Анотація до роботи:

Калитчук І.В. Атомні дефекти і електронні процеси в тонких плівках сульфіду свинцю. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.18 – фізика і хімія поверхні. – Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, 2004.

Вперше на основі запропонованої квазіхімічної і термодинамічної моделі дефектоутворення за механізмом Френкеля у катіонній підгратці враховано складний спектр зарядових станів дефектів (, , , , , ) у плівках сульфіду свинцю при вирощуванні з парової фази методом гарячої стінки. Встановлено, що домінуючими дефектами є двократно заряджені міжвузлові атоми свинцю і вакансії свинцю. Дано пояснення конверсії типу провідності у плівках від температури осадження та парціального тиску сірки за участю як однозарядних так і двозарядних дефектів.

Виявлені напрямлені неоднорідності електричних властивостей у тонких плівках сульфіду свинцю при їх вирощуванні з парової фази. З‘ясовано, що вони пов‘язані із фракціюванням наважки у процесі росту плівок та післяростовими явищами. Встановлено, що у гетероструктурах p-PbTe/n-PbS в області p-n-переходу має місце різка зміна локальних значень холлівської концентрації і рухливості носіїв заряду при відносно незначній зміні відповідних ефективних параметрів.

Модифікацію приповерхневого шару при відпалі плівок PbS р-типу у вакуумі і утворення n-p-структури пояснено на основі уявлень про генераційно-рекомбінаційний механізм та амбіполярну дифузію вакансій сірки і електронів у наближенні локальної електронейтральності.

Обґрунтовано можливість виникнення двошарової p-n-структури у полікристалічних плівках PbS n-типу при відпалі у повітрі внаслідок поглинання і дифузії кисню по межах кристалітів. Вияснено хімічний склад плівок та розподіл компонентів за товщиною при різних режимах термічного відпалу.

Досліджено залежність холлівської рухливості плівок n-PbS від товщини для температур 77-300 К з врахуванням розсіювання на поверхні і дислокаціях невідповідності. Показано, що для товщин, менших за 1 мкм домінує розсіювання на поверхні, а при 4,3 мкм < d <6,4 мкм – на дислокаціях.

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукового завдання, що виявляється у здійсненні комплексного теоретичного та експериментального дослідження атомних дефектів та електронних процесів у плівках сульфіду свинцю при їх вирощуванні, наступній термічній обробці дозволило встановити нові факти і закономірності:

1. Для плівок PbS, вирощених із парової фази вперше запропонована модель дефектоутворення за Френкелем у катіонній підгратці, яка враховує складний спектр зарядових станів власних точкових дефектів: нейтральні, одно- і двозарядні вакансії і міжвузлові атоми свинцю (, ,,,,). Показано, що вид і концентрація дефектів визначаються температурою (Т_П) росту конденсату і парціальним типом пари халькогену в зоні осадження (). При цьому переважаючими дефектами є сумірні за величиною і для яких виявлено ділянку баричних залежностей, які відповідають умові самокомпенсації. Електронейтральні дефекти і становлять 10¹⁶-10¹⁷ см^-3, а концентрація однозарядних (, ) змінюється у широкому інтервалі 10¹⁶-10²⁰ см^-3 і вони є відповідальними у формуванні термодинамічного n-p-переходу.

2. Методами вимірювання і розрахунку кінетичних параметрів досліджені напрямлені неоднорідності в епітаксійних і полікристалічних плівках халькогенідів свинцю. Показано, що для свіжовирощених плівок із ефективною електронною провідністю на межі “плівка-підкладка”, через наявність процесів фракціювання наважки, осаджується шар р-типу, а біля поверхні плівок із ефективною дірковою провідністю можливе формування шару n-типу провідності. Для двошарових структур p-PbTe/n-PbS в області границі p-n-переходу при незначній зміні ефективних значень, їх локальні електричні параметри змінюються різко.

3. Досліджено хімічний склад плівок та розподіл компонентів за товщиною при різних режимах термічного відпалу. Виявлено, що витримані на повітрі плівки за складом включають послідовно поверхневий окислений шар (65-130 ), найбільш протяжний однорідний шар основної матриці (залежить від товщини плівок) і перехідний шар змінного складу біля підкладки (100-150 ). З врахуванням лінійно-рекомбінаційного механізму і дифузії іонів кисню показано, що на початкових етапах, у результаті дифузії кисню вздовж границь зерен, утворюються заряджені центри , що зумовлює конверсію провідності з n- на р-тип і формування двошарової p-n-структури.

4. Досліджено вплив температури та часу відпалу у вакуумі на профілі та кінетику зміни електричних параметрів епітаксійних плівок халькогенідів свинцю n- і p-типу провідності. Встановлено, що якщо відпал у вакуумі плівок n-типу зумовлює тільки деяке зростання концентрації електронів, то у плівках p-PbTe біля вільної поверхні формується прошарок n-типу провідності, і, таким чином, виникає двошарова p-n-структура. Вперше запропоновано теоретичну модель для пояснення утворення такої структури, виходячи із уявлень про генераційно-рекомбінаційний механізм та амбіполярну дифузію вакансій халькогену і електронів. Зроблено оцінку основних кінетичних параметрів процесу ізотермічного вакуумного відпалу для плівок PbS p-типу в умовах утворення p-n-структури. При температурі 643К коефіцієнт дифузії вакансій сірки складає .

5. З'ясовано можливість використання зовнішніх постійних електричного і магнітного полів для зміни профілю розподілів носіїв струму і утворення двошарової p-n-структури у тонких плівках PbS в процесі ізотермічного відпалу у вакуумі Одержано в наближенні електронейтральності просторово-часовий розподіл концентрації носіїв струму при ізотермічному відпалі у вакуумі плівок PbS з урахуванням генераційно-рекомбінаційного механізму та амбіполярної дифузії вакансій сірки і електронів в постійних електричному і магнітному полях.

6. У наближенні часу релаксації досліджено домінуючі механізми розсіювання: на кулонівському потенціалі вакансій, на короткодіючому потенціалі вакансій, на деформаційному потенціалі акустичних фононів, на деформаційному потенціалі оптичних фононів, на поляризаційному потенціалі оптичних фононів. Визначено концентраційні (10¹⁶-10²⁰) см^-3 та температурні (4,2-300) К інтервали їх домінування.

7. Досліджено залежність рухливості носіїв заряду n-PbS від товщини 0,1 мкм d 7 мкм для температур 77-300 К . Зроблено оцінку внеску поверхневої, а також залишкової рухливості, пов’язаної із розсіюванням на дислокаціях невідповідності на межі (111) PbS / (111) BaF₂. Показано, що якщо для товщин плівок менших за 1 мкм домінує розсіювання на поверхні, то при 4,3 мкм d < 6,4 мкм – на дислокаціях.

Публікації автора:

1. Калитчук І.В. Неоднорідності хімічного складу і електричних параметрів у тонких плівках сульфіду свинцю із участю кисню // Фізика і хімія твердого тіла. – 2003. – Т. 4. – № 3. – С. 505-509.

2. Калитчук І.В., Кланічка В.М. Розсіювання носіїв заряду в плівках n-PbS // Фізика і хімія твердого тіла. – 2004. – Т.5. – №1. – С. 106-112.

Дисертант проводив комп‘ютерне моделювання процесів розсіювання носіїв у плівках сульфіду свинцю.

3. Фреїк Д.М., Никируй Л.І., І.В. Калитчук, В.В. Нижникевич. Особливості зонної структури та механізми розсіювання носіїв заряду електронних кристалів халькогенідів свинцю // Науковий вісник Чернівецького національного університету: Фізика. Електроніка. – 2001. – Т. 102. – С. 78-81.

Дисертант брав участь у проведенні експерименту по вимірюванню електричних параметрів.

4. Фреїк Д.М., Довгий О.Я., Рувінський Б.М., Калитчук І.В., Галущак М.О., Межиловська Л.Й. Напрямлені неоднорідності електричних параметрів і атомні дефекти у тонких плівках халькогенідів свинцю при відпалі в атмосфері кисню // Український фізичний журнал. – 2003.–Т. 48.–№ 10.– С. 1085-1089.

Дисертант виконував розрахунки дефектної підсистеми плівок PbS, брав участь у розрахунку електричних параметрів.

5. Фреїк Д.М., Дзундза Б.С., Калитчук І.В., Кланічка В.М. Рухливість носіїв заряду і механізми розсіювання в плівках сульфіду свинцю // Фізика і хімія твердого тіла. – 2004. – Т. 5. – № 2. – С. 302-306.

Дисертант виконував розрахунки розсіювання на поверхні у плівках сульфіду свинцю.

6. Фреїк Д.М., Рувінський М.А., Рувінський Б.М., Галущак М.О., Калитчук І.В. Квазіхімічний аналіз атомних дефектів у плівках сульфіду свинцю при парофазній епітаксії // Фізика і хімія твердого тіла. – 2003. – Т.4. – №1. – С. 401-405.

Дисертант виконував розрахунки дефектів плівок сульфіду свинцю.

7. Довгий О.Я., Калитчук І.В. Тришарово-потипова модель рухливості плівок // Вісник Прикарпатського університету. Математика. Фізика. – 2000. – Вип. 1. – С. 121-124.

Дисертант брав участь у підготовці зразків до експерименту, виконував розрахунки рухливості носіїв.

8. Довгий О.Я., Калитчук І.В. Профіль провідності в епітаксійних плівках PbS // Фізика і хімія твердого тіла. – 2001.– Т.2. – №3. – С. 487-491.

Дисертант проводив комп‘ютерне моделювання профілів розподілу електричних параметрів у плівках сульфіду свинцю.

9. Фреїк Д.М., Довгий О.Я., Галущак М.О., Калитчук Ю.В., Кланічка В.М. // Вакуумний відпал і напрямлені неоднорідності електричних параметрів плівок n- і р- PbTe // Оптоелектроніка і напівпровідникова техніка. – 2002. – № 37. – С. 99-105.

Дисертант виконував розрахунки електричних параметрів плівок від товщини.

10. Фреїк Д.М., Калитчук І.В. Напрямлені неоднорідності електричних параметрів у двошарових структурах n-PbTe/n-PbS // Фізика і хімія твердого тіла. – 2002. – Т. 3, № 1. – С. 114-119.

Дисертант брав участь у підготовці зразків до експерименту, здійснював вирощування двошарових структур, виконував розрахунки рухливості носіїв.

11. Пат. № 43997А Україна, С 30В11/02. Спосіб отримання кристалічного PbS: Пат. № 43997А Україна, С 30В11/02 / Фреїк Д.М., Прокопів В.В. , Запухляк Р.І., Никируй Л.І., Калитчук І.В. (Україна); Прикарпатський університет. – № 2001010018; Заявл. 03.01.01; Опубл. 15.01.02; Бюл. № 1. –1 с.

Дисертант брав участь у підготовці та проведенні експерименту.

12. Пат. № 50128А Україна, 7 С 30В11/02. Спосіб отримання тонких плівок сульфіду свинцю із великими значеннями термо-е.р.с. в атмосфері кисню: Пат. № 50128А Україна, 7 С 30В11/02 / Межиловська Л.Й., Галущак М.О., Довгий О.Я., Фреїк А.Д., Калитчук І.В. (Україна); Прикарпатський університет. – № 2001106882; Заявл. 10.10.2001; Опубл. 15.10.02; Бюл. № 10.–1 с.

Дисертант брав участь у підготовці та проведенні експерименту, оформленні матеріалів заявки.

13. Пат. № 53854А Україна, 7 С 30В11/02. Спосіб отримання тонких плівок сульфіду свинцю n- i p-типу: Пат. № 53854А Україна, 7 С 30В11/02 / Фреїк Д.М., Довгий О.Я., Павлюк Л.Р., Никируй Л.І., Калитчук І.В. (Україна); Прикарпатський університет. – №2001117566; Заявл. 06.11.2001; Опубл. 17.02.2003; Бюл. № 2.– 1 с.

Дисертант брав участь у підготовці експерименту, оформленні матеріалів заявки.

14. Никируй Л.І., КланічкаВ.М., Калитчук І.В. Нижникевич В.В. Зонна структура і механізми розсіювання у електронних кристалах халькогенідів свинцю // Матеріали ІІІ Міжнародної школи-конференції “Сучасні проблеми фізики напівпровідників”. Дрогобич. 2001. – С. 78.

Дисертант брав участь у теоретичних розрахунках, обговоренні результатів.

15. Довгий О.Я., Калитчук І.В. Вплив поверхневих ефектів на електронні властивості епітаксійних плівок халькогенідів свинцю // В кн.: Фізика і технологія тонких плівок. VIII Міжнародна конференція Івано-Франківськ. –2001.-С. 163-164.

Дисертант брав участь у підготовці до експерименту, виконував розрахунки рухливості носіїв.

16. Салій Я.П., Фреїк Д.М., Довгий О.Я., Калитчук І.В. Пошарова модель електропровідності тонких монокристалічних плівок PbTe // Сучасні проблеми фізики напівпровідників. ІІІ Міжнародна школа-конференція. Дрогобич.-2001.-с.101.

Дисертант виконував розрахунки електричних параметрів, здійснював комп‘ютерне моделювання електричних параметрів залежно від товщини.

17. Довгий О.Я., Калитчук І.В., Дзундза Б.М. Напрямлені неоднорідності електричних параметрів в епітаксійних плівках сульфіду свинцю при відпалі // Міжнародна конференція студентів і молодих науковців з теоретичної і експериментальної фізики ЕВРІКА-2002. – Львів. – 2002. – С. 28.

Дисертант виконував експериментальні роботи по вирощуванню плівок.

18. Межиловская Л.Й., Довгий О.Я., Калытчук И.В., Кланичка Ю.В. Направленные неоднородности в эпитаксиальных слоях сульфида свинца // Тонкие пленки в оптике и электронике. Сборник докладов 14 Международного симпозиума ИСТФЕ-14. – Харьков. – 2002. – С. 130-134.

Дисертант брав участь у підготовці до експерименту, виконував розрахунки електричних параметрів.

19. Фреик Д.М., Довгий О.Я., Калытчук И.В., Матеик Г.Д., Кланичка Ю.В. Формирование направленных неоднородностей в эпитаксиальных слоях халькогенидов свинца" // Физика электронных материалов. Тезисы докладов международной конференции. – Калуга. – 2002. – С. 126.

Дисертант виконував експериментальні роботи по вирощуванню плівок сульфіду свинцю та вимірюванню їх електричних параметрів.

20. Фреик Д.М., Рувинский М.А., Галущак М.А., Калытчук И.В. Физика и инженерия атомных дефектов и физико-химические процессы в эпитаксиальных структурах на основе халькогенидов свинца // In book: New Electrical and Electronic Technologies and Their Industrial Implementation. III International Symposium. Zakopane. Poland. 2003. p. 72-73.

Дисертант виконував експериментальні роботи по вирощуванню плівок, виконував розрахунки дефектів.

21. Калитчук І.В. Профіль електричних параметрів і атомні дефекти в епітаксійних структурах на основі халькогенідів свинцю. // В кн.: Фізика і технологія тонких плівок. IХ Міжнародна конференція Івано-Франківськ. –2003.-С. 203-205.

Дисертант виконував експериментальні роботи по вирощуванню плівок, виконував розрахунки дефектів.

22. Калитчук І.В., Собкович Р.І., Соколов О.Л., Пасічник В.Ф., Дзундза Б.С. Особливості розсіювання носіїв струму на дислокаціях невідповідності у двошарових епітаксійних структурах на основі сполук А^IVВ^VI. // В кн.: Фізика і технологія тонких плівок. IХ Міжнародна конференція Івано-Франківськ. –2003.-С. 205-207.

Дисертант брав участь у підготовці до експерименту, виконував розрахунки рухливості.