WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 3 Оптические свойства кристаллов твердых растворов (InSb)1-x(CdTe)x © В.А. Бродовой, Н.Г. Вялый, Л.М. Кнорозок Киевский государственный университет им. Тараса Шевченко, 252022 Киев, Украина (Получена 3 февраля 1997 г. Принята к печати 14 июля 1997 г.) В пределах растворимости CdTe в InSb (x 0.05) при комнатной температуре измерены спектры отражения и поглощения кристаллов твердых растворов (InSb)1-x(CdTe)x в интервале длин волн 2.5–25 мкм.

Анализ экспериментальных результатов подтвердил пригодность теории Кейна для всех исследованных opt составов. Определено изменение оптической ширины запрещенной зоны Eg и эффективной массы на уровне opt Ферми mc от состава. Показано, что минимальные величины mc = 0.8 · 10-2m0 и Eg = 0.07 эВ достигаются при x = 0.02-0.03. Из кривых поглощения в области поглощения свободными носителями заряда получена информация о преобладающем механизме рассеяния для каждого сплава. Выполнены рентгеноструктурные исследования и определено изменение постоянной решетки твердых растворов относительно чистого InSb, opt a(x). Показано, что ход mc(x), Eg (x) однозначно определяется изменением a(x). В свою очередь a(x) обусловлено сложным характером взаимодействия легирующих примесей между собой и решеткой InSb.

Известно, что всякого рода отклонения от идеальной спектры отражения измерялись в зависимости от конкристаллической структуры в узкощелевых полупровод- центрации электронов n. Коэффициент поглощения K никах могут оказать заметное влияние на формирование находился из спектров оптического пропускания T( ) энергетического спектра носителей заряда в том случае, по формуле если флуктуации потенциальной энергии электронов и (1 - R)2e-Kd T =. (1) дырок сравнимы с шириной запрещенной зоны ввиду 1 - R2Kd ее малости. Примером таких неупорядоченных систем, Спектры пропускания измерялись в интервале энергий в которых конфигурационный беспорядок реализуется в фононов (0.1–0.5) эВ, где коэффициент отражения R был одной или в нескольких кристаллических подрешетках, постоянен и равен 0.36.

являются твердые растворы (ТР) полупроводников.

На рис. 1, a показана зависимость коэффициента отВ настоящей работе с целью получения информации ражения от энергии падающих фотонов для ряда ТР о влиянии состава на параметры зонной структуры сплавов, исследованы спектры отражения и поглощения кристаллов системы (InSb)1-x(CdTe)x, образующих непрерывный ряд ТР при x 0.05 [1–3].

Исследовались монокристаллы ТР, полученные направленной кристаллизацией расплава InSb, содержащего примеси Cd и Te в эквиатомном соотношении. Суммарная концентрация примесей изменялась от 3.75 · 1019 см-3 (x = 0.0025) до 7.5 · 1020 см-3.

(x = 0.05). Синтез проводился в вакуумированных до 10-3 Па кварцевых ампулах. Расплав гомогенизировался при температуре 1100C в течение не менее 100 ч. Состав и однородность сплавов контролировались методами рентгеноструктурного и микрохимического анализов.

После механической полировки образцы обрабатывались полирующими травителем СР-4А. Размеры пластин составляли 0.8 0.4 0.3см-3. При измерении поглощения толщина пластин d уменьшалась до 70 мкм.

Все кристаллы были n-типа. Концентрация свободных электронов n и их подвижность, µn, как функции от состава, вычислялись из измерений проводимости и холловского коэффициента Rx.

Измерение спектров отражения и поглощения выполнялись на двухлучевом спектрометре типа SPEKORD Рис. 1. a — зависимость коэффициента отражения R от при комнатной температуре, в интервале длин волн от энергии фотонов, кристаллов (InSb)1-x(CdTe)x, x: 1 — 0.03, 2.5 до 25 мкм.

2 — 0.02, 3 — 0.01, 4 — 0.04, 5 — 0.05. Зависимость эффекИсследовано девять групп образцов, параметры кото- тивной массы от состава; b — на уровне Ферми, c —на дне рых приведены в таблице. В пределах каждой из групп зоны проводимости.

304 В.А. Бродовой, Н.Г. Вялый, Л.М. Кнорозок Концентрация и холловская подвижность электронов кристаллов (InSb)1-x(CdTe)x при T = 300 K № группы Концентрация электронов, Подвижность электронов, Состав, x образцов в пределах группы n, см-3 в пределах группы µn, см2/В · с 1 0 (7.2 ± 4.6) · 1016 (2.3 ± 1.1) · 2 0.0025 (3.5 ± 1.2) · 1018 (6.2 ± 3.8) · 3 0.005 (8.4 ± 7.3) · 1018 (8.2 ± 7.1) · 4 0.0075 (6.4 ± 1.9) · 1018 (3.2 ± 2.4) · 5 0.01 (2.8 ± 0.8) · 1018 (3.5 ± 1.8) · 6 0.02 (7.2 ± 1.6) · 1017 (6.6 ± 5.4) · 7 0.03 (6.6 ± 2.1) · 1017 (6.4 ± 5.2) · 8 0.04 (7.7 ± 3.5) · 1017 (6.0 ± 4.3) · 9 0.05 (1.1 ± 0.7) · 1019 (8.7 ± 6.3) · разного состава. Все кривые имели резко выраженный Используя в области малых энергий ( < 0.3эВ) характерный минимум, соответствующий резонансному известную связь между K и длиной волны падающего поглощению свободными носителями заряда. По по- излучения, в виде K = A, где показатель степени ложению минимумов min для разных x определялась зависит от механизма рассеяния носителей заряда, эффективная масса носителей заряда на уровне Ферми можно получить информацию о преобладающем мехаme. Согласно [4], низме рассеяния для каждого сплава. Представленные в двойных логарифмических координатах кривые K( ) mc = e2n/0min( - 1). (2) ложились на прямую линию, что позволило определить параметр. Вычисления дали для x = 0.0025 - = 2;

Значение для каждого состава вычислялось по x = 0.05 - = 1.94; x = 0.02 - = 3.6 и методике, изложенной в [4]. Известно, что в области x = 0.01- = 3.5. Значения, близкие к 2, характерны частот, близких к Eg/, где Eg — ширина запрещенной для сильно вырожденных материалов. Для этих же ТР зоны исследуемого материала, коэффициент нормально подвижность электронов µn = Rx в широком темпераго отражения R равен R =( -1)2/( +1)2. Из турном интервале (100–400) K практически не зависит кривых на рис. 1, a видно, что при повышении энергии от температуры [3]. Величины = 3-3.5 наблюдадля всех составов R стремится к 36%, что дает значение = 16. Отметим, что, согласно [4], погрешность в определении mc и указанными методами не превышает 10–15%, если электронный газ сильно вырожден, что всегда имело место в нашем случае. Вычисленные по формуле (2) значения mc/m0 приведены на рис. 1, b.

Связь между mc и n в предположении кейновского закона дисперсии может быть представлена в виде [5] mc/m0 2 Eg n2/= 32.5 · 10-32 + 8.25 · 10-30, (3) 1 - mc/m0 P4 Pгде матричный элемент оператора импульса P для InSb и других соединений AIIIBV с точностью до 20% равен 8.7 · 10-8 эВ · см.

На рис. 2, a приведены экспериментальные зависимости [(mc/m0)/(1 - mc/m0)]2 = f (n2/3). Видно, что экспериментальные точки ложатся на прямую линию, что служит подтверждением пригодности теории Кейна для всех исследованных составов. По отрезкам, отсекаемым прямыми от оси ординат, определена ширина запрещенopt ной зоны Eg для каждого из составов (рис. 2, c).

На рис. 3, b показаны типичные зависимости K( ) Рис. 2. a — зависимость эффективной массы электронов на для трех кристаллов с различным содержанием Cd уровне Ферми от их концентрации для разных x: 1 — 0.05, и Te. На кривых поглощения можно выделить два 2 — 0.01, 3 — 0.04, 4 — 0.0025. b — зависимость параметра нарастающих участка в областях больших и малых решетки твердых растворов от состава. c — зависимость opt энергий, соответственно характеризующих межзонные оптической ширины запрещенной зоны твердых растворов Eg переходы и поглощения свободными носителями заряда.

от состава.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Оптические свойства кристаллов твердых растворов (InSb)1-x(CdTe)x Для всех кристаллов со структурой алмаза и цинковой обманки EP = 20 эВ с точностью 20% [6]. Полученные таким образом величины Ef и mc(0) приведены на opt рис. 1, c и 3, a. Значение Eg, полученное из анализа кривых поглощения, как по характеру зависимости от энергии, так и по абсолютным величинам практически совпадало с приведенным на рис. 2, c.

Из рис. 1, c и 2, c следует, что зависимости эффективной массы и оптической ширины запрещенной зоны от состава носят сложный, немонотонный характер. Миниopt мальные значения mc = 0.8 · 10-2m0 и Eg = 0.07 эВ достигаются в области x = 0.02-0.03. Для выяснения причин наблюдаемых особенностей выполнены рентгеноструктурные исследования и определено изменение параметра решетки ТР a(x) = ax - a0, где ax и a0 — параметры решетки сплавов и чистого InSb соответственно (рис. 2, b). Из сопоставления кривых на opt рис. 1, c, 2, c и 2, b следует, что ход mc(x) и Eg (x) однозначно определяется изменением a(x). В свою очередь можно предположить, что зависимость a(x) Рис. 3. a — зависимость положения уровня Ферми отобусловлена сложным характером взаимодействия легиносительно дна зоны проводимости от состава. b — тирующих примесей между собой и с решеткой InSb.

пичные кривые поглощения кристаллов твердых растворов Известно, что атомы Te замещают в решетке InSb (InSb)1-x(CdTe)x. x: 1 — 0.0025, 2 — 0.05, 3 — 0.01.

атомы Sb и определяют электронный тип проводимости кристаллов, атомы Cd на местах In играют роль акцепторов. Тетраэдрические и ионные радиусы взаимодейются, если рассеяние происходит на ионах примесей.

ствующих атомов соответственно равны RSb = 1.36, Этот вывод следует также из анализа температурной + RTe = 1.32, RTe = 0.5, RIn = 1.44, RCd = 1.48, зависимости подвижности. В температурном интервале RCd- = 1.8 [7]. При этих условиях замена атомов Sb (100–400) K µn T, где близко к 1.5 [3].

положительными ионами Te+ приведет к растяжению реПри более высоких энергиях ( > 0.3эВ) анализ шетки и увеличению a. Минимум при x = 0.01 можно формы длинноволновой границы собственного поглощеобъяснить увеличенем содержания Cd в растворе в виде ния затруднен по ряду причин, в том числе тем, что на ионов Cd- и уменьшением количества Te+ вследствие поглощение при прямых переходах между соответствукулоновского притяжения и образования нейтральных ющими состояниями в зонах с одинаковым волновым комплексов (CdTe)0 с постоянной решетки, близкой к числом может нагалаться поглощение с участием хвоInSb (aCdTe = 6.4822 ). Рост a (0.01 < x < 0.03), стов плотности состояний. Существенным усложнением по-видимому связан с образованием в расплаве больших является и то, что в условиях сильного вырождения на концентраций нейтральных комплексов типа In2Te3, сопоглощение в области длинноволнового края накладывастоящих из трех ионов Te+ на местах Sb, двух атомов ется поглощение свободными носителями заряда. Анализ In и отрицательной заряженной вакансии In. Учитывая, показал, что начиная с K 200 см-1, K2, что что для In2Te3 характерны две кубические модификации характерно для прямых переходов. Оптическая ширина с постоянными решетки a = 6.15 и a = 18.40 [8], opt запрещенной зоны Eg находилась по отрезкам, отсекаможно ожидать, что в первом случае произойдет расшиемым прямыми K2 от оси энергий с учетом полорение решетки ТР вследствие того, что aInSb > aIn2Te3, а жения уровня Ферми в зоне проводимости. Для оценки во втором — ее сжатие, так как aIn2Te3 > aInSb. Эффект последнего использовались экспериментальные значения будет иметь место, если с ростом степени легирования эффективной массы на уровне Ферми mc. Согласно [6], концентрация комплексов с большей постоянной решетсвязь между величинами эффективных масс на уровне ки в ТР возрастает.

Ферми и на дне зоны проводимости дается выражением В заключение следует отметить, что в образцах, специально насыщенных Cd при изготовлении, максимум на Ef opt mc = mc(0) 1 + 2. (4) кривой a(x) и минимумы на кривых Eg (x) и mc(x) при Eg x = 0.0025 не наблюдались.

В итоге выполнения работы показано наличие взаимоЗначение mc(0) находилось по формуле [6] действия между донорами и акцепторами в ТР, которое приводит к существенному изменению структуры решет1 EP 1/mc(0) = 1 +. (5) ки и физических свойств соответствующих материалов.

m0 Eg 4 Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 306 В.А. Бродовой, Н.Г. Вялый, Л.М. Кнорозок Список литературы [1] Э.Н. Хабаров, П.В. Шаровский. ДАН СССР, 155, (1964).

[2] Л.А. Скоробогатова, Э.Н. Хабаров. ФТП, 8, 401 (1974).

[3] В.А. Анищенко, В.А. Бродовой, Н.Г. Вялый, В.А. Викулов, Л.М. Кнорозок. Неорг. матер., 29, 332 (1993).

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

[5] И.М. Цидильковский Электроны и дырки в полупроводниках (М., Наука, 1972).

[6] И.М. Цидильковский. Бесщелевые полупроводники — новый класс веществ (М., Наука, 1986).

[7] П.И. Баранский, В.П. Клочков, И.В. Потыкевич. Полупроводниковая электроника. Справочник (Киев, Наук. думка, 1975).

[8] Физико-химические свойства полупроводников. Справочник (М., Наука, 1979) разд. 2. с. 70.

Редактор В.В. Чалдышев Optical properties of crystalline solid solutions of (InSb)1-x(CdTe)x V.A. Brodovoy, N.G. Vyaly, L.M. Knorozok State University, 252022 Kiev, the Ukraine Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, №




© 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.