mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2013-3-4-12mateltech-7Research ArticleМатериаловедение и технология. ПолупроводникиMATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY. SEMICONDUCTORSВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ВЫРАЩИВАНИЯ И ЛЕГИРОВАНИЯ ДОНОРНЫМИ ПРИМЕСЯМИ НА МЕХАНИЗМ ПРОВОДИМОСТИ И СПЕКТРЫГЛУБОКИХ УРОВНЕЙ В КРИСТАЛЛАХ TlBrTHE INFLUENCE OF GROWTH CONDITIONS AND DONOR DOPING ON CONDUCTIVITY MODE AND DEEP TRAPS SPECTRA IN TLBR SINGLE CRYSTALSСмирновИ. С.SmirnovN. B.

кандидат физ.−мат. наук, профессор, Московский институт электроники и математики НИУ ВШЭ, 109028, г. Москва, Б. Трехсвятительский пер., д. 3

met@miem.edu.ruГоворковА. В.GovorkovA. V.

кандидат техн. наук, старший научный сотрудник, ОАО «Гиредмет», 119017, г. Москва, Б. Толмачевский пер., д. 5, с. 1

avgovorkov@gmail.comКожуховаЕ. А.KozhukhovaE. A.

кандидат техн. наук, старший научный сотрудник, ОАО «Гиредмет», 119017, г. Москва, Б. Толмачевский пер., д. 5, с. 1

kozhukhova@gmail.comЛисицкийИ. С.LisitskyI. S.

кандидат техн. наук, зав. лабораторией, ОАО «Гиредмет», 119017, г. Москва, Б. Толмачевский пер., д. 5, с. 1

gradan@mail.ruКузнецовМ. С.KuznetsovM. S.

старший научный сотрудник, ОАО «Гиредмет», 119017, г. Москва, Б. Толмачевский пер., д. 5, с. 1

gradan@mail.ruЗараменскихК. С.ZaramenskihK. S.

старший научный сотрудник, ОАО «Гиредмет», 119017, г. Москва, Б. Толмачевский пер., д. 5, с. 1

gradan@mail.ruПоляковА. Я.PolyakovA. Y.

ведущий научный сотрудник, ОАО «Гиредмет», 119017, г. Москва, Б. Толмачевский пер., д. 5, с. 1

aypolyakov@gmail.comОАО «Гиредмет»РоссияJoint Stock Company «Giredmet»Russian Federation20131303201503412Copyright © Смирнов И.С., Говорков А.В., Кожухова Е.А., Лисицкий И.С., Кузнецов М.С., Зараменских К.С., Поляков А.Я., 20152015Смирнов И.С., Говорков А.В., Кожухова Е.А., Лисицкий И.С., Кузнецов М.С., Зараменских К.С., Поляков А.Я.Smirnov N.B., Govorkov A.V., Kozhukhova E.A., Lisitsky I.S., Kuznetsov M.S., Zaramenskih K.S., Polyakov A.Y.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/7

Исследованы электрические характеристики, спектры глубоких ловушек, спектры микрокатодолюминесценции (МКЛ) нелегированных и легированных донорами (Pb, Ca) кристаллов TlBr и изучено влияние на эти характеристики условий выращивания (противодавление брома, противодавление аргона, выращивание на воздухе). Показано, что в исследованном интервале температур (85—320 К) проводимость кристаллов определяется концентрацией электронов и дырок в разрешенных зонах, а не ионной проводимостью. В процессах рекомбинации неравновесных носителей основную роль играют центры с энергией активации 1,0—1,2 эВ, на которых закреплен уровень Ферми в легированных донорами кристаллах. В нелегированных кристаллах уровень Ферми закреплен на центрах с уровнем около Ev+0,8 эВ, которые также участвуют в рекомбинации и ответственны за полосу МКЛ с энергией 1,85 эВ. В температурных зависимостях фототока нелегированных кристаллов большую роль играет прилипание электронов на мелких электронных ловушках с энергией 0,1—0,2 эВ и на более глубоких электронных ловушках. В спектрах глубоких центров обнаружены ловушки с энергиями 0,36, 0,45 и 0,6 эВ, концентрация которых растет при легировании донорами. Легирование Pb или Ca позволяет на порядок повысить удельное сопротивление материала, но легирование Pb приводит к большей концентрации глубоких ловушек, что неблагоприятно для использования материала в радиационных детекторах.

Studies of electrical characteristics, deep traps spectra, microcathodoluminescence (MCL) spectra of undoped and donor (Pb, Ca) doped TlBr crystals as influenced by growth conditions (Br pressure, Ar pressure, growth in air) are presented. It is shown that, for the 85−320 K temperature range, the crystal conductivity was determined not by ionic conductance but by the density of electrons and holes supplied by the ionization of deep centers. Centers with activation energies of 1−1.2 eV that pin the Fermi level in donor doped crystals are shown to play a prominent role in the recombination of nonequilibrium charge carriers. In undoped crystals the Fermi level is pinned near Ev+0.8 eV and these centers are also active in the recombination of charge carriers and are responsible for the MCL band peak near 1.85 eV. The temperature dependence of photocurrent in undoped crystals is strongly influenced by electron trapping on relatively shallow centers located 0.1−0.2 eV below the conduction band edge. Deep traps spectra revealed the presence of centers with activation energies 0.36, 0.45, 0.6 eV whose concentration increases with donor doping. Doping with Pb or Ca increases the dark resistivity of the crystals by about an order of magnitude, but Pb doping enhances the density of deep traps, which is not favorable for use of this material in radiation detectors.

таллия бромидглубокие уровнифотоэлектронная релаксационная спектроскопия глубоких уровнеймикрокатодолюминесценциярадиационные детекторыионная проводимостьэлектронная проводимостьTlBrdeep levelsphotoinduced current transient spectros-copy of deep trapsmicrocathodoluminescenceradiation detectorsionic conductanceelectronic conductanceРабота выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ (государственный контракт № 14.513.12.0007)ReferencesKim, H. Continued development of thallium bromide and related compounds for gamma−ray detectors / H. Kim, A. Churilov, G. Ciampi, L. Cirignano, W. Higgins, S. Kim, P. O’Dougherty, F. Olsner, K. Shah // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. − 2011. − V. 629. P. 192—196.Kim, H. Continued development of thallium bromide and related compounds for gamma−ray detectors / H. Kim, A. Churilov, G. Ciampi, L. Cirignano, W. Higgins, S. Kim, P. O’Dougherty, F. Olsner, K. Shah // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. − 2011. − V. 629. P. 192—196.Donmez, B. The stability of TlBr detectors at low temperature / B. Donmez, Z. He, H. Kim, L. J. Cirignano, K. Shah // Ibid. − 2010. − V. 623. − P. 1024—1029.Donmez, B. The stability of TlBr detectors at low temperature / B. Donmez, Z. He, H. Kim, L. J. Cirignano, K. Shah // Ibid. − 2010. − V. 623. − P. 1024—1029.Shorohov, M. Recent results in TlBr detector crystals performance / M. Shorohov, M. Kouznetsov, I. Lisitskiy, V. Ivanov, V. Gostilo, A. Owens. IEEE Trans. Nucl. Sci. − 2009 − V. 56, N 4. − P. 1855—1858.Shorohov, M. Recent results in TlBr detector crystals performance / M. Shorohov, M. Kouznetsov, I. Lisitskiy, V. Ivanov, V. Gostilo, A. Owens. IEEE Trans. Nucl. Sci. − 2009 − V. 56, N 4. − P. 1855—1858.Du, M.−H. Effects of impurity doping on ionic conductivity and polarization phenomena in TlBr / M.−H. Du // Appl. Phys. Lett. − 2013. − V. 102. − P. 082102.Du, M.−H. Effects of impurity doping on ionic conductivity and polarization phenomena in TlBr / M.−H. Du // Appl. Phys. Lett. − 2013. − V. 102. − P. 082102.Leao, C. R. Simultaneous control of ionic and electronic conductivity in materials: thallium bromide case study / C. R. Leao, V. Lordi // Phys. Rev. Lett. − 2012 − V. 108, N 24. − P. 246604.Leao, C. R. Simultaneous control of ionic and electronic conductivity in materials: thallium bromide case study / C. R. Leao, V. Lordi // Phys. Rev. Lett. − 2012 − V. 108, N 24. − P. 246604.Lordi, V. Point defects in Cd(Zn)Te and TlBr: Theory / V. Lordi // J. Cryst. Growth. − 2013. − V. 379. − P. 84—92.Lordi, V. Point defects in Cd(Zn)Te and TlBr: Theory / V. Lordi // J. Cryst. Growth. − 2013. − V. 379. − P. 84—92.Bishop, S. R. The defect and transport properties of donor doped single crystal TlBr / S. R. Bishop, W. Higgins, G. Ciampi, A. Churilov, K. S. Shah, H. L. Tuller // J. Electrochem. Soc. − 2011. − V. 158. − P. J47—J51.Bishop, S. R. The defect and transport properties of donor doped single crystal TlBr / S. R. Bishop, W. Higgins, G. Ciampi, A. Churilov, K. S. Shah, H. L. Tuller // J. Electrochem. Soc. − 2011. − V. 158. − P. J47—J51.Bishop, S. R. The defect and transport properties of acceptor doped TlBr: role of dopant exsolution and association / S. R. Bishop, H. L. Tuller, G. Ciampi, W. Higgins, J. Engel, A. Churilov, K.S. Shah // Phys. Chem. Chem. Phys. − 2012. − V. 14. − P. 10160—10167.Bishop, S. R. The defect and transport properties of acceptor doped TlBr: role of dopant exsolution and association / S. R. Bishop, H. L. Tuller, G. Ciampi, W. Higgins, J. Engel, A. Churilov, K.S. Shah // Phys. Chem. Chem. Phys. − 2012. − V. 14. − P. 10160—10167.Vaitkus, J. Influence of electronic and ionic processes on electrical properties of TlBr crystals / J. Vaitkus, J. Banys, V. Gostilo, S. Zatoloka, A. Mekys, J. Storasta, A. Zindulis // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A. − 2005. − V. 546. − P. 188—191.Vaitkus, J. Influence of electronic and ionic processes on electrical properties of TlBr crystals / J. Vaitkus, J. Banys, V. Gostilo, S. Zatoloka, A. Mekys, J. Storasta, A. Zindulis // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A. − 2005. − V. 546. − P. 188—191.Kozlov, V. Degradation effects in TlBr single crystals under prolonged bias voltage / V. Kozlov, M. Kemell, M. Vehkamaki, M. Leskela // Ibid. − 2007. − V. 576. − P. 10—14.Kozlov, V. Degradation effects in TlBr single crystals under prolonged bias voltage / V. Kozlov, M. Kemell, M. Vehkamaki, M. Leskela // Ibid. − 2007. − V. 576. − P. 10—14.Du, M.−H. First principles study of native defects in TlBr: carrier trapping, compensation and polarization phenomenon / M.−H. Du // J. Appl. Phys. − 2010 − V. 108. − P. 053506.Du, M.−H. First principles study of native defects in TlBr: carrier trapping, compensation and polarization phenomenon / M.−H. Du // J. Appl. Phys. − 2010 − V. 108. − P. 053506.Grigorjeva, L. The model of recombination process in TlBr / L. Grigorjeva, D. Millers // Nucl. Instr. and Meth. Phys. Res. − 2002. − V. 191. − P. 131—134.Grigorjeva, L. The model of recombination process in TlBr / L. Grigorjeva, D. Millers // Nucl. Instr. and Meth. Phys. Res. − 2002. − V. 191. − P. 131—134.Kim, H. Developing larger TlBr detectors−detector performance / H. Kim, L. J. Cirignano, A. V. Churilov, G. Ciampi, W. M. Higgins, F. Olshner, K. S. Shah // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 2009. − V. 56. − P. 185.Kim, H. Developing larger TlBr detectors−detector performance / H. Kim, L. J. Cirignano, A. V. Churilov, G. Ciampi, W. M. Higgins, F. Olshner, K. S. Shah // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 2009. − V. 56. − P. 185.Du, M.−H. First principles study of impurities in TlBr / M.−H. Du // J. Appl. Phys. − 2012. − V. 111. − P. 073519.Du, M.−H. First principles study of impurities in TlBr / M.−H. Du // J. Appl. Phys. − 2012. − V. 111. − P. 073519.Smirnov, N. B. Electrophysisical characteristics of TlBr crystals grown in various ambients / N. B. Smirnov, I. S. Lisitsky, M. S. Kuznetsov, A. V. Govorkov, E. A. Kozhukhova // IEEE Nucl. Sci. Symp. Conf. Record. − 2006. − V. 6. − P. 3700.Smirnov, N. B. Electrophysisical characteristics of TlBr crystals grown in various ambients / N. B. Smirnov, I. S. Lisitsky, M. S. Kuznetsov, A. V. Govorkov, E. A. Kozhukhova // IEEE Nucl. Sci. Symp. Conf. Record. − 2006. − V. 6. − P. 3700.Gazizov, I. M. Kinetika otklika toka detektorov TlBr v pole gamma-izlucheniya vysokoi moshnosti dozy / I. M. Gazizov, V. M. Zaletin, V. M. Kukushkin, M. S. Kuznecov, I. S. Lisickii // FTP. − 2012. − V. 46, N 3. − P. 405.Gazizov, I. M. Kinetika otklika toka detektorov TlBr v pole gamma-izlucheniya vysokoi moshnosti dozy / I. M. Gazizov, V. M. Zaletin, V. M. Kukushkin, M. S. Kuznecov, I. S. Lisickii // FTP. − 2012. − V. 46, N 3. − P. 405.Smith, H. M. Electronic effects of Se and Pb dopants in TlBr / H. M. Smith, D. J. Phillips, I. D. Sharp, J. W. Beeman, D. C. Chrzan, N. M. Haegel, E. E. Haller, G. Ciampi, H. Kim, K. S. Shah // Appl. Phys. Lett. − 2012. − V. 100. − P. 202102.Smith, H. M. Electronic effects of Se and Pb dopants in TlBr / H. M. Smith, D. J. Phillips, I. D. Sharp, J. W. Beeman, D. C. Chrzan, N. M. Haegel, E. E. Haller, G. Ciampi, H. Kim, K. S. Shah // Appl. Phys. Lett. − 2012. − V. 100. − P. 202102.Smirnov, N. B. Vliyanie atmosfery vyrashivaniya na harakteristiki kristallov TlBr / N. B. Smirnov, A. V. Govorkov, K. S. Zaramenskih, I. S. Lisickii // Cvetnye metally. − 2011. − N 6. − P. 51—55.Smirnov, N. B. Vliyanie atmosfery vyrashivaniya na harakteristiki kristallov TlBr / N. B. Smirnov, A. V. Govorkov, K. S. Zaramenskih, I. S. Lisickii // Cvetnye metally. − 2011. − N 6. − P. 51—55.Tapiero, M. Photoinduced current transient spectroscopy in high−resistivity bulk materials: instrumentation and methodology / M. Tapiero, N. Benjelloun, J. P. Zelinger, S. El Hamdi, C. Noguet // J. Appl. Phys. − 1988 − V. 64. − P. 4006.Tapiero, M. Photoinduced current transient spectroscopy in high−resistivity bulk materials: instrumentation and methodology / M. Tapiero, N. Benjelloun, J. P. Zelinger, S. El Hamdi, C. Noguet // J. Appl. Phys. − 1988 − V. 64. − P. 4006.Lisickii, I. S. Elektricheskie svoistva i detektornye harakteristiki kristallov TlBr, poluchennyh v razlichnyh usloviyah / I. S. Lisickii, N. B. Smirnov, M. S. Kuznecov, A. V. Govorkov, E. A. Kozhuhova, V. M. Zaletin. // V sb. «Trudy «Giredmet». − M. : ZAO «Print», 2007. − P. 130—139.Lisickii, I. S. Elektricheskie svoistva i detektornye harakteristiki kristallov TlBr, poluchennyh v razlichnyh usloviyah / I. S. Lisickii, N. B. Smirnov, M. S. Kuznecov, A. V. Govorkov, E. A. Kozhuhova, V. M. Zaletin. // V sb. «Trudy «Giredmet». − M. : ZAO «Print», 2007. − P. 130—139.Martin, G. M. Detailed electrical characterization of the deep Cr acceptor in GaAs / G. M. Martin, A. Mitonneau, D. Pons, Mircea, D. W. Woodward // J. Phys. C: Solid State Phys. − 1980. − N 13. − P. 3855.Martin, G. M. Detailed electrical characterization of the deep Cr acceptor in GaAs / G. M. Martin, A. Mitonneau, D. Pons, Mircea, D. W. Woodward // J. Phys. C: Solid State Phys. − 1980. − N 13. − P. 3855.

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