НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2015, том 51, № 10, с. 1054-1059
УДК 621.315.592.9
НЕОДНОРОДНОСТЬ СОСТАВА И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛОВ CdZnTe, ВЫРАЩЕННЫХ ИЗ РАСПЛАВА
© 2015 г. О. Н. Чугай*, С. Л. Абашин*, А. В. Гайдачук*, Д. П. Жеребятьев*, Е. А. Жук*, А. А. Полубояров**, С. В. Сулима**, И. С. Терзин**, Ю. А. Яцына*
*Харьковский национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского, Украина
e-mail: chugai@xai.edu.ua **Харьковский "Научно-технологический комплекс "Институт монокристаллов" Национальной Академии наук Украины Поступила в редакцию 26.08.2014 г.
Исследовано изменение в пространстве составляющих низкочастотной диэлектрической проницаемости и содержания компонентов кристаллов Cdi _ xZnxTe (х = 0.05—0.15). Установлена корреляция между составляющими проницаемости и элементарным состоянием компонентов.
DOI: 10.7868/S0002337X1510005X
ВВЕДЕНИЕ
Кристаллизация из расплава под высоким давлением инертного газа широко применяется для получения объемных кристаллов семейства Л11БУ1. Однако для выращенных этим методом кристаллов характерно отклонение состава от стехиомет-рического, изменяющееся по мере перемещения фронта кристаллизации [1]. Ранее [2] показано, что нестехиометрия оказывает существенное влияние на диэлектрические свойства кристаллов ZnSe в низкочастотной области, обусловливая неоднородность свойств. В данной связи интересно исследовать неоднородность состава и диэлектрические свойства твердого раствора семейства Л11БУ1. Неоднородность состава таких материалов имеет особенности, обусловленные статистическим распределением атомов по узлам кристаллической решетки [3, 4].
Цель работы — пространственная качественная характеристика неоднородности состава монокристаллов системы Сё1 _ ^пхТе.
тодом) измеряли содержание компонентов твердого раствора в радиальном направлении слитка, т.е. х^(/), хСй(1) и хТе(/). При этом использовали поверхность, перпендикулярную указанной оси. Полученные данные усредняли в пределах прямоугольных областей (1.5 х 1 мм2), которые граничили одна с другой по большей стороне. Точность измерений составляла 20%.
Действительную е' и мнимую е'' части диэлектрической проницаемости е* измеряли в локальных областях образца. Из-за присутствия в объеме образца включений другой фазы измеренные значения составляющих е* являлись эффективными. Поэтому далее обозначения снабжены индексом "в/'. Диэлектрические измерения выполняли с помощью оригинальной ячейки (рис. 1), соединенной с измерителем иммитанса ЬСЯ-819 фирмы 1п81ее (Тайвань). Основными элементами ячейки являются плоский и цилиндрический электроды. Конструкция ячейки обеспечивает качение без скольжения цилиндрического электрода по образцу, помещенному на плоский электрод.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Исследовали кристаллы Сё1 _ ^пхТе (х = 0.05— 0.15), выращенные из расплава методом Бридж-мена под высоким давлением инертного газа. Условия роста и приготовление шихты описаны в работе [5]. Опыты проводили на образцах в форме прямоугольного бруска (40 х 6 х 6 мм). Их большие грани ориентировали перпендикулярно и параллельно оси кристаллического слитка. Все грани последовательно подвергали шлифовке, полировке и химическому травлению, что обеспечило удаление приповерхностного нарушенного слоя. После этого с помощью растрового электронного микроскопа РЭМ-106 (энергодисперсионным ме-
К измерителю LCR-819
Рис. 1. Фрагмент измерительной ячейки: цилиндрический (1) и плоский (3) электроды, образец (2), стрелкой указано направление перемещения цилиндрического электрода.
1
2
НЕОДНОРОДНОСТЬ СОСТАВА И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛОВ
1055
0.3 мм
I
(в)
Рис. 2. Типичные изображения всего образца в отраженном свете (а), а также участков образцов из начальной (б, в) и конечной (г, д) частей кристаллического слитка в проходящем ИК-излучении.
При этом сила, воздействующая на образец со стороны цилиндрического электрода (Ф = 1 см), равномерно распределяется вдоль линии контакта и не изменяется при качении электрода. Создаваемое
в процессе измерений частей б** электрическое поле концентрируется в образце вблизи плоскости, образованной указанной линией и перпендикуляром к плоскому электроду. Данная особенность поля тесно связана с картиной силовых линий системы разноименно заряженных плоскости и цилиндра. Концентрации поля вблизи плоскости способствует воздушный зазор между цилиндрическим электродом и образцом, расширяющийся при удалении от линии контакта. Нижний электрод с помещенным на нем образцом закрепляли на основании, которое двигали относительно оси цилиндрического электрода с шагом 0.5 мм, обеспечивая качение электрода по образцу. Методика калибровки описанной ячейки при измерении
составляющих е** аналогична изложенной в [6], НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ том 51 № 10
но в нашем случае подвижным был электрод не сферической, а цилиндрической формы.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 2а показано типичное изображение шлифованной поверхности исследованных образцов Сё1_ ^пДе. На нем видно пересечение с поверхностью двумерных дефектов структуры (границ блоков, двойников и др.), которые характерны для выращенных из расплава кристаллов Л11БУ1 кубической модификации [7]. Изображения на рис. 2б—2д, полученные в проходящем ИК-излучении, характерны для полированных образцов из начальной и конечной частей кристаллического слитка. В исследованных частях слитка содержатся темные включения. Для конечной части характерны более крупные включения, образовавшие нитевидные структуры. Подобные структуры могут возникать в твердых растворах разного соста-
1056
ЧУГАЙ и др.
(а)
I
40 /, мм
40 /, мм
^п 0.10 0.08 0.06 0.04
10
20
30
40 /, мм
Рис. 3. Радиальные распределения содержания (ат. %) Zn (а и в) и Сё (б), типичные для образцов из начальной и конечной частей кристаллического слитка соответственно: 1 — содержание свинца; 2 — обработка распределения с помощью вейвлетов (разных для частей а и в). Пунктиром показана линия осевой симметрии.
ва. В работе [8] сообщалось о "системах упорядоченных нитей" в кристаллах (РЬ0.7^По.22)1-х1пхТе.
На рис. 3а приведено радиальное распределение содержания цинка х^(/), типичное для образцов из начальных частей слитка (точки), а также результат обработки этого распределения с помощью вейвлетов. На рис. 3б и 3в представлены результаты такой обработки данных по содержанию Сё и Zn для исследованных частей кристаллического слитка.
Вейвлеты все чаще применяют для решения различных задач обработки экспериментальных данных (например, [9, 10]). Цель использования вейвлетов в наших исследованиях состояла в исключении флуктуаций из данных по составу кристаллов. Применяли вейвлеты Добеши и Symlet четвертой степени. Отметим разнообразие причин флуктуаций состава полупроводниковых твердых растворов, возникающих в процессе их роста. Учитывая сравнительно большой диаметр исследованных кристаллов, можно предположить, что одной из таких причин в нашем случае является нестационарность теплового поля вблизи фронта кри-
сталлизации, обусловленная конвекционным потоками в расплаве [11].
На рис. 4 представлено радиальное распределение эффективного значения мнимой составляющей диэлектрической проницаемости , измеренное в образцах из начальной и конечной частей кристаллического слитка. Приведенные распределения качественно подобны зависимостям эффективного значения действительной части проницаемости ¿е/ тех же образцов.
Существенной особенностью состава исследованных кристаллов является выделение в их объеме отдельной фазы в виде темных включений (рис. 2б—2г). Как показали дополнительные опыты, эти включения сильно обогащены (до 100 ат. %) Те. Наличие указанных включений характерно для кристаллов Сё1 _ ^пхТе [12] и близких к ним по свойствам СёТе [13]. В процессе роста кристаллического слитка происходит обеднение расплава атомами Сё [14] и Zn [15], что, возможно, благоприятствует образованию включений. Поэтому образцы из конечной части слитка отличаются большей концентрацией и характерным размером включений, чем из начальной. Важно, что в образцах из конечной части слитка такие включения образуют упорядоченные цепочечные структуры. Поскольку удельная электропроводность включений существенно превышает ту же величину для матрицы кристалла из-за значительно меньшей ширины запрещенной зоны (0.80 эВ у Те [16] и
1.57 эВ у Сёо.^п^Те [17]), образованные включениями цепочки могут выполнять роль эффективных каналов (концентраторов) тока. Однако это возможно лишь при условии, что одно из окончаний цепочки находится достаточно близко к контакту цилиндрического электрода с поверхностью образца, а другое — к противоположной поверхности образца, контактирующей с плоским электродом. При качении по образцу цилиндрического электрода последовательно возникает электрический контакт электрода с разными цепочками данного типа и наблюдаются резкие изменения в'^ в зависимости от перемещения оси цилиндрического электрода (рис. 4б). В той же зависимости для ряда образцов из начальной области слитка наблюдается участок скачкообразного изменения указанной величины (рис. 4а). Положение этого участка не связано с выходом на поверхность двумерных дефектов структуры. Установление природы этой особенности свойств кристаллов является предметом отдельного исследования.
Наличие включений, обогащенных Те, — одна из причин мелкомасштабных неоднородностей состава исследованных кристаллов. Для ее исключения применяли вейвлет-анализ содержания компонентов раствора как функции перемещения / вдоль радиального направления в кристаллическом слитке. При этом предполагали обнаружить
НЕОДНОРОДНОСТЬ СОСТАВА И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛОВ 1057 sf, отн. ед. (а)
Hff?
0
s"ef, отн. ед. 8
6 -4 -
10
20 (б)
30
40 l, мм
0 -
0
10
20
30
40 l, мм
Рис. 4. Радиальные распределения эффективного значения мнимой части диэлектрической проницаемости, характерные для образцов из начальной (а) и конечной (б) частей кристаллического слитка; электрическое поле частотой 1 кГц параллельно оси кристаллического слитка.
закономерные изменения состава крупного масштаба. Особен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.