WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 5 Природа центров локализации дырок в халькогенидах свинца с примесью натрия © Г.Т. Алексеева, Е.А. Гуриева, П.П. Константинов, Л.В. Прокофьева, Ю.И. Равич Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 17 июня 1996 г. Принята к печати 1 июля 1996 г. ) Исследованы коэффициенты Холла R, термоэдс S и электропроводности в PbSe, легированном Na, при введении изовалентных свинцу примесей Cd и Mn в концентрациях до 5 ат %. Экспериментальные данные вместе с ранее полученными результатами указывают, что в халькогенидах свинца в присутствии изовалентных примесей акцепторное действие Na ослаблено вследствие локализации дырок на дефектах. Согласно предложенной модели акцепторного легирования, такими дефектами в халькогенидах свинца могут быть атомы халькогена в металлической подрешетке. Повышение температуры, а также введение изовалентных примесей с относительно малыми ионными радиусами способствуют их образованию. Антиструктурные дефекты создают резонансные уровни в валентной зоне, положение которых зависит от концентрации Na.

Согласно [1,2] введение изоэлектронной примеси за- между указанными концентрациями не наблюдается во мещения Sn в халькогенидах свинца совместно с ак- всем интервале легирования: сначала концентрация дыцепторной примесью Na существенно влияет на меха- рок ниже концентрации Na, а затем по мере повынизм легирования: помимо свободных дырок образуются шения уровня легирования это соотношение меняется центры локализации носителей, создающие квазилокаль- на обратное. Превышение холловской концентрации над ные уровни в валентной зоне. Как показали резуль- концентрацией акцепторной примеси лежит в пределах таты мессбауэровской спектроскопии, роль атомов Sn (0–20) %. Появление значений p, превышающих N, в селениде и теллуриде свинца совершенно различна. можно объснить тем, что использованное в расчетах В Pb(Sn)Se Na атомы Sn находятся в двух зарядовых значение фактора Холла, равное 1, превосходит его состояниях Sn(+2) (нейтральное относительно ионов действительную величину в данных материалах при высвинца) иSn(+4) [3] и таким образом являются центром соких концентрациях дырок [5]. Таки образом, точное локализации дырок. В Pb(Sn)Te Na атомы Sn нахо- соотношение между p и N во всем интервале легидятся только в состоянии Sn(+2) [2], тем не менее, рования установить не удается, однако с уверенностью начиная с определенного уровня легирования, концен- можно констатировать отставание концентрации дырок трация центров локализации в твердых растворах (ТР) от концентрации Na при уровнях легирования ниже Pb1-xSnxTe при x = 0.005-0.01 интенсивно растет и при 1 · 1020см-3. Поскольку атомы Na, замещающие Pb в максимальной концентрации Na становится близкой к решетке, не существуют в виде ионов Na(+2) ине могут концентрации активных центров, т. е. к половине полной быть нейтральными относительно подрешетки металла, концентрации Na. Для объяснения ослабления леги- ослабление акцепторного действия Na означает, что дыррующего действия Na в указанных ТР была выдвинута ки локализуются на каких-то дефектах структуры. Как гипотеза, что атомы Sn создают условия для вхождения видно из рисунка, в присутствии нейтральных примесей некоторого числа атомов Te в антиструктурные позиции зависимость p(N) качественно не изменяется, но что в решетке, что и приводит к локализации дырок. касается количественных изменений, то из эксперимента Понижение акцепторного действия Na в PbTe наблю- следует, что эффективность акцепторого действия Na далось также при добавлении в указанный материал понижается, величины p в ТР ниже, чем в PbSe, хотя изовалентной примеси Cd [4]. Отмеченные результаты эффект не так велик, как при добавлении Cd в PbTe [4].

наводят на мысль, что подобного эффекта можно ожи- Температурные зависимости коэффициента Холла в дать и в PbSe Na при введении изовалентных примесей, PbSe с изовалентными примесями также претерпевают проявляющих в соединениях с Se валентность +2.

изменение: уменьшается температурный рост коэффиВ настоящей работе с целью проверки и детализации циента (см. вставку к рис. 2). Как показывает соизложенных выше представлений о механизме обра- поставление холловских данных для PbSe и ТР при зования центров локализации дырок в халькогенидах одинаковом уровне легирования (рис. 2), расхождение свинца исследованы изменения коэффициентов Холла R, кривых R(T ) характерно для области низких температур, термоэдс S и электропроводности, вызванные введением вблизи температуры максимума различия практически в PbSe Na изовалентных свинцу примесей Cd и Mn исчезают. Если полагать, что увеличение коэффициента в концентрации до 5 ат %. На рис. 1 представлена Холла связано с уменьшением концентрации свободных зависимость холловской концентрации дырок p при 77 K дырок, т. е. с их локализацией, то последний результат от концентрации натрия N для PbSe с разным содер- означает, что максимальное число локализованных дыжанием изовалентных примесей. Строгого соответствия рок в рассматриваемых материалах при неизменном N Природа центров локализации дырок в халькогенидах свинца с примесью натрия Рис. 1. Зависимость холловской концентрации от концентрации натрия (77 K): 1 — PbSe, 2 —Pb0.95Mn0.05Se, 3 —Pb0.95Cd0.05Se.

Прямая — легирование в соотношении 1 : 1.

одинаково. Если в ТР часть дырок локализована уже при Изложенные выше экспериментальные данные в со0K и повышение T дает лишь дополнительный вклад, вокупности с полученными ранее для других материато в PbSe в области высокого легирования безактива- лов [1–4] дают систематическую картину акцепторного ционный механизм малоэффективен, локализация дырок легирования натрием материалов типа PbTe. Кратко эта идет в основном за счет роста температуры. Такой же картина состоит в следующем.

результат был получен в [2] для PbTe и Pb(Sn)Te, разница 1. В халькогенидах свинца акцепторное действие прилишь в том, что в Pb(Sn)Te доля локализованных при 0 K меси Na, обычно описываемое соотношением — одна дырок заметно растет с ростом концентрации Na, что свободная дырка на атом примеси, ослаблено, наряду со приводит к закреплению уровня Ферми и к большему свободными дырками существуют дырки, локализованослаблению температурной зависимости коэффициента ные на дефектах. Доля последних определяется составом Холла в сильно легированных образцах. материала (наличием дополнительных примесей), уровКоэффициент термоэдс PbSe в присутствии нейтраль- нем акцепторного легирования и температурой.

ных примесей растет. На рис. 3 представлены его зна- 2. Введение изовалентных примесей замещения свинца чения в области сильного легирования для материалов (изовалентное легирование) увеличивает концентрацию разного состава при 300 K. Температурные исследования локализованных дырок при низких температурах.

S показали, что при 85 K увеличение S в ТР значительно 3. В случае Cd и Mn в PbSe относительная доля локаменьше (см. вставку к рис. 3), максимальный рост лизованных носителей не увеличивается при увеличении отмечен при T порядка 350 K. Более высокие в сравнении концентрации N. При наличии Sn в PbTe указанная доля с расчетными значения S при T > 300 K характерны и растет, что приводит к закреплению уровня Ферми. Подля p-PbSe. Учет уменьшения концентрации носителей видимому, аналогичным образом изменяется концентрав соответствии с температурным ростом R недостато- ция дырок в PbTe и при введении Cd.

чен для объяснения этого эффекта [6]. Параметром, 4. Повышение температуры вызывает дальнейшую наиболее чувствительным к появлению локализованных локализацию дырок в легированных Na материалах, в дырок, оказывается подвижность. Ее снижение в p-PbSe отсутствие изовалентных примесей этот процесс при (относительно значений для электронов) [6] и еще более невысоких температурах идет более интенсивно. Убысильное в ТР отмечено уже при низких температурах и вание холловской концентрации носителей в бинарном невысоких уровнях легирования. соединении и в рассматриваемых ТР прекращается по 2 Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 530 Г.Т. Алексеева, Е.А. Гуриева, П.П. Константинов, Л.В. Прокофьева, Ю.И. Равич Рис. 2. Температурная зависимость коэффициента Холла: 1 — PbSe, 2 —Pb0.99Mn0.01Se, 3 —Pb0.95Cd0.05Se (N = 2.5ат%).

На вставке — температурная зависимость отношения коэффициента Холла к значению при 77 K: 1 — PbSe, 2 —Pb0.99Mn0.01Se, 3 —Pb0.95Mn0.05Se, 4 —Pb0.95Cd0.05Se (N = 1.5ат%).

достижении одной и той же температуры, определяемой дырки в валентной зоне: образующиеся изолированные составом матрицы (PbTe — 400 K, PbSe — 660 K), вакансии явлются двойными акцепторами. Хотя вакансии лишь в слабо легированных материалах это происходит металла могут создавать квазилокальные состояния в раньше вследствие начала собстенной проводимости. глубине валентной зоны [7], их нельзя отождествлять с При всех уровнях легирования холловская концентрация наблюдаемыми центрами локализации, поскольку в этом носителей убывает не более чем в 2 раза. случае эффект локализации дырок был бы свойствен 5. Локализация дырок вызывает снижение подвижно- бинарным соединениям и рассматриваемым ТР в равной сти и увеличение коэффициента термоэдс, т. е. суще- степени.

ственно изменяется характер рассеяния дырок.

Локализацию двух дырок на дефекте можно предстаДля объяснения полученных экспериментальных дан- вить как уход двух электронов с одного из ионов хальных мы привлечем модель акцепторного легирования когена и образование нейтрального атома. Нейтральный халькогенидов свинца, предложенную ранее в [2]. При атом халькогена занимает вакансию металла, образуя введении Na в сочетании с равным числом атомов таким образом антиструктурный дефект. В результате халькогена два атома Na могут создать полностью на- одного такого перехода исчезают две вакансии в месыщенные связи только у одного атома халькогена (по таллической подрешетке (одна, занятая атомом хальформуле типа 2NaTe=Na2Te + Te). Возможно, они когена, другая, от которой ушел этот атом, компенсизанимают межузельное положение, при этом появляется рованная образовавшейся вакансией халькогена). Радивакансия металла, образующая вместе с атомами Na ней- усы нейтральных атомов халькогена относительно малы тральный комплекс. Ненасыщенные связи другого атома (Te — 1.7, Se — 1.6 ) по сравнению с радиусами двухалькогена и вызывают акцепторное действие, создавая кратно заряженных ионов, из которых состоит подрешетФизика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Природа центров локализации дырок в халькогенидах свинца с примесью натрия Рис. 3. Концентрационная зависимость термоэдс при 300 K: 1 — PbSe, 2 —Pb0.99Mn0.01Se, 3 —Pb0.95Mn0.05Se, 4 —Pb0.95Cd0.05Se.

На вставке — температурная зависимость термоэдс: 1 — PbSe, 2 —Pb0.95Mn0.05Se, 3 —Pb0.95Cd0.05Se (N = 2ат%) ка халькогена: Te(-2) —2.1, Se(-2) — 1.98 [8]. Это ного действия Na уменьшается вдвое, что согласуется с облегчает размещение этих атомов в антиструктурных экспериментом.

позициях. Образующийся антиструктурный дефект является центром локализации дырок и образует резонансные состоТакой перестройке дефектов с образованием антияния, которые рассеивают дырки, если энергия этих соструктурного халькогена способствует повышение T, а стояний удалена от уровня Ферми в пределах величины также введение изовалентных примесей, занимающих узпорядка kT. Число таких дефектов зависит как от состалы металла, с относительно малыми ионными радиусами.

ва материала, так и от температуры. Экспериментальный Ионный радиус Sn(+2) — 1.02, Cd(+2) — 1.03, факт, что наличие центров локализации проявляется в Mn(+2) — 0.91, в то время как ионный радиус иона широкой области концентраций Na, заставляет предпоPb(+2), который они замещают, равен 1.26 [8].

ложить, что резонансные состояния при увеличении N Таким образом, при легировании материалов натрием смещаются в глубь валентной зоны вместе с уровнем образуются два типа структурных дефектов. Дефекты Ферми. Рассеяние дырок на дефектах носит резонансный одного типа (вакансии Pb) создают свободные дырки, характер [9].

дефекты второго типа (антиструктурные) локализуют Легирование халькогенидов свинца другой акцептордырки. С ростом T одни дефекты перестраиваются в ной примесью, например, таллием, имеет иной мехадругие, полная концентрация дефектов при этом не низм. Легирование PbTe таллием дает одну дырку на меняется, являясь функцией только концентрации натрия атом примеси, и никакого ослабления активности Tl N. Каждый антиструктурный дефект, образовавшийся в в присутствии Sn не наблюдается вплоть до конценрезультате введения 4 атомов Na, связывет 2 дырки, а траций 1020 см-3, при которых начинается заполнение 2 дырки, остаются в валентной зоне. Если антиструктур- примесной полосы Tl [10]. Ситуация не изменяется при ные дефекты преобладают, то эффективность акцептор- добавлении к PbTe 5 мол % PbS [11].

2 Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 532 Г.Т. Алексеева, Е.А. Гуриева, П.П. Константинов, Л.В. Прокофьева, Ю.И. Равич Развитый новый взгляд на механизм дырочной проводимости в халькогенидах свинца, легированных Na, возможно, будет полезным и при обсуждении свойств SnTe и GeTe, которые ранее, как и в халькогенидах свинца, связывались с существованием валентной зоны тяжелых дырок.

Список литературы [1] Л.В. Прокофьева, М.Н. Виноградова, С.В. Зарубо. ФТП, 14, 2201 (1980).

[2] Г.Т. Алексеева, Б.Г. Земсков, П.П. Константинов, Л.В. Прокофьева, К.Т. Уразбаева. ФТП, 26, 358 (1992).

[3] Л.В. Прокофьева, С.В. Зарубо, Ф.С. Насрединов, П.П. Серегин. Письма ЖЭТФ, 33, 14 (1981).

[4] A.J. Crocker, L.M. Rogers. J. de Physique, Suppl. 11–12, (1968).

[5] A.J. Crocker. J. Phys. Chem. Sol., 28, 1903 (1967).

[6] Е.А. Гуриева, Л.В. Прокофьева, Ю.И. Равич, Х.Р. Майлина.

ФТП, 20, 1823 (1986).

[7] Б.А. Волков, О.А. Панкратов. ЖЭТФ, 88, 280 (1985).

[8] Г.В. Войткевич и др. Краткий справочник по геохимии.

(М., Недра, 1970).

[9] В.И. Кайданов, С.А. Немов, Ю.И. Равич. ФТП, 26, (1992).

[10] В.И. Кайданов, С.А. Немов, А.М. Зайцев. ФТП, 19, (1985).

[11] С.А. Немов, Ф.С. Насрединов, Р.В. Парфеньев, М.К. Житинская, А.В. Черняев, Д.В. Шамшур. ФТТ, 38, 550 (1996).

Редактор В.В. Чалдышев Nature of hole localization centers in lead chalcogenides with sodium impurity G.T. Alekseeva, E.A. Gurieva, P.P. Konstantinov, L.V. Prokof’eva, Yu.I Ravich A.F. Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences, 194021 St. Petersburg, Russia

Abstract

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.