів моделювання з електричними (концентрація носіїв та ЛС дефектів, провідність, положення рівня Фермі) і структурними (стехіометрія, період гратки, рентгенівська густина) характеристиками плівок.

Публікації автора:

1. Kosyak V.V. Point defect structure in CdTe and ZnTe thin films/V.V.Kosyak, M.M.Kolesnik, A.S.Opanasyuk//J.Mater. Sci:Mater.Electr.-2008.-V.19.-P. S375-S381.

2. Kosyak V.V. Calculation of Point Defects Ensemble in СdTe Films Considering Transport Phenomenon in Gas Phase/V.V.Kosyak, A.S.Opanasyuk, I.Yu.Protsenko//Radiation Measurements. - 2007. - V. 42, №4. - P. 855-858.

3. Kosyak V.V. Calculation of Fermi level location and point defect ensemble in CdTe single crystal and thin films/V.V.Kosyak, A.S.Opanasyuk//Semicond. Phys. Quantum Electr. Optoelectr. - 2007. - V. 10, №3. - P. 95-102.

4. Kosyak V.V. Point Defects Ensemble in CdTe Single Crystals and Films in the Case of Full Equilibrium and Quenching/V.V.Kosyak, A.S.Opanasyuk, I.Yu.Protsenko//Functional Materials. - 2005. - V.12, №4.- P. 797-806.

5. Косяк В.В. Ансамбль точкових дефектів у монокристалах CdTe у випадку повної рівноваги та закалювання/В.В.Косяк, A.С.Опанасюк//ФХТТ. - 2005. - Т.6, №3.-С. 99-109.

6. Косяк В.В. Квазіхімічний опис дефектів у телуриді кадмію/В.В.Косяк, A.С.Опанасюк, Н.М.Опанасюк, І.Ю.Проценко//Вісник Сум ДУ. Серія Фізика, математика, механіка. - 2004. -Т. 69, №10. - С.5-15.

7. Calculation of Point Defects Ensemble in СdTe Films Considering Transport Phenomenon in Gas Phase: матеріали міжнар. конф. 6-th European Conference on Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation - LUMDETR-2006 (Lviv, Ukraine, 19 - 23.06.2006)/V.V.Kosyak, A.S.Opanasyuk, M.M.Kolesnik. - Lviv, 2006. - 205 p.

8. Point defect structure in CdTe and ZnTe thin films: матеріали міжнар. конф. 12th International Conference on Defects-Recognition, Imaging and Physics in Semiconductors - DRIP-XII (Berlin, Germany, 09-13.09.2007)/V.V.Kosyak, A.S.Opanasyuk, M.M.Kolesnik. - Berlin, 2007.- 174 p.

9. Calculation of Point Defect Structure Fermi Level Location in CdTe and ZnTe Thin Films Considering Transport Phenomenon in Gas Phase: матеріали міжнар. конф. Semiconductor Materials and Optics SMMO-2007 (Warsaw, Poland, 18-21.10.2007)/V.V.Kosyak, A.S.Opanasyuk, M.M.Kolesnik. - Warsaw, 2007. - 37 р.

10. Structure and Electrophysical Properties of CdTe and ZnTe Thin Films: матеріали міжнар. конф. 22 Nordic semiconductor meeting - NSM-22, (Stockholm, Sweden 2-06.06.2007)/V.V. Kosyak, A.S. Opanasyuk, S.М. Danilchenko, M.M. Kolesnik. - Stockholm, 2007.- 123 р.

11. Morphological and structural characteristics of A₂B₆ thin films (ZnS, CdTe, ZnTe): матеріали міжнар. конф. Functional materials and nanotechnologies - FM&NT-2008 (Riga, Latvia 01-04.04.2008)/V.V.Kosyak, D.I.Kurbatov, M.M.Kolesnik, A.S.Opanasyuk. - Riga, 2008.- 134 р.

12. Quasichemical description of the point defects ensemble in single crystals and CdTe films in case of full equilibrium and conditioning: матеріали міжнар. конф. Кристалічні матеріали - ICCM-2005 (Харків, Україна 30.05-02.06.2005)/ V.V.Kosyak, A.S.Opanasyuk. - Харків, 2005 р. - 255 c.

13. Ансамбль точкових дефектів у монокристалах CdTe у випадку повної рівноваги та закалювання: матеріали міжнар. конф. Фізика і технології тонких плівок - МКФТТП-Х (Івано-Франківськ, Україна 16-21.05.2005)/В.В.Косяк, A.С.Опанасюк. - Івано-Франківськ, 2005 р. - 239 c.

14. Явища перенесення та осадження при одержанні плівок CdTe методами квазізамкненого об’єму та “гарячої стінки: матеріали міжнар. конф. студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРИКА-2006 (Львів, Україна, 15.-17.05.2006)/В.В.Косяк, М.М.Колесник.-Львів, 2006.-253 с.

15. The influence of the transport phenomenon in the gas phase on electrophysical properties of CdTe films: матеріали міжнар. конф. Сенсорна електроніка та мікросистемні технології - СЕМСТ-2 (Одеса, Україна 26-30.06.2005)/V.V.Kosyak, A.S.Opanasyuk, M.M.Kolesnik. - Одеса, 2006 р. - 303 c.

16. Розрахунок положення рівня Фермі та структури точкових дефектів в монокристалах та плівках CdTe: матеріали міжнар. конф. молодих вчених з фізики напівпровідників Лашкарьовські читання - 2007 (Київ, Україна, 25-26.04.2007)/В.В.Косяк, A.С.Опанасюк. - Київ, 2007 р. - 88 c.