mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2022-2-107-114mateltech-481Research ArticleМатериаловедение и технология. ПолупроводникиMATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY. SEMICONDUCTORSОпределение отклонения от стехиометрии в широкозонных полупроводниковых соединений АIIВVI по составу равновесной паровой фазыDetermination of stoichiometry deviation in wide-band II-VI semiconductors on the basis of equilibrium vapor phase compositionhttps://orcid.org/0000-0002-0879-7013КобелеваС. П.KobelevaS. P.

Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049

Кобелева Светлана Петровна — кандидат физ.−мат. наук, старший научный сотрудник, доцент кафедры «ППЭ и ФПП»

4-1 Leninsky Ave., Moscow 119049

Svetlana P. Kobeleva — Cand. Sci. (Phys.-Math.), Senior Researcher, Associate Professor 

kob@misis.ruНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology MISiSRussian Federation202221072022252107114Copyright © Кобелева С.П., 20222022Кобелева С.П.Kobeleva S.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/481

Предложен метод определения отклонения от стехиометрии в халькогенидах кадмия и цинка, основанный на анализе температурной зависимости отношения парциальных давлений компонентов при испарении твердого соединения в ограниченный объем, что отличает его от методов сбора избыточного компонента при испарении в большие объемы. Метод основан на измерении парциальных давлений компонентов паровой фазы при нагреве материала до температур выше 800 К и на последующем решении системы уравнений материального баланса и уравнения электронейтральности для расчета исходного отклонения от стехиометрии в соединении при комнатной температуре. Концентрации собственных точечных дефектов рассчитывают методом квазихимических реакций. Независимыми переменными в системе уравнений являются искомое отклонение от стехиометрии, парциальное давление металла и концентрация свободных электронов. Показано, что в уравнении материального баланса параметр, определяющий чувствительность метода по отклонению от стехиометрии — отношение объемов паровой и твердой фаз, можно считать постоянным при нагреве и испарении, если он не превышает 50. Если парциальные давления измерять по оптической плотности паров, чувствительность метода может быть не хуже 10-6 % (ат.).

A method of determining stoichiometry deviation in cadmium and zinc chalcogenides that is based on the temperature dependence of the ratio of components partial pressures during evaporation of solid compounds in a limited volume has been suggested. The new method differs from methods implying the collection of excessive component during evaporation in large volumes. The method includes measuring vapor phase components partial pressures during material heating to above 800 K, solving a set of material balance equations and the electric neutrality equation, and calculating the stoichiometry deviation in the initial compound at room temperature. Intrinsic point defect concentrations are calculated using the method of quasichemical reactions. The independent variables in the set of equations are the sought stoichiometry deviation, the partial pressure of the metal and the concentration of free electrons. We show that the parameter of the material balance equation which determines the method’s sensitivity to stoichiometry deviation, i.e., the volume ratio of vapor and solid phases, can be considered constant during heating and evaporation unless this parameter exceeds 50. If the partial pressure is measured based on the optical density of the vapors, then the sensitivity of the method can be increased to not worse than 10-6 at.%.

отклонение от стехиометрииширокозонные полупроводникихалькогениды кадмия и цинкапарциальное давлениеstoichiometry deviationwide-band semiconductorscadmium and zinc chalcogenidespartial pressureReferencesIsshiki M., Wang J. II-IV semiconductors for optoelectronics: CdS, CdSe, CdTe. In: Kasap S., Capper P. (eds.) Springer handbook of electronic and photonic materials. Cham, Switzerland: Springer; 2017: 853—865. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48933-9_33Kasap S., Capper P., eds. Isshiki M., Wang J. II-IV semiconductors for optoelectronics: CdS, CdSe, CdTe. In: Springer handbook of electronic and photonic materials. Cham, Switzerland: Springer; 2017: 853—865. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48933-9_33Triboulet R., Siffert P. CdTe and related compounds; physics, defects, hetero- and nano-structures, crystal growth, surfaces and applications. Elsevier; 2010. 296 p. https://doi.org/10.1016/C2009-0-17817-0Triboulet R., Siffert P. CdTe and related compounds; physics, defects, hetero- and nano-structures, crystal growth, surfaces and applications. Elsevier; 2010. 296 p. https://doi.org/10.1016/C2009-0-17817-0Tinedert I.E., Pezzimenti F., Megherbi M.L., Tumer T.O. Tumer O.T., Finger M.H., Gordon E.E., Ramsey B.D., Rhiger D.R., Sharma D.P. Test results of preliminary CdZnTe pixel detectors for possible application to HXT on the Constellation-X mission. Proceedings of SPIE. X-ray and Gamma-ray instrumentation for Astronomy XIII. 2004; 5165: 548—554. https://doi.org/10.1117/12.515619Tumer O.T., Finger M.H., Gordon E.E., Ramsey B.D., Rhiger D.R., Sharma D.P. Test results of preliminary CdZnTe pixel detectors for possible application to HXT on the Constellation-X mission. Proceedings of SPIE. X-ray and Gamma-ray instrumentation for Astronomy XIII. 2004; 5165: 548—554. https://doi.org/10.1117/12.515619Del Sordo S., Abbene L., Caroli E., Mancini A.M., Zappettini A., Ubertini P. Progress in the development of CdTe and CdZnTe semiconductor radiation detectors for astrophysical and medical applications. Sensors. 2009; 9(5): 3491—3526. https://doi.org/10.3390/s90503491Del Sordo S., Abbene L., Caroli E., Mancini A.M., Zappettini A., Ubertini P. Progress in the development of CdTe and CdZnTe semiconductor radiation detectors for astrophysical and medical applications. Sensors. 2009; 9(5): 3491—3526. https://doi.org/10.3390/s90503491Дворянкин В.Ф., Дворянкина Г.Г., Иванов Ю.М., Кудряшов А.А., Петров А.Г. Фотовольтаические детекторы рентгеновского излучения на основе кристаллов CdTe с p-n-переходом. Журнал технической физики. 2010; 80(7): 156—158.Dvoryankin V.F., Dvoryankina G.G., Ivanov Yu.M., Kudryashov A.A., Petrov A.G. Photovoltaic X-ray detectors based on CdTe crystals with p-n junction. Zhurnal Tekhnicheskoi Fiziki. 2010; 80(7): 156—158. (In Russ.)Tinedert I.E., Pezzimenti F., Megherbi M.L., Saadoune A. Design and simulation of a high efficiency CdS/CdTe solar cell. Optik. 2020; 208: 164112. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2019.164112Tinedert I.E., Pezzimenti F., Megherbi M.L., Saadoune A. Design and simulation of a high efficiency CdS/CdTe solar cell. Optik. 2020; 208: 164112. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2019.164112Bosio A., Rosa G., Romeo N. Past, present and future of the thin film CdTe/CdS solar cells. Solar Energy. 2018; 175: 31—43. https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.01.018Bosio A., Rosa G., Romeo N. Past, present and future of the thin film CdTe/CdS solar cells. Solar Energy. 2018; 175: 31—43. https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.01.018Baines T., Shalvey T.P., Major J.D. Pt 10. CdTe solar cells. In: A Comprehensive guide to solar energy systems. Elsevier; 2018: 215—232. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811479-7.00010-5Baines T., Shalvey T.P., Major J.D. Pt 10. CdTe solar cells. In: A comprehensive guide to solar energy systems. Elsevier; 2018: 215—232. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811479-7.00010-5Scheiber C., Giakos G.C. Medical applications of CdTe and CdZnTe detectors. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2001; 458(1–2): 12—25. https://doi.org/10.1016/S0168-9002(00)01032-9Scheiber C., Giakos G.C. Medical applications of CdTe and CdZnTe detectors. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2001; 458(1–2): 12—25. https://doi.org/ 10.1016/S0168-9002(00)01032-9Kroger F.A. The chemistry of imperfect crystals. Amsterdam: North-Holland; 1964. 1039 p.Kroger F.A. The chemistry of imperfect crystals. Amsterdam: North-Holland; 1964. 1039 p.Ivanov Y.M. Configuration of the cadmium telluride homogeneity boundaries. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2014; 59(14): 1705—1714. https://doi.org/10.1134/S0036023614140034Ivanov Y.M. Configuration of the cadmium telluride homogeneity boundaries. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2014; 59(14): 1705—1714. https://doi.org/10.1134/S0036023614140034Avetisov I. Mozhevitina E., Khomyakov A., Avetisov R. Nonstoichiometry of AIIBVI semiconductors. Crystal Research and Technology. 2015; 50(1): 115—123. https://doi.org/10.1002/crat.201400215Avetisov I. Mozhevitina E., Khomyakov A., Avetisov R. Nonstoichiometry of AIIBVI semiconductors. Crystal Research and Technology. 2015; 50(1): 115—123. https://doi.org/10.1002/crat.201400215Avetisov I., Mozhevitina E., Khomyakov A., Khanh T. Universal approach for nonstoichiometry determination in binary chemical compounds. Crystall Reserch Technology. 2015; 50(1): 93—100. https://doi.org/10.1002/crat.201400201Avetisov I. Mozhevitina E., Khomyakov A., Khanh T. Universal approach for nonstoichiometry determination in binary chemical compounds. Crystall Reserch Technology. 2015; 50(1): 93—100. https://doi.org/10.1002/crat.201400201Иванов Ю.М., Яковлева В.Т., Андрейчук А.Н., Морозова Л.П. Метод концентрирования избыточного компонента для определения его концентрации в нестехиометрических соединениях. Известия АН СССР. Неорганические материалы. 1977; (6): 1082.Ivanov Yu.M., Yakovleva V.T., Andreychuk A.N., Morozova L.P. The method of concentration of the excess component to determine its concentration in non-stoichiometric compounds. Izvestiya AN SSSR. Neorganicheskie Materialy. 1977; (6): 1082.Зломанов В.П., Аветисов И.Х., Можевитина Е.Н. Физическая химия твердого тела. Р-Т-х диаграммы фазовых равновесий. М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева; 2019. 184 с.Zlomanov V.P., Avetisov I.H., Mozhevitina E.N. Physical chemistry of a solid. P-T-x diagrams of phase equilibria. Мoscow: RKhTU im. D.I. Mendeleeva; 2019. 184 p. (In Russ.)Аветисов И.Х. Фазовые равновесия в системах А(II)В(VI). В сб.: Высокочистые вещества. М.: Научный мир; 2018: 704—753.Avetisov I.H. Phase equilibria in systems А(II)В(VI). In: High-purity substances. Moscow: Nauchnyi mir; 2018: 704—753. (In Russ.)Rudolph P. Fundamental studies on Bridgman growth of CdTe. Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials. 1994; 29(1–4): 275—381. https://doi.org/10.1016/0960-8974(94)90009-4Rudolph P. Fundamental studies on Bridgman growth of CdTe. Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials. 1994; 29(1–4): 275—381. https://doi.org/10.1016/0960-8974(94)90009-4Yellin N., Szapiro Y. Calculation of the partial vapor pressures of tellurium and cadmium over non-stoichiometric CdTe in the temperature range 750—1050 °C. Journal of Crystal Growth. 1985; 73(1): 77—82. https://doi.org/10.1016/0022-0248(85)90333-1Yellin N., Szapiro Y. Calculation of the partial vapor pressures of tellurium and cadmium over non-stoichiometric CdTe in the temperature range 750—1050 °C. Journal of Crystal Growth. 1985; 73(1): 77—82. https://doi.org/10.1016/0022-0248(85)90333-1Шалимова К.В. Физика полупроводников. СПб.: Лань; 2010. 400 с.Shalimova K.V. Physics of semiconductors. St. Petersburg: Lan’; 2010. 392 p. (In Russ.)Kröger F.A. The defect structure of CdTe. Revue de Physique Appliquee. 1977; 12(2): 205—210. https://doi.org/10.1051/rphysap:01977001202020500Kröger F.A. The defect structure of CdTe. Revue de Physique Appliquee. 1977; 12(2): 205—210. https://doi.org/10.1051/rphysap:01977001202020500Медведев С.А., Максимовский С.Н., Киселева К.В., Клевков Ю.В., Сентюрина Н.Н. О природе точечных дефектов в нелегированном CdTe. Известия АН СССР. Неорганические материалы. 1973; 9(3): 356—360.Medvedev S.A., Maksimovsky S.N., Kiseleva K.V., Klevkov Yu.V., Sentyurina N.N. On the nature of point defects in undoped CdTe. Izvestiya AN SSSR. Neorganicheskie Materialy. 1973; 9(3): 356—360. (In Russ.)Медведев С.А., Мартынов В.Н, Кобелева С.П. О возможности существования антиструктурных дефектов в нелегированном CdTe. Известия АН СССР. Кристаллография. 1983; 28(2): 394.Medvedev S.A., Martynov V.N., Kobeleva S.P. On the possibility of existence of anti-structural defects in undoped CdTe. Izvestiya AN SSSR. Kristallografiya. 1983; 28(2): 394. (In Russ.)Fochuk P., Grill R., Panchuk O. The nature of point defects in CdTe. Journal of Electronic Materials. 2006; 35(6): 1354—1359. https://doi.org/10.1007/s11664-006-0268-9Fochuk P., Grill R., Panchuk O. The nature of point defects in CdTe. Journal of Electronic Materials. 2006; 35(6): 1354—1359. https://doi.org/10.1007/s11664-006-0268-9Вerding М.А. Native defects in CdTe. Physical Review B. 1999; 60(12): 8943—8950. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.60.8943Вerding М.А. Native defects in CdTe. Physical Review B. 1999; 60(12): 8943—8950. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.60.8943Kosyak V.V., Opanasyak A.S., Protsenko I.Yu. Ensemble of point defects in CdTe single crystals and films in the case of full equilibrium and quenching. Functional Materials. 2005; 12(4): 797—806.Kosyak V.V., Opanasyak A.S., Protsenko I.Yu. Ensemble of point defects in CdTe single crystals and films in the case of full equilibrium and quenching. Functional Materials. 2005; 12(4): 797—806.Brebric R.F., Strauss A.J. Partial pressures in equilibrium with group IV tellurides. I. Optical absorption method and results for PbTe. Journal of Chemical Physics. 1964; 40: 3230—3235. https://doi.org/10.1063/1.1724990Brebric R.F., Strauss A.J. Partial pressures in equilibrium with group IV Tellurides. I. Optical absorption method and results for PbTe. Journal of Chemical Physics. 1964; 40: 3230—3235. https://doi.org/10.1063/1.1724990Медведев С.А., Мартынов В.Н., Кобелева С.П. Исследование температурной зависимости парциальных давлений компонентов над теллуридом кадмия. Электронная техника. Серия 6. Материалы. 1980; (8(145)): 53—58.Medvedev S.A., Martynov V.N., Kobeleva S.P. Investigation of temperature dependence of partial pressures of components over cadmium telluride. Elektronnaya Tekhnika. Seriya 6. Materialy. 1980; (8(145)): 53—58. (In Russ.)

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