Домішково-дефектна підсистема сфалеритної структури у легованих хлором кристалах телуриду кадмію

3. Домішково-дефектна підсистема сфалеритної структури у легованих хлором кристалах телуриду кадмію

3.1. Домішка хлору у телуриді кадмію

Одним із найбільш перспективних матеріалів для виготовлення високочутливих неохолоджуючих детекторів іонізуючого випромінювання є компенсований хлором телурид кадмію [1].

CdTe відноситься до широкозонних напівпровідників А^IIВ^VI для яких характерне явище самокомпенсації. Суть явища самокомпенсації полягає у нейтралізації дії введених домішок донорного чи акцепторного типу утворенням власних дефектів з протилежною дією. Це є енергетично вигідним процесом для кристала. Крім того, власні дефекти, взаємодіючи з домішками, за певних умов, можуть утворювати різного типу електрично активні і неактивні комплекси [2, 3].

Вирощений методом напрямленої кристалізації і компенсований хлором СdТе (N_Cl ~ 10¹⁸см^-3) звичайно має р-тип провідності з питомим опором ρ > 10⁷ Ом см, концентрацією дірок р ~ 10⁸ см^-3 та холлівською рухливістю дірок µ_h ~ 50см²-В^-1с^-1. Після відпалу в атмосфері насиченої пари кадмію при температурах 500 — 900 °С протягом кількох годин кристал стає низькоомним з n-типом провідності. У цьому випадку компенсація

Рис. 1. Залежність n(p_Cd) у разі відпалу напівізолюючих зразків CdTe у парі кадмію при температурі 700 °С на протязі 3 год.

практично зникає, і концентрація вільних електронів може досягати п~ 2 І0^17|см^-3. Згідно з фундаментальними роботами [9, 10] такий відпал приводить не тільки до збільшення п, але і до зменшення концентрації вакансій кадмію. В результаті порушуються умови компенсації. На рис. 1 наведено залежність значення n від тиску пари кадмію р_Сd, при якому проводився відпал [11]. На основі проведених в роботі [11] досліджень зразків

n-CdTe отримано значення  ~ 9,6·10¹⁶ см^-3, яке добре узгоджується з величиною п. У цьому випадку атом хлору, замішуючи атом телуру, поводить себе як точковий дефект, донорного типу. На рис. 2 наведено залежність п від концентрації введеного хлору [СІ], характер якої, як вказано в [12], практично не змінюється для різних значень р_Сd

Це означає, що за концентрацію електронів в зоні провідності відповідає домішка хлору, а не власні дефекти у гратці кадмію. Аналогічні результати отримано і для СdTe:Iп [13] (атом індію замішує атом кадмію). Слід вимітити, що енергія Іонізації Е_D, залежить від концентрації введеної донорної домішки та ступеня компенсації (Е_D = Е_D (N, К = N_A / N_D)) і зв'язана з енергією іонізації ізольованих донорів E₀ емпіричним співвідношенням [14].

Е_D = Е₀ – α()^1/3, (1)

α = 2,5·10^-8 eВ·см. (Співвідношення (1) уточнене врахуванням крупномасштабних флуктуацій потенціалу для низьких і високих температур порівняно з шириною домішкової зони [15]). Знайдене з (1) значення Е₀ становить 0,014 еВ [І3] і є близьким до значення, отриманого на основі воднеподібної моделі.

Встановлено також наявність у компенсованих монокристалах СdТе:СІ  

мілких акцепторних рівнів. У роботі [16] досліджували спектри поглинання (рис. 3) та фотопровідності (рис. 4) таких зразків. Різке зростання коефіцієнта поглинання α в області Е > 1,55 еВ (рис. З, криві 2 і 3) пов'язується з іонізацією акцепторів, розташованих па рівнях E_v+ 0,04 eВ. У цій же області енергій спостерігалась інтенсивна смуга в спектрі фотопровідності (рис. 4).

Рис. 3. Спектри поглинання при 77 К: 1 – нелегований зразок; 2 – легований зразок хлором, N_Cl ~ 10¹⁸ cm^-3; 3 – N_Cl ~ 10¹⁹ cm^-3; 4 – зразок, легований хлором після термообробки у вакуумі при 500 °С; 5 – при 700°С

Рис. 4. Спектри фотопровідності: 1 – зразок, легований хлором, N_Cl ~ 10¹⁸ cm^-3, Т = 77 К; 2 – той самий зразок після термообробки у вакуумі при 500 С; 3 – зразок легований хлором, Т = 4,2 К

Високотемпературний відпал кристалів у вакуумі протягом 24 год приводить до суттєвих змін у спектрах поглинання і фотопровідності, а саме мас місце інтенсивне поглинання в області 1,46 — 1,47 еВ з максимумом близько 1,53 eВ (рис. З, крива 4), що відповідас переходам електронів з рівнів E_v + 0,06 еВ та E_v + 0,12 сВ у зону провідності. Концентрація цих акцепторних центрів становить приблизно 2 10¹⁵ – 2 І0¹⁶см^-3 , а їх природа однозначно не з’ясована, хоча певні міркування про їх походження висловлювались в літературі |І6|.

Аналогічні висновки про енергетичне положення рівнів, що належать даним акцепторним центрам, зробили автори роботи [17], досліджуючи крайову люмінесценцію (рис. 5) нелегованих (крива 1), легованих високоомних (крива 2) та легованих низькоомних (крива 3) кристалів. Для легованих зразків спостерігається люмінесценція в області 1,55 ев.

Рис. 5. Спектри крайової люмінесценції кристалів CdTe при 4,2 К: 1 – нелегований зразок, n = 10¹⁵ cм^-3; 2, 3 – зразки, леговані хлором (2 – р = 10⁸ см^-3, 3 – р = 10¹³ см^-3)

Характер зміни положень максимумів кривих 2 і 3 із збільшенням температури відповідає переходам всередині донорно-акцепторної пари, а при Т = 25 ÷ З0 К домінує смуга, що відповідає переходам зона — акцептор (Е~ 1,56 ев). Енергетичне положення цього акцепторного рівня E_v + 0,047 узгоджується з даними, отриманими в результаті аналізу спектрів поглинання та фотопровідності. У спектрах спеціально нелегованих та легованих хлором кристалів спостерігається смуга люмінесценції з максимумом 1,53 еВ, яку пов'язують з рівнем E_v + 0,069 ев, що належить першому зарядовому стану вакансій кадмію.