WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 5 Подвижность неосновных носителей заряда в пленках p-HgCdTe © В.С. Варавин, С.А. Дворецкий, В.Я. Костюченко, В.Н. Овсюк, Д.Ю. Протасов¶ Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия Сибирская государственная геодезическая академия, 630108 Новосибирск, Россия (Получена 23 сентября 2003 г. Принята к печати 17 октября 2003 г.) Проведено исследование температурных зависимостей подвижности электронов в пленках Hg1-x CdxTe p-типа проводимости с x = 0.210-0.223, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии. В диапазоне температур 125-300 K подвижность находили методом спектра подвижности, а для температур 77-125 K с помощью предложенного в данной работе метода магнитофотопроводимости. Метод основан на измерении магнитополевой зависимости фотопроводимости. Магнитное поле направлено параллельно излучению и перпендикулярно поверхности образца. Подвижность электронов определяется с помощью простого выражения µn [м2/В · с] =1/BH [Тл], где BH — индукция магнитного поля, соответствующая половине амплитуды сигнала фотопроводимости при нулевом магнитном поле. В температурном диапазоне 100-125 K результаты, полученные методами магнитофотопроводимости и спектра подвижности, совпадают. Для исследованных образцов подвижность электронов при температуре 77 K лежит в диапазоне 5-8м2/В · c.

1. Введение Дифференциальные методы, основанные на определении подвижности электронов из положения пиков Твердый раствор Hg1-x CdxTe (кадмий–ртуть–теллур, на производной по магнитному полю магнитосопротивКРТ) является одним из основных материалов для про- ления [9] или модуля коэффициента отражения СВЧ изводства приемников инфракрасного (ИК) излучения сигнала [10], имеют более высокую чувствительность.

в широком диапазоне длин волн — от ближнего ИК В этих методах измеряется подвижность равновесных (1-2мкм) до дальнего ИК (8-12 мкм). Одним из основ- неосновных носителей, и поэтому область температур, ных параметров материала, который в значительной в которой они применимы, ограничена вследствие выстепени определяет характеристики фотоприемников, мерзания носителей при охлаждении. Следует также является диффузионная длина неосновных носителей отметить сложность применяемой экспериментальной заряда, которая, в свою очередь, зависит от их подвиж- техники.

ности. Поэтому величина подвижности неосновных но- Подвижность электронов в КРТ p-типа проводимосителей заряда может служить параметром для оценки сти определялась также из измерений фотомагнитного пригодности материала при изготовлении фотоприемни- эффекта [11], фотомагнитного эффекта и фотопроводиков с требуемыми характеристиками. Знание величины мости [12] и фото-холловских измерений [13]. Так как подвижности также необходимо для анализа измерений здесь измерялась подвижность неравновесных фотовозстационарного времени жизни, которое вместе с подвиж- бужденных носителей, то эти методы могут применяться ностью определяет диффузионную длину. при более низких температурах. Подвижность носителей находится путем подгонки теоретических выражений, Для определения подвижности неосновных носителей заряда в материале КРТ p-типа проводимости, получен- описывающих перечисленные эффекты, к экспериментальным данным. Их недостатком является то, что исного различными способами выращивания, разработан ряд методов. Так, в [1–3] подвижность и концентра- пользуется большое число одновременно подгоняемых ция равновесных неосновных носителей заряда опреде- параметров (до 6), что снижает достоверность полученных данных.

лялись методом многозонной подгонки теоретических магнитополевых зависимостей коэффициента Холла и В работе [14] предложен метод определения подвижности электронов из измеряемых фото-холловских магнитосопротивления к экспериментальным данным.

Более совершенным способом анализа подобных из- магнитополевых зависимостей. При низких температумерений являются методы спектра подвижности [4–6] рах, когда концентрация электронов много меньше концентрации дырок, измеряемое напряжение описывается и количественного спектра подвижности [7], которые позволяют определять подвижности и концентрации но- выражением сителей, не зная заранее, сколько их типов существует в k(µp, µn, p, p ) · B исследуемом образце. Однако для температур (T ), когда UH =, (1) 1 + µnBконцентрация электронов становится слишком малой, что наблюдается при T < 100 K для состава с x = 0.22, где µp, µn — подвижности дырок и электронов, эти методы дают большую погрешность [8].

p и p — концентрация равновесных и неравновесных ¶ дырок, k — некоторый коэффициент пропорциональноE-mail: protasov@thermo.isp.nsc.ru Fax: (3832)341858 сти, не зависящий от магнитного поля B. Из наклона Подвижность неосновных носителей заряда в пленках p-HgCdTe прямой, построенной в координатах B/ UH от B2, путем подгонки можно найти подвижность электронов.

В этом методе также одновременно подгоняются два параметра — подвижность электронов и усредненная по толщине образца концентрация неравновесных дырок, что не дает высокой точности подгонки.

Нами предложен прямой метод определения подвижности неосновных электронов, основанный на измерении магнитополевых зависимостей фотопроводимости в геометрии эффекта Холла (магнитофотопроводимости, Рис. 1. Схема измерения МФП. Освещенная часть образца МФП). С помощью данного метода построены темперазаштрихована. Ток I проходит через контакты 1, 2; МФП и турные зависимости подвижности электронов в пленках магнитосопротивление измеряются с контактов 3, 5 или 4, 6;

КРТ p-типа проводимости.

эффект Холла измеряется с контактов 3, 4 или 5, 6.

2. Образцы и экспериментальная установка Исследовались образцы, изготовленные из пленок, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках GaAs ориентации (013) [15]. Толщина пленок была 7-10 мкм, состав соответствовал x = 0.21-0.23.

После роста образцы имели n-тип проводимости, и для конвертирования в p-тип их отжигали в нейтральной атмосфере гелия. На подобных образцах изготавливались фотоприемники с высокими характеристиками [16,17].

Параметры образцов (состав, толщина пленки d, концентрация дырок p, подвижность µp) приведены в табл. 1.

Для измерения МФП, эффекта Холла и магнитосопротивления вырезались образцы в виде прямоугольных полосок длиной 10 мм и шириной 1.5 мм. Затем они укреплялись на сапфировой подложке и к ним делались индиевые контакты. Геометрия образца показана на Рис. 2. Экспериментальная установка.

рис. 1.

Для четырех образцов КРТ были измерены магнитополевые зависимости сигнала МФП в диапазоне температур T = 77-125 K. Эффект Холла и магнитосопротив- Холла, магнитосопротивления и магнитофотопроводимости через образец пропускали постоянный ток от исление были измерены при температурах T = 77-300 K.

точника 7. В положении K1 коммутатора K измерялись Для температур 77-125 K подвижность электронов эффект Холла и магнитосопротивление. При измерении определялась из анализа МФП, а при более высоких магнитофотопроводимости (положение K2 коммутатотемпературах — методом спектра подвижности.

ра K) образец дополнительно освещали светодиодом Схема установки, используемой для измерения эф(длина волны 0.94 мкм), питаемым от генератора фекта Холла, магнитосопротивления и магнитофотопропеременного напряжения 11. Измеряемый сигнал региводимости, приведена на рис. 2. Образец 1 в азотном стрировали с помощью синхронного детектора 12 на криостате 2 помещали между полюсами электромагниопорной частоте генератора 11. Температуру образца та 3. Индукцию магнитного поля изменяли от 0 до 2 Тл, регулировали в диапазоне от 77 до 300 K с помощью ее величину измеряли при помощи датчика Холла 4, нагревателя 8 и стабилизатора температуры 9. Сигналы питаемого от источника тока 5. При измерении эффекта с образца и датчика Холла записывались в компьютере.

Таблица 1. Параметры образцов КРТ 3. Теория Образец Состав, x d, мкм p, 1022 м-3 µp, м2/В · с Для образцов в виде „холловского мостика“ при 971124 0.220 7.7 0.94 0.направлениях электрического и магнитного полей, как 001123 0.215 7.1 6.3 0.010629-1 0.210 9.5 2.3 0.032 показано на рис. 1, продольное напряжение U при изме020528 0.223 8.75 1.3 0.рении с контактов 3 и 5 (или 4 и 6) в режиме генератора Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 534 В.С. Варавин, С.А. Дворецкий, В.Я. Костюченко, В.Н. Овсюк, Д.Ю. Протасов постоянного тока определяется выражением [18] уравнение электронейтральности можно записать в виде cI n(1 + K) = p, (7) U (B) =, (2) wd (B) где K — коэффициент, характеризующий изменение где c — расстояние между потенциальными контактаконцентрации электронов на ловушках. В этом случае ми 3 и 5 (или 4 и 6), w и d — ширина и толщина выражения для (B) и U (B) запишутся в виде образца, I — ток через образец.

q nµn Выражение для проводимости в магнитном поле при (B) = + q nµpK, (8) наличии электронов и дырок имеет вид [18] 1 + µnB2 cI n µn cI n K n2µn(1 + µ2B2) +p2µ2(1 + µnB2) p p U (B) =- -.

(B) =q 2 wd q p2µ2(1 + µnB2) wd q p2µp p nµn(1 + µ2B2) +pµp(1 + µnB2) 0 p (9) 2npµnµp(1 - µnµpB2) Как видно из выражения (9), учет влияния ловушек +, (3) nµn(1 + µ2B2) +pµp(1 + µnB2) приводит к появлению дополнительного члена, не заp висящего от магнитного поля. Так как величина этого где p и n — концентрации дырок и электронов, µp и слагаемого в µn/µp 100 раз меньше величины сигнала µn — подвижности дырок и электронов соответственно.

магнитофотопроводимости при отсутствии магнитного Проводимость образца изменяется вследствие генераполя, то его можно отбросить:

ции светом неравновесных носителей. Свет попадает на образец через узкую диафрагму прямоугольной формы, cI n -µn U (0) U (B) = =. (10) что исключает влияние контактов, так как расстояние от 2 wd q p2µ2(1 + µnB2) (1 + µnB2) 0 p краев диафрагмы до контактов значительно превышает длину диффузии неравновесных носителей. В отличие По магнитополевой зависимости сигнала U (B), котоот [14], при измерении МФП не требуется однородная рая описывается выражением (10), можно определить засветка всего образца. подвижность. Для этого необходимо измерить величиПри малом изменении концентрации носителей ну магнитной индукции BH, соответствующую уровню ( n, p) приращение продольного напряжения можно сигнала U (0)/2. В этой точке выполняется условие получить, разлагая в ряд выражение (2) и оставляя член, 1 + µnB2 = 2, откуда легко получается формула для H пропорциональный изменению проводимости, подвижности:

cI (B) µn [м2/В · с] =1/BH [Тл]. (11) U (B) =-. (4) wd (B) Погрешность определения подвижности складывается Для нахождения (B) заменим в (3) n = n0 + n, из четырех составляющих: погрешности в определеp = p0 + p (n0, p0 — равновесные концентрации элек- нии величины магнитной индукции BH, погрешности тронов и дырок). Так как уровень возбуждения мал, в определении половины сигнала фотопроводимости пренебрегая членами порядка n2, p2, n p, получим U (B)/ U (0) =1/2, наличия в образце более двух типов носителей и погрешности из-за нарушения условия 2 n0 nµn(1 + µ2B2) +p0 pµ2(1 + µnB2) p p n0 p0.

(B) =2q n0µn(1 + µ2B2) +p0µp(1 + µnB2) Поскольку выражение (10) имеет простой вид, можно p показать, что первые две погрешности малы и не превы(n0 p + p0 n)µnµp(1 - µnµpB2) шают нескольких процентов.

+ n0µn(1 + µ2B2) +p0µp(1 + µnB2) При выводе формулы (10) мы считали, что в образце p существуют только два типа носителей заряда — элек nµn(1 + µ2B2) + pµp(1 + µnB2) троны и тяжелые дырки. Как известно из работ [1,2,6], p - 0(B). (5) в КРТ наряду с тяжелыми дырками (в концентрации ph) n0µn(1 + µ2B2) +p0µp(1 + µnB2) p присутствуют легкие дырки (в концентрации pl). ЧисПри низких температурах, когда n0 p0, и для ленные расчеты показали, что влияние легких дырок на тех значений индукции магнитного поля, для которых МФП становится заметным при концентрации, равной µ2B2 1 и µnµpB2 1, это выражение запишется в pl = 0.05ph, что значительно превышает их действительp виде ную концентрацию (pl 0.001ph по данным работы [1]).

Следовательно, при анализе МФП влияние легких дырок q (B) = nµn + pµp(1 + µnB2). (6) можно не учитывать.

1 + µnBГораздо более сильное влияние на измеряемую поВКРТ p-типа проводимости при низких температурах движность оказывает нарушение условия n0 p0. Для основным механизмом рекомбинации является рекомби- определения зависимости погрешности от температунация через ловушки [19]. Тогда в стационарном случае ры были проведены численные расчеты. Установлено, Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Подвижность неосновных носителей заряда в пленках p-HgCdTe рой 77 K, сигнал МФП при T = 125 K убывает медленнее с ростом магнитного поля вследствие уменьшения подвижности электронов.

При температурах 100-130 K в образцах p-типа проводимости с x = 0.22 наблюдается смешанная проводимость, и параметры равновесных носителей заряда можно определить с помощью метода спектра подвижности.

Для образца 971124 было проведено сравнение значений подвижности электронов, определенных разными методами. На рис. 5 приведены спектры подвижности для этого образца. По оси абсцисс откладывается значение подвижности носителей, по оси ординат — их проводимость. Носители заряда проявляются в спектре, образуя пики проводимости. Подвижность носителей определяется по положению пика, а концентрация — Рис. 3. Отклонение U (B) в приближении (10) от расчета по его высоте. Подвижность электронов считается отсогласно (2), (5). Сплошная кривая — расчет по формулам (2) и (5), штриховая — расчет по формуле (10) для значения рицательной, подвижность дырок — положительной. На подвижности электронов µn = 4.0м2/В · с. Точки — расчет по рис. 5 наибольший пик в области малых положительных формуле (10) для подвижности электронов µn = 3.3м2/В · с.

подвижностей отвечает основным носителям — тяжелым дыркам. Для температур 100 и 125 K положения что погрешность сильно зависит от температуры. Для температур 77-90 K она очень мала — менее 1%.

Для температуры 100 K эта погрешность составляет 2% и увеличивается до 22% при температуре 125 K.

Оценим предельную погрешность для этой температуры.

На рис. 3 приведена теоретическая зависимость U (B) (сплошная линия), рассчитанная по формулам (2) и (5) при следующих условиях: x = 0.21, температура T = 125 K, концентрация дырок p = 2.3 · 1022 м-3, подвижность дырок µp = 0.03 м2/В · с, подвижность электронов µn = 4.0м2/В · с. Штриховая кривая получена по формуле (10) для той же подвижности электронов.

Точками показаны результаты расчета по формуле (10) для подвижности электронов µn = 3.3м2/В · c. Как видно из рис. 3, магнитополевая зависимость U (B), расРис. 4. МФП в образце 010629-1 при температурах 77 и 125 K.

считанная по формулам (2) и (5), хорошо описывается Точки — эксперимент, линии — расчет согласно (10).

формулой (10), но при другом значении подвижности.

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.