ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ВЫРАЩИВАНИЯ И ЛЕГИРОВАНИЯ ДОНОРНЫМИ ПРИМЕСЯМИ НА МЕХАНИЗМ ПРОВОДИМОСТИ И СПЕКТРЫГЛУБОКИХ УРОВНЕЙ В КРИСТАЛЛАХ TlBr

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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Lordi, V. Point defects in Cd(Zn)Te and TlBr: Theory / V. Lordi // J. Cryst. Growth. − 2013. − V. 379. − P. 84—92.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. Du, M.−H. First principles study of impurities in TlBr / M.−H. Du // J. Appl. Phys. − 2012. − V. 111. − P. 073519.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.