WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 6 Структура DX-подобных центров в узкозонных полупроводниках AIVBVI, легированных элементами III группы © А.И. Белогорохов, И.И. Иванчик, З. Попович,†, Н. Ромчевич†, Д.Р. Хохлов Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (Физический факультет), 119899 Москва, Россия Государственный институт редких металлов, Москва, Россия † Институт физики, Белградский университет, Белград, Югославия (Получена 13 октября 1997 г. Принята к печати 11 ноября 1997 г.) Проведены исследования структуры спектров инфракрасного отражения в субщелевой области теллурида свинца, легированного индием и галлием, и спектров комбинационного рассеяния PbTe(In). В спектрах комбинационного рассеяния и отражения PbTe(In) наблюдаются особенности на частоте 0 120 см-1, амплитуда которых резко возрастает при температурах T ниже температуры появления задержанной фотопроводимости Tc 25 K. Аналогичная особенность на частоте 0 155 см-1 наблюдается и в PbTe(Ga), причем резкий рост амплитуды особенности происходит при T > Tc 80 K. Анализ полученных данных позволяет сделать вывод о том, что в отличие от ”классических” DX-центров в полупроводниках AIIIBV микроскопическая структура примесных центров в основном двухэлектронном (DX-подобном) состоянии соответствует не смещенному из узла решетки атому примеси, в то время как для метастабильного одноэлектронного примесного состояния атом примеси смещается из узла решетки.

Введение стабилизации уровня Ферми, задержанной фотопроводимости и долговременной фотопамяти [2].

Проблема DX-центров в полупроводниках является В то же время, в отличие от ”классических”, микроскопредметом интенсивных экспериментальных и теорепическая структура ”DX-подобных” примесных центров тических исследований на протяжении более 20 лет.

была до последнего времени неизвестна. Результаты Основной характерной чертой этих примесных центров исследования спектров инфракрасного отражения и спекявляется сильное электрон-фононное взаимодействие, тров комбинационного рассеяния, полученные в настояприводящее к появлению барьеров в конфигурационном щей работе, позволяют сделать ряд важных выводов по пространстве между состояниями системы с различуказанному вопросу.

ным числом локализованных электронов. Помомо этого, сильная поляризация кристаллической решетки в окрестОбразцы и методика эксперимента ности атома примеси приводит в некоторых случаях к реализации состояния с отрицательной энергией корМонокристаллы PbTe, легированные In, выращивались реляции (negative-U centers). Такое сочетание свойств методом Бриджмена, а монокристаллы PbTe(Ga) — ведет к появлению целого ряда необычных эффектов, в методом Чохральского. Количество примеси в образчастности, задержанной фотопроводимости при низких цах соответствовало условию стабилизации уровня температурах. Микроскопическая структура ”классичеФерми на 70 мэВ выше дна зоны проводимости в ских” DX-центров, наблюдающихся в полупроводниках PbTe(In) [3] и на 70 мэВ ниже дна зоны проводимости классов AIIIBV и AIIBVI, достаточно подробно исследов PbTe(Ga) [4]. Поверхность образцов подвергалась вана как экспериментально, так и теоретически [1].

химико-механической полировке.

В полупроводниках группы AIVBVI, по большей части В работе проведены измерения спектров комбинаузкозонных, примесные состояния имеют значительную специфику. Из-за большой диэлектрической проницаемо- ционного рассеяния PbTe(In) при температурах от сти и малой эффективной массы носителей заряда при- до 300 K и спектров инфракрасного отражения PbTe(In) и PbTe(Ga) в диапазоне температур 10 300 K.

месные водородоподобные состояния имеют ничтожную энергию, и все наблюдающиеся уровни примесей и де- Комбинационное рассеяние света возбуждалось нефектов являются сильно локализованными и глубокими. поляризованным излучением аргонового лазера с длиДо недавнего времени считалось, что в полупроводниках ной волны 488 нм (средняя мощность около 100 мВт).

с узкой запрещенной зоной, в частности в материалах Для измерения спектров комбинационного рассеяния группы AIVBVI, DX-центры отсутствуют. Оказалось, од- использовались монохроматор U-1000 Jobin Yvon с транако, что свойства примесных центров, возникающих при диционной системой подсчета фотонов и монохроматор легировании некоторых полупроводников группы AIVBVI Dilor, оснащенный детектором с зарядовой связью. При примесями III группы, во многом аналогичны свойствам использовании классической системы подсчета фотонов DX-центров. В частности, были обнаружены эффекты производилось усреднение приблизительно по 40 спек680 А.И. Белогорохов, И.И. Иванчик, З. Попович,, Н. Ромчевич, Д.Р. Хохлов трам для каждой температуры. Образцы помещались в криостат замкнутого цикла с регулятором температуры, позволяющим охладить образец до 10 K.

Спектры инфракрасного (ИК) отражения в диапазоне волновых чисел 30 650 см-1 при температурах 10 300 K измерялись с помощью спектрометра ”Bruker” IFS 113v, оборудованного криостатом ”Oxford Instruments”.

Экспериментальные результаты Спектры комбинационного рассеяния монокристалла PbTe + 0.4 ат% In при температурах от 10 до 300 K приведены на рис. 1. Вообще говоря, моды комбинационного рассеяния 1-го порядка не являются активными в кубиРис. 2. Зависимость интенсивности Iloc линии комбинационного рассеяния на частоте 0 = 115 см-1 от температуры.

ческой гранецентрированной кристаллической решетке теллурида свинца. Моды, наблюдающиеся на 68, 126 и 143 см-1 при всех температурах от 10 до 300 K, связаны с влиянием тонкого слоя TeO2 на поверхности образца.

Эти моды хорошо заметны и в других теллуридах [5,6].

Мощная линия комбинационного рассеяния на частоте 103 см-1 обусловлена плазменными колебаниями.

Наиболее интересной представляется мода на частоте 0 115 см-1, которая может быть выделена из фона только для температур ниже 100 K. По мере дальнейшего уменьшения температуры средняя интенсивность линии (Iloc) растет, причем наиболее резкий подъем наблюдается при температуре Tc 25 K (рис. 2). Важно отметить, что величина Tc совпадает с критической температурой, ниже которой наблюдается эффект задержанной фотопроводимости в PbTe(In) [7].

Спектры инфракрасного отражения (R) монокристалла PbTe + 0.4 ат% In в дальней ИК области представлены на рис. 3. Экспериментальные данные обозначены точками. Процедура численной оптимизации параметров с использованием стандартного плазмон-фононного дисперсионного соотношения для диэлектрической проницаемости вида [8] p () = 1 (+ip) 2 LO - TO Рис. 1. Вид спектров комбинационного рассеяния -, (1) PbTe + 0.4 ат% In. Температура T, K: 1 — 10, 2 — 15, TO - 2 - iTO 3 — 20, 4 — 25, 5 — 30, 6 — 50, 7 — 65, 8 — 100, (где TO, LO — частоты поперечного и продольного 9 — 300. Числа со стрелками у кривых обозначают частоту соотвествующей линии в см-1. оптических фононов соответственно, p — плазменная Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Структура DX-подобных центров в узкозонных полупроводниках AIVBVI, легированных... го инфракрасного отражения Pb0.75Sn0.25Te(In) [9,10] и Pb0.9Mn0.1Te(In) [11] на той же частоте.

Аналогичная дополнительная структура обнаружена в спектрах инфракрасного отражения PbTe(Ga) (рис. 5).

Отличие от случая PnTe(In) лишь численное: частота 0 = 155 см-1, loc (сила осциллятора) резко возрастает при уменьшении температуры ниже Tc = 80 K — критической температуры появления задержанной фотопроводимости в PnTe(Ga) (рис. 6).

Рис. 3. Спектры инфракрасного отражения PbTe + 0.4 ат% In.

T, K: 1 — 10, 2 — 50, 3 — 100, 4 — 150, 5 — 200, 6 — 300.

Точки — эксперимент, сплошные кривые — результаты процедуры численной оптимизации параметров с использованием дисперсионных соотношений (1), (2).

Рис. 4. Зависимость приведенной силы осциллятора в виде 2 loc(T )/loc(0) (см. соотношение (2)) от температуры для PbTe(In).

частота, TO и p — фононный и плазмонный факторы затухания соответственно, — высокочастотная диэлектрическая проницаемость) не позволяет описать дополнительную структуру в спектрах отражения, наблюдающуюся в области частот 120 см-1 при температурах ниже 200 K. Для получения удовлетворительного согласия с экспериментальными данными в дисперсионное соотношение необходимо ввести дополнительный осциллятор вида loc, (2) 0 - 2 - iG где 0 — характерная частота осциллятора, loc — величина, пропорциональная силе осциллятора, G — фактор затухания (сплошные кривые на рис. 3). ВеРис. 5. Вид спектров инфракрасного отражения личина 0 = 122 см-1 практически не изменяется с PbTe + 0.4 ат% Ga. T, K: 1 — 300, 2 — 150, 3 — 70, 4 — 50.

температурой, в то время как loc (сила осциллятора) Точки — экспериментальные значения, сплошные кривые — резко возрастает при температурах ниже 50 K (рис. 4).

результат процедуры численной оптимизации параметров с Сходная структура наблюдается и в спектрах дальне- использованием дисперсионных соотношений (1), (2).

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 682 А.И. Белогорохов, И.И. Иванчик, З. Попович,, Н. Ромчевич, Д.Р. Хохлов Обсуждение результатов Легко заметить, что температурная зависимость интенсивности моды комбинационного рассеяния на частоте 0 в PbTe(In), показанная на рис. 2, имеет большое сходство с зависимостью силы осциллятора от температуры для инфракрасной активной моды на 122 см-1 (см.

рис. 4). Более того, аналогичная структура на частоте 155 см-1 зарегистрирована в спектрах инфракрасного отражения теллурида свинца, легированного галлием.

По нашему мнению, природа дополнительных осцилляторов, проявляющихся в спектрах инфракрасного отражения и комбинационного рассеяния, а также в спектрах фотопроводимости [12] туллурида свинца, легироРис. 6. Зависимость силы (loc) (1) и частоты осциллятора (2) ванного элементами III группы — индием и галлием, свяот температуры для PbTe(Ga).

зана с возбуждением локальных фононных мод вблизи атомов примеси. Действительно, прежде всего частоты, на которых наблюдаются осцилляторы, близки к частоте продольного оптического фонона в PbTe LO = 110 см-1. локальной фононной моде, возрастает при понижении Кроме того, соотношение температуры более чем в 10 раз. Таким образом, наблюдаемая локальная мода, скорее всего, соответствует 0(In) mGa примесным центрам, находящимся в метастабильном = (3) 0(Ga) mIn состоянии A2+, когда на примеси локализован только один электрон. Температура Tc определяется величиной для частот локальных мод в рамках простейшей модели, барьера W в конфигурационном пространстве, отделяюучитывающей лишь различие масс mIn, Ga примесных щего метастабильное примесное состояние от основного атомов индия и галлия, выполняется с удивительной двухэлектронного A+, поэтому при низких температуточностью.

рах, когда kT < W, в условиях инфракрасного фотовозВозникает вопрос, какому зарядовому состоянию прибуждения происходит резкое увеличение заселенности месных атомов индия и галлия соответствует наблюцентров A2+.

дающаяся локальная мода колебаний. Известно [13], Полученные экспериментальные данные дают основачто элементы III группы замещают в основном атомы ния для некоторых выводов о микроскопической струкметалла в сплавах на основе теллурида свинца. Однако туре примесных центров в различных зарядовых состонейтральное относительно решетки зарядовое состояяниях. Прежде всего, несмотря на резкое возрастание ние (2+) атомов примеси оказывается метастабильным амплитуды моды комбинационного рассеяния Iloc на чаи распадается на донорно-акцепторные пары согласно стоте 0 = 115 см-1 при уменьшении температуры ниже реакции Tc = 25 K, величина Iloc все же значительно меньше ха2A2+ A+ A3+, рактерных значений, отвечающих нарушению инверсной т. е. эффективная энергия взаимодействия электро- симметрии по всему объему кристалла. Следовательно, нов на примесном центре отрицательна (negative-U появление моды комбинационного рассеяния обусловлеcenters) [13,14]. Данное обстоятельство приводит к но, по всей вероятности, локальным нарушением симэффекту стабилизации уровня Ферми в положении, со- метрии инверсии. В то же время при высоких темпераответствующему равенству полной многоэлектронной турах T > 100 K мода комбинационного рассеяния на энергии состояний A+ и A3+ [14]. Дополнительное частоте 0 = 115 см-1 неразличима на уровне фона. При легирование другими донорами или акцепторами в такой этих температурах практически все примесные центры ситуации сказывается лишь на изменении концентрации находятся в состояниях In+ и In3+, из чего следует, что примеси в одно- и трехвалентном состояниях, но не на для указанных зарядовых состояний примеси локальные положении уровня Ферми. Таким образом, количество нарушения симметрии инверсии отсутствуют.

примесных атомов в состояниях A+ и A3+ по порядку Еще одним аргументом, свидетельствующим о смещевеличины соответствует общей концентрации примеси в нии атома примеси из центрально-симметричного полообразце 1020 см-3. Задержанная фотопроводимость, жения для метастабильного зарядового состояния A2+, наблюдающаяся в указанных материалах при низких является следующий. Соотношение (1) справедливо для температурах T < Tc, не может существенно изме- локальных мод, связанных с примесными атомами индия нить соотношение между A+ и A3+, поскольку концен- и галлия. Поэтому учитывая, что индий замещает свинец трация неравновесных носителей заряда не превышает в кристаллической решетке, можно было бы ожидать 1018 см-3 [3,4]. В то же время экспериментальные дан2 ные указывают, что сила осциллятора, соответствующего 0(In)/LO = mPb/mIn. (4) Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Структура DX-подобных центров в узкозонных полупроводниках AIVBVI, легированных... Простейшие вычисления показывают, однако, что соот- [8] S.W. McKnight, M.K. El-Rayess. Sol. St. Commun., 49, (1984).

ношение (4) не выполняется. Указанное противоречие [9] N. Romcevic, Z.V. Popovic, D.R. Khokhlov, A.V. Nikorich, находит объяснение, если учесть, что атомы примеси, W. Koenig. Phys. Rev. B, 43, 6712 (1991).

находящиеся в метастабильном состоянии, сдвинуты из [10] N. Romcevic, Z.V. Popovic, D.R. Khokhlov. J. Phys: Condens.

центрально-симметричного положения. Это в свою очеMatter., 4, 4323 (1992).

редь может привести к некоторому изменению силовых [11] N. Romcevic, Z.V. Popovic, D.R. Khokhlov, W. Koenig. Infr.

констант кристаллической решетки в окрестности приPhys. Technol., 38, 117 (1997).

месного центра и к нарушению соотношения (4).

[12] А.И. Белогорохов, И.И. Иванчик, С.В. Пономарев, Таким образом, полученные результаты свидетельЕ.И. Слынько, Д.Р. Хохлов. Письма ЖЭТФ, 63, 342 (1996).

ствуют о том, что состояния примеси A+ и A3+, со- [13] И.А. Драбкин, Б.Я. Мойжес. ФТП, 15, 625 (1981).

[14] D.R. Khokhlov, B.A. Volkov. Proc. 23 Int. Conf. Phys.

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.