автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Выращивание и свойства пленок AIVBVI для термоэлектрических и оптоэлектрических устройств

Державний університет «Львівська політехніка»

СТі

с..

кт-

\

ШЕПЕТЮК ВОЛОДИМИР АНДРІЙОВИЧ

УДК 669:621.315.592:54-165

ВИРОЩУВАННЯ І ВЛАСТИВОСТІ ПЛІВОК А^в'1 ДЛЯ ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНИХ ТА ОПТОЕЛЕКТРОННИХ ПРИСТРОЇВ

05.27.06 - технологія, обладнання та виробництво електронної техніки

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Львів - 1998

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі фізики твердого тіла Прикарпатського університету іі

В.Стефаника . Міністерство освіти України.

Науковий керівник

- заслужений діяч науки і техніки України, доктор хімічних наук,професор ФРЕЇК ДМИТРО МИХАЙЛОВИЧ Прикарпатський університет ім. В.Стефаника, завідувач кафедри.

- доктор фізико-математичних наук СУКАЧ ГЕОРГІЙ ОЛЕКСІЙОВИЧ

Інститут фізики напівпровідників ,НАН України, провідний науковий співробітник

- доктор технічних наук,

ДРУЖИНШ АНАТОЛІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ державний університет «Львівська політехніка», професор-

Офіційні опоненти:

Провідна установа

-АТ Науково-виробниче об’єднання «ТЕРМОПРИЛАД» ,м.Львів •

Захист відбудеться «_27_»____б ер ез ня______1998 р.о 14.00 год.

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 04.06.18 при державному університеті «Львівська політехніка» (290646, м.Львів-13, вул. С.Бандери, 12).

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці державного університету «Львівська політехніка» (вул. Професорська,!).

Автореферат розісланий «_20_»_лютого_1998року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

БАЙДАР Р.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Напівпровідники АІУВ'Л - перспективні матеріали для різних областей науки і техніки. Одна з важливих сфер їх використання -термоелектричні пристрої, які працюють в інтервалі температур від кімнатної до 800 К. Ефективність експлуатації різного роду таких приладових структур визначається можливістю досягнення високих. значень термоелектричної добротності. Друга велика область використання цих сполук - виготовлення лазерів і приймачів випромінювання для довгохвильової області спектру. Фотоприймачі на їх основі характеризуються високою чутливістю та швидкодією, володіють спектральною однорідністю і низьким рівнем шуму, можуть працювати при температурах вище 77 К. їх особливістю також є можливість перебудови спектральних характеристик зміною складу , температури , тиску і магнітного поля, що обумовлено залежністю ширини забороненої зони від цих параметрів. Для потреб мікроелектроніки важливою є тонкоплівкова реалізація властивостей матеріалу.Вивченню плівок сполук Ап/В'л присвячено багато наукових праць, проте можливості їх. використання визначені ще не повністю. Так , зокрема , у літературі відсутні систематизовані дані , що стосуються залежності властивостей цих плівок від технологічних факторів вирощування та хімічного складу. Це, у свою чергу , ускладнює проблему оптимізації властивостей матеріалу та параметрів активних елементів мікроелектроніки на його основі. Крім того, глибоке розуміння фізичних явищ і процесів , що відбуваються при функціюванні приладових структур не можливе без знання особливостей енергетичної структури та значень основних зонних параметрів. Розв’язання цих , а також інших завдань може розширити можливості практичного використання плівок сполук АГУВ'Л.

Об’єктом дисертаційного дослідження є монокристалічні та полікристалічні плівки халькогенідів свинцю , твердих розчинів (РЬ5е)і_х(5пТе) х, (РЬТе)і.х(8п5е)х, РЬх5пі_хТе , РЬі.х8пх5е при (0,0 < х < 1,0) , вирощених на сколах (111) ВаРг та поліамідній стрічці ПМ1.

.Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в лабораторіях Фізики і технології тонких плівок кафедри Фізики твердого тіла Прикарпатського університету' ім. В.Стефаника, наукових пабораторіях кафедр Фізичної електроніки та Напівпровідникової мікроелектроніки Чернівецького державного університету ім.Ю .Федьковича.*

Вона є складовою частиною програми Міннауки України 05.44.06/127-А93 «Розробка прогресивних технологій складних напівпровідникових плівок на основі сполук А^В71 для пристроїв електроніки», та тематичного плану НДДКР, затвердженого Головним управлінням Міносвіти України згідно додатку N13 наказу N340 від 02.12.94. «Розробка технології кристалів і тонких плівок сполук А^В^ з ізовалентним заміщенням для активних елементів інфрачервоної техніки». Робота координувалась науковою радою з фізики напівпровідників НАН України.

Мета і завдання дослідження На базі експериментальних і розрахункових даних про фізико - хімічні властивості сполук А^В71 оптимізувати технологію вирощування з парової фази методом гарячої стінки плівок монохалькогенідів свинцю та твердих розчинів на їх основі для створення термоелектричного матеріалу і активних елементів інфрачервоної області спектру.

Для досягнення поставленої мети :

• реалізована технологія вирощування плівок з парової фази методом гарячої стінки із наперед заданими властивостями ;

• визначено основні властивості та параметри оптоелекгронних пристроїв на основі плівок АІУВУІ;

• проведено комплексні дослідження температурних та концентраційних залежностей кінетичних коефіцієнтів плівок монохалькогенідів свинцю та їх твердих розчинів;

• розроблено конструкції та запропоновано технології виготовлення тонкоплівкових елементів оптоелектроніки.

Наукова новизна одержаних результатів 1 .Одержано аналітичні вирази і побудовано просторові діаграми , які визначають залежність термоелектричних властивостей тонкоплівкового матеріалу АІУВ'Л від умов вирощування з парової фази методом гарячої стінки. Показано , що зростання коефіцієнтів термо - е.р.с. та термоефективності у полікристалічних плівках , порівняно з

* Автор висловлює щиру подяку професору Старику П.М. та професору Заячуку ДМ. за синтез кристалів сполук А11 В11 для вирощування тонких плівок.

монокристалічними, обумовлене дроселюванням носіїв заряду за енеріями на границях зерен

2. Обгрунтовано аномалії в концентраційних та температурних залежностях коефіцієнта термо - е.р.с. плівок А^З71 па осксз; складної 5>доїш валентної зони та наявності підзон легких і важких дірок із різною густиною станів та ефективними масами носіїв.

3.Встановлено факт збільшення значення термоелектричної добротності плівок твердих розчинів на основі халькогенідів свинцю і олова при заміщенні, атомів у аніонній, катіонній, а також у обох підгратках одночасно. Визначені концентраційні та температурні області при яких плівки мають максимальні значення термоелектричної ефективності.

4.Вивчено вплив властивостей тонкоплівкового матеріалу (РЬТе, РЬБе, РЬБпТе), конструкцій і технологій виготовлення на параметри оптоелекгронних пристроїв : фоторезисторів, р-п переходів , діодів Шотткі.

Практичне значення роботи

1. Визначені інтервали значень технологічних факторів у методі гарячої стінки, які забезпечують вирощування тонких плівок монохалькогенідів свинцю з оптимальними термоелектричними властивостями , причому плівки осаджені на підкладках ПМ/1 мають кращі термоелектричні параметри ніж аналогічні , осаджені на (111 )/ВаР2.

2.Для тонких плівок твердих розчинів халькогенідів свинцю і олова^

осаджених на (111) ВаРг встановлено: ■ '

- перевагу за термоелектричними параметрами мають тонкі плівки (РЬ8е)і.х (БпТе^р-типу складу х = 0,7 (а= 100 мкВК'1 при 300 К і а= 20 мкВК’1 при 100 К). Зміна концентрації носіїв умовами вирощування у межах 5-1018см'3 - 5-Ю19 см'3 забезпечує ефективну експлуатацію

матеріалу в інтервалі Т = (100 - 700) К. Оптимальне значення

термоефективності для тонких плівок р - і п - типу складає 2-Ю"6 Вт К'2см-1 при Тп = ( 550 - 580 ) К , Тв = 820 К , Тс = 850 К";

-тверді розчини РЬі.хБпхБе р- і п - типу складу х = 0,07 мають максимальну термоефективність а2<т = (2,2 - 2,5 ) 10’5 ВтК'2см’’ та коефіцієнттермо-е.р.с. а = (108 -115) мкВК'1 при Тп = ( 523 - 593 )К ,Тв = 823К , Тс = 853 К .

-плівки РЬ* Бпі.хТе складу 0,8 < х < 1,0 мають п - тип провідності , при

0,0 < х < 0,2 - р - тип.Плівки РЬо^по/Ге при оптимальних умовах осадження

і

I T.i - ( ll's3 - JSC ) їч , Та — azO к , lc — 6JU is.) мають максимальне значення термоелектричної ефективності ( а2а = 2-Ю-6 Вт ЬС2см'' ) .

З.Оптимізовані конструкції та параметри активних елементів на основі плівок Pb. -SnvTe: фоторечисгори - D* = 4,41-Ю9 смГц1/2В'16 пр:: х — 0,185 ,

Тп = 543 К ; фотодіоди - D* = 3,8Ь1010 смГцшВ-1 при х=0,17 , Тп = 536 К ;

(Тв =823 К, Тс = 853 К ).

Результати роботи використовувались при проведенні пошукових досліджень та експериментів на ВАТ «РОДОН» м. Івано-Франківськ ,що підтверджено відповідним актом . ,

Особистий внесок здобувана. Дисертантом проведено комплексні експериментальні дослідження термоелетричних властивостей тонких плівок та визначені основні параметри активних елементів оптоелектроніки у рамках наукового дослідження. Зокрема,особистий внесок дисертанта полягає: [1-6] -вирощування тонких плівок та дослідження їх електричних властивостей; [1,713] - технологія активних елементів, визначення їх параметрів та оформлення роботи.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційних досліджень доповідались і обговорювались на таких конференціях:

■ I International conference Material Science of Chalcogenide and Diamod-Structure Semiconductore.Chemivtsi, Ukraine , 1994.

■ VIII науково-технічній конференції «Химия, физика и технология халькогенидов и халькогалогенидов». Ужгород, 1994.

■ V,VI Міжнародних конференціях з фізики і технології тонких плівок. Івано-Франківськ, 1995, 1997.

■ Науково-технічній конференції «Техника и физика электронных систем и устройств». Суми, 1995.

■ International workshop on ADVANECd technologies of multicomponent Solid Films and Strukturis and Their Application in Photonics. Uzhgorod, Ukraine , 1996.

* International conference Material Science and Material Properties for Infrured Optoelectronics. Uzhgorod, Ukraine ,1996.

■ Eigh International Conference on Solid Films and Surfaces. [CSFS-8.] Osaka , Japan, 1996.

Публікації Основні результати дисертації опубліковані в 23 наукових роботах та 2-х заявках на винаходи з пріоритетом Держпатенту України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 190 сторінках друкованого тексту, включає вступ, 5 розділів, загальні висновки та список літератури з 136 найменувань , 18таблиць, 64 рисунки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Дисертаційна робота містить огляд літературних джерел, в яких висвітлені питання, що стосуються фазових діаграм рівноваги як бінарних (РЬ-Те , РЬ-Бе , Бп-Бе , БпТеХтак і квазібінарних (РЬТе-БпТе, РЬТе-БпБе, 5пТе-РЬ5е,РЬ5е-5п5е) систем. Розглянуто фізико-хімічні , термодинамічні та термоелектричні властивості монохалькогенідів свинцю і олова , а також твердих розчинів на їх основі . Проаналізовано особливості явищ переносу , зонної структури та фізичні основи оптимізації термоелектричних параметрів. Крім того, охарактеризовано стан створення активних елементів мікроелектроніки для інфрачервоної області оптичного спектру на основі кристалів та плівок сполук А^В^.

Огляд літературних даних обгрунтовує актуальність поставленої задачі.

І.Термоелектричні властивості плівок АІУВУІ. Термоелектричні параметри напівпровідникових матеріалів визначаються рівнем хімічного потенціалу, концентрацією і рухливістю носіїв заряду , фактором розсіювання, тощо. Змінюючи їх співвідношення можна досягнути максимального значення термоелектричної добротності (2). Її можна значно покращити за рахунок зменшення теплопровідності при незначній зміні енергетичного спектру носіїв струму та рухливості використовуючи тверді розчини з ізовалентним заміщенням . Крім того у тонкоплівковому матеріалі термоелектричні параметри можна суттєво покращити зміною структурної досконалості . Однак теоретичний розрахунок термоелектричних параметрів напівпровідника можливий тільки в окремих випадках, тому оптимізацію переважно здійснюють емпірично на основі великого числа експериментів.

І.І.Плівки монохалькогенідів свинцю. Вивчено термоелектричні властивості плівок РЬТе і РЬБе , осаджених на сколах (111) монокристалів ВаБг і поліамідній стрічці ПМ-1 у методі гарячої стінки. В якості змінних технологічних факторів вибрано температуру випаровування Тв , температуру стінок камери Тс та температуру осадження (підкладок) Тп. Для дослідження

використано метод математичного планування багатофакторних експериментів. Так, для плівок РЬТе рівняння, які визначають залежність коефіцієнта термо-е.р.с. (а) та термоелектричної ефективності (а2с) від технологічних факторів мають вигляд:

дляРЬТе/ПШВаР,: а= -2,318 104+ 1,973-Ю'Тп + З^П-Ю'Тс'^ПЗ-Ю^пТс - 1,531-102Тс2, мкВ К'1;

(1)

ага= - 5,113-Ю'5 + 2,558-10лТп - 2,479-10'7Тв + 1,874-10-7Тс - 2,914-10-10ТпТс+ +2,730-10'1оТвТс - 1,383-Ю'10Тс (мкВт К'2 см1) (2)

для РЬТе/ПМ-1:

а= - 6,640-104-1,646-10ІТп+6,086-101Тв+1,124-102Тс+1,190-10"ІТпТв+6,079 х хЮ'2ТпТс-1,358-10'1Тп2-7,61М0'2Тв2-8,300-10'2Тс2 , (мкВК'1); (3)

а 2с = -5,910-104 + 3,516-10'Тп + 4,044-10'Тв + 8,615-10'Тс + 7,554 10'2ТпТв --1,009-10’1 Ти2 -4,949-10'2Тв2-5,17М0'2Тс2 , (мкВт К'2см''). (4)

Оптимальні. значення термоелектричних параметрів плівок РЬТе і відповідні їм технологічні фактори наведені у таблиці 1. Встановлено, зокрема, що для плівок на підкладках з поліамідної стрічки ПМ1, в порівнянні з тими, що осаджуються на кристали ВаР2, характерні набагато більші коефіцієнти термо-е.р.с.та термоефективності (таблиця 1.). Це пов’язано з тим , що для полікристалічних плівок (РЬТе/ПМІ) із сильно розвинутою міжзеренною структурою має місце дроселювання носіїв заряду за енергіями бар’єрами на границях зерен. Що приводить до збільшення енергії носіїв заряду поблизу рівня Фермі і, відповідно, до росту величини коефіцієнтів а та ста.

Зауважимо, що полікристалічні плівки мають значно меншу рухливість носіїв заряду ніж монокристалічні РЬТе/(111)Вар2. Вибираючи технологічні фактори вирощування плівок АІУВ'Л у методі гарячої стінки , можна ефективно керувати їх термоелектричними параметрами . Вони також визначають умови вирощування тонкоплівкового матеріалу з наперед заданими властивостями, необхідними для реалізації конкретних приладових структур.

1.2.Плівки твердих розчинів на основі сполук А(УВУ(. Проведено комплексні дослідження залежності термоелектричних властивостей тонких плівок твердих розчинів (РЬ8е)і_х(8пТе) х, РЬі_У8п«8е , РЬі.у БпуТе , вирощених з

Таблиця 1.

Оптимальні значення термоелектричних параметрів плівок РЬТе та відповідні їм технологічні фактори Тв,Тс,Тп у методі гарячої стінки.

Параметри Фактори

Позначення Значення Тв, К Тс, К Тп, К

РЬТе/ШПВаЬ

ц, см2В''с'' 4,00-104 809 911 540

а, Ом"1 см'1 54,8 818 963 559

а, мкВ К"1 220 818 866 541

а2а, Вт К'2см_1 2,65-10-6 818 948 552

РЬТе/ПМ-1

ц, см2В'1с4 7,49-102 765 830 458

а, Ом'1 см'1 61,3 747 836 455

а, мкВ К"1 458 785 858 493

а2а, Вт К'2см4 00 758 833 458

парової фази методом гарячої стінки на сколах (111) монокристалів фтористого барію від технологічних факторів (420 К < Тп < 620 К),

0,0<х<1,0 при оптимальних значеннях Тв=820К, Тс=850К) у широкому інтервалі температур (77-800К) та концентрації носіїв заряду (6-Ю16 - ІО20 см'3). Плівки (РЬБе') ідіЗпТе) * складу 0,0<х<0,2 мають як п-, так і р-тип провідності, а при 0,2 < х < 1,0 - тільки р-тип (рис.1).

. Рисі.

Залежність концентрації носіїв заряду епітаксійних плівок (РЬ8е)і.х(5пТе), від хімічного складу при 77 К. (метод гарячої стінки, підкладки-111/Вар2,Тп=520К, Т в=820К,Т с=850К)

Матеріал складу х = 0,7 характеризується за термоелектричними параметрами (оеІООмкВК'1 при 300К; а>20 мкВК'1 при 100К) (табл. 2).

Таблиця 2.

Термоелектричні характеристики тонких плівок р- (РЬБе) і.ДБпТе) х при 77К.

Склад X Товщина, мкм Концентрація носіїв р, 10і8 см'3 Рухливість НОСІЇВ, (і, 103 см'3В'1с'1 Коефіцієнт термо-е.р.с. а, мкВК'1 Термо- електрична добротність г, 10'3 к-1

0,6 11 8,62 0,890 +19,6 2,3

0,7 18 11,5 1,110 +20,2 4,1

0,8 20 62,7 0,865 11,4 1,3

Можливість змінювати концентрацію дірок (5-1018-5-1019 см'3) температурою осадження забезпечує різний характер температурної залежності а(Т) , що розширює діапазон робочих температур термоперетворювача (100-700К) відповідно. Для плівок п-типу складу х=0,1 висока температурна область експлуатації термоперетворювачів забезпечується зразками з низькими концентраціями носіїв заряду(п<1018 см'3).Тонкі плівки (РЬЗе) і_х(8пТе)х складу (0,0 < х 2 0,2) слабо вироджені і їх кінетичні явища задовільно описуються простою кейнівською формою енергетичних зон і носіями з малою ефективною масою та великими рухливостями. Зразки , які збагачені БпТе (0,7 < х < 1,0) знаходяться у виродженому стані, носії заряду у них мають великі ефективні маси і низькі рухливості та характеризуються складною будовою валентної зони.

Плівки РЬі.уБпуЗє (х=0,0-0,40), в залежності від технологічних умов вирощування, мають як електронну так і діркову провідність.Виявлено, що максимум термоелектричної добротності мають тонкі плівки складу х=0,07 в області температур 77-200К і вона спадає із збільшенням вмісту селеніду свинцю у твердому розчині (табл.З) та підвищенням температури (200К<Т<700К).

Таблиця 3.

Термоелектричні параметри плівок РЬі.х5пЛ5е при 77 К

склад, х Тип провідності сі, мкм п Ю'п, см'3 Цн Ю’3, см^'с'1 Иіоок, мкВ/К а2а 10і, ВтК'2 см'1 гЖ к1

0,0 26 0,2 38,4 -113 1,5 3,7

0,07 п 12 2,8 36,0 -115 2,1 5,0

0,15 10 4,5 29,8 -80 1,6 3,8

0,20 11 7,0 26,0 . -28 1,6 3,8

0,30 16 4,2 12,9 -114 2,1 4,9

0,35 9 4,0 6,9 -140 0,9 2,1

0 8 0,1 36,2 118 0,9 2,3

0,07 8 3,9 33,7 108 2,5 6,0

0,15 р 15 5,5 28,2 86 1,8 4,4

0,20 8 8,0 20,1 92 2,2 5,2

0,30 9 9,8 юд 100 1,6 3,8

0,35 10 15,0 3,9 72 0,5 1,2

Для плівок РЬі.уЗпуТе при х = 0,2 - оптимальним умовам осадження (Тп =550 - 580К, Тв = 820К, Тс = 850К) відповідають максимальні значення величини термоефекгивності (а2с)=2,8-10'5 ВтК'2см-1 (рис2) та

Рис2.

Залежність термо-ерс(а-І) та термоелектричної ефективності(ога-2) епітаксійних плівок р- РЬо88по2Те від температури осадження(Тп). (метод гарячої стінки, підкладки-111/ВаР2,Тв=820К,Тс=850К).

рухливості носіїв (ц= 1,6Т04см2В'1с'1).

к

еа

а

2

о

Я 2 и

Г4

Ьі

н

са

е>

о

Спостережуване збільшення значення термо-е.р.с. в області низьких ( Тп-420 -550 К ) та високих (Тп = 580 - 620 К) температур осадження (рис2) пов’язане із

структурною дефектністю тонкоплівкового матеріалу, що веде до підвищення дрейфового бар’єру носіїв заряду та збільшення їх енергії поблизу рівня Фермі. Виявлені оптимальні залежності коефіцієнта термо-е.р.с. тонких плівок РЬодБподТе від концентрації і температури є доказом наявності двох валентних зон із різними енергіями і густиною станів. Визначено області значень концентрацій і температур матеріалу з позитивними (р < 1,5-1020 см"3, Т= (250-450)К) та негативними (п>1,5-Ю20 см'3, Т = (100-200) К) значеннями, коефіцієнтів термо -е.р.с., що є важливим при конструюванні термоелектричних перетворювачів. /

І.З.Термо-е.р.с. плівок АІУВУІ. Для плівок, які характеризуються складною будовою валентної зони (підзони легких і важких дірок із різною густиною станів та різними ефективними масами носіїв) мінімум на концентраційних залежностях коефіцієнта термо-е.р.с. а(р) відповідає умові , при якій рівень Фермі досягає краю другої валентної зони (р=2,8-1020см'3 осшп=-16 мкВК"1 для р - РЬодЗпоДе). При більш високих концентраціях носіїв заряду та температурах ( Т > 300 К ) друга валентна зона із більш важкими ефективними масами носіїв також дає внесок у явища переносу, коли цей внесок починає переважати , термо-е.р.с. зростає і досягає високих значень .

Для плівок, які характеризуються простою моделлю валентної зони ( р- і п-РЬБе та тверді розчини на їх основі) на концентраційних залежностях коефіцієнта термо-е.р.с. а (р) відсутні будь-які аномалії. Це, а також подібні властивості плівок р- і п-типу вказують на те, що поверхня Фермі електронів і дірок для області близької до країв зон, не мають суттєвих змін форм і мають майже одинакову структуру.

Для тонких плівок при низьких температурах ( 77 - 800 К ) коефіцієнт термо-е.р.с. не змінюється (концентрація носіїв стала). При підвищенні температури внаслідок появи неосновних носіїв із-за початку власної провідності на температурних залежностях термо-е.р.с. утворюються екстремуми. Температура , при якій має місце екстремум на залежностях а(Т), заалежжиить від початкової концентрації носіїв заряду у тонкоплівковому матеріалі . Останнє визначає температурні інтервали роботи термоелектричних перетворювачів . В точці інверсії валентної зони і зони провідності спостерігається мінімум термо-е.р.с.

Фотоелектричні елементи на основі плівок АІУВУІ. Проведено дослідження фотоелектричних пристроїв (ФП) - фоторезистори (ФР), фотодіоди (ФД) , бар’єри Шотгкі (БШ) - виготовлених на основі епітаксійних плівок РЬТе, РЬБе, РЬі-хБпхТе вирощених з парової фази методом гарячої стінки на сколах (111) кристалів фтористого барію. В якості параметрів оптимізації вибрано: для ФР - виявна здатність Б*, вольт-ватна чутливість ііу; для ФД і БШ - виявна здатність Б*, динамічний опір ЯоА, потужність, еквівалентна шуму Р^р. Змінними факторами для ФП на основі РЬТе були: температури підкладок ( Тп = 473 - 623 К), випаровування ( Тв = 758 - 878 К ) і стінок камери ( Тс = 833 -983 К), а для ФП на основі РЬ[.х5пхТе - температури підкладок ( Тп = 473 -613 К) та хімічний склад наважок х = 0,1-0,2) при оптимальних фіксованих значеннях температур випаровування Тв та стінок камери Тс (Тс = 823 К , Тв = 853 К).

Так , рівняння , що визначають залежність параметрів ФД на основі РЬі.хБпхТе від технологічних факторів мають вигляд:

Б* =-1,400 Ю10+1,609 1 07 Тп+1,656 10п х - 6,933 107Тпх - 2,600 104Тв2 -

-5,956-10пх, (5)

Рщ>=1,350 10-"- 5,073 10-15Тп- 9,581 10их- 3,333 10'14Тпх+1 10'17Тп2+

+2,844-Ю‘10х2, (6)

КоА=4Д 54-103-9>286-104х+1,957-10Тп+2,286-105х2-1,802-Ю'2Тп2. (7)

• Відмітимо, що для параметрів оптимізації Р^ер, О* існує міжфакторна взаємодія між Тп і х (5,6). Для динамічного опору ІІоА така взаємодія відсутня (7). З аналізу рівнянь регресії можна стверджувати, що зростання температури осадження Тп при значному вмісті БпТе (х > 0,189 ) сприяє початковому зменшенню параметра Ржр, а при (Тп > 535К і х > 0,169) - його збільшенню. Вплив технологічних факторів Тп і х на параметр О* протилежний спочатку із їх зростанням має місце деяке збільшення виявної здатності, а потім її зменшення (рис 3). Така зміна обумовлює існування екстремального значення параметра оптимізації всередині факторного простору (табл.4). Характер зміни динамічного опору ЯоА фотодіода (7) порівняно добре співпадає за характером із зміною рухливості носіїв і протилежний до зміни концентрації.

Встановлено що оптимальних значеннь параметри оптимізації набувають для тих плівок , які характеризуються порівняно високою структурною

Рис 3.

Залежність потужності еквівалентної шумам (Рщ>-а), виявної здатності (О'-б) та динамічного опору (ЯоА-в) фотодіодів на основі епітаксійних плівок РЬі.х5пхТе від технологічних факторів, температури підкладки (Тп) та хімічного складу (х), у методі гарячої стінки .

досконалістю і значними рухливостями носіїв. Має місце залежність параметрів фоторезисторів та бар’єрів Щотгкі на основі епітаксійних плівок РЬТе від технологічних факторів вирощування та конструкції активних елементів. Так, зокрема, виявна здатність та вольт-ватна чутливість фоторезисторів на основі РЬТе/(111)Вар2 набувають екстремальних значень при Тп = 523 - 573К, коли плівки мають оптимальні електричні параметри .

Оптимальні значення параметрів оптимізації тонких плівок РЬі.х5п„Те та фотоелектричних структур на їх основі

Параметри оптимізації Оптимальні

параметрів Факторів

X Тп (К)

1 .Тонга плівки

Рухливість

{М,смгВлсл) 3,78 104 0,179 554

Концентрація

(п, см"3) 3,79 10і6 0,186 554

И. Фот эрезистош

Виявна здатність

(Е>’,см Гц1/2В'') 4,41 109 0,185 - 543

III. Фотодіоди

Виявна здатність

(Б*, см Гц1/2В'’) 3,81 10ш 0,170 536

РНЕР (Вт) 2,57 10‘12 0,169 535

Динамічний опір

(ЯоА, Ом см2) 3,87 102 0,164 543 .

Основні результати і висновки

1,Методами математичного планування багатофакторних експериментів знайдені поліноміальні рівняння і оптимізована технологія вирощування плівок монохалькогенідів свинцю та їх твердих розчинів, які визначають залежність термоелектричних властивостей матеріалу та параметрів приладових структур від технологічних факторів (температур випаровування (Тв), осадження (Тп), стінок (Тс), хімічного складу (х) у методі гарячої стінки. Визначені умови формування плівок різного типу провідності із наперед заданими властивостями

2.Показано, що . термоелектричні параметри плівок визначаються ступенем структурної досконалості. Дефектна полікристалічна структура підвищує дрейфовий бар’єр для носіїв заряду , збільшуючи їх енергію. Останнє приводить до значного росту величини коефіцієнтів термо - е.р.с та

и

ЗСл'рСта, ДЛл л^і-.Ол^лсхіьичіїКЛ іьхШОл ҐО і Є, ЙИрОЩС-

них на сколах фтористого барію а =220 мкВК"1 , а2а=2,65-10_6ВтК'2см'1. Для полікристалічних плівок ,осаджених на поліамідній стрічці ПМ1-а=458 мкВК-1, а2с=12,8-10'6 ВтК^см1.

3.Встановлено , що для епітаксійних плівок твердих розчинів (РЬ8е)|.х(5пТе)х при х=0,7; РЬі.х5пхТе при х^0,2, Р'о!.х БпхБе їде х=0,07 має місце покращення основних термоелектричних параметрів порівняно із суміжними складами’ У нашому випадку, при заміщенні атомів у підгратці металу (халькогену) або в обидвох підгратках одночасно , розсіювання фононів зростає більше, ніж розсіювання електронів (дірок) і тому відношення питомої електропровідності (а) до коефіцієнта теплопровідності (К) зростає. Оскільки термоелектрична добротність визначається як ї = а2ст/К, то має місце і суттєве збільшення її величини.

4. Досліджено температурні ( 77 - 800 К ) та концентраційні

( 6-101б-102осм'3) залежності кінетичних коефіцієнтів епітаксійних плівок (РЬ8е)і.х(5пТе )х , Pb1.xSn.4Se, РЬі_х8пхТе, електронної і діркової провідності. Зроблено аналіз границь використання моделі Кейна для опису електричних властивостей досліджуваного матеріалу і визначено залежність основних зонних параметрів від складу. Встановлено , що зміна зонних параметрів твердих розчинів корелює із значенням ширини забороненої зони, а ефективна маса густини станів біля краю зони приймає мінімальне значення для області інверсії електронної і діркової зон. '

5.Термоелектричні параметри плівок халькогенідів свинцю а також твердих розчинів на їх основі визначаються будовою енергетичних зон, температурою, концентрацією носіїв, хімічним складом. Так, зокрема , для плівок,які характеризуються складною будовою валентної зони (підзони легких і важких дірок із різною густиною станів та різними ефективними масами

носіїв) мінімум на концентраційних залежностях коефіцієнта термо-е.р.с. а(р) відповідає умові, при якій рівень Фермі досягає краю другої валентної зони (р = 2,8-102осм'3 сс шт= -1,6 мкВК'1 для р- РЬо^БпадТе).

6.В результаті комплексних експериментальних досліджень та їх математичної обробки знайдені залежності параметрів фоторезисторів та фотодіодів на основі епітаксійних плівокРЬТе/(111)ВаР2 та РЬх8пі.хТе/(111)Вар2 від технологічних факторів вирощування у методі гарячої стінки.

Основні результати дисертації викладені у роботах :

1 .Фреїк Д.М., Шепетюк В.А., Добровольська Г.М., Ліщинський І.М., Кірста С.Д., Мельник В.М. Вплив технологічних факторів вирощування на властивості тонких плівок РЬТе та фотоелементів на їх основі

// Оптоелектроніка і напівпровідникова техніка. - 1996. - Вип.31. - С. 173-179.

2.D. М Freik, V. V .Prokopiv, А. В. Nych, V .A .Shepetyuk, L. V. Titova Directed synthesis and formation of the defects in thin films of PbTe // Materials Science and Engineering.- B48.-1997.-P. 226-228.

3. Фреїк Д.М.,Галунко Р.В.ДІепетюк В.А. Математичне моделювання при оптимізації параметрів фотоелектричних елементів на базі Pbi.xSnxTe //Оптоелектроніка і напівпровідникова техніка. - 1997.-Вип.32.- С.86 - 90.

4.Фреїк Д.М., Шепетюк В.А.,Запухляк Р.І., Лоп’янко М.А. Оптимізація термоелектричних властивостей тонких плівок PbSe на поліаміді

// Оптоелектроніка і напівпровідникова техніка. - 1997,- Вип.32,- С. 99-102.

5.Фреїк Д.М., Лоп’янко М.А.,Матеїк Г.Д., Нич А.Б., Шепетюк В.А., Белей М.І. Математичне планування і оптимізація технології вирощування епітаксійних шарів твердих розчинів на основі телуридів свинцю та олова.

// Вісник Івано-Франківського крайового відділення УФТ та Прикарпатського університету «Фізика і хімія твердих тіл». -1995,- N3,- С.46-56.

б.Заявка № 96124838 від 24.12.96 р. на видачу патента України на винахід «Спосіб вирощування епітаксійних шарів (SnTe)x(PbSe)i.x»

Буджак Я.С., Варшава С.С., Фреїк Д.М., Шепетюк В.А.

7. Заявка № 96124839 від 24.12.96 р. на видачу патента України на винахід «Спосіб отримання епітаксійних плівок» Байцар Р.І., Белей М.І., Варшава С.С., Фреїк Д.М., Шепетюк В.А.

8.Шепетюк В.А., Явища переносу та термоефекгивність тонких плівок твердих розчинів на основі халькогенідів свинцю і олова // Матеріали VI міжнародної конференції «Фізика і технологія тонких плівок».-Ч.І.-Івано-Франківськ : Прикарпатський університет ім . В . Стефаника .-1997.-С.48-49.

9.Фреїк Д.М., Галущак М.О., Добровольська Г.М., Шепетюк В.А. Оптимізація активних елементів на основі епітаксійних шарів А^В^

// Матеріали V- міжнародної конференції «Фізика і технологія тонких плівок».-

Ч.Н.- Івано-Франківськ : Прикарпатський університет ім . В. Стефаника.-1995.-

С.207.

Ю.Чобанюк В.М., Лоп’янко М.А., Добровольська Г.М., Белей М.І., Шепетюк В.А. Особливості вольт-фарадних характеристик діодів Шотткі

Pb(In)-p-PbSe-Sn з інверсійною n-областю // Матеріали науково-технічної конференції «Техника и физика электронных систем и устройств». -Суми : Сумський державний університет. Інститут прикладної фізики НАН України. -1995,- С.272.

П.Чобанюк В.М., Остапчук А.І., Добровольська Г.М., Шепетюк В.А., Федорах І.Я. Механізм проходження струму в бар’єрах Шоггкі на основі епітаксійних шарів р - PbSe // Матеріали V міжнародної конференції «Фізика і технологія тонких плівок».- Ч.И.- Івано-Франківськ : Прикарпатський університет ім . В. Стефаника.-1995,- С.208.

12.Freik D.M., Mezilovska L.J., Shepetyuk V.A., Kyrsta S.D., Mateik G.D., Melnyk V.M. Epitaxial Layers of Solid Solutions Based on A!v B^ obtained Using the Hot Woll method. Optimisation of Growth technology. In Book. International workshop on advanced Technologies of Multicomponent solid Films and Structures an their Application in Photonics.- Uzhgorod.-Ukraine . - 1996 P.32.

13.Freik D., Chobanyuk V., Dobrovolska G., Shepetyuk V. Optimisation of Technology and Parameters of Photoreceivers based on PbSnTe Thin Layers. Material Science and Properties for Infrared Optoelectronics International

conference. -Uzgorod.- Ukraine. -1996,- P.47.

Шепетюк B.A. Вирощування тонких плівок AIVBV1 для термоелектричних та оптоелектронних пристроїв - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27,06-технологія , обладнання та виробництво електронної техніки . - Державний університет « Львівська політехніка », Львів, 1998 .

Дисертація присвячена дослідженню впливу технологічних факторів вирощування у методі гарячої стінки і хімічного складу тонких плівок халькогенідів свинцю та їх твердих розчинів на термоелектричні властивості і параметри приладових структур мікроелектроніки .

Встановлено залежність термоелектричної добротності тонкоплівкового матеріалу від дефектності кристалічної структури та її покращення для твердих розчинів. Визначені оптимальні значення параметрів тонкоплівкових

активних елементів (фоторезисторів, фотодіодів та бар' єрів Шотгкі на основі PbTe, PbSe, PbxSn].xTe/(l 11) BaF2).

Ключові слова: тонкі плівки, халькогеніди свинию і олова треп лі nmam™ термоелектричні властивості, активні елементи.

Шепетюк В.А. Выращивание и свойства плёнок А^В^ для электрических и оптоэлектронных устройств - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.06 - технология, оборудование и изготовление электронной техники.-Государственный университет «Львівська політехніка», Львов, 1998.

Диссертация посвящена исследованию воздействия технологических факторов выращивания в методе горячей стенки и химического состава тонких плёнок халькогенидов свинца и их твёрдых растворов на термоэлектрические свойства и параметры структур устройств микроэлектроники.

Установлена зависимость термоэлектрической добротности тонкоплёночного материала от деффектов кристаллической структуры и её улучшение для твердых растворов. Определены оптимальные значения тонкоплёночных активных элементов (фоторезисторов, фотодиодов и барьеров Шоттки на основе PbTe, PbSe, PbxSn!.xTe/(l 1 l)BaF2).

Ключевые слова: тонкие пленки, халькогениды свинца и олова, твёрдые растворы, термоэлектрические свойства, активные элементы.

Shepetiuk V.A. Growth and properties of thin films A^B'1 for thermoelectric and optielectronic devices.- Manuscript.

Dissertation on obtaining the degree of candidate of technical science on speciality 05.27.06 - technology, equipment and production of electronic technique.-State University «Lvivska polytechnika», Lviv,1998.

Dissertation is dedicated to the research of the intluence of technological factors of growth in the hot wall technique and chemical composition of thin films of lead chalcogenides and their solid solutions on thermoelectric properties and dimensions of device structures of microelectronics.

It is determined the dependence of thermoelectric solidity of thin film material on defectness of crystal structure and its improvement for solid solutions. Optimal meanings of thin film active elements (photoresistors, photodiodes and Shottki barriers based upon PbTe, PbSe, Pbx Sn i.xTe (11 l)BaF2) are fixed.

Key words: thin films, iead and tin chalcogenides, solid solutions, thermoelectric properties, active elements .