WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 6 Диэлектрическая проницаемость и проводимость на переменном токе полуизолирующих полупроводников Cd1-xMnxTe † © П.В. Жуковский, А. Родзик, Ю.А. Шостак Люблинский технический университет, Люблин, Польша Ягеллонский университет, Краков, Польша † Белорусский государственный университет, 220050 Минск, Белоруссия (Получена 11 июля 1995 г. Принята к печати 25 октября 1996 г.) Приведены температурные зависимости диэлектрической проницаемости и сопротивления на переменном токе соединений Cd1-xMnxTe (0 x 0.7), из которых установлено, что дополнительная поляризация соединения обусловлена прыжковой перезарядкой дефектов структуры. Исследованы спектры электронного парамагнитного резонанса и отражения света для этих материалов. Предложена модель, описывающая термически активируемый рост диэлектрической проницаемости полупроводников. Определены основные характеристики и предложена микроскопическая модель структуры дефектов, прыжковая перезарядка которых приводит к росту диэлектрической проницаемости компенсированных полупроводников Cd1-xMnxTe.

Введение При низких температурах доминирующая часть этих дефектов будет находиться в нейтральном зарядовом При высоких концентрациях дефектов, вносящих глу- состоянии. С ростом температуры может начаться прыжбокие уровни в запрещенную зону, в полупроводниках ковый обмен зарядами между дефектами. При этом могут проявляться динамические эффекты, обусловлен- прыжки осуществляются в основном между ближайшиные прыжковым обменом зарядами между дефектами [1]. ми соседями [6]. Средняя длина прыжка R N-1/3, где Одним из таких эффектов является обнаруженный нами N — концентрация дефектов. Диполь, возникающий в температурно-активируемый рост диэлектрической про- результате прыжка, имеет момент p = eR. Вероятность ницаемости в кристаллах Si, облученного дозами нейтро- прыжковой перезарядки определяется, согласно [7]:

нов более или порядка 1018 см-2 [2]. Прыжковый обмен E E электронами между имеющимися в кристалле дефектами P(T ) =c(R)2 exp -2R -, (1) kT kT приводит к появлению диполей, а следовательно, к росту диэлектрической проницаемости [3]. В бинарных и где — скорость спада волновой функции электрона тройных соединениях дефекты возникают не только в в потенциальной яме, создаваемой дефектом, E — результате облучения, но и в процессе выращивания [4].

энергия активации прыжкового обмена зарядами, связанИх прыжковая перезарядка также может приводить к ная с энергетическими положениями уровней дефекта в росту диэлектрической проницаемости кристаллов.

запрещенной зоне и уровнем Ферми, c — коэффициент, В данной работе представлена феноменологическая определяемый спектром фононов.

модель, описывающая рост диэлектрической проницаеПредположим далее, что дефект может находиться в мости сильно дефектных полупроводников, обусловлензарядовом состоянии, отличном от 0, некоторое время, ный прыжковой перезарядкой дефектов, приведены реа затем снова возвращается в нейтральное состояние.

зультаты измерений диэлектрической проницаемости и Тогда по аналогии с [8] концентрацию дефектов в заряпроводимости на переменном токе, а также спектров женных состояниях можно оценить следующим образом:

электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) полуNP(T ) проводников Cd1-xMnxTe, что позволило предложить N+ = N- =. (2) aP(T) + микроскопическую модель структуры дефектов, между которыми происходит прыжковый обмен зарядами.

В отсутствие электрического поля направления прыжков равновероятны. В электрическом поле с напряженностью E вероятности прыжков по направлению E ипротив него 1. Прыжковый обмен зарядами отличаются на величину exp ±eRE.

kT и диэлектрическая проницаемость Таким образом, в объеме кристалла появятся нескомсильно дефектных полупроводников пенсированные диполи, концентрацию которых получим, eRE умножив P(T ) в выражении (2) на sh :

kT При построении модели будем исходить из того, что в eRT кристалле существует один тип дефектов, которые вноNP(T ) sh eREkT Ndip =. (3) сят глубокие уровни в запрещенную зону, а зарядовые 2P(T ) sh + kT состояния дефектов могут принимать значения ”0”, ”+” и ”-”. Такие дефекты характерны для полупроводников Используя соотношения P = Ndipp = NdipeR, P = 0E AIIBVI [5]. и (3), определим дополнительный вклад в диэлектриДиэлектрическая проницаемость и проводимость на переменном токе ческую восприимчивость, вызванный прыжковой переза- вызванный прыжковой перезарядкой, можно наблюдать рядкой дефектов: только для частот f 2/. Однако для разных дефектов eRE времена могут различаться между собой. Если они NP(T ) sh eR находятся в интервале min max, то p должна eREkT p =. (4) 0E 2P(T ) sh + уменьшаться начиная с частоты f 2/max и при kT f > 2/min обратиться в нуль.

В случае слабых полей выражение (4) упрощается:

NP(T ) e2R2. Экспериментальные результаты и их p =. (5) 0kT обсуждение При P(T ) 1 произведение NP(T ), согласно (2), Для измерений температурных зависимостей диэлекявляется полной концентрацией диполей (в отличие трической проницаемости полуизолирующих материаот (3), где дана концентрация нескомпенсированных лов Cd1-xMnxTe (0 x 0.7) были изготовлены кондиполей). Тогда денсаторы, диэлектриком в которых служили пластинки N+e2Rp = (6) исследуемых материалов толщиной 0.45 мм. Обкладки 0kT конденсаторов были получены нанесением серебряной и p с точностью до коэффициента 3 совпадает с велитокопроводящей пасты на поверхности пластинок. Изчиной, определяемой формулой Дебая–Ланжевена [9] мерения емкости и сопротивления проводились цифровым измерителем иммитанса E7-14 на частотах 0.1, Ne2R =, (7) и 10 кГц. Точность измерений составляла ±0.1 %. Тем30kT пература изменялась от 80 до 450 K. Точность измерения описывающей диэлектрическую восприимчивость кри- температуры составляла ±0.5K.

сталла с N диполями. На рис. 1, 2 приведены температурные зависимости Таким образом, прыжковая перезарядка многозаряд- емкости конденсатора с диэлектриком Cd1-xMnxTe разных дефектов, вносящих глубокие уровни в запрещен- личного состава. Из рисунка видно, что при низких ную зону, в присутствии внешнего электрического поля температурах величина диэлектрической проницаемости должна привести к росту диэлектрической проницаемо- составляет около 9 и совпадает со значением, полученсти. ным из оптических измерений в инфракрасной области При выводе выражений (4) и (5) мы предполагали спектра [10]. В табл. 1 приведены величины энергий = const. При этом дополнительный вклад в p, активации роста диэлектрической проницаемости EC, Рис. 1. Температурные зависимости емкости Cd0.85Mn0.15Te Рис. 2. Температурные зависимости емкости материалов для частот измерений: f, кГц: 1 —0.1, 2 —1, 3 — 10. Cd1-xMnxTe 0 x 0.7, f = 10 кГц. Значения x: 1 —0, 2 — 0.15, 3 —0.3, 4 —0.5, 5 —0.7.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 716 П.В. Жуковский, А. Родзик, Ю.А. Шостак Рис. 3. Температурные зависимости сопротивления Cd0.85Mn0.15Te для частот измерений: f, кГц: 1 —0.1, 2 —1, 3 — 10.

которые отсчитываются от края зоны проводимости, Для того чтобы в силу прыжковой перезарядки произоопределенные из зависимостей lgC = f (1/T ) для по- шло столь существенное возрастание диэлектрической лупроводников различного состава. С ростом частоты проницаемости (до значений 200, т. е. более чем измерений наблюдается уменьшение емкости, как это в 10 раз), необходимы концентрации дефектов порядка следует из выражений (4)–(5).

10191020 см-3 [2]. Для определения концентрации На рис. 3 приведены температурные зависимости сопротивления образца Cd0.85Mn0.15Te. Сопротивление существенно зависит от частоты измерений, что свидетельствует о прыжковом механизме переноса зарядов в нем [6]. Согласно [6], зависимость проводимости от частоты в этом случае описывается выражением s = 0 f, (8) где s 0.8. Выражение (8) справедливо только в тех областях температур, где проводимость определяется прыжковой перезарядкой дефектов одного типа. Исходя из этого на зависимостях R(1/T ) были выбраны такие температуры, при которых участок спада сопротивления наблюдается для всех трех частот измерений (см. рис. 3).

На рис. 4 приведены зависимости проводимости от частоты измерений для материалов разного состава, а также 0.зависимость = 0 f. Из рис. 4 видно, что для всех исследованных материалов проводимость зависит от частоты измерений, а показатель s в выражении (8) во всех случаях меньше, чем 0.8. Совпадение температурных участков возрастания диэлектрической проницаемости и проводимости (рис. 1 и 3), энергий Рис. 4. Частотная зависимость проводимости материалов активации возрастания емкости EC и проводимости Cd1-xMnxTe 0 x 0.7. Состав твердого раствора и ER (табл. 1) и наличие частотных зависимостей емкотемпература измерений: 1 — x = 0, T = 358 K; 2 — x = 0.15, сти и проводимости могут свидетельствовать о том, что T = 278 K; 3 — x = 0.3, T = 283 K; 4 — x = 0.5, все вышеперечисленные процессы определяются прыжT = 328 K; 5 — x = 0.7, T = 378 K; штриховой линией 0.ковым обменом зарядами между дефектами.

показана зависимость типа = 0 f.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Диэлектрическая проницаемость и проводимость на переменном токе C Таблица 1. Энергии активации диэлектрической проницаемости (Ei ) и проводимости (EiR) на 1-й (i = 1) и 2-й (i = 2) стадиях возрастания величин C и, а также ширина запрещенной зоны Eg для полупроводников Cd1-xMnxTe C R C R x E1, эВ E1, эВ E2, эВ E2, эВ Eg, эВ 0 < 0.12 - 0.25 ± 0.05 0.28 ± 0.05 1.0.15 0.12 ± 0.03 0.12 ± 0.03 0.14 ± 0.03 0.13 ± 0.03 1.0.30 0.27 ± 0.05 0.29 ± 0.05 Не обнаружены 1.0.50 0.25 ± 0.05 0.25 ± 0.05 в измеренном 2.0.70 0.60 ± 0.10 0.57 ± 0.10 температурном интервале 2.дефектов, имеющихся в материалах Cd1-xMnxTe, были является монотонной. До значений x = 0.30 величина C измерены спектры ЭПР при T = 77 K. Результаты E1 возрастает с ростом x, затем не изменяется до измерений показали, что в материалах с x 0.15 наблю- x = 0.50, а потом резко возрастает.

дается широкая изотропная линия, параметры которой — Аналогичная зависимость величины от x характерна и g-фактор и полуширина линии H, а также концен- для ширины линии сигнала ЭПР. Величина g-фактора трация дефектов, ответственных за ее появление, — также является немонотонной функцией x (табл. 2).

приведены в табл. 2. Из данных ЭПР следует, что в Анализ полученных результатов, и в первую очередь полупроводниках Cd1-xMnxTe имеются парамагнитные немонотонного изменения энергий активации EC и центры, концентрация которых может быть достаточно ER, позволили разработать модель дефектов, прыжковелика для того, чтобы прыжковый обмен зарядами вая перезарядка которых определяет диэлектрическую между ними привел к возрастанию диэлектрической проницаемость и проводимость на переменном токе компроницаемости.

пенсированных полупроводников Cd1-xMnxTe. Свойства В CdTe при температуре 77 K диэлектрическая продефектов определяются прежде всего их микроскопиченицаемость примерно в 3 раза превышает значение, ской структурой, т. е. в нашем случае числом входящих характерное для материалов с x > 0 при этой темперав их состав атомов Mn, которое в зависимости от контуре. Это означает, что в CdTe существуют в большой центрации x может принимать дискретные значения от концентрации также дефекты, прыжковая перезарядка до 4. Поэтому можно предположить, что при x = 0.которых начинается при температурах, меньших 77 K.

в состав дефекта с энергией активации E1 = 0.12 эВ Сказать что-либо определенное о величине энергии аквходит один атом Mn. Для x = 0.3и0.5в состав дефекта тивации диэлектрической проницаемости не представляс E1 0.27 эВ могут входить 2 атома Mn, а при x = 0.ется возможным. Можно только предполагать, что она (дефект с E1 0.60 эВ) — 3 атома Mn. Вторым C не превосходит величины E1 для x = 0.15, т. е. 0.12 эВ.

компонентом дефектов, проявляющихся на первой стаИз табл. 1 и рис. 2 видно, что после введения Mn в дии роста диэлектрической проницаемости, может быть концентрации x = 0.15 не были обнаружены в заметном примесь или вакансия в подрешетке Te.

количестве дефекты, ответственные за дополнительную На рис. 6 представлена модель структуры дефекполяризацию CdTe при низких температурах. Так как Mn тов, которые могут быть ответственны за процессы замещает Cd, можно предположить, что эти дефекты прыжкового переноса зарядов в материалах Cd1-xMnxTe являются дефектами подрешетки Te, а введение Mn (0 x 0.7). Исходя из предполагаемой модели приводит к изменению положения их энергетических структуры дефектов, отличающихся различным числом уровней в запрещенной зоне и, следовательно, к измевходящих в их состав атомов Mn, можно объяснить нению зависимости (1/T ).

наблюдаемые различия в изменениях с концентрацией На рис. 5 приведены энергии активации прыжковой Mn ширины запрещенной зоны Eg и энергии активации перезарядки и ширина запрещенной зоны, полученная из C прыжковой перезарядки E1 (рис. 5). Величина Eg опреизмерений коэффициента отражения света, в зависимоделяется для целого кристалла и является непрерывной сти от концентрации Mn. Как видно из рис. 5, зависифункцией концентрации Mn. В то же время свойства мость Eg(x) является линейной во всем исследованном дефектов являются локальными и определяются небольC диапазоне концентраций Mn, а зависимость E1 (x) не шим числом атомов, входящих в их состав. Поэтому свойства дефектов должны дискретно изменяться вместе с числом входящих в них атомов Mn. СледовательТаблица 2. Результаты измерений электронного парамагнитно, зависимость E1 от x должна быть немонотонной ного резонанса (77 K) в кристаллах Cd1-xMnxTe функцией. При значениях x, близких к 0, дефектом x g H, Гс N, см-является примесь либо вакансия Te в узле подрешетки Te, обозначенная на рис. 6 как D, а энергия активации 0.15 2.0035 390 2.22 · для него E1 < 0.12 эВ. Для x 0.25 в состав 0.30 2.0050 215 4.49 · 0.50 2.0128 240 7.58 · 1021 дефекта входит атом Mn, при этом E1 0.12 эВ. При 0.70 2.0152 220 1.08 · 1022 значениях x, находящихся в окрестностях 0.5, дефект Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 718 П.В. Жуковский, А. Родзик, Ю.А. Шостак C C Рис. 5. Энергии активации прыжковой перезарядки E1 и E2 на 1-й (1) и 2-й (2) стадиях возрастания емкости, а также ширина запрещенной зоны Eg (3) в зависимости от концентрации атомов Mn.

активируемого возрастания диэлектрической проницаемости, имеющее ярко выраженную частотную зависимость. Установлена определенная корреляция между основными характеристиками данного эффекта и содержанием Mn в этих материалах. Предложены модели структуры дефектов, прыжковая перезарядка которых приводит, по нашему мнению, к росту диэлектрической проницаемости исследованных полуизолирующих соединений.

Список литературы Рис. 6. Модель струкутры дефектов, D — вакансия или [1] P.W. Zukowski, S.B. Kantorow, D. Maczka, V.F. Stelmakh.

примесь в узле подрешетки Te.

Phys. St. Sol. (a), 112, 695 (1989).

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.