CS247467B1 - Způsob přípravy monokrystalických struktur tellurid bismutitý - selenid-tellurid bismutitý Bi2Te3-Bi2Te3„Se„ s P-N přechodem - Google Patents

Abstract

Řešení se týká oboru chemie, speciálně chemie pevných látek. Řeší přípravu nových monokrystalických struktur s P-N přechodem a proměnnou šířkou zakázaného pásu. Popisuje se způsob přípravy monokrystalických struktur o složení tellurid bismutitý - selenid-tellurid bismutitý BÍ2Te^ - BÍ2Te.j_xSe z monokrystalických destiček p-typu Bi2Te3, čistého nebo dotovaného, temperováním v parách selenu o tenzi 4,7 až 600 Pa, teplotě 250 až 400 °c po dobu 10 až 200 h. Rozštěpením vytemperovaných destiček podél plochy /0001/ je získána P-N struktura, která po opatření kontakty vykazuje výrazný usměrňovači efekt, charakterizující krystalovou diodu a citlivost vůči IČ záření.

Description

Vynález se týká způsobu přípravy monokrystalických struktur o složení tellurid bismutitý - selenid-tellurid bismutitý Bi„Te_q - Bi₀Te^. Se , kde x — 0,01 až 1.,.5, citlivost £, O Z j**X X k záření v infračervené oblasti spektra.

V současné době se pro detektory IČ záření,.kterou jsou založeny na bázi polovodičů, používá následujících materiálů: křemík, germanium, sloučeniny A^^B^ /zejména InSb/, sloučeniny A^IVB^VI /PbS, PbSe, PbTe/ a nejvyznamnějsí se jeví směsné krystaly cd^Hg^_^Te.

Dosud nebyl popsán způsob přípravy P-N přechodu na bázi směsných krystalů ^Β^2^^β3-χ^^βχ' tento materiál tedy nemohl být doposud použit k detekci IČ záření.

Výzkumu systému BÍ2Te₃”BÍ2Se₃ je věnována značná pozornost od roku 1956, kdy bylo ukázáno, že tuhý roztok BÍ2Te^__xSe_x je perspektivním termoelektrickým materiálem pro konstrukci n-větví termoelementů /S. S. Sináni, G. N. Gordyakova, Žur. těch. fiz. 2£, 2398 /1956//.

Od té doby jsou studovány především termoelektrické vlastnosti tohoto systému /např.

Β. M. Goltsman et al., Fiz. Tverd. Těla Ί*, 1221 /1965/; H. J. Goldsmid, J. W. Cochrane, Proč. 4th Int. Conf. Thermoelec. Energy Conv., Arlington 7 /1982//.

V řadě dalších prací byly zkoumány stavový diagram /např. V. F. Bankina, N. Ch. Abrikosov, Žur. neorg, chim. 9, 931 /1964//, optické vlastnosti /např. D. L. Grenaway, G. Harbeke, J. Phys. Chem. Sol. 26, 1585 /1965// a transportní vlastnosti /např. V. Birkholz, G. Haake,

Z. Naturforsch. 17a, 161 /1962//.

Intenzívní výzkum fyzikálních vlastností BÍ2Te₃ začal prakticky v roce 1954, ale teprve objev způsobu potlačení koncentrace antistrukturních poruch polarizací vazeb v krystalech /Horák a kol., Philos. Mag. B 50, 665 /1984// umožnil vytvořit strukturu s P-N přechodem. Na základě tohoto objevu je navržena metoda vedoucí k získání struktury na bázi sloučeniny vykazující proměnnou koncentraci selenu na jednom krystalu a současné?

P-N přechod, jejíž příprava je předmětem tohoto vynálezu.

Předmětem vynálezu je postup přípravy monokrystalických struktur o složení tellurid bismutitý - selenid-tellurid bismutitý Β±2Τθ₃ - Β±2Τθ₃__χ3θ_χ, kde x =:0,01 az 1,5, s proměnnou šířkou zakázaného pásu způsobenou gradientem koncentrace selenu a současně s P-N přechodem, vyznačený tím, še monokrystaly p-typu Bi₂Te₃ čistého nebo dotovaného jsou exponovány v parách selenu, jejichž tenze se pohybuje v rozmezí 4,7 až 600 Pa, při teplotě 250 až 400 °C po dobu 10 až 200 hodin.

Po této expozici jsou krystaly rozštěpen·· podél plochy /0001/, čímž se získá struktura ^B'ⁱ'2^Te3 ~ ^B^2^Te3-x^Sex' ^^ter^ P° opatření vhodpými kontakty může být použita ke konstrukci krystalových diod.

Při tomto postupu se vychází z monokrystalu p-BÍ2Te₃, připraveného Bridgmanovou metodou, z něhož se připraví monokrystalické destičky naštípáním podle ploch /0001/ vyznačujících se dobrou štepitelností. Tyto krystaly se podrobí interakci se selenem za výše uvedených podmínek. Na styku pevné a plynné fáze dochází jednak k narůstání krystalu charakterizovanému reakcí mezi sorbovanými molekulami selenu a antistrukturními poruchami a jednak k difiízi atomů selenu do krystalu.

Tato difúze je umožněna reakcí

1/2 Se₂/g/ + 2 Βί'θ + 2 h + 2 Te₂^ Ξθζθ + BigTe.,, podle které se koncentrace antistrukturních poruch Βΐ^,θ během reakce s parami selenu snižuje.

V oblasti P-N přechodu dochází k výraznému snížení koncentrace volných nositelů /děr/, jak naznačuje výše uvedená rovnice; v povrchové oblasti pak vzniká sloučenina BÍ2Te₃__xSe_x a n-typem vodivosti. Oblast v blízkosti P-N přechodu má pravděpodobně povahu struktury s proměnnou šířkou zakázaného pásu.

Zařízení pro přípravu struktury Bí₂Te₃-Bi₂Te₃__xSe_x difúzí plynného selenu do p-typu Bi₂Te₃ je znázorněno na obr. 1. Zařízení sestává z křemenné ampule /1/, v níž na grafitovém loži /2/ je umístěn vzorek Bi^Te^ /3/ a v druhé části ampule selen /4/, přičemž teplota v peci je měřena termočlánky /5/. Ampule je umístěna v keramické peci /6/, jejíž vinutí /7/ se skládá ze dvou sekcí umožňujících nastavení požadovaného teplotního gradientu v peci.

Kromě toho je do keramické pece vsazena ocelová trubka /8/ eliminující lokální teplotní gradienty a zajištující homogenní rozložení teploty v obou částech pece. Aby byla eliminována možnost sublimace selenu na vzorek je vždy teplota krystalu o něco vyšší než teplota kapalného selenu.

Zařízení znázorněné na obr. 1 tedy umožňuje provádět interakci krystalů B±₂Te₃ s parami selenu, umožňuje nastavit teplotu T , při které dochází k reakci krystalu s parami selenu, teplotu roztaveného selenu T₂, řídicí tenzi par selenu v ampuli a dobu potřebnou ke vzniku n-typu Βί₂τ_β3__χ3βχ.

Příprava monokrystalické struktury o složení Bi₂Te₃__xSe_x - Bi₂Te₃ s P-N přechodem, citlivým k infračervenému záření, je demonstrována následujícím příkladem:

Krystal p-Bi₂Te₃ /koncentrace děr 2,4 x 10¹⁸ děr cm ³/ ve formě monokrystalické destičky rozměrů 60 x 10 x 4 mm se umístí v jedné části ampule znázorněné na obr. 1, do druhé části ampule se vloží selen o čistotě 5N. Ampule se evakuuje a zataví.

Po umístění ampule v keramické peci se provádí temperování za následujících podmínek: teplota krystalu — 260 °C, teplota kapalného selenu T₂= 250 °C, tenze par selenu 4,7 Pa, doba temperování t — 24 hodin.

Po expozici krystalu v parách selenu za uvedených podmínek se provede relativně prudké ochlazení krystalu tím, že ampule s krystalem se vyjme z pece a ponechá několik hodin při laboratorní teplotě.

Získaný krystal se rozštípne uprostřed nejkratší strany vzorku podél ploch /0001/, čímž se získají dvě monokrystalické destičky, které mají na jedné straně vrstvu p-Bi₂Te₃ a na druhé straně vrstvu η-Βΐ₂Τβ₃__χδθ_χ.

Na obr. 2 je schematicky znázorněna krystalová dioda, zhotovená z monokrystalické destičky Bi_oTe_-Bi_oTe_Q Se . Strana o složení Bi₀Te~ /9/ je opatřena plošným zlatým kontaktem

Z j í. O” X X í. i /10/, vytvořeným bud pomocí zlaté pasty nebo redukcí chloridu zlatitého. Na straně se složením Βί₂Τβ₃__χΞθ_χ /11/ je nanesena např. stříbrná pasta ve formě kulovité kapičky /12/ pokud možno malých rozměrů, která tvoří kontakt s přívodním stříbrným nebo zlatým vlasovým drátem /13/. Takto upravená struktura s P-N přechodem na bázi p-Bi₂Te₃ - n-Bi₂Te₃__xSe_x je citlivá k infračervenému záření.

Na obr. 3 je uvedena volt-ampérová charakteristika, tedy závislost procházejícího proudu na vloženém napětí, připravené krystalové diody.

Na obr. 4 je uvedeno spektrální rozdělení napětí, vyvolaného interakcí IC záření se vzorkem. Tato závislost napětí na vlnové délce dopadajícího záření byla měřena při pokojové teplotě následujícím způsobem: ze zdroje záření, kterým byla Globarová lampa, byl vydělen pomocí monochromátoru Zeiss /s hranolem chloridu sodného/ svazek paprsků o vlnových délkách ₍ až 10 /um; monochromatické světlo, přerušované frekvencí 6,17 Hz dopadalo na vzorek a vzniklý střídavý signál byl měřen za použití vhodné transformátorové vazby předzesilovače a zesilovače typu UNIPAN. Při měření byly kontakty na vzorku zastíněny, aby byly eliminovány kontaktní jevy. Měření bylo opakováno po jednom týdnu v rozmezí 3 měsíců a byla shledána dokonalá reprodukovatelnost a dobrá stabilita signálu.

Je třeba zdůraznit, že výše popsaný postup přípravy p-n přechodu na krystalech Bi^Te^ je původní, nebyl dosud v literatuře popsán a jeho bezesporým kladem je jednoduchost, dokonalá kontrola procesu a reprodukovatelnost připravených krystalů s P-N přechodem.

Nastavením podmínek, tj. tlaku par selenu, teploty a doby temperace krystalu lze připravit vzorky BÍ2Te.j__xSe_x s různým obsahem selenu v oblasti n-typu vodivosti a lze tak připravit krystaly citlivé vůči infračervenému záření v oblasti vlnových délek 2 až 8^Aim.

Claims (1)

1. Způsob přípravy monokrystalických struktur o složení tellurid bismutitý - selenid-tellurid bismutitý Bi_Te, - Bi,Te,_ Se , kde x — 0,01 až 1,5 s proměnnou šířkou zakázaného pásu způsobenóu gradientem koncentrace selenu a současně s P-N přechodem, vyznačený tím, že monokrystaly p-typu BijTe^, čistého nebo dotovaného, se exponují v parách selenu o tenzi 4,7 až 600 Pa při teplotě 250 až 400 °C po dobu 10 ,až 200 hodin a po expozici se rozštěpí podél plochy /0001/.