satНАУКА и ТЕХНИКАScience & Technique2227-10312414-0392Belarusian National Technical University10.21122/2227-1031-2021-20-6-482-486sat-2498Research ArticleПРИБОРОСТРОЕНИЕINSTRUMENTATION ENGINEERINGПолучение методом «горячей стенки» тонких пленок PbxSn1–xTe для создания ИК-фотоприемниковProduction of Thin PbxSn1–xTe Films by “Hot Wall” Method for Creating IR-PhotodetectorsИвановВ. А.IvanovV. A.

Кандидат физико-математических наук, доцент 

г. Минск

Minsk

КрасовскийВ. В.KrasovskiiV. V.

Кандидат физико-математических наук, доцент

Адрес для переписки: Красовский Василий Васильевич – Белорусский национальный технический университет, ул. Я. Коласа, 22, 220013, г. Минск, Республика Беларусь. Тел.: +375 17 292-72-39 vvkrasovskii@bntu.by

Address for correspondence: Krasovskii Vasiliy V. – Belarusian National Technical University, 22, Ya. Kolasa str., 220013, Minsk, Republic of Belarus. Tel.: +375 17 292-72-39 vvkrasovskii@bntu.by

vvkrasovskii@bntu.byГременокВ. Ф.GremenokV. F.

Доктор физико-математических наук, доцент 

г. Минск

Minsk

ПостноваЛ. И.PostnovaL. I.

г. Минск

Minsk

Белорусский национальный технический университет; Научно-практический центр НАН Беларуси по материаловедениюБеларусьBelarusian National Technical University; Scientific-Practical Materials Research Centre of NAS of BelarusBelarusБелорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarusНаучно-практический центр НАН Беларуси по материаловедениюБеларусьScientific-Practical Materials Research Centre of NAS of BelarusBelarus202103122021206482486Copyright © Иванов В.А., Красовский В.В., Гременок В.Ф., Постнова Л.И., 20212021Иванов В.А., Красовский В.В., Гременок В.Ф., Постнова Л.И.Ivanov V.A., Krasovskii V.V., Gremenok V.F., Postnova L.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://sat.bntu.by/jour/article/view/2498

Сплавы теллурида свинца и олова (PbxSn1–xTe) являются материалами с хорошими термоэлектрическими свойствами, а также полупроводниками, которые можно применять в качестве длинноволновых инфракрасных детекторов. Методом прямого плавления синтезирован поликристаллический теллурид сплавов PbxSn1–xTe (0,05 £ x £ 0,80). Тонкие пленки этих материалов были получены методом «горячей стенки» осаждением на стеклянные подложки Corning 7059 при Tsub = (200–350) oC и вакууме около 10–5 Торр. Микроструктура пленок исследовалась методами XRD, SEM и EDX. Рентгеновские спектры тонких пленок удовлетворительно соответствовали спектрам порошковой мишени и указывали на отсутствие бинарных фаз. Пленки демонстрировали естественную кубическую кристаллическую структуру. С возрастанием содержания свинца увеличивается параметр элементарной ячейки кристаллов. Установленная линейная зависимость между параметром элементарной ячейки и элементным составом соответствует закону Вегарда. SEM-анализ показал, что пленки являются поликристаллическими, имеют столбчатую структуру, плотно упакованы и обладают хорошей механической адгезией. Размеры зерен зависят от химического состава и температуры подложки. Электрические измерения показали, что выращенные пленки – это невырожденные полупроводники р-типа проводимости. Проводимость пленок находилась в диапазоне σ = (3 × 101)–(1 × 104) Ом–1×см–1. Увеличение концентрации свинца приводит к снижению электропроводности. Холловская подвижность в выращенных тонких пленках в диапазоне изменения содержания свинца от ~10 до ~23 ат. % возрастает, а при дальнейшем увеличении до ~33 ат. % – падает. При этом наиболее сильная зависимость падения подвижности от роста температуры наблюдается для пленок с большим содержанием свинца и объясняется преобладающим рассеянием носителей заряда на колебаниях кристаллической решетки. Для образца со средней концентрацией свинца в температурной зависимости подвижности наблюдается альтернативное влияние двух механизмов рассеяния: на ионах примеси и на фононах. 

На рис. 2 приведены температурные зависимости электропроводности для исследуемых пленок. В соответствии с табл. 1 и рис. 2 увеличение концентрации атомов свинца приводит к уменьшению электропроводности.

Alloys of lead and tin telluride (PbxSn1–xTe) are materials with good thermoelectric properties, as well as semiconductors that can be used as long-wave infrared detectors. Polycrystalline telluride of PbxSn1–xTe (0.05 £ x £ 0.80) alloys has been synthesized by direct fusion technique. Thin films of these materials have been obtained by the hot wall method depositing Сorning 7059 on glass substrates at Tsub = (200–350) oC and vacuum of about 10–5 Torr. The microstructure of the films has been investigated by XRD, SEM and EDX methods. The X-ray spectra of thin films have been in satisfactorily agreement with the spectra of the powder target and indicated the absence of binary phases. The films have shown a natural cubic crystalline structure. While increasing the lead content, the unit cell parameter of the crystal also increases. The established linear relationship between the unit cell parameter and the elemental composition corresponds to Vegard's law. The SEM analysis has shown that the films are polycrystalline, have a columnar structure, are tightly packed and have good mechanical adhesion. The grain size depends on the chemical composition and temperature of the substrate. The electrical measurements have shown that the grown films are non-degenerate semiconductors of p-type conductivity. The conductivity of the films was in the range of σ = (3 × 101)–(1 × 104) Ω–1×cm–1. An increase of lead concentration leads to a decrease in electrical conductivity. Hall mobility in the grown thin films increases in the range of changes in the lead content from ~10 to ~23 at. %, and decreases with a further increase to ~33 at. %. At the same time, the strongest dependence of the decrease in mobility on an increase in temperature increase is observed for films with a high lead content and is explained by the predominant scattering of charge carriers by vibrations of the crystal lattice. For a sample with an average lead concentration, an alternative effect of two scattering mechanisms is observed in the temperature dependence of the mobility: by impurity ions and by phonons.

метод «горячей стенки»полупроводники PbxSn1–xTeтонкие пленкиструктурные и электрические свойстваhot wall” methodPbxSn1–xTe semiconductorsthin filmsstructural and electric propertiesReferencesEpitaxial Lead Chalcogenides on Si for Mid IR Detectors and Emitters Including Cavities / H. Zogg [et al.] // Journal of Electronic Materials. 2008. Vol. 37, No 9. P. 1497–1503. https://doi.org/10.1007/s11664-008-0429-0Zogg H., Arnold M., Felder F., Rahim M., Ebneter C., Zasavitskiy I., Quack N., Blunier S., Dual J. (2008) Epitaxial Lead Chalcogenides on Si for Mid IR Detectors and Emitters Including Cavities. Journal of Electronic Materials, 37 (9), 1497–1503. https://doi.org/10.1007/s11664-008-0429-0Gelbstein, Y. Pb1-xSnxTe Alloys Application Considerations / Y. Gelbstein // Journal of Electronic Materials. 2011. Vol. 40, No 5. P. 533–536. https://doi.org/10.1007/s11664-010-1435-6Gelbstein Y. (2011) Pb1-xSnxTe Alloys Application Considerations. Journal of Electronic Materials, 40 (5), 533–536. https://doi.org/10.1007/s11664-010-1435-6Dmitriev, A. V. Current Trends in the Physics of Thermoelectric Materials / A. V. Dmitriev, I. P. Zvyagin // Physics-Uspekhi. 2010. Vol. 53, No 8. P. 789. https://doi.org/10.3367/ufne.0180.201008b.0821Dmitriev A. V., Zvyagin I. P. (2010) Current Trends in the Physics of Thermoelectric Materials. Physics-Uspekhi, 53 (8), 789. https://doi.org/10.3367/ufne.0180.201008b.0821Experimental Observation of Band Inversion in the PbSnTe System / S. O. Ferreira [et al.] // Journal of Applied Physics. 1999. Vol. 86, No 12. P. 7198–7200. https://doi.org/10.1063/1.371815Ferreira S. O., Abramof E., Motisuke P., Rappl P. H. O., Closs H., Ueta A. Y., Boschetti C., Bandeira I. N. (1999) Experimental Observation of Band Inversion in the PbSnTe System. Journal of Applied Physics, 86 (12), 7198–7200. https://doi.org/10.1063/1.371815Molecular Beam Epitaxial Growth of PbTe and PbSnTe on Si Substrates for Heterojunction Infrared Detectors / C. Boschetti [et al.] // Infrared Physics & Technology. 2001. Vol. 42, No 2. P. 91–99. https://doi.org/10.1016/s1350-4495(01)00061-5Boschetti C., Bandeira I. N., Closs H., Ueta A. Y., Rappl P. H. O., Motisuke P., Abramof E. (2001) Molecular Beam Epitaxial Growth of PbTe and PbSnTe on Si Substrates for Heterojunction Infrared Detectors. Infrared Physics & Technology, 42 (2), 91–99. https://doi.org/10.1016/s1350-4495(01)00061-5Li, B. Crystal Structure, Morphology, Depth Profile of Elements and Mid-Infrared Optical Constants of Mild Lead Telluride Film / B. Li, S. Zhang, L. Zeng // Applied Physics A. 2003. Vol. 76, No 6. P. 965–968. https://doi.org/10.1007/s00339-002-1948-9Li B., Zhang S., Zeng L. (2003) Crystal Structure, Morphology, Depth Profile of Elements and Mid-Infrared Optical Constants of Mild Lead Telluride Film. Applied Physics A., 76 (6), 965–968. https://doi.org/10.1007/s00339-002-1948-9Rafea, M. A. Effect of Substrate Type and Optimization of the Preparation Condition for PbSnTe Films Used as IR Photoconductors / M. A. Rafea, S. F. Mounir, R. Labusch // Optoelectronics and Advanced Materials – Rapid Communications. 2009. Vol. 3, No 6. P. 543–552.Rafea M. A., Mounir S. F., Labusch R. (2009) Effect of Substrate Type and Optimization of the Preparation Condition for PbSnTe Films Used as IR Photoconductors. Optoelectronics and Advanced Materials – Rapid Communications, 3 (6), 543–552.Terra, F. S. Photoconductivity and Electrical Properties of PbxSn1-xTe Thin Films / F. S. Terra, M. Abdel-Rafea, M. Monir // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2001. Vol. 12, No 10. P. 561–567.Terra F. S., Abdel-Rafea M., Monir M. (2001) Photoconductivity and Electrical Properties of PbxSn1-xTe Thin Films. Journal of Materials Science: Materials in Electronics,12 (10), 561–567.Low Temperature Thermal, Thermoelectric, and Thermomagnetic Transport in Indium Rich PbxSn1-xTe Alloys / V. Jovovic [et al.] // Journal of Applied Physics. 2008. Vol. 103, No 5. P. 053710–053717. https://doi.org/10.1063/1.2890150Jovovic V., Thiagarajan S. J., Heremans J. P., Komissarova T., Khokhlov D., Nicorici A. (2008) Low Temperature Thermal, Thermoelectric, and Thermomagnetic Transport in Indium Rich PbxSn1-xTe Alloys. Journal of Applied Physics, 103 (5), 053710–053717. https://doi.org/10.1063/1.2890150Electrical Properties of Hot Wall Deposited PbTe–SnTe Thin Film / V. A. Ivanov [et al.] // Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2013. Vol. 4, No 6. Р. 816–822.Ivanov V. A., Gremenok V. F., Seidi H. G., Zimin S. P., Gorlachev E. S. (2013) Electrical Properties of Hot Wall Deposited PbTe–SnTe Thin Film. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics, 4 (6), 816–822.Effect of Substrate Temperature on the Galvanomagnetic, Photoelectrical and Optical Properties of Pb0.8Sn0.2Te Thin Films / M. A. Rafea [et al.] // Chalcogenide Letters. 2009. Vol. 6, No 3. P. 115–123.Rafea M. A., Terra F. S., Mounir M., Labusch R. (2009) Effect of Substrate Temperature on the Galvanomagnetic, Photoelectrical and Optical Properties of Pb0.8Sn0.2Te Thin Films. Chalcogenide Letters, 6 (3), 115–123.Deen, M. L. Electrical Characterization of Semiconductor Materials and Devices-Review / M. J. Deen, F. Pascal // Journal of Mater Sci: Mater Electron. 2006. Vol. 17, No 8. P. 549–575. https://doi.org/10.1007/s10854-006-0001-8.Deen M. J., Pascal F. (2006) Electrical Characterization of Semiconductor Materials and Devices-Review. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 17 (8), 549–575. https://doi.org/10.1007/s10854-006-0001-8

The authors declare that there are no conflicts of interest present.