Анотація до роботи:

Богобоящий В.В. Формування акцепторної зони дефектами і домішками в кристалах вузькощілинного p-Hg_1-xCd_xTe. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 – фізика напівпровідників і діелектриків. – Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 2002.

У дисертації подано результати дослідження властивостей кристалів і епітаксійних структур вузькощілинного p-Hg_1-xCd_xTe, пов’язаних з активними точковими дефектами і домішками. Узгоджено параметри зонної структури Hg_1-xCd_xTe і показано, що зона важких дірок при малих енергіях істотно непараболічна. Побудовано прецизійний оптичний метод роздільного вимірювання концентрації електронів і дірок при кімнатній температурі. Визначено константи рівноваги власних дефектів та механізми їх взаємодії при низьких температурах. Досліджено електрофізичні та фотоелектричні властивості легованих кристалів n- і p-типу при 77 К, особливості стрибкової та металічної провідності, будову акцепторної зони кристалів p-Hg_1-xCd_xTe. Вивчено взаємовплив підкладки й епітаксійного шару Hg_1-xCd_xTe. Запропоновано новий напрямок застосування варізонних структур p-Hg_1-xCd_xTe.

У дисертації розглянуто наукову проблему визначення характеристик, будови і взаємовпливу домішкових зон у кристалах p-Hg_1-xCd_xTe залежно від концентрації власних і домішкових точкових дефектів та їх прояву в переносі заряду при низьких температурах. При цьому отримано ряд нових наукових результатів, які в комплексі дозволяють вирішити названу проблему.

1. При вимірюванні зонних параметрів вузькощілинних напівпровідників шляхом розрізненого дослідження окремих явищ виникають істотні похибки, а одержані значення погано узгоджуються одне з одним. В коректній постановці ця задача вимагає проведення сумісних вимірювань одразу декількох фізичних величин. В рамках такого підходу отримано узгоджену систему значень матричних елементів : P=(8,10±0,08)10^-8 еВсм; g₁=4,0±0,2; =0,7±0,2; g_S=0,5±0,5, - і показано, що вони не залежать від складу x. Доведено експериментально, що закон дисперсії важких дірок при e < 0,15 еВ істотно непараболічний, а параметри непараболічності в ізотропному наближенні не залежать від x. Уточнено механізми і характеристики розсіювання вільних дірок та поглинання на них випромінювання у кристалах p-Hg_1-xCd_xTe, і на цій основі створено прецизійний оптичний метод сумісних вимірювань ширини забороненої зони і надлишку акцепторів у таких кристалах. Встановлено, що час життя електронів у слабо легованих In кристалах n-Hg_0,8Cd_0,2Te досягає теоретичної межі.

2. Ступінь іонізації вакансій Hg при температурі 77 К залежить від їх концентрації, тому діаграми їх рівноваги, отримані методом Холла при цій температурі, вимагають суттєвої корекції. Оптичний метод вимірювання концентрації акцепторів дозволив істотно уточнити константи рівноваги власних дефектів у широкому діапазоні складу x = 0,16…0,30 і побудувати діаграми, які кількісно узгоджуються з висновками квазіхімічної теорії. Ці результати разом з даними щодо коефіцієнта термодифузії Hg забезпечують можливість вибору оптимального режиму термообробки кристалів і плівок Hg_1-xCd_xTe (x = 0,16…0,30) для отримання заданої кількості вакансій. Коагуляція вакансій Hg у пересичених Te кристалах Hg_0,8Cd_0,2Te при помірних температурах відпалу відбувається по реакції другого порядку шляхом попарно-почергового їх поглинання преципітатами Te, а відхилення від гіперболічного закону викликані встановленням проміжної рівноваги з мікроскопічними преципітатами Te, спричиненої впливом сил поверхневого натягу. З тих самих причин константа швидкості реакції залежить від початкового стану кристалу.

3. Доведено, що швидка конверсія типу провідності p-Hg_1-xCd_xTe у ході бомбардування іонами малих енергій забезпечується формуванням на короткий час дуже пересиченого розчину точкових дефектів Френкеля в області остиглого теплового клина. Рухливі міжвузловинні атоми встигають частково проникнути вглиб кристала до завершення релаксації дефектної області, утворюючи поверхневе джерело вільної ртуті. Показано, що у структурі зовнішнього порушеного шару можуть переважати нерівноважні типи дефектів, а впливовим фактором, що обмежує швидкість конверсії, є електричне поле поблизу внутрішньої поверхні цього шару.

4. Ширина акцепторної зони у кристалах вузькощілинного p-Hg_1-xCd_xTe сумірна з енергією зв’язку дірки, тому її структура відіграє вирішальну роль у формуванні електрофізичних властивостей таких кристалів при низьких температурах. Іншим впливовим фактором у таких кристалах є екранування заряду акцептора, спричинене значною концентрацією рухливих носіїв заряду. Виходячи з цього, визначено енергію зв’язку і радіус локалізації дірки на домішкових і власних акцепторах в умовах слабкого і помірного легування. Доведено експериментально, що для заданого типу акцепторів радіус локалізації дірки не залежить від їх кількості, а енергія зв’язку зменшується з ростом їх концентрації, головним чином, лише внаслідок екранування. У той самий час, енергія іонізації вакансії Hg, на відміну від енергії домішок, залежить від умов відпалу кристалів: енергія нижнього її рівня в насичених Hg кристалах на 3-5 меВ його енергії в насичених Te зразках. Так само характеристики p-n-переходів кращі в насичених Te зразках.

5. Впливовим фактором, який визначає електрофізичні властивості кристалів p-Hg_1-xCd_xTe при низьких температурах, є здатність нейтральних акцепторів приєднувати зайву дірку і утворювати позитивно заряджені -центри. Їх роль швидко зростає із збільшенням концентрації акцепторів. Дірки в -зоні залишаються локалізованими при концентраціях акцепторів, що складають менше 40 % їх концентрації в точці переходу Мотта, але стають делокалізованими при вищих концентраціях внаслідок переходу Андерсона в цій зоні. -провідність легованих міддю кристалів p-Hg_1-xCd_xTe здійснюється активованими в -зону дірками і нижче переходу Андерсона має стрибковий характер.

6. Характеристики -провідністі, -провідністі та критерії переходів Мотта і Андерсена в домішковій зоні кристалів p-Hg_1-xCd_xTe:Cu визначаються радіусом локалізації важкої дірки, а провідність із змінною енергією активації в нелегованих кристалах з вакансіями Hg – радіусом локалізації легкої дірки. Цей ефект пояснюється відмінностями будови акцепторних зон, утворених домішковими і власними акцепторами, та специфікою поведінки хвильової функції двохзарядних акцепторів на значних відстанях при зростанні їх концентрації.

7. В гетероструктурах Hg_1-xCd_xTe/CdTe, отриманих методом рідинної епітаксії, утворюється потенціальний бар’єр, який є наслідком перерозподілу домішок у підкладці і ефективно ізолює плівку від неї. Це явище важливо враховувати при розробці технології та виготовленні детекторів випромінювання на основі епітаксійних структур Hg_1-xCd_xTe/CdTe, виготовлених за такою технологією.

8. Існує підтверджена експериментально можливість побудови спектрометричних приладів на основі застосування варізонних структур Hg_1-xCd_xTe у якості абсорбційних фільтрів із змінною смугою пропускання.

Достовірність отриманих результатів забезпечена використанням високоякісного матеріалу, глибоко обґрунтованих методик і сучасного атестованого обладнання і підтверджена високою відтворюваністю результатів. У всіх необхідних випадках вона додатково перевіряється шляхом порівняння з даними інших дослідників та ретельного аналізу причин виявлених розбіжностей.

Отримані в дисертації результати є завершеною системою даних щодо будови акцепторної зони та основних електронних і термодинамічних характеристик активних точкових дефектів у кристалах p-Hg_1-xCd_xTe. Ці результати та розроблені в дисертації методи досліджень можуть бути використані для подальшого вивчення властивостей невпорядкованих систем (вузькощілинних твердих розчинів та низькорозмірних утворень), для розробки конкретних рекомендацій щодо керування властивостями кристалів і плівок Hg_1-xCd_xTe шляхом їх термообробки, розробки методик виконання вимірювань складу, концентрації носіїв і точкових дефектів, часу життя електронів у Hg_1-xCd_xTe та споріднених вузькощілинних матеріалах.

Публікації автора:

1. Bogoboyashchiy V.V. Effect of annealing on activation of native acceptors in narrow-gap p-HgCdTe crystals // Semicond. Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. - 1999. - Vol. 2, № 1. - P. 62-69.

2. Богобоящий В.В. Энергия ионизации меди в кристаллах Hg_0.8Cd_0.2Te при слабом и промежуточном легировании // Физика и техника полупроводников. - 2000. - Т. 34, № 8. - С. 955-961.

3. Богобоящий В.В. Концентрация равновесных собственных дефектов в кристаллах узкощелевых твердых растворов Hg_1-xCd_xTe по данным гальваномагнитных и оптических измерений // Конденсированные среды и межфазные границы. - 2000. - Т. 2, № 2. - С. 132-137.

4. Богобоящий В.В. К проблеме практического определения оптической ширины запрещенной зоны кристаллов узкощелевого Hg_1-xCd_xTe // Конденсированные среды и межфазные границы. – 2000. – Т. 2, № 3. – С. 223-228.

5. Богобоящий В.В. Концентрационная зависимость радиуса состояния акцепторов в кристаллах p-Hg_0.78Cd_0.22Te // Физика и техника полупроводников. - 2001. - Т. 35, № 1. - С. 34-39.

6. Богобоящий В.В. Металлическая проводимость по акцепторной зоне легированных медью слабо компенсированных кристаллов p-Hg _0.78Cd _0.22Te // Физика и техника полупроводников. - 2001. - Т. 35, № 7. - С. 812-818.

7. Bogoboyashchyy V.V. Mercury vacancies coagulation kinetics and mechanism in Hg_0.8Cd_0.2Te crystals // Functional materials. – 2001. – Vol. 8, № 2. – P. 280-285.

8. Богобоящий В.В. Концентрационная зависимость энергии ионизации вакансий ртути в кристаллах узкощелевого Hg_1-xCd_xTe // Конденсированные среды и межфазные границы. - 2001. - Т. 3, № 1. - С. 28-33.

9. Bogoboyashchiy V. Interconsistent band structure of narrow-gap Hg_1-xCd_xTe alloys obtained with taking into account far band influence // Proceedings SPIE. -1997. - Vol. 3482. - P. 325-335.

10. Bogoboyashchiy V. Galvanomagnetic and optical properties of CdTe wafers for substrates // Proceedings SPIE. – 1998. – Vol. 3890. – P. 221-232.

11. Эффект Фарадея в полупроводниковых твердых растворах Hg_1-xCd_xTe / В.В. Богобоящий, А.И. Елизаров, В.А. Петряков, Ф.Ф. Сизов // Квантовая электроника. – 1988. – Вып. 34. – С. 70-73.

12. Елизаров А.И., Богобоящий В.В., Берченко Н.Н. О степени ионизации собственных дефектов в кристаллах Cd_xHg_1-xTe в широком интервале температур // Физика и техника полупроводников. – 1990. – Т. 24, № 3. – С. 446-450.

13. Елизаров А.И., Богобоящий В.В., Белов О.Г. Вольт-амперные характеристики потенциальных барьеров в гетероструктурах Cd_xHg_1-xTe/CdTe // Физика и техника полупроводников. – 1990. – Т. 24, № 5. – С. 923-926.

14. Изменение дефектной структуры Cd_xHg_1-xTe при легировании индием / В.И. Иванов-Омский, К.Е. Миронов, К.Д. Мынбаев, В.В. Богобоящий // Физика и техника полупроводников. – 1991. – Т. 25, № 8. – С. 1423-1428.

15. Особенности температурной и спектральной характеристик фотопроводимости и фотомагнитного эффекта в p-Cd_xHg_1-xTe при низких температурах / С.Г. Гасан-заде, В.В. Богобоящий, И.П. Жадько, Е.А. Зинченко, Г.А. Шепельський // Физика и техника полупроводников. – 1993. – Т. 27, № 9. – С. 1508-1515.

16. Курбанов К.Р., Богобоящий В.В. Получение и свойства совершенных монокристаллов n-Hg_0.8Cd_0.2Te, легированных индием // Конденсированные среды и межфазные границы. - 1999. - Т. 1, № 3. - С. 245-249.

17. Богобоящий В.В., Гасан-заде С.Г., Шепельский Г.А. Активационная проводимость и переход металл-диэлектрик в кристаллах узкощелевого p-Hg_{1- x}Cd_xTe // Физика и техника полупроводников. - 2000. - Т. 34, № 4. - С. 411-417.

18. Bogoboyashchiy V.V. Kurbanov K.R., Oksanich A.P. Industrial production of GaAs and Hg_1-xCd_xTe based crystals and epitaxial structures in Ukraine: actuality and development outlook // Functional materials. – 2000. – Vol. 7, № 3. – P. 546-551.

19. Богобоящий В.В., Ижнин И.И. Механизм конверсии типа проводимости при бомбардировке кристаллов р-Hg_1-xCd_xTe ионами малых энергий. // Известия вузов. Физика. – 2000. – Т. 43, № 8. – С. 16-25.

20. Богобоящий В.В., Власов А.П., Ижнин И.И. Механизм конверсии типа проводимости в легированном мышьяком p-Cd_xHg_1-xTe при ионно-лучевом травлении // Известия вузов. Серия “Физика”. – 2001. – Т. 44, № 1. – С. 50-59.

21. Модифікація електрофізичних властивостей епітаксійних шарів PbTe в умовах низькоенергетичного бомбардування / М.М. Берченко, В.В. Богобоящий, І.І. Іжнін, Г.В. Савицький, В.О. Юденков // Вісник Національного університету “Львівська політехніка”. Електроніка. – 2001. – № 423. – С. 3-7.

22. Способ термообработки эпитаксиальных слоев Cd_xHg_1-xTe: А.с. 270900 СССР, МКИ C 30 B 33/00, 29/48. / В.В. Богобоящий, А.И. Елизаров, В.Н. Меринов, В.А. Петряков (СССР). / № 3167964; Заявлено 16.04.1987; Зарегистрировано в Гос. реестре изобретений СССР 01.03.1988. – 8 с.

23. Способ и устройство для обработки поверхности пластин полупроводников: А.с. 312172 СССР, МКИ H 01 L 21/302. / В.В. Богобоящий, А.И. Елизаров, В.К. Ергаков, В.Н. Меринов, А.М. Раскевич (СССР). / № 4517135; Заявлено 26.06.1989; Зарегистрировано в Гос. реестре изобретений СССР 02.04.1990. – 4 с.

24. Способ контроля электрической изолированности слоя от подложки: А.с. 323194 СССР, МКИ G 01 R 27/00. / В.В. Богобоящий, А.И. Елизаров, А.М. Раскевич (СССР). / № 4523489; Заявлено 04.12.1989; Зарегистрировано в Гос. реестре изобретений СССР 01.02.1991. – 6 с.

25. Устройство для измерения удельного сопротивления полупроводников: А.с. 1583814 СССР, МКИ G 01 N 27/00. / В.В. Богобоящий, А.М. Раскевич, В.А. Петряков, С.А. Дроздов, В.Ю. Рогулин (СССР). / № 4396808/24-21; Заявлено 24.03.1988; Опубл. 07.08.1990, Бюл. № 29. – 2 с.

26. Богобоящий В.В., Єлізаров О.I. Селекція оптичного випромінювання за допомогою варізонних напівпровідникових абсорбційних фільтрів. // Збiрник наукових праць ПДПУ iм. В.Г.Короленка. Серія “Фізико-математичні науки”. – 2000. – вип. 1(9). – С. 29-35.

27. Богобоящий В.В., Шкляева Е.С. Расчет характеристик малогабаритного спектрометра на основе варизонных эпитаксиальных структур Hg_1-xCd_xTe // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПИ (Кременчуг). – 1999. – Вып. 1(6). – С. 242-244.

28. Богобоящий В.В., Шкляева Е.С. Оптимизационное моделирование выращивания варизонной эпитаксиальной структуры Hg_0.8Cd_0.2Te // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПУ (Кременчуг). – 2000. – Вып. 2(9). – С. 405-408.

29. Bogoboyashchiy V. Interconsistent band structure of narrow-gap Hg_1-xCd_xTe alloys with taking into account far band influence // Abs. of III Int. Conf. “Materials Science and Materials Properties for IR Optoelectronics” . – Uzhgorod, 1996. – P. 128.

30. Bogoboyashchiy V. Semiphenomenological model of edge absorption in Hg_1-xCd_xTe alloys // Abs. of III Int. Conf. “Materials Science and Materials Properties for IR Optoelectronics” . – Uzhgorod, 1996. – P. 90.

31. Bogoboyashchiy V. Galvanomagnetic and optical properties of CdTe wafers for substrates // Abs. of IV Int. Conf. “Materials Science and Materials Properties for IR Optoelectronics” . - Kyiv, 1998. – P. 71.

32. Bogoboyashchiy V. New approach to the problem of determining optical band gap of semiconductors with exponential band gap // Abs. of IV Int. Conf. “Materials Science and Materials Properties for IR Optoelectronics” . - Kyiv, 1998. – P. 72.

33. Об особенностях спектральных характеристик фотопроводимости и фотомагнитного эффекта в эпитаксиальных слоях Cd_xHg_1-xTe / Г.А. Шепельський, И.П. Жадько, Е.А. Зинченко, С.Г. Гасан-заде, А.И. Елизаров, В.В. Богобоящий // Тезисы докладов респ. конф. “Физика и химия поверхности и границ раздела узкощелевых полупроводников”. – Львов, 29-30 мая 1990. – Львов, 1990. – С. 4-5.

34. Елизаров А.И., Богобоящий В.В., Белов О.Г. Вольт-амперные характеристики потенциальных барьеров в гетероструктурах Cd_xHg_1-xTe/CdTe // Тезисы докладов респ. конф. “Физика и химия поверхности и границ раздела узкощелевых полупроводников”. – Львов, 29-30 мая 1990. – Львов, 1990. – С. 70-71.

35. Kurbanov K.R., Bogoboyashchiy V.V. Comparative study of bulk Hg_0.8Cd_0.2Te grown from initial elements of different purity // Abs. of IV Int. Conf. “Materials Science and Materials Properties for IR Optoelectronics” . - Kyiv, 1998. – P. 169.

36. Bogoboyashchiy V.V., Izhnin I.I. P-to n-type conductivity conversion mechanism in p- Cd_xHg_1-xTe under ion-beam milling // Proc. 9-th Intern. Conf. on Narrow Gap Semicond. – Berlin: Humboldt University of Berlin, Sept. 26 – Oct. 1, 1999. – P.30-32.

37. Богобоящий В.В., Власов А.П., Дворецкий С.А., Ижнин И.И., Протасов Д.Ю., Ромашко Л.Н., Сидоров Ю.Г. Конверсия типа проводимости в МЛЭ Cd_xHg_1-xTe структурах при ионно-лучевом травлении // Научн. тр. II рос.-укр. семинара “Нанофизика и наноэлектроника” (Киев, 22-24 ноября 2000 г.). - Киев, 2000. – С. 63-64.

38. Комплексоутворення та конверсія типу провідності в домішково-легованому p-Cd_xHg_1-xTe при іонно-променевому травленні / Н.Н. Берченко, В.В. Богобоящий, А.П. Власов, І.І. Іжнін // III Міжн. школа-конференція “Сучасні проблеми фізики напівпровідників”. Тези доповідей. – Дрогобич, Україна, 25-30 червня 2001 р. – С. 4.

39. Defect structure rebuilding of As and Sb doped p-Cd_xHg_1-xTe by ion-beam milling / N.N. Berchenko, V.V. Bogoboyashchiy, A.P. Vlasov, I.I. Izhnin, Yu.S. Ilyina // Abs. The 10-th Intern. Conf. on II-VI compounds. Sept. 9-14, 2001. – UNIversum Convention Center, Bremen, Germany. – P. Mo-P42.

40. Type conductivity conversion in As, Sb doped p-CdHgTe under ion beam milling / N.N. Berchenko, V.V. Bogoboyashchiy, A.P. Vlasov, I.I. Izhnin, Yu.S. Ilyina // 12-th International Conference on Surface Modification of Materials by Ion Beams, September 9-14, 2001, Marburg, Germany, Abstracts. – P. P8-13.