Спосіб отримання епітаксійних плівок (snте)х

Винахід відноситься до технології напівпровідникових матеріалів, зокрема матеріалів для виготовлення плівкових термоелементів. До відомих термоелектричних матеріалів для середніх температур відносяться халькогеніди групи AIVB VI: PbTe, PbSe, PbTe + SnTe (Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства: Справ. - Киев: Наук. думка, 1979. - 768с.). Матеріали одержують в основному у вигляді полі- та монокристалів. Серед них відсутній твердий розчин (SnTe)x(PbSe)1-x. Відомо, що телурид свинцю PbTe, чистий, або легований SnSe, може використовуватись як термоелектричний матеріал для інтервалу 150 - 450°C. Матеріал виготовляють методом направленої кристалізації, або гарячим пресуванням. Такий матеріал схильний до сублімації і окислення. Точно не відомий склад системи PbTe-SnSe (Аморфные и поликристаллические полупроводники / Под ред. В. Хейванга. - М.: Мир, 1987. - С.61). Найбільш близьким до винаходу є спосіб отримання епітаксійних плівок твердих розчинів (SnTe)x(PbSe)1-x з заданими параметрами методом гарячої стінки шляхом нагріву підкладки до температури Tп випаровуванні вихідної речовини при Tв, нагріві стінок реактора до Tс, додаткового джерела халькогена до Tд (Фреик Д.М., Белей М.И., Галущак М.А., Войткив В.В. Получение пленок твердых растворов на основе теллурида олова и халькогенидов свинца p- и n-типа проводимости // Н.-т. сб. "Физ. электроника". - Львов. - Вып.12. - 1976. - С.100 - 104). Однак, так як матеріалом підкладки служить слюда, вихідною речовиною є механічна суміш компонентів (Sn, Pb, Te, Se), режим випаровування складається з двох етапів: 500 - 600К і 11140 - 1540К, температура підкладки змінюється в широких межах Tп = 300 - 870К, то одержані плівки по своїх стр уктурних та електричних характеристиках є недосконалими і не володіють термоелектричними параметрами, що обмежує їх практичне використання. В основу винаходу поставлене завдання створити спосіб отримання епітаксійних плівок твердого розчину (SnTe)x(PbSe)1-x з заданими параметрами методом гарячої стінки, в якому вибір матеріалу підкладки, виду ви хідних речовин, підбір температур Tп, Tв, Tс , Tд дозволили б забезпечити високі структурні, електричні, а головне, термоелектричні параметри плівок. Поставлене завдання вирішується тим, що в способі отримання епітаксійних плівок твердого розчину (SnTe)x(PbSe)1-x з заданими параметрами методом гарячої стінки, шляхом нагріву підкладки до температури Tп, випаровуванні вихідної речовини при Tв, нагріві стінок реактора до Tс, додаткового джерела халькогена до Tд, згідно винаходу, як матеріал підкладки використовують BaF2 , а як ви хідну речовину - суміш компонентів SnTe i PbSe при складі х = 0,7, причому пікладку нагрівають до Tп = 570 - 630К, суміш компонентів випаровують при Tв = 820К, стінки реактора нагрівають до Tс = 850К,а додаткове джерело до Tд = 500К. Використання BaF2 як матеріалу підкладки, замість слюди, суттєво покращує стр уктуру плівок в напрямку переходу від полікристалічної до монокристалічної, а тим самим і їх електричні параметри. Використання в ролі вихідної речовини суміші бінарних компонентів, замість механічної суміші окремих елементів, усуває високотемпературний етап синтезу сполук і посилює керованість параметрами плівок, включаючи термоелектричні. Експериментами встановлено, що основними параметрами, від яких залежать властивості плівок, є склад твердого розчину x, тобто склад вихідної суміші компонентів, та температура осадження Tп. Змінюючи Tп в межах 570 - 630К, можна зменшувати концентрацію дірок і підвищувати їх рухливість. Ці температури забезпечують p-тип провідності, досконалу структуру плівок з розміром монокристалічних фрагментів (0,5 - 1) × 104мкм, мозаїчністю 1,2 - 1,4. Температура випаровування Tв = 820К забезпечує ефективне випаровування компонентів у вигляді простих молекул, а температура стінок Tс = 850К перевищує на 30К Tв і усуває можливу конденсацію матеріалу на стінках реактора. Температура додаткового джерела Tд = 500К забезпечує достатній тиск парів телуру, що покращує структур у плівок. Вибраний склад твердого розчину x = 0,7 дозволяє одержувати високі значення коефіцієнтів термо-е.р.с.: a > 100мкВ/К при 300К і a > 20мкВ/К при 100К, дає можливість змінювати концентрацію дірок (за рахунок Tп) в межах 5 × 1018 - 5 × 1019см -3 і тим самим характер залежності a(T), яка є зростаючою при p = 4,5 × 1019см 3 , що в свою чергу дозволяє розширити температурний діапазон термоперетворювача (100 - 700К). Винахід пояснюється фіг.1, на якій зображено просторові залежності рухливості носіїв (площина 1), та їх концентрації (площина 2) при 77К в епітаксійних шарах системи (SnTe)x(PbSe)1-x від складу твердого розчину x та температури конденсації Tп, а також фіг.2, на якій наведені температурні залежності коефіцієнтів термо-е.р.с. шарів (SnTe)0,7(PbSe)0,3 для різних концентрацій дірок (см -3): 5,5 × 1018 (крива 3), 2,4 × 1019 (крива 4), 4,5 × 1019 (крива 5). Спосіб здійснюють таким чином. У способі отримання епітаксійних плівок твердого розчину (SnTe)x(PbSe)1- x з заданими параметрами методом гарячої стінки як матеріал підкладки використовують BaF2, а як вихідну речовину суміш компонентів SnTe і PbSe при складі x = 0,7, причому підкладку нагрівають до Tп = 570 - 630К, суміш компонентів випаровують при Tв = 820К, стінки реактора нагрівають до Tс = 850К, а додаткове джерело до Tд = 500К. Приклад конкретного виконання. Як вихідну речовину використовують суміш порошків синтезованих SnTe та PbSe масою 0,2 - 0,5г з концентрацією носіїв 1017 - 1018см -3. Температури задають в такому порядку: підкладці Tп = 570 - 630К (інтервал залежить від вибору залежності a(T), яка відображена фіг.2, тобто від концентрації носіїв заряду, яка в свою чергу зв'язана з Tп (фіг.1). Наприклад, при складі x = 0,7 і концентрації носіїв 2 × 1018см -3 температура підкладки повинна бути T п = 573К. Опісля задаємо температур у стінкам реактора Tс = 850К і, накінець, основному джерелу Tв = 820К і додатковому (Tе) Tд = 500К. Як матеріал підкладки використовують сколи BaF2 орієнтації . Час процесу 1год. забезпечує максимальну товщину плівок 8 - 20мкм. При концентрації дірок p = 5,5 × 1018см-3 робочий діапазон термоперетворювачів зміщується в низькі температури (100К), а при p = 4 - 5 × 1019см -3 у високі (³600К). Основні електричні та термоелектричні параметри плівок наведено в таблиці (при 77К). Як бачимо з таблиці, плівки при складі x = 0,7 порівняно із суміжними складами (при x = 0,6 і x = 0,8) мають перевагу як по термоелектричних параметрах (aZ), так і по величині рухливості носіїв заряду. Ці плівки по величині термоелектричної ефективності не уступають кращим халькогенідним матеріалам (Гольцман Б.М. и др. Пленочные термоэлементы: Физика и применение. - М.: На ука, 1985). Спосіб дозволяє, змінюючи Tп, одержувати і інші склади твердого розчину, тобто цілеспрямовано змінювати параметри плівок (SnTe)x(PbSe)1-x.