WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 3 Влияние примеси гадолиния на прозрачность и отражательную способность кристаллов Hg3In2Te6 © П.М. Горлей, О.Г. Грушка, З.М. Грушка Черновицкий национальный университет им. Ю. Федьковича, 58012 Черновцы, Украина (Получена 4 июня 2002 г. Принята к печати 17 июня 2002 г.) Представлены результаты измерений спектров пропускания и отражения света в области прозрачности полупроводниковых кристаллов Hg3In2Te6 Gd. Показано, что во всем исследованном диапазоне длин волн 2–25 мкм легирование приводит к увеличению сплошного бесструктурного поглощения на примесях и дефектах, создающих в запрещенной зоне квазинепрерывный спектр локализованных состояний. Уменьшение прозрачности сопровождается понижением коэффициента отражения, не зависящего от длины волны.

Изменение показателя преломления объясняется изменением характера связи и величины электронной поляризации кристаллов Hg3In2Te6 Gd. Установлена линейная зависимость изменения поляризационных констант от напряженности внутренних полей, существующих вблизи примесных дефектов.

В электронных и оптоэлектронных приборах, работа- рассеяния носителей заряда на акустических колебаниях ющих в экстремальных условиях и режимах, все боль- решетки. Электрические измерения показали, что пришее применение находят неупорядоченные материалы:

месные состояния не участвуют в проводимости на поаморфные и дефектные полупроводники [1,2]. К по- стоянном токе, а уровень Ферми, расположенный вблизи следним относятся материалы, подобные соединению середины запрещенной зоны в верхней ее половине, Hg3In2Te6 [3], в котором кристаллическая структура несколько опускается при увеличении концентрации типа сфалерита (катионная подрешетка) имеет больпримеси.

шую концентрацию ( 1021 см-3) стехиометрических Из исследований спектра коэффициента поглощения вакансий. Общими свойствами таких полупроводников в области края собственного поглощения выявлено, являются высокая стойкость к ионизирующим излучечто зависимость от энергии фотонов h для всех ниям, слабая зависимость электрических параметров образцов описывается правилом Урбаха exp(h/E0).

от введенных примесей и закрепление уровня Ферми Наклон линейного участка зависимости ln = f (h) вблизи середины запрещенной зоны благодаря эффекту уменьшается, а параметр E0 растет по мере увеличения самокомпенсации. Представляет интерес изучение роли содержания примеси в образцах. Наиболее вероятной структурного разупорядочения в эффекте компенсации причиной такой частотной зависимости коэффициента примеси без специально введенных центров противопопоглощения могут быть флуктуации потенциала, обусложного зарядового состояния.

ловленные структурным беспорядком, который привоДля исследованний использовались кристаллы дит к росту E0 [2]. Флуктуации вызывают образование Hg3In2Te6, выращенные по методу Бриджмена, с разу краев зоны проводимости и валентной зоны хвостов личным содержанием примеси гадолиния. Концентрация локализованных состояний, проникающих глубоко в запримеси гадолиния NGd в образцах (см. табл. 1) прещенную зону.

оценивалась по результатам измерения статической Чтобы получить информацию о состояниях в замагнитной восприимчивости [4].

прещенной зоне, были измерены спектры оптического Рентгенографические исследования показали, что лепропускания T и отражения R в области прозрачности гирование гадолинием не изменяет тип структуры (симв диапазоне длин волн = 2.0-25 мкм, т. е. в области метрия Td), однако параметр решетки a, определенный энергий фотонов h

постоянном значении R(). Различие состоит только По данным измерений электропроводности, коэффив величинах измеренных параметров, которые уменьшациент Холла и термоэдс кристаллов Hg3In2Te6 Gd, обладающих биполярной проводимостью подобно соб- ются с ростом уровня легирования, т. е. прозрачность и ственному полупроводнику, были рассчитаны эффек- отражательная способность уменьшаются по сравнению тивные массы электронов m/m0 (см. табл. 2) для с наблюдаемыми в чистом материале сразу же за краем случая сферических изоэнергетических поверхностей и собственного поглощения.

Влияние примеси гадолиния на прозрачность и отражательную способность кристаллов Hg3In2Te6 Таблица 1. Технологические параметры образцов Hg3In2Te6 и их оптические характеристики в диапазоне длин волн = 2-20 мкм в зависимости от содержания примеси гадолиния Образец NGd, 1019 см-3 a, d, см T R, см-1 k 1 0 6.2846 0.20 0.56–0.57 0.27 0.11–0.04 1.8 · 10-6-5.8 · 10-2 0.5 6.2857 0.19 0.50–0.52 0.24 0.97–0.78 1.6 · 10-5-1.3 · 10-3 1.3 6.2879 0.18 0.40–0.43 0.20 2.70–2.30 4.3 · 10-5-3.7 · 10-4 1.6 6.2900 0.20 0.24–0.28 0.17 5.29–4.53 8.4 · 10-5-7.2 · 10-5 2.3 6.2915 0.19 0.15–0.20 0.15 8.28–6.77 1.3 · 10-4-1.1 · 10-Примечание. a — постоянная решетки, d — толщина оразца, T —пропускание, R —отражение, — коэффициент поглощения, k — коэффициент экстинкции.

Таблица 2. Параметры образцов Hg3In2Te6, характеризующие электронную поляризуемость Образец m/m0 n aB, EB, эВ Ei, кВ/см a a a /Ei, 10-4см/кВ p p p 1 0.80 3.17 10.0 6.62 0.11 - 0.10 - 2 0.86 2.92 8.5 5.26 0.16 39.8 0.12 0.02 5.3 1.06 2.62 6.8 3.39 0.31 96.3 0.15 0.05 5.4 1.18 2.40 5.8 2.60 0.48 136.7 0.17 0.07 5.5 1.39 2.26 5.1 1.94 0.73 204.4 0.20 0.10 4.Примечание. m/m0 — эффективная масса электронов; — диэлектрическая проницаемость; n — показатель преломления; aB — боровский радиус; EB — боровская энергия; Ei — внутреннее электрическое поле; a, a — поляризационная константа и ее изменение.

p p Дополнительное поглощение, коррелирующее с кон- диэлектрической проницаемости и снижением плотноцентрацией примеси NGd в образцах, имеющих электро- сти материала при легировании, однако поведение проводность 10-4Ом-1 · см-1 и концентрацию носи- объяснить только изменением плотности на основании телей заряда 1013 см-3 при 300 K, не связано с по- формулы Клаузиуса–Мосотти [6] не представляется возглощением на свободных носителях. Причиной умень- можным.

шения прозрачности является поглощение на примесях Как принято [6], изменения показателей преломлеи дефектах. Коэффициент поглощения и коэффициент ния выражали через поляризационные константы, коэкстинкции k вычисляли соответственно по формуторые в случае изотропной среды, обладающей тольлам [5] ко электронной поляризацией, записываются в виде (1 - R)2e-d a = 1/n2 = 1/. Для кристаллов (в том числе симp T =, k =, 1 - R2e-2d метрии Td), не имеющих центра инверсии, известно явление приращения поляризационных констант под где d — толщина образцов, приведенная в табл. 1.

Как видно из табл. 1, даже в случае максимальных концентраций примеси коэффициент экстинкции k остается очень малой величиной по сравнению с показателем преломления n в формуле [5] R =[(n - 1)2 + k2]/[(n + 1)2 + k2], что дает возможность пренебречь величиной k и рассчитать для исследованных образцов показатель преломления, используя выражение n = (1 + R)/(1 - R), и соответственно диэлектрическую проницаемость = n2.

Полученные значения (см. табл. 2) представляют собой оптические диэлектрические проницаемости opt, которые зависят от электронной поляризации, вызванной смещением электронных облаков. Эти значения существенно меньше статической диэлектрической проницаемости (st 18.5), которая отличается от дополнительным компонентом, определяемым относительСпектры пропускания (a) и отражения (b) для образцов ным смещением ионов трехэлементного полупроводниHg3In2Te6, не легированного (1) и легированных гадолиника (ионной поляризацией) во внешнем электрическом ем (2–5). Номера кривых соответствуют номерам образцов.

поле. Наблюдается корреляция между уменьшением Значения NGd указаны в табл 1.

2 Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 274 П.М. Горлей, О.Г. Грушка, З.М. Грушка действием внешнего электрического поля — так называ- [7] В.Л. Бонч-Бруевич, И.П. Звягин, Р. Кайпер, А.Г. Миронов, Р. Эндерлайн, Б. Эссер. Электронная теория неупорядоемый электрооптический эффект. В исследуемом случае ченных полупроводников (М., Наука, 1981).

внешнее поле отсутствует, однако наблюдаемое приращение a (см. табл. 2), вероятнее всего, происходит изp Редактор Л.В. Шаронова за формирования внутреннего электрического поля благодаря дополнительным дефектам и локальным напряThe effect of gadolinium impurity жениям примесной природы. Для оценки напряженности on the transparency of a Hg3In2Te6 crystal характерного внутреннего поля было использовано выP.M. Gorley, D.G. Grushka, Z.M. Grushka ражение [7] Ei =(nta3 )3/5EB/eaB, где aB = /me2 — B боровский радиус, EB = me4/22 — боровская Chernovtsi National University, энергия. Как видно из табл. 2, с ростом содержания 58012 Chernovtsi, Ukraine примеси в образцах значение Ei увеличивается. С учетом ошибки эксперимента зависимость a = f (Ei) p может быть описана уравнением линейного электрического эффекта a = rEi, где, согласно табл. 2, p r = a /Ei 5 · 10-4 см/кВ. Таким образом, сильные p поля, которые существуют вблизи примесных дефектов, оказывают влияние на показатели преломления и величину кристаллов Hg3In2Te6.

Изменение величины aB и EB в зависимости от уровня легирования (см. табл. 2) свидетельствует о том, что с уменьшением боровского радиуса aB электроны локализуются сильнее, их боровская энергия EB растет с увеличением энергии связи электронов с примесными атомами, и соответственно повышается ионизационный потенциал. От последнего зависит величина электронной поляризуемости. Чем выше ионизационный потенциал, тем меньше поляризуемость [6]. Этот факт согласуетсся с особенностью неупорядоченных систем, в которых за счет искажения исходной матрицы становится выгодной тенденция к спариванию электронов в связывающих конфигурациях [1]. При этом флуктуации длин и углов связей вследствие деформации решетки приводят к размытию зон и возникновению локализованных состояний, квазинепрерывно распределенных в запрещенной зоне.

Этим состояниям, которые образуются у обеих зон свободных носителей, соответствуют уровни донорного и акцепторного типа. Взаимное перекрытие таких уровней обеспечивает самокомпенсацию вводимых примесей и фиксирует положение уровня Ферми вблизи середины запрещенной зоны.

Список литературы [1] А. Меден, А. Шо. Физика и применение аморфных полупроводников (М., Мир, 1991).

[2] Аморфный кремний и родственные материалы, под ред.

Х. Фрицше (М., Мир, 1991).

[3] G.G. Grushka, A.P. Bakhtinov, Z.M. Grushka. J. Adv. Mater., 4 (1), 36 (1997).

[4] О.Г. Грушка, П.М. Горлей, А.В. Бесценный, З.М. Грушка.

ФТП, 34 (10), 1197 (2000).

[5] Ю.И. Уханов. Оптические свойства полупроводников (М., Наука, 1977).

[6] И.С. Желудев. Физика кристаллических диэлектриков (М., Наука, 1968).

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.