Локальная атомная структура одно-, двух- и трехкомпонентных полупроводников с тетраэдрическими межатомными связями по данным EXAFS-спектроскопии

ВЕСТНИК
УДМУРТСКОГО
УНИВЕРСИТЕТА

ФИЗИКА
2005. №4

УДК 538.9

Р. Г. Валеев, А. Н. Деев, Ф. З. Гильмутдинов, Ю. В. Рац

ЛОКАЛЬНАЯ АТОМНАЯ СТРУКТУРА ОДНО-, ДВУХИ ТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
С ТЕТРАЭДРИЧЕСКИМИ МЕЖАТОМНЫМИ СВЯЗЯМИ
ПО ДАННЫМ EXAFS-СПЕКТРОСКОПИИ

Методом EXAFS-спектроскопии изучалась локальная атомная структура кристаллических, нанокристаллических и аморфных пленок Ge, кристаллических
и нанокристаллических пленок GaAs, неупорядоченных твердых растворов
Ge x Si 1−x (x=0,22; 0,39; 0,44), а также трехкомпонентной системы CuInSe 2 .
Описан подход к решению обратной задачи EXAFS с использованием метода
регуляризации, по Тихонову, с пробными функциями и итерациями в применении к одно-, двух- и трехкомпонентным полупроводникам. Получены парные
корреляционные функции и параметры координационных сфер (длины связи,
координационные числа).

Ключевые слова: полупроводники, EXAFS-спектроскопия, нанокристаллические пленки, кристаллические твердые растворы, солнечные элементы, Ge,
GaAs, Ge x Si 1−x , CuInSe 2 .

Введение

Полупроводники со структурой типа алмаза, цинковой обманки и близкой к ним структурой типа халькопирита привлекают к себе внимание как
с точки зрения применения в технологии производства полупроводниковых приборов с уникальным сочетанием физических, электрофизических
и оптических свойств, так и с точки зрения фундаментальных знаний о
природе этих свойств.
Наряду с традиционным использованием монокристаллов, в течение последних 10 лет был получен ряд уникальных полупроводниковых
устройств на основе нанокристаллических тонких пленок, кристаллических твердых растворов, полупроводников с включениями в виде квантовых точек и квантовых ям. Данные материалы в настоящее время широко применяются в технологии высокоскоростных цифровых и аналоговых
устройств. Другим важным направлением является создание и исследование источников электрической энергии на базе солнечных элементов с
высоким КПД (до 20%).
В настоящей работе объектами исследований являются кристаллические, нанокристаллические и аморфные полупроводниковые пленки Ge,
кристаллические и нанокристаллические пленки GaAs, кристаллические

Р. Г. Валеев, А. Н. Деев, Ю. В. Рац и др.

твердые растворы Ge-Si и монокристаллические образцы CuInSe 2 , в том
числе подвергнутые облучению ионами дейтерия.
Кристаллическое (структура типа алмаза) и аморфное состояния германия и арсенида галлия изучались многими исследователями [1,2], однако
в случае нанокристаллического состояния данные о структурных исследованиях в литературе отсутствуют. Кроме того, не полностью ясна природа
появления в нанокристаллических тонких пленках Ge и GaAs аномально
высокой величины фото-ЭДС [3]. Вероятно, ее появление связано с изменениями, происходящими в локальной атомной структуре пленок.
Кристаллические твердые растворы Ge-Si, согласно общепринятым
представлениям, имеют алмазоподобную структуру со случайным заполнением атомов по узлам решетки, но обладают электронными свойствами,
совершенно отличными от свойств чистых Ge и Si. Систематические экспериментальные исследования кристаллических твердых растворов Ge-Si
методом EXAFS-спектроскопии начались еще в 1980-х гг. Одновременно
появился ряд теоретических и экспериментальных работ [4–8], посвященных изучению локальной атомной структуры данных материалов. Из данных, приведенных в литературе, невозможно сделать однозначного вывода
относительно значений парциальных межатомных расстояний и их композиционной зависимости в кристаллических твердых растворах Ge-Si. Кроме того, при исследовании структуры ряда других твердых растворов и
сплавов было выявлено, что данные EXAFS-спектроскопии не совпадают с данными по рентгеновской дифракции - имеются значительные локальные искажения структуры. Решение этой проблемы является важной
фундаментальной задачей физики неупорядоченного состояния.
Полупроводниковые системы на основе CuInSe 2 (со структурой типа халькопирита) являются наиболее интересными для применения в качестве рабочего слоя в высокоэффективных тонкопленочных преобразователях солнечной энергии [9]. Основной проблемой при этом является
устойчивость рабочих параметров солнечных элементов к интенсивному
воздействию различных видов излучения (высокоэнергетические электроны и протоны солнечного ветра, тяжелые ионы космических лучей и т.д.).
Следует отметить, что солнечные элементы на основе CuInSe 2 являются
достаточно устойчивыми к радиационным воздействиям. Так, было показано, что CuInSe 2 выдерживает дозу при воздействии высокоэнергетических протонов по меньшей мере в 50 раз большую, чем Si и GaAs [10], аналогичная устойчивость наблюдается и по отношению к воздействию электронами энергии в несколько МэВ, вплоть до дозы порядка 1019 см −2 . Однако систематических исследований изменений (профили распределение
элементов по глубине и локальная атомная структура) в системе CuInSe 2
после радиационных воздействий не проводилось.
Для исследования локальной атомной структуры перечисленных выше