Известия высших учебных заведений. Электроника №3 2013 (915,20 руб.)

Стр.1

Стр.2

Стр.3

МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ УДК 621.592 Метастабильное состояние системы CdTe–HgTe Е.Н. Вигдорович Московский государственный университет приборостроения и информатики Проведен анализ и определены области устойчивости твердых растворов Cd1–xHgxTe в широкой области составов с использованием классических представлений теории растворов. Ключевые слова: твердые растворы Cd1–xHgxTe (КРТ), параметр взаимодействия (смешения), бинодаль, спинодаль, метастабильность. Твердый раствор Cd1–xHgxTe (КРТ) – важный технологический материал при изготовлении современных детекторов длинноволнового инфракрасного излучения [1, 2]. Варьированием состава твердого раствора можно получать материалы с шириной запрещенной зоны от 0 ± 0,06 эВ (HgTe) до 1,6 ± 0,06 эВ (CdTe). Очень важным обстоятельством при этом является близость кристаллографических параметров исходных двойных фаз HgTe = 0,64637 нм и CdTe = 0,64834 нм. Высокая подвижность носителей заряда в растворах КРТ позволяет разрабатывать быстродействующие приборы. Основной недостаток системы CdTe–HgTe заключается в слабости химической связи Hg– Te, которая приводит к большому числу вакансий ртути и создает проблемы с обеспечением стабильного поведения поверхностей и границ раздела в структурах. Данная проблема отчасти разрешима с помощью современной технологии, однако стоимость материала при этом многократно возрастает . Несмотря на появление альтернативных вариантов ИК-фотоприемников на основе GaAs, в том числе с квантово-размерными эффектами, кремниевых диодов с барьером Шоттки в виде силицида кремния, твердые растворы КРТ являются основными при изготовлении приемников излучения для диапазона 3–14 мкм [3]. Твердые растворы КРТ получают путем осаждения из парогазовой фазы методом MOCVD [4–7] или методом молекулярной эпитаксии [3, 8]. Фундаментальные исследования твердых растворов КРТ показали, что этому материалу свойственно наличие макроскопических флуктуаций объемных и поверхностных свойств. Существование этих неоднородностей не зависит от способа синтеза материала и их не удается полностью устранить никакими дополнительными обработками. Неоднородности проявляются в виде флуктуаций сигнала фотопроводимости при сканировании световым зондом, локальной варизонности, флуктуации состава и выделений второй фазы, неоднородном распределении примеси [2, 9]. Полученные результаты свидетельствуют о существовании квазиравновесной структуры в монокристаллах КРТ с содержанием CdTe в области 10–30%. Все эти неоднородности проявляются в нестабильности приборов на основе КРТ. В связи с тем, что никакими способами не удается ликвидировать  Е.Н. Вигдорович, 2013 Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА № 3(101) 2013 3

Стр.1

Е.Н. Вигдорович нестабильность свойств КРТ, есть все основания полагать, что это явление носит фундаментальный характер. При изучении фазовых равновесий применяется теория регулярных растворов. В соответствии с этим приближением избыточная молярная свободная энергия (энергия смешения) аппроксимируется параболической функцией в виде G=sx(1–x), где s – параметр взаимодействия. Во всех термодинамических моделях растворов важнейшей характеристикой является коэффициент активности, характеризующий степень отклонения системы от идеальных законов и связанный с параметром взаимодействия уравнением RT ln i = s (1–x)2. Таким образом, зная параметр взаимодействия s, можно рассчитать фазовое равновесие в гомогенных и гетерогенных системах. Существуют различные способы определения параметра взаимодействия в многокомпонентных системах. Например, в работе [10] для расчета параметров взаимодействия системы используется квантовомеханическая модель, учитывающая атомный механизм происхождения деформационной энтальпии твердых растворов замещения. Из построенных спинодальных и бинодальных кривых системы следует, что область метастабильного состояния твердых растворов ограничена параболой с максимумом при 200 К. Это противоречит результатам экспериментального исследования процесса получения гомогенных твердых растворов КРТ при температурах 973–1073 К. Известно, что параметр взаимодействия компонентов в твердом растворе можно определить из данных диаграммы состояния изучаемой системы. При термодинамическом анализе растворы КРТ будем рассматривать в виде бинарной системы соединений CdTe и HgTe. Для этой системы (непрерывный ряд твердых растворов) фазовое равновесие описывается в виде [11, 12] ln (1 (1 ln x y    x y ) ) x RT y RT QHgTe ,  2 α   x RT (1 ) α (1 ) α 2 l   y RT Q CdTe , 2 где x, y – мольная доля CdTe на кривых ликвидуса и солидуса соответственно при заданной температуре; αl и αs – параметры взаимодействия для жидкой и твердой фазы соответственно; RT Q H i   i TCdTe = 1365,1 К; пл пл HHgTe = 8,68 ккал/моль; пл (1 Ti пл T THgTe = 943,1 К. пл температур αs > 0. Это свидетельствует о том, что в системе СdТе–HgTe взаимодействие между одноименными молекулами HgТе–HgТе и CdТе–CdТе является определяющим. Вместе с тем, полученную зависимость можно условно разделить на две основные области, а именно А (670–800 C), B (980–1092 C), и промежуточную область C. Постоянство параметра взаимодействия в области А указывает на то, что соответствующие ей твердые растворы «строго регулярные». В области B наблюдается прямолиРезультаты расчета αs(T) вдоль кривой ликвидуса приведены на рис.1. Как видно из полученных данных, во всем диапазоне исследованных составов и 4 Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА № 3(101) 2013 ) . Для расчета параметра взаимодействия выбрана наиболее достоверная диаграмма состояния системы CdTe–HgTe [13] и следующие значения: пл HCdTe =12,0 ккал/моль, 2 α  s l s

Стр.2

Метастабильное состояние системы CdTe–HgTe нейная зависимость вида 97627–83,8 T, что позволяет для этой области применять приближения «квазирегулярных» растворов. При разработке технологии получения структур имеет большое значение определение областей составов изучаемой системы, находящихся в метастабильном и неустойчивом состоянии. Удобный способ изучения взаимодействия в сложных системах – анализ зависимости изменения свободной энергии Гиббса ∆G от состава [14,15]. Для рассматриваемого случая границу между стабильной и метастабильной областями (бинодаль) можно рассчитать по уравнению  G s x  G) 2 2 ( x    [ln Рис.1. Зависимость изменения параметра взаимодействия от температуры для системы CdTe–HgTe (Δ ) α (1 2 )x RT x ln(1    x(1  RT x) 2α  . s x)] 0, (1) а границу между метастабильной и нестабильной областями (спинодаль) по уравнению 0 (2) При выводе уравнений (1) и (2) сделано допущение, что величины свободных энергий компонентов не отличаются друг от друга и это отражается в симметрии диаграмм G. Анализ проведен для двух различных областей A и B, для каждой из которых в отдельности это приближение допустимо. Для построения области метастабильности использовались только те части симметричных кривых, которые входят в эти области. На рис.2 показаны области метастабильности для системы CdТе–HgTe. Таким образом, полученные результаты позволяют говорить о существовании широкой области метастабильного состояния в системе CdТе–HgTe. Причем наиболее нестабильными являются твердые растворы с большим содержанием HgTe, распад в которых начинается уже практически при кристаллизации твердого раствора (690 °C). Твердые растворы с большим содержанием CdTe термодинамически устойчивы, но уменьшение содержания CdTe ниже 80% приводит к резкому изменению межмолекулярного взаимодействия в системе и усилению тенденции к распаду твердых растворов даже при комнатной температуре. Следует отметить, что модель регулярного раствора основана на квазихимическом Рис.2. Области метастабильности для системы CdТе–HgTe приближении, в котором учитывается только химический вклад в избыточную энергию смешения, вызванную деформационным искажением кристаллических решеток. Но, как известно, деформационная составляющая всегда дает положительный вклад в энергию смешения и поэтому для изученной системы ее учет не может изменить сделанные Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА № 3(101) 2013 5

Стр.3