WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 5 К вопросу о поглощении инфракрасного излучения свободными носителями заряда в n-Cd1-xZnxTe © А.И. Белогорохов, Л.И. Белогорохова, А.Г. Белов, В.М. Лакеенков, Н.А. Смирнова Институт редкометаллической промышленности ”Гиредмед”, 109017 Москва, Россия Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, 119899 Москва, Россия (Получена 24 июня 1998 г. Принята к печати 28 июля 1998 г.) Исследовались инфракрасные спектры пропускания монокристаллических образцов n-CdTe и n-Cd1-xZnxTe при 295 и 77 K. Проведен анализ полученных экспериментальных данных в предположении, что наблюдаемые спектральные зависимости коэффициента пропускания обусловлены поглощением инфракрасного излучения свободными носителями заряда. Показано, что результаты расчета удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными. Значения концентраций и подвижностей электронов, рассчитанные из спектров пропускания, близки к значениям аналогичных параметров, полученных из электрических измерений.

1. Введение спектров пропускания в инфракрасной (ИК) области и из данных электрических измерений — и сопоставить результаты двух принципиально различных экспериментов.

За последние годы интерес к теллуриду кадмия и твердым растворам на его основе Cd1-xZnxTe заметно возрос, что обусловлено двумя основными причинами.

2. Методика эксперимента.

Во-первых, твердый раствор Cd1-xZnxTe является наибоПриготовление образцов лее перспективным материалом для подложек при получении эпитаксиальных гетероструктур CdxHg1-xTe/CdTe В работе исследовались монокристаллические образи, во-вторых, он имеет ряд преимуществ перед другими цы Cd1-xZnxTe (0 x 0.06) n-типа проводимополупроводниками при использовании его в качестве сти (параметры некоторых образцов представлены в материала для создания детекторов ядерного излучения.

таблице). Кристаллы, полученные методом Бриджмена, Однако изучено это соединение явно не достаточно;

состояли из 23 монокристаллических блоков, они были частично исследованы лишь его оптические свойства.

сориентированы в направлении (111) и разрезаны на Что касается электрических свойств, то их исследопластины толщиной 1.4 1.6 мм.

вания сопряжены с большими трудностями, особенно Для проведения оптических измерений пластины с при проведении измерений при азотных и гелиевых двух сторон шлифовались, а затем подвергались химикотемпературах, т. е. именно в тех случаях, когда можно механической полировке с использованием полирующего получить наиболее ценную информацию о концентрацитравителя состава Br2 : HBr: этиленгликоль. С помощью ях свободных носителей заряда, энергиях ионизации приэтих операций удавалось полностью удалить нарушенмесных уровней, соотношении концентраций доноров и ный слой и получить поверхность образца, близкую к акцепторов и т. д.

зеркальной.

Анализ имеющихся на сегодняшний день литературСтруктурное совершенство образцов исследовалось ных данных показывает, что авторы, как правило, очень методом металлографии. Для выявления дислокационскупо излагают результаты электрических измерений и ной структуры на поверхности A(111) образцы обрабатолько изредка останавливаются на тех трудностях, с тывались селективным травителем, состоящим из 50%-го которыми им пришлось столкнуться при проведении низводного раствора CrO3 и HF (3: 2объемных частей).

котемпературных измерений. Создание контактов к телВ исследованных нами образцах плотность дислокаций луриду кадмия–цинка, омических в широком интервале составляла (4 6) · 104 см-2, малоугловые границы и температур, представляет собой сложную техническую включения второй фазы отсутствовали.

задачу, которая пока далека от разрешения.

Измерения электрических параметров проводились Если препятствием к проведению холловских измере- при комнатной температуре (T = 295 K) и температуре ний является отсутствие омических контактов, то опти- жидкого азота (T = 77.3K) по методу Ван-дер-Пау;

ческие измерения полностью освобождают от этой про- коэффициент Холла измерялся при значении индукции блемы. В тех случаях, когда удается провести оптические магнитного поля B = 0.5 Тл. Измерения проводились на и электрические измерения на одних и тех же образцах, образцах, форма которых была близка к прямоугольной, ценность получаемой информации заметно возрастает. с размерами не более 4 10 мм2. Образец выкалывался В настоящей работе мы попытались определить кон- из пластины, контакты припаивались индием к свежим центрацию свободных носителей заряда в кристаллах сколам между скалыванием и пайкой контактов прохоCd1-xZnxTe n-типа проводимости двумя способами — из дило не более 5 мин, так что сколы не успевали за550 А.И. Белогорохов, Л.И. Белогорохова, А.Г. Белов, В.М. Лакеенков, Н.А. Смирнова Параметры исследованных образцов n-типа проводимости Концентрация электронов Подвижность электронов № Толщина образца Температура Материал образца d, мм T, K Nopt, см-3 Nel, см-3 µopt, см2/ В·с µel, см2/ В·с 1 Cd0.96Zn0.04Te 1.07 295 6.6 · 1016 6.3 · 1016 770 77.3 4.0 · 1016 3.9 · 1016 1300 2 Cd0.96Zn0.04Te 1.01 295 1.9 · 1016 2.7 · 1016 870 77.3 1.6 · 1016 1.3 · 1016 900 3 Cd0.97Zn0.03Te 0.67 295 8.2 · 1015 8.9 · 1015 670 77.3 4.3 · 1015 4.5 · 1015 960 4 Cd0.94Zn0.06Te 0.92 295 1.1 · 1015 1.1 · 1015 970 77.3 8.2 · 1014 8.0 · 1014 8800 5 CdTe 1.20 295 1.9 · 1014 2.3 · 1014 960 77.3 1.3 · 1014 1.2 · 1014 5200 грязняться. Омичность контактов проверялась по вольт- преломления материала; e — заряд электрона; c — амперным характеристикам. Было установлено, что при- скорость света в вакууме.

меняемая нами методика изготовления контактов дает Если взять минимальное значение волнового чивполне удовлетворительные результаты. При понижении сла из рассматриваемого спектрального диапазона температуры образца наблюдались отклонения вольт- ( = 300 см-1) и типичные для наших образцов значения подвижности (µopt 103 см2/В · с), то второе слагаемое амперных характеристик от линейных зависимостей, в знаменателе формулы (1) окажется равным 40 (оценка особенно для образцов с n 1015 см-3, однако эти по минимуму). Поэтому единицей в знаменателе можно отклонения были незначительными и практически не пренебречь и, учитывая, что = 2c, формулу (1) влияли на результаты электрических измерений. Для можно представить в виде образцов с n > 1015 см-3 контакты были омическими при всех температурах.

Nopte =. (2) Оптические спектры регистрировались на фурьеc3nµoptm2 opt спектрометре IFS-113v (производство фирмы Brker, Эффективная масса электронов определялась из соотноФРГ) в диапазоне волновых чисел (3000 300) см-1.

шения [2] Спектральное разрешение во всем диапазоне составляло 3h2Eg 0.5 см-1. Для проведения низкотемпературных измереmopt =. (3) ний использовался проточный гелиевый криостат фирмы 162Pcv Oxford Instruments (Великобритания). Линейные размеЗдесь h = 6.62 · 10-34 Дж · с — постоянная Планры светового пятна не превышали 2 мм.

ка, Pcv — матричный элемент взаимодействия валентМатематическая обработка полученных спектров проной зоны и зоны проводимости (считается не зависяпускания заключалась в подгонке расчетной кривой к щим от температуры и концентрации цинка и равным экспериментальному спектру по методу наименьших ква9.0 · 10-8 эВ · см [3]). Для твердого раствора Cd1-xZnxTe дратов путем варьирования двух независимых переменширина запрещенной зоны Eg вычислялась из соотношеных: концентрации (N) и подвижности (µ) свободных ния, взятого из работы [4] для T = 5 K; термический носителей заряда. Сущность использованного метода коэффициент изменения запрещенной зоны считался не подгонки заключалась в следующем.

зависящим от температуры в интервале 5 300 K и Теллурид кадмия представляет собой широкозонный равным dEg/dT = -4.5 · 10-4 эВ/град [5]. Используя полупроводник с шириной запрещенной зоны 1.5эВ, формулу (3) для чистого теллурида кадмия (x = 0), так что для электронного образца влияние дырок из-за получаем: Eg = 1.468 эВ, mopt = 0.103m0 при T = 295 K их малого количества никак не сказывается. В этом слу- и Eg = 1.566 эВ, mopt = 0.110m0 при T = 77.3K чае (монополярный полупроводник n-типа) зависимость (m0 — масса свободного электрона).

коэффициента поглощения от частоты выразится Если известно значение, то значение коэффициента соотношением [1] пропускания легко определить из соотношения [1] (1 - R)2e-d 4eNoptµopt T =, (4) =. (1) 1 - R2e-2d cn [1 + 2(moptµopt/e)2] где R — коэффициент однократного отражения, Здесь Nopt, mopt, µopt — соответственно концентрация, (n - 1)2 + kэффективная масса и подвижность свободных носителей R =, (5) (n + 1)2 + kзаряда (индекс ”opt” означает, что все эти параметры определяются из спектров пропускания); n — показатель k — коэффициент экстинкции, k = /4.

Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. К вопросу о поглощении инфракрасного излучения свободными носителями заряда в n-Cd1-xZnxTe () Расчетные зависимости T были получены с использованием соотношений (2)–(5) путем варьирования параметров Nopt и µopt в формуле (2). Показатель преломления n считался не зависящим от волнового числа и выбирался равным 2.70 при T = 295 K и 2.при T = 77.3K [6]. Полученные значения Nopt и µopt представлены в таблице, где приведены также значения концентрации Nel и подвижности µel, вычисленные из данных электрических измерений.

3. Результаты экспериментов и их обсуждение Типичные спектры пропускания образцов CdTe и Cd1-xZnxTe n-типа проводимости при T = 295 и 77.3 K приведены на рис. 1. Как видно из рисунка, при понижении температуры образца значение коэффициента пропускания возрастает во всем спектральном интервале. Поскольку рассматриваемый ИК диапазон далек от области собственных переходов (Eg соответствует 12 500 см-1) и явно выраженные полосы поглощения на спектрах пропускания отсутствуют, мы предположили, что наблюдаемая монотонно возрастающая () Рис. 2. Спектры пропускания образцов Cd1-xZnxTe с различзависимость T (рис. 1) обусловлена поглощением ными концентрациями электронов при T = 295 K. Номера ИК излучения свободными носителями заряда. Примекривых соответствуют номерам образцов в таблице.

нив вышеописанную процедуру подгонки, мы получили значения Nopt и µopt, которые приведены в таблице.

Насколько близко теоретическая кривая подходит к экспериментальной, можно судить по рис. 1, где приведены расчетный и экспериментальный спектры пропускания образца 1 при T = 77.3 K. Как видно из рис. 1, наблюдается вполне удовлетворительное согласие между расчетными и экспериментальными данными.

На рис. 2 показано изменение формы спектральной зависимости коэффициента пропускания от концентрации свободных носителей заряда при T = 295 K.

Видно, что при уменьшении концентрации электронов спектр смещается влево, в область меньших волновых чисел, при этом значения коэффициента пропускания увеличиваются. Кривая 4 соответствует образцу с Nopt = 1.1 · 1015 см-3, при таких значениях концентраций электронов поглощение ИК излучения свободными носителями заряда сказывается только в длинноволновой части спектра ( 1000 см-1); в области >1000 см-коэффициент пропускания практически не зависит от волнового числа. Наблюдаемые на кривой 4 особенности в интервале <500 см-1 обусловлены многофононными процессами и не связаны с поглощением ИК излучения свободными носителями заряда.

Сопоставление данных оптических и электрических измерений (см. таблицу) показывает, что значения Nopt и Nel различаются не более чем в 1.5 раза, а значения Рис. 1. Типичные экспериментальные спектры пропускания µopt и µel — еще меньше, причем наблюдается различие твердого раствора Cd1-xZnxTe (образец 1) при T = 77.3 (1) и как в ту, так и в другую сторону (т. е. систематическая 295 K (2). Штриховая линия — расчетный спектр пропускания образца 1 при T = 77.3K. ошибка отсутствует).

Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 552 А.И. Белогорохов, Л.И. Белогорохова, А.Г. Белов, В.М. Лакеенков, Н.А. Смирнова Полученные результаты однозначно свидетельствуют Free carrier absorption in n-type о том, что наблюдаемые спектральные зависимости коCd1-xZnxTe crystals in the far-infrared эффициента пропускания образцов n-Cd1-xZnxTe вполне region удовлетворительно описываются механизмом поглощеA.L. Belogorokhov, L.I. Belogorokhova, A.G. Belov, ния ИК излучения свободными носителями заряда. В V.M. Lakeenkov, N.A. Smirnova наших образцах включения на основе теллура отсутствовали, поэтому гипотеза о наличии преципитатов Institute of Rare Metals, () теллура [7,8], приводящих к зависимостям T вида 109017 Moscow, Russia и 2 (рис. 1), представляется нам ошибочной, так как Moscow State University, непонятно, почему при рассеянии излучения на неких 119899 Moscow, Russia неоднородностях материала получаются возрастающие ();

зависимости T из общих соображений следует, что

Abstract

Infrared transmission spectra of monocrystalline должна быть обратная ситуация.

wafers of n-CdTe and n-Cd1-xZnxTe have been investigated at Что касается образцов теллурида кадмия–цинка temperatures 77.3 and 295 K. An analysis of the experimental data p-типа проводимости, то в них к рассматриваемому has been made, assuming that observed spectral dependencies of механизму поглощения ИК излучения свободными но- transmission coefficient are determined by free carrier absorption.

сителями заряда примешивается поглощение, вызванное Calculation results are shown to be in satisfactory agreement with experimental data. The electron concentration and mobility values переходами дырок между валентными подзонами, что calculated from transmission spectra are close to values obtained затрудняет интерпретацию спектров пропускания. Оба from galvanomagnetic maesurements.

эти механизма поглощения приводят к возрастающей зависимости T (). Изучение оптических и электрофизиFax: (095) ческих свойств материала p-типа проводимости является E-mail: abelog@glas.apc.org предметом самостоятельного исследования.

Работа выполнена в рамках проекта РФФИ № 96-0218853.

Список литературы [1] Т. Мосс, Г. Баррел, Б. Эллис. Полупроводниковая оптоэлектроника (М., Мир, 1976) с. 27, 45, 51.

[2] Б.М. Аскеров. Кинетические эффекты в полупроводниках (Л., Наука, 1970) с. 39.

[3] M. Cardona. J. Phys. Chem. Sol., 24(4), 1543 (1963).

[4] M.J.S.H. Brasil, M.C. Tamargo, R.E. Nahory, H.L. Gilchrist, R.J. Martin. Appl. Phys. Lett., 59(10), 1206 (1991).

[5] Н.Н. Берченко, В.Е. Кревс, В.Г. Средин. Полупроводниковые твердые растворы и их применение (М., Воениздат, 1982) с. 73.

[6] J. Baars, F. Sorger. Sol. St. Commun., 10(9), 875 (1972).

[7] W.J. Kim, M.J. Park, S.U. Kim, T.S. Lee, J.M. Kim, W.J. Song, S.H. Suh. J. Cryst. Growth, 104(3), 677 (1990).

[8] B. Li, J. Zhu, X. Zhang, J. Chu. J. Cryst. Growth, 181, (1997).




© 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.