WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 4 Механизмы вхождения примеси сурьмы в кристаллы теллурида кадмия ¶¶ ¶ © Е.С. Никонюк, З.И. Захарук, В.Л. Шляховый, П.М. Фочук, А.И. Раренко Черновицкий государственный университет, 58012 Черновцы, Украина Ривненский государственный технический университет, 33028 Ривне, Украина (Получена 31 июля 2000 г. Принята к печати 14 сентября 2000 г.) Рассмотрены результаты электрофизических исследований кристаллов CdTe, выращенных методом Бриджмена и легированных примесью Sb в концентрациях 1017-3 · 1019 cм-3. Анализ температурных зависимостей коэффициента Холла, подвижности носителей тока и фотопроводимости при собственном возбуждении для образцов из различных участков слитков позволяет заключить, что при легировании кристаллов CdTe примесью сурьмы вводятся центры SbTe, SbCd и ассоциаты (SbTeSbCd). Дырочная проводимость в легированных кристаллах контролируется акцепторами A3 (SbTe), концентрация которых не превышает 5 · 1016 см-3 и существенно меньше реального содержания сурьмы. Энергия ионизации акцепторов A3 составляет (0.28 ± 0.01) эВ. В неравновесных условиях эти акцепторы играют роль центров прилипания для дырок (при высоких температурах) и медленных центров рекомбинации для электронов (при низких температурах).

Полупроводниковые кристаллы кадмия используются менению параметров кристаллов. Однако при введении в электронике для создания целого ряда приборов бла- сурьмы уже в концентрации C0 = 5 · 1017 см-3 влияние годаря широкому спектру оптических и электрических легирования становилось заметным. Так, температурная параметров, которые контролированно можно изменять зависимость коэффициента Холла RH в образцах с развведением в материал различных примесей. личным содержанием примеси Sb (рис. 1) свидетельствует о том, что p-проводимость определяется более Как правило, примеси элементов V группы (P, As) в глубокими акцепторами, Ev +(0.28 ± 0.01) эВ, независикристаллах теллурида кадмия являются мелкими акцемо от CSb в широком интервале концентраций примеси пторами [1], обеспечивающими сравнительно высокую 2 · 1016-5 · 1018 см-3. Лишь в некоторых образцах проводимость материала. В то же время известно, что (не представленных на рис. 1) указанные акцепторы введение примеси Sb в кристаллы CdTe приводит к были полностью компенсированы и проявлялись более получению полуизолирующего материала [2], в котором глубокие уровни Ev +(0.40-0.45) эВ.

проводимость контролируется глубокими акцепторами с В исследованных образцах минимальная энергетически распределенными уровнями. Последнее, реальная концентрация примеси сурьмы составляла правда, относится лишь к образцам с высоким содержаCSb = 2 · 1016 см-3, а максимальная CSb = 1019 см-3.

нием примеси в твердой фазе на уровне CSb 1019 см-3, На основании результатов, представленных на рис. 1, а вопрос о свойствах материала с более низкой коннельзя установить корреляции между C0, CSb —с одной центрацией легирующей примеси оставался открытым.

стороны, и концентрацией дырок — с другой стороны, В данной работе рассмотрены результаты электофитем более, что наблюдается резко немонотонное зических исследований кристаллов CdTe–Sb, выращенраспределение концентрации носителей вдоль слитков.

ных методом Бриджмена и легированных путем введеКратковременная термическая обработка [4] при ния в расплав примеси Sb в различных концентрациях 700C не только не сопровождалась конверсией тиC0 = 1017-3 · 1019 см-3. Реальная концентрация сурьмы па проводимости, а напротив, смещала равновесный CSb в исследованных образцах оценивалась по известным уровень Ферми в сторону потолка валентной зоны значениям коэффициента сегрегации, который имеет ве(рис. 1, кривая 8). Такой же эффект обеспечивался личину k = 4 · 10-2 при C0 1018 см-3 и уменьшается с продолжительным отжигом при 400C (рис. 1, кривая 7).

увеличением C0 при C0 > 1018 см-3 [3].

В обоих случаях проводимость неизменно определялась Нелегированные кристаллы CdTe, выращенные в анаакцепторами с энергией Ev + 0.28 эВ. Кроме того, логичных условиях, как правило, обладали p-провоэти акцепторы проявляются даже в слабо легированных димостью, контролируемой акцепторами двух типов:

образцах (CSb = 2 · 1016 см-3) после низкотемперамелкими A1, Ev +(0.025-0.050) эВ, и глубокими A2, турной компенсации [5] методом полевого легироваEv + (0.11-0.15) эВ. Слабое легирование сурьмой ния (рис. 1, кривая 6).

(C0 = 1017 см-3) не приводило к существенному изИз сказанного следует, что такие акцепторы (услов¶ но назовем их A3) образуются в кристаллах CdTe за E-mail: microel@chdu.cv.ua счет легирования примесью сурьмы и, по-видимому, Fax: (380)(0372)¶¶ Fax: (380)(0362)221357 представляют собой атомы сурьмы в подрешетке теллу3 418 Е.С. Никонюк, З.И. Захарук, В.Л. Шляховый, П.М. Фочук, А.И. Раренко n-проводимость выражена слабо и пропадает в результате отжига уже при температурах Ta = 100-150C), то напрашивается вывод о том, что концентрация доноров SbCd в изолированном состоянии соизмерима с концентрацией A3, т. е. [SbTe] [SbCd] CSb. Следовательно, большинство примесных атомов находится в связанном, электрически неактивном состоянии, образуя ассоциаты типа (SbTeSbCd). Тогда уравнение массового баланса примеси запишется как CSb =[SbTe] +[SbCd] +[(SbTeSbCd)], (1) а уравнение электронейтральности..

[Sb Te] +[A 1 + A 2] =p +[SbCd] +[Cdi]. (2).

Наличие в уравнении (2) слагаемого [Cdi], определяющего концентрацию межузельного кадмия, обусловлено тем, что во всех исследованных легированных образцах при Ta = 100-150C наблюдается эффект полевой очистки, состоящий в увеличении концентрации дырок при длительной выдержке образцов в электрическом поле (E = 3-15 В/см), что связано с дрейфом поРис. 1. Температурные зависимости коэффициента Холдвижных доноров, по-видимому, Cdi [5]. Нам кажется ла для ряда образцов из слитков CdTe–Sb. C0, см-3:

маловероятным, чтобы в роли таких подвижных доноров 1 —5 · 1017, 2 —1 · 1018, 3 — 2 · 1018, 4 — 3 · 1018, в кристаллах CdTe–Sb могли бы выступать ионы SbCd.

5 —3 · 1019. 6 — C0 = 1017 см-3, полевое легирование Ag;

Подтверждением предложенной модели можно счи7 — C0 = 1 · 1018 см-3, термообработка в режиме 400C/12 ч;

тать результаты измерения спектров поглощения в 8 — C0 = 2 · 1018 см-3, термообработка в режиме 700C/60 с.

области края при комнатной температуре, где обнаружено сильное сужение запрещенной зоны [2]. Наши исследования на сильно легированных образцах ра — SbTe. Однако легирование сурьмой не сводится (CSb 1017 см-3) подтвердили этот вывод и, кроме лишь к введению акцепторов A3, на что указывают того, позволили обнаружить полосу поглощения, соотследующие факты. В нелегированных кристаллах p-CdTe ветствующую переходам A3 Ec, анализ которой дает уровень Ферми находится, как правило, ниже уровня для концентрации акцепторов A3 величину, не превышаEv + 0.20 эВ. В кристаллах CdTe–Sb он поднимается ющую 5 · 1016 см-3, в хорошем соответствии с данными выше Ev + 0.28 эВ. Следовательно, одновременно с электрических измерений. С другой стороны, ассоциаты акцепторами SbTe вводятся дополнительные компенси- (SbTeSbCd) в различных координационных сферах обесрующие доноры в концентрации, превышающей [SbTe]. печивают широкий квазинепрерывный спектр уровней В то же время расчетное содержание примеси Sb суще- в области от Ev до Ev + 0.28 эВ. Именно эти уровни ственно выше концентрации акцепторов A3. Например, формируют широкую полосу поглощения, сливающуюся в образцах 4 и 5 (рис. 1, кривые 4 и 5) концентрация с фундаментальной, что и воспринимается как сужение акцепторов A3, определенная на основании исследова- запрещенной зоны.

ний эффекта Холла, оказалась равной 4 · 1016 см-3 при В сильно компенсированных фоточувствительных CSb = 8 · 1016 и 4 · 1017 см-3 соответственно. Кроме образцах (с энергией Ферми EF Ev + 0.35 эВ) исслетого, анализ температурной зависимости подвижности дована температурная зависимость фотопроводимости дырок в ряде легированных образцов указывает на то, (ФП) ph при собственном возбуждении. На рис. 2 привечто концентрация рассеивающих ионизированных цен- дены температурные зависимости полной проводимости тров существенно больше 2[A3], в то же время мень- = 0+ph (0 — темновая равновесная проводимость) ше CSb, особенно в сильно легированных кристаллах. при различных уровнях возбуждения. Оказалось, что Таким образом, следует предположить, что легирующая при температурах T > 140-180 K (в зависимости от примесь принимает участие в образовании компенсиру- уровня возбуждения) ФП — дырочная и носит термоакющих доноров, входя в решетку как SbCd. Поскольку тивационный характер, обусловленный захватом дырок выполняется сильное неравенство [A3] CSb, а четко на центры прилипания с уровнем Ev + 0.27 эВ (A3).

выраженной электронной проводимости не наблюдается При T < 140-180 K дырочная ФП изменяется на (исключение представляет полуизолирующий материал, электронную (рис. 3) и наблюдается температурное гаполученный методом зонного выравнивания, но там шение фотопроводимости. Температура инверсии знака Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Механизмы вхождения примеси сурьмы в кристаллы теллурида кадмия же соотношение (3) позволяет оценивать асимметрию сечений захвата дырок и электронов указанными центрами: Spr/Snr 2 · 105. Результат легко объяснить, так как дырки захватываются отрицательно заряженными центрами, а электроны — нейтральными. На роль s-центров рекомбинации могут претендовать компенсирующие глубокие доноры, в том числе и дефекты SbCd.

Для анализа верхней границы (концентрация электронов n2, температура T2) области температурного гашения ФП используем соотношение [6] gs NvSpr Evr lg n2 = lg - 0.43, (4) gr Sns k0Tгде gs и gr — доли потоков носителей заряда через Рис. 2. Температурная зависимость полной проводимоs- и r-центры соответственно. Если предположить, что сти двух образцов CdTe–Sb при собственном возбуждении.

gs/gr 1 = const, тогда для сечения захвата электронов (1, 1, 1 ) — C0 = 1 · 1018 см-3; (2, 2 ) — C0 = 2 · 1018 см-3.

s-центрами (Sns) получим величину по крайней мере на Уровень возбуждения возрастает в ряду 1 1 1 и 2 2. 2 порядка выше, чем для сечения захвата электронов r-центрами (Snr), и значение Evr такое же, как и при использовании соотношения (3). Все это подтверждает корректность использования двухцентровой модели рекомбинации неравновесных носителей и дает основание считать, что акцепторы A3 (SbTe) в неравновесных условиях выступают как медленные центры рекомбинации электронов при низких температурах и центры прилипания дырок при высоких температурах.

Таким образом, на основании приведенных результатов можно сделать вывод, что при легировании кристаллов CdTe примесью сурьмы образуются центры SbTe, SbCd и ассоциаты (SbTeSbCd). Дырочная проводимость в легированных кристаллах контролируется акцепторами A3 (SbTe), концентрация которых не превышает 5 · 1016 см-3 и существенно меньше CSb. Энергия Рис. 3. Температурная зависимость произведения RH для ионизации акцепторов A3 составляет (0.28 ± 0.01) эВ.

образцов CdTe–Sb при собственном возбуждении (нумерация В неравновесных условиях эти акцепторы играют роль кривых соответствует рис. 2).

центров прилипания дырок (при высоких температурах) и медленных центров рекомбинации электронов (при низких температурах).

коэффициента Холла RH понижается с увеличением степени компенсации акцепторов A3 и уменьшением уровня Список литературы возбуждения.

Температурное гашение электронной ФП легко объяс[1] E. Molva, J.L. Pautrat, K. Saminadayar, G. Milchberg, N. Magняется в модели двух рекомбинационных каналов для nea. Phys. Rev. B, 30 (6), 3344 (1984).

электронов: медленного r и быстрого s [6]. Если для ана[2] Y. Iwamura, S. Yamamori, H. Negishi, M. Moriyama. J. Appl.

лиза нижней границы области температурного гашения Phys., 24 (3), 361 (1985).

ФП использовать соотношение [7] [3] П.М. Фочук, О.Э. Панчук, Д.П. Белоцкий. Нерг. матер., 3, 504 (1986).

NvSpr Evr [4] Е.С. Никонюк, В.Л. Шляховый, М.А. Ковалец, П.И. Фейчук, lg n1 = lg - 0.43 (3) Snr k0T1 Л.П. Щербак, З.И. Захарук. Неорг. матер., 28 (12), (1992).

(где концентрация электронов n1 = ph/eµn и тем[5] В.П. Заячкивский, Н.В. Кощановский, Н.И. Кучма. Деп.

пература T1 соответствуют указанной границе для раз- ЦНИИ ”Электроника”, № P-3326(1981).

личных уровней возбуждения; µn — подвижность элек- [6] В.Е. Лашкарев, А.В. Любченко, М.К. Шейнкман. Неравнотронов; Spr и Snr — сечения захвата дырок и электро- весные процессы в фотопроводниках (Киев, Наук. думка, 1981).

нов r-центрами; Evr = Er - Ev — энергия ионизации [7] Р. Бьюб. Фотопроводимость твердых тел (М., ИЛ, r-центров), то получим для энергетического положения 1962).

уровней r-центров значение Er = Ev + 0.28 эВ. Таким Редактор Л.В. Шаронова образом, в роли r-центров выступают акцепторы A3. Это 3 Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 420 Е.С. Никонюк, З.И. Захарук, В.Л. Шляховый, П.М. Фочук, А.И. Раренко Mechanisms of antimony interstitial penetration into cadmium telluride lattice E.S. Nikonyuk, Z.I. Zakharuk, V.L. Shlyahoviy, P.M. Fochuk, A.I. Rarenko Chernivtsi State University, 58012 Chernivtsi, Ukraine Rivne State Technical University, 33028 Rivne, Ukraine

Abstract

Presented are the results of electrophysical investigations of CdTe crystals, grown by Bridgmann method and doped with Sb impurity in concentrations of 1017-3 · 1019 сm-3. The analysis of the temperature dependence of Hall coefficient, current carrier mobility and photoconductivity at intrinsic excitation for samples taken from different parts of ingots allows to conclude, that SbTe, SbCd centers and (SbTeSbCd) associates appear in CdTe crystal during its doping by antimony impurity. The hole conductivity in doped crystals is controlled by A3 (SbTe) acceptors, their density not exceeding 5·1016 cm-3, and is essentially less than the real impurity content. The ionization energy of A3 acceptors is (0.28 ± 0.01) eV.

In non-equilibrium conditions these acceptors play the role of adhesion centers for holes (at high temperatures) and the slow recombination centers for electrons (at low temperatures).




© 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.