WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 3 Ширина запрещенной зоны и оптические свойства твердых растворов CdxHg1-x-yZnyTe в ультрафиолетовой и видимой области спектра © А.И. Белогорохов¶, А.А. Флоренцев, И.А. Белогорохов, Н.В. Пашкова, А.В. Елютин Государственный научный центр „Гиредмет“, 119017 Москва, Россия Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (физический факультет), 119899 Москва, Россия (Получена 12 мая 2005 г. Принята к печати 27 мая 2005 г.) Проведены исследования оптических свойств полупроводникового твердого раствора CdxHg1-x-y Zny Te в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра. Найдены соотношения, позволяющие по положению особых точек E0 и E1 в оптических спектрах оценивать состав x и y данного материала. Получено хорошее соответствие теоретических и экспериментальных результатов в области составов 0.09 < x < 0.22, 0.02 < y < 0.17.

PACS: 78.20.Ci, 71.20.Nr 1. Введение потенциала изучалось влияние цинка, в [6] — цинка и марганца на ширину запрещенной зоны (Eg) Полупроводниковые твердые растворы HgCdMnTe и CdHgZnTe. Тем не менее, имея одно CdxHg1-x-yZnyTe привлекают к себе внимание как уравнение и два неизвестных (x, y), невозможно перспективные материалы для производства на их однозначно определить состав материала. Требуется основе фотоприемных устройств, работающих в привлечение дополнительных экспериментальных инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн, включая 3-5 методов для решения данной задачи. В частности, и 8-12 мкм — так называемые „окнах прозрачности“ в дополнение к регистрации спектров поглощения в области межзонных переходов можно использовать атмосферы. В настоящее время для этих нужд в регистрацию спектральных зависимостей коэффициента основном используются твердые растворы CdxHg1-xTe, отражения R() в видимом и ультрафиолетовом (УФ) на основе которых созданы приборы высокого качества.

диапазонах длин волн. В области больших энергий Тем не менее существует ряд проблем, связанных с фотонов в спектральных зависимостях R() наблюданестабильностью свойств этого материала, обусловленются экстремумы, которые обусловлены переходами Eной неконтролируемым частичным перераспределением из валентной зоны в зону проводимости в направдефектов решетки и ионов ртути в объеме, особенно лении [111] ( ) зоны Бриллюэна, E1 + в том же в приповерхностной области, этого полупроводника.

направлении из зоны, отщепленной за счет спинПостоянное совершенствование технологии получения орбитального взаимодействия, E2 — межзонные CdxHg1-x Te, направленное на улучшение структурного переходы и т. д. Используется классификация оптических совершенства материала, а также разработка новых переходов в окрестности особых точек зоны Бриллюэна, конструкций ИК-фотоприемников позволили в больпринятая для алмазоподобных полупроводников [13].

шинстве случаев избавиться от этого недостатка.

В настоящее время известны зависимости спектрального Вместе с тем идет постоянный поиск новых подходов положения указанных особенностей от состава для к решению данной проблемы. Введение четвертого твердых растворов Cdx Hg1-xTe [14] и Cd1-yZnyTe [15].

компонента в тройной твердый раствор CdxHg1-x Te Для CdxHg1-x-yZnyTe таких данных нет. Чтобы иногда позволяет продвинуться в этом направлении.

определить значения x и y, можно воспользоваться массВ большинстве случаев для этого использовались спектрометрическими методами. По сравнению с ними Mn [1–5], Zn [6–11] и Se [12]. Введение одного из этих неразрушающие методы оптической спектроскопии элементов в CdxHg1-xTe понижает нестабильность его имеют ряд преимуществ, в частности экспрессность, кристаллической решетки. Так, например, добавление и часто используются для получения информации о цинка приводит к упрочнению связей в твердом дисперсионной зависимости функции диэлектрического растворе, что влечет за собой улучшение его отклика гетерополярных полупроводниковых кримеханических свойств и положительно сказывается сталлов, к которым, в частности, относится твердый на стабильности рабочих характеристик ИК-детекторов.

раствор CdxHg1-x-yZnyTe. Цель работы состояла в В то же время введение еще одного компонента исследовании оптических свойств CdxHg1-x-yZnyTe в приводит к необходимости решать проблему точного УФ-, видимом и ИК-диапазонах длин волн, с тем чтобы определения состава твердого раствора. В [8] в сопоставить энергии межзонных переходов в области приближении виртуального кристалла и когерентного особых точек зоны Бриллюэна с составом твердого ¶ E-mail: belog@mig.phys.msu.ru раствора.

282 А.И. Белогорохов, А.А. Флоренцев, И.А. Белогорохов, Н.В. Пашкова, А.В. Елютин 2. Образцы и методика эксперимента Выращивание эпитаксиальных слоев CdxHg1-x-yZnyTe (0.09 < x < 0.22, 0.02 < y < 0.17) проводили методом жидкофазной эпитаксии в запаянной кварцевой ампуле при температуре 490-500C на подложках Cd1-xZnxTe (x = 0.03-0.05) ориентации (111)B. Выращенные слои имели p-тип проводимости. После отжига образцов в насыщенных парах ртути в течение 4-5 ч концентрация дырок составляла (0.8-1.0) · 1016 см-3, подвижность носителей заряда µ >500 см2В-1с-1. Плотность дислокаций в эпитаксиальных слоях не превышала значений (2-4) · 104 см-2.

Спектры отражения и пропускания в видимой и УФобласти длин волн регистрировались на спектрофотоРис. 1. Экспериментальные спектры пропускания образца метре Hitachi-330 с разрешением по волновым чисCd0.22Hg0.75Zn0.03Te при двух температурах измерений.

лам 1 нм, в ИК-области с помощью фурье-спектрометра IFS-113v (Bruker) со спектральным разрешением не хуже 0.2 см-1. Обработка экспериментальных завиCdxHg1-xTe [18] и ZnyHg1-yTe [19] позволяет получить симостей проводилась с использованием соотношений в явном виде искомую зависимость Eg(x, y), которая Крамерса–Кронига.

приведена в [6]. Воспользоваться ею можно только в области небольших x и y, так как значения Eg(x) 3. Результаты и их обсуждение для тройных твердых растворов CdHgTe, ZnHgTe и CdZnTe, полученные с ее помощью, а также значения Eg 3.1. Область межзонных переходов для крайних бинарных компонентов CdxHg1-x-yZnyTe (CdTe, HgTe, ZnTe), рассчитанные согласно (2) [6], знаЗначение Eg исследованных образцов определялось из чительно отличаются как от экспериментальных данных, оптических спектров в области межзонного поглощения.

так и от результатов, полученных другими исследоНа рис. 1 представлены спектры пропускания одного из образцов CdxHg1-x-y ZnyTe, полученные при температу- вателями [10,13]. Так, например, при T = 300 K, согласно (2) [6], Eg (CdTe) =3.18 эВ, Eg (ZnTe) =3.24 эВ, ре T = 78 и 295 K.

Для определения значений x и y необходимо вос- в то время как эти величины должны быть равныпользоваться функциональной зависимостью, связываю- ми 1.513 эВ [20] и 2.28 эВ [19,21] соответственно. Удощей состав твердого раствора и энергию межзонного влетворительное совпадение наблюдается лишь в слуперехода. Если рассматривать CdxHg1-x-y ZnyTe как чае HgTe (Eg (HgTe) =-0.14 эВ [6]). Для того чтобы комбинацию трех тройных твердых растворов, как это устранить указанные несоответствия, было составлено было предложено в [16], то для нахождения значений новое соотношение (3) для Eg(x, y) CdxHg1-x-yZny Te с ширины запрещенной зоны CdxHg1-x-yZnyTe можно привлечением методов математического моделирования:

использовать приближение виртуального кристалла и Eg(x, y)(CdxHg1-x-y ZnyTe)(эВ) = получить слелующее соотношение:

- 0.301 + 2.03x + 5.1 · 10-3y1/2 + 2.731y-3.2x(1 - x - y) xE12(z ) +yE134(l) + xyE23(s) Eg(x, y) =, (1 - x - y)(x + y) +xy + 5.35 · T · 10-4(1 - 1.5x - 0.35y1/2 - 1.28y) (1) где E12 = Eg (Cdz Hg1-z Te), E23 = Eg (ZnsCd1-sTe), + 3.05x3 - 2.181y2 + 2.132y3. (3) E13 = Eg (ZnlHg1-lTe), z =(2x + y)/2, s =(1 - x + y)/2, Использование выражения (3) позволяет получать корl =(2y + x)/2. В работе [17] был предложен ректные значения Eg для бинарных кристаллов CdTe, значительно более простой метод определения HgTe и ZnTe, а также значительно уменьшить рассоглавеличины Eg по известным значениям x и y. В рамках сование с данными других исследователей для тройных этого подхода твердый раствор CdxHg1-x-y ZnyTe твердых растворов CdHgTe, ZnHgTe и CdZnTe, составпредставлен как совокупность не трех, а двух ляющих CdxHg1-x-yZny Te, во всем диапазоне составов.

трехкомпонентных твердых растворов. Для вычисления Это хорошо видно из рис. 2 и 3, на которых приведены Eg была предложена следующая формула:

зависимости Eg(x) для указанных выше материалов, Eg(Cdx Hg1-x-yZnyTe) =0.5Eg(CduHg1-uTe) рассчитанные согласно [6], результаты исследований, взятые из работ [18,19], а также результаты расчета по + 0.5Eg(ZnwHg1-wTe), (2) формуле (3). Использование значений температурного где u = 2x, w = 2y. Подстановка в (2) эмпири- коэффициента Eg/T [6] позволило получить удовлеческих соотношений для Eg(x) твердых растворов творительное соответствие между экспериментальными Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Ширина запрещенной зоны и оптические свойства твердых растворов Cdx Hg1-x-yZnyTe... сделать, анализируя, например, результаты исследований оптических свойств материала CdxHg1-x-yZnyTe в видимом и УФ-спектральных диапазонах.

3.2. Оптические свойства Cdx Hg1-x-y ZnyTe в видимом и УФ-диапазонах длин волн Электромагнитное излучение видимого диапазона длин волн проникает в материал CdxHg1-x-yZnyTe на глубину порядка 50-60. Поэтому вид и форма спектральных зависимостей в окрестности особых точек в большой степени зависят от совершенства кристаллической решетки в приповерхностной области образца. Зависимости коэффициента отражения от энергии фотона R(E) многокомпонентных твердых растворов в области критических точек несколько уширены по Рис. 2. Зависимость значений ширины запрещенной зоны сравнению с R(E) бинарных соединений. Как правило, CdxHg1-x Te от состава x. 1 —расчет согласно (3), 2 — [18], это происходит вследствие неоднородного распределе3 — [6].

ния потенциального рельефа в объеме твердого раствора. В результате зависимость характерных энергий поглощения квантов света, обусловленных переходами типа E0, E0 +, E1, E1 + и других, от состава 0 материала оказывается нелинейной. Для тройных твердых растворов можно определить энергию перехода, воспользовавшись следующим соотношением [13]:

Ej(x) =EAB +(EAC - EAB)x - C(x)(1 - x), (4) j j j где AB и BC — бинарные компоненты кристалла AB1-xCx. Для тройных соединений, составляющих CdxHg1-x-yZny Te, значения параметра C при T = 300 K приведены в табл. 2.

Таблица 1. Экспериментальные и теоретические значения Eg(x, y) CdxHg1-x-y Zny Te при T = 300 K Рис. 3. Зависимость значений ширины запрещенной зоны Состав Eg(x, y), эВ Hgx Zn1-x Te от состава x. 1 —расчет согласно (3), 2 — [19], Расчет по Расчет по 3 — [6]. x y Расчет [6] Эксперимент формуле (1) формуле (3) 0.07 0.49 1.131 1.058 0.899 0.81 [10] 0.1 0.1 0.239 0.223 0.226 0.и теоретическими результатами при T = 77.3K. Напри0.18 0.39 1.017 0.920 0.843 0.86 [10] мер, для образца Cd0.22Hg0.75Zn0.03Te, спектры пропус- 0.18 0.02 0.161 0.170 0.138 0.0.22 0.03 0.239 0.251 0.196 0.кания которого показаны на рис. 1, значения Eg(x, y, T ), 0.10 0.11 0.262 0.256 0.247 0.24 [10] рассчитанные согласно (3), равны: Eg K = 0.196 эВ и 78 0.09 0.13 0.294 0.286 0.275 0.Eg K = 0.128 эВ, что, как видно из рис. 1, неплохо 0.15 0.11 0.330 0.328 0.304 0.согласуется с экспериментальными данными.

0.07 0.17 0.355 0.345 0.326 0.Результаты расчетов, а также экспериментальные данные для CdxHg1-x-yZny Te приведены в табл. 1. МожТаблица 2. Значения константы C, входящей в уравнено видеть удовлетворительное совпадение теоретичение (4), для тройных твердых растворов, составляющих ских (3) и экспериментальных данных.

CdxHg1-x-y Zny Te Зная только спектральное положение края основного поглощения Cdx Hg1-x-yZnyTe и имея в своем распоЗначение константы C Тип ряжении одно уравнение с двумя неизвестными (3), перехода CdxHg1-x Te Zny Hg1-y Te Cd1-x ZnxTe нельзя однозначно определить значения x и y. Для этого необходимо построить еще одну функциональную E1 0.802 0.693 0.E1 + 1 0.693 0.411 0.зависимость, связывающую эти величины. Это можно Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 284 А.И. Белогорохов, А.А. Флоренцев, И.А. Белогорохов, Н.В. Пашкова, А.В. Елютин ное положение особых точек спектра R(E) можно с высокой точностью. Особые точки типа E0 располагаются в области энергий фотонов 2.28 эВ для ZnTe и 1.51 эВ для CdTe. Для твердого раствора Cd0.18Hg0.8Zn0.02Te подобное значение энергии должно быть равным 0.138 эВ. Как правило, изменение формы спектральных зависимостей R(E) в области критических точек E0 + незначительно, поэтому регистрировать их положение с высокой точностью достаточно сложно. Иная картина наблюдается в случае E1. В силу того что она является седловой точкой, в ее окрестности имеет место существенное изменение вида функции плотности состояний, и это обусловливает хорошо выраженный рельеф R(E) в этой спектральной области. По этой причине представляется вполне естественным остановить свой выбор на Eпри решении проблемы определения состава твердого раствора CdxHg1-x-yZnyTe.

Рис. 4. Зависимость значений энергии переходов носителей заряда в области особых точек зоны Бриллюэна в Cdx Hg1-xTe от состава x. Штрихпунктирные кривые — расчет [22], квадраты — результаты работы [14], треугольники — экспериментальные данные.

От того, как была подготовлена к проведению измерений поверхность образца, зависит точность определения спектрального положения искомой особенности R(E) и соответственно его состава. Различная морфология и высота рельефа поверхностного слоя влияют на положение максимумов R(E). Например, разница в значениях энергии переходов E1 в кристаллах CdHgTe, поверхность которых была обработана с помощью методов химикомеханической полировки и шлифовки, может достигать 0.035 эВ для x = 0.215 и 0.045 эВ для x = 0.24 [14]. По этой причине обработка поверхности исследованных в настоящей работе образцов проводилась с применением первого метода с доводкой до размеров шероховатости Рис. 5. Зависимость R(E)/R(E) для образца поверхности менее 20 нм. На рис. 4 приведены зави- Cd0.22Hg0.75Zn0.03Te. Стрелками отмечено положение особых точек. На вставке показан спектр R(E).

симости спектрального положения особых точек R(E) от состава x исследованных образцов CdxHg1-x Te, а также результаты работ [14,22]. Обсуждение вопроса о появлении дополнительной особенности в спектрах отражения исследованных образцов, обозначенной на рис. 4 буквой A, выходит за рамки настоящей работы. Аналогичные результаты были получены и для CdZnTe. Наблюдаемое хорошее совпадение результатов позволило определиться в выборе метода обработки поверхности образцов CdxHg1-x-yZnyTe.

Pages:     || 2 |



© 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.