WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 7 Стабилизация физических свойств твердых растворов CdxHg1-xSe, легированных железом © О.С. Романюк, С.Ю. Паранчич, Л.Д. Паранчич, В.Н. Макогоненко Черновицкий государственный университет им. Ю. Федьковича, 274012 Черновцы, Украина (Получена 30 июня 1997 г. Принята к печати 10 ноября 1997 г.) Представлены результаты исследований электрических, гальваномагнитных свойств кристаллов CdxHg1-xSe (x = 0.23), легированных железом в различной концентрации в температурном интервале 77 400 K и магнитных полях до 1.6 Тл. Установлено, что железо, введенное в матрицу кристалла, стабилизирует его физические свойства. Показано, что отжиг образцов в парах селена слабо влияет на их физические характеристики.

Новая группа бесщелевых и узкозонных разбавлен- В работе приведены результаты исследований трансных магнитных полупроводников AII FexBVI, в которых портных свойств кристаллов CdxHg1-xSe : Fe такого со1-x магнитными ионами являются ионы железа, в послед- става, когда уровень Fe2+ расположен вблизи дна зоны ние годы привлекла широкое внимание [1–3]. Од- проводимости, в температурном интервале 77 400 K нако наиболее полно исследованы только кристаллы и магнитных полях до 1.6 Тл. Исследовано изменение FexHg1-xSe. Ионы Fe2+ (3d6) являются примесями за- физических свойств по длине выращенного кристалла, мещения в решетке HgSe и представляют собой ней- а также влияние термического отжига в парах селена на тральные доноры. В отличие от ионов Mn2+ они обра- свойства CdxHg1-xSe : Fe.

зуют в зоне проводимости HgSe донорный уровень на Селенид ртути со структурой сфалерита и селенид расстоянии 0.235 эВ от дна зоны. В твердых рас- кадмия со структурой вюрцита образуют между собой творах FexHg1-xSe обнаружен целый спектр ”аномаль- сравнительно протяженную область твердых растворов CdxHg1-xSe [5]. Согласно [6], область гетерогенноных” свойств, которые, согласно идее Мицельского [1], определяются кулоновской корреляцией между трехва- сти лежит в пределах x = 0.77 0.81. На рис. представлено изменение структуры зон при переходе от лентными ионами Fe3+, образующимися в результате HgSe к CdSe при 77 K. Зависимость энергии от состава автоионизации ионов Fe2+. Эта корреляция приводит к упорядочению ионов Fe3+, т. е. к образованию локали- вычислена исходя из зависимости Eg(x), представленной в работе [7]. Положение уровня железа в кристаллах зованного вигнеровского кристалла заряженных ионов.

Пространственное упорядочение ионизированных доно- CdxHg1-xSe различного состава приведено с учетом его значений для крайних компонент (0.23 эВ выше дна зоны ров сильно влияет на рассеяние носителей, вызывает тем самым аномальный рост подвижности в области низких температур.

Исследования кинетических и магнитотранспортных свойств твердых растворов ZnxHg1-xSe : Fe и MnxHg1-xSe : Fe в широкой области температур (T = 4.2 300 K) и составов, когда уровень Fe2+ находится в зоне проводимости, [4] показали, что здесь, аналогично HgSe : Fe, также имеет место пространственная корреляция доноров. Результаты исследований спектров поглощения в Hg1-x-yCdyFexSe (y = 0.5; x = 0.05) при 4.2 K [1] показывают, что при энергии, равной 170 230 мэВ, наблюдается отчетливый порог, связанный с переходами между уровнем Fe2+ и зоной проводимости. Между 300 и 450 мэВ характерным для всех AIIBVI, содержащих Fe2+, является поглощение, обусловленное внутрикристаллическим 5 полем, вызванное переходами E(4D) T2(5D). При энергии 770 780 мэВ наблюдаются переходы из валентной зоны в зону проводимости.

Цель настоящей работы — исследование влияния, которое оказывает наличие атомов железа и уровня Рис. 1. Изменение структуры зон твердых растворов Fe2+ на физические свойства узкозонных твердых рас- CdxHg1-xSe, содержащих донорный уровень Fe2+, при переходе творов CdxHg1-xSe. от HgSe к CdSe при 77 K.

Стабилизация физических свойств твердых растворов CdxHg1-xSe, легированных железом Таблица 1. Изменение электронной концентрации ne, проводимости, подвижности µ образцов CdxHg1-xSe (x = 0.23) вдоль кристалла при NFe = 5 · 1019 см-77 K 300 K № ne,, µ, ne,, µ, образца 1018 см-3 103 Ом-1 · см-1 103 см2/В · с 1018 см-3 103 Ом-1 · см-1 103 см2/В · с 2 0.64 0.515 5.02 1.04 0.291 1.3 0.562 0.305 3.39 0.575 0.173 1.4 0.415 0.364 5.48 0.798 0.062 0.5 0.869 1.31 9.42 1.33 0.572 2.6 0.579 0.607 6.5 0.88 0.255 1.7 0.979 0.791 5.05 1.45 0.429 1.8 0.556 6.35 7.14 0.932 0.713 3.10 0.816 1.65 13.0 1.19 0.713 3.12 1.75 1.87 4.3 2.71 0.808 2.13 1.56 2.45 9.8 1.97 0.998 3.15 1.77 2.48 8.75 1.85 1.0 2.16 1.7 2.49 9.2 2.4 0.996 2.19 1.55 2.02 8.15 2.3 0.908 2.20 1.55 2.06 8.3 2.56 0.845 2.21 1.51 2.94 12.4 2.2 1.13 3.22 1.58 2.93 8.7 1.8 1.18 2.25 2.87 7.13 1.55 3.12 2.38 4.26 1.47 2.64 11.2 2.17 1.08 3.27 1.72 3.7 13.4 2.31 1.44 3.28 3.54 3.55 17.4 4.62 9.89 4.проводимости в HgSe и 0.64 эВ выше потолка валентной На рис. 2 показана зависимость концентрации свозоны в CdSe) [1]. Из этой зависимости видно, что в бодных носителей ne от температуры для образцов окрестности x = 0.23 0.28 уровень железа находится CdxHg1-xSe (x = 0.23) с различной концентрацией вблизи дна зоны проводимости.

железа. Видно, что эта зависимость аналогична такоМонокристаллы CdxHg1-xSe : Fe (x = 0.23; концен- вой для ZnxHg1-xSe : Fe и MnxHg1-xSe : Fe [4], т. е. для трация Fe NFe = 2 · 1018, 5 · 1019 см-3) структуры цинковой обманки получены модифицированным методом Бриджмена при скорости роста 1.2 мм / ч и градиенте температуры у фронта кристаллизации 30 град / см.

Для измерений использовались образцы размерами 1.5 2.5 10 мм3, вырезанные перпендикулярно направлению роста. После механической обработки образцы химически травились 5%-м раствором брома в метиловом спирте. В качестве контактов использовались медные проволочные электроды, припаянные к образцам индием. Значения концентрации свободных носителей ne и их подвижности µ определялись как ne = 1/|R|e и µ = R соответственно, где R — коэффициент Холла, — проводимость, Холл-фактор выбран равным 1.

В табл. 1 представлены электрические параметры образцов CdxHg1-xSe (x = 0.23), легированных Fe в концентрации NFe = 5 · 1019 мм-3, при T =77 и 300 K, вырезанных из различных участков монокристалла (порядок нумерации образцов соответствует направлению кристаллизации). Как следует из таблицы, в начальной Рис. 2. Температурные зависимости концентрации свободчасти кристалла ( 1/3 от его длины) концентрация ных носителей в образцах CdxHg1-xSe : Fe (x = 0.23) с носителей находится на уровне (5 8) · 1017 см-3, а для NFe = 5 · 1019 см-3, образец 15 (1, 3), и с NFe = 2 · 1019 см-3, остальных образцов (2/3 кристалла) концентрация носиобразец 8 (2, 4). 1, 2 — до отжига, 3, 4 — после отжига в телей стабилизируется на уровне (1.5 1.8) · 1018 см-3. парах Se.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 784 О.С. Романюк, С.Ю. Паранчич, Л.Д. Паранчич, В.Н. Макогоненко Таблица 2. Влияние отжига в парах Se на электрические свойства CdxHg1-xSe : Fe (x = 0.23) 77 K 300 K NFe, Образец ne,, µ, ne,, µ, 1019 см-1018 см-3 103 Ом-1 · см-1 103 см2/В · с 1018 см-3 103 Ом-1 · см-1 103 см2/В · с 22 5.0 1.58 2.93 8.70 1.80 1.18 2.15 5.0 1.77 2.48 8.75 1.85 1.00 2.15, отжиг в Se 5.0 1.40 1.68 7.45 1.94 0.73 2.8 0.2 1.18 2.78 14.7 1.70 0.88 4.8, отжиг в Se 0.2 0.67 1.36 12.6 0.58 0.26 2.6 0.0 0.475 0.81 10.7 0.495 0.19 2.6, отжиг в Se 0.0 0.048 0.18 23.2 0.0527 0.0235 2.образцов (как отожженных, так и неотожженных) с центрацией железа NFe = 5 · 1019 см-3 практически не NFe = 5 · 1019 см-3, концентрация свободных носителей изменяется с отжигом (кривые 1–3).

увеличивается с температурой, тогда как для образцов с Подвижности носителей для всех исследованных NFe = 2 · 1018 см-3 она практически не зависит от темпе- образцов имеют одинаковый температурный ход (рис. 4), ратуры. При этом коэффициент Холла слабо изменяется т. е. с ростом температуры подвижность уменьшается, что характерно для халькогенидов ртути n-типа прос магнитным полем, имея тенденцию к увеличению водимости, причем практически совпадают между сос ростом поля для образцов с концентрацией железа бой подвижности образцов, изготовленных из различных NFe = 5 · 1019 см-3.

участков кристалла при NFe = 5 · 1019 см-3 (кривые 1, 2).

Температурные зависимости проводимости чистых (не Для образцов с концентрацией носителей < 5 · 1019 см-легированных Fe) образцов CdxHg1-xSe, а также образподвижность немного больше (кривая 4). Отжиг легицов CdxHg1-xSe (x = 0.23), легированных железом рованных образцов в парах селена незначительно умень(NFe = 2 · 1018, 5 · 1019 см-3), до и после термического шает подвижность (кривые 3, 5), в то время как для отжига в парах селена приведены на рис. 3. Из рисунка образцов CdxHg1-xSe отжиг в Se значительно увеличиследует:

вает µ.

а) для всех исследованных образцов имеет место Электрические характеристики легированных и нелеполуметаллический ход проводимости с температурой, гированных образцов CdxHg1-xSe, а также образцов, т. е. электронный газ сильно вырожден;

отожженных в парах селена, приведены в табл. 2. Как б) значения проводимости неотожженных образцов следует из таблицы, отжиг нелегированных образцов попрактически совпадают (кривые 1, 2, 4);

зволяет изменять концентрацию на порядок, а в образцах в) термический отжиг в парах селена наиболее суще- CdxHg1-xSe, легированных железом с NFe = 5·1019 см-3, ственное влияние оказывает на нелегированные образцы концентрация свободных носителей с отжигом почти не (ср. кривые 6, 7), причем проводимость образцов с кон- изменяется.

Рис. 3. Температурные зависимости проводимости Рис. 4. Температурные зависимости подвижности для образCdxHg1-xSe : Fe (x = 0.23) с NFe = 5 · 1019 см-3, цов CdxHg1-xSe : Fe с NFe = 5 · 1019 см-3, образцы 15 (1, 3) образцы 15 (1, 3) и 22 (2), NFe = 2 · 1018 см-3 (4, 5) и и 22 (2), NFe = 2 · 1018 см-3 (4, 5) и NFe = 0 (6, 7).

NFe = 0 (6, 7). 1, 2, 4, 6 — до отжига, 3, 5, 7 — после отжига в 1, 2, 4, 6 — до отжига, 3, 5, 7 — после отжига в парах Se.

парах Se.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Стабилизация физических свойств твердых растворов CdxHg1-xSe, легированных железом Обсуждение и выводы Таким образом, из приведенных результатов исследований следует, что при перемещении резонансного уровПри замещении части атомов ртути атомами кадня ближе к дну зоны проводимости пространственного мия в селениде ртути расстояние между зонами s- и упорядочения в системе доноров Fe3+ не наблюдается, p-симметрии уменьшается и при некотором содержапри этом стабилизация свойств CdxHg1-xSe, легиронии Cd инверсная зонная структура превращается в ванного железом, осуществляется за счет уменьшения прямую (рис. 1). В случае бесщелевых кристаллов количества собственных дефектов.

CdxHg1-xSe с концентрацией железа, достаточной для фиксации уровня Ферми, концентрация электронов будет Список литературы изменяться в некотором небольшом интервале при добавлении кадмия, и это изменение будет происходить до [1] A. Mycielski. J. Appl. Phys., 63, 3279 (1988).

тех пор, пока существует пространственная корреляция [2] W.J.M. Jorge, H.J.M. Swagtent, C.E.P. Gerrits, A. Twardowski.

заряженных доноров. В нашем случае уровень Fe2+ в Semicond. Sci. Technol., 5, S270 (1990).

CdxHg1-xSe (x = 0.23) находится на дне зоны прово[3] A. Twardowski. J. Appl. Phys., 67, 5108 (1990).

димости или несколько ниже ее, поскольку кристаллы [4] W. Dobrowolski, R.R. Galazka, E. Grodzicka, J. Kossut, получены методом Бриджмена и начальная часть криB. Witkowska. Phys. Rev. B, 48, 17 848 (1993).

сталла обогащена Cd. В таком случае ионы Fe находятся [5] Н.П. Гавалешко, П.Н. Горлей, С.Ю. Паранчич, В.М. Фрав состоянии с одинаковой валентностью Fe+, т. е. все суняк, В.В. Хомяк. Неорг. матер., 17, 327 (1983).

доноры ионизированы. Поскольку система ионизирован- [6] A. Kalb, V. Leut. Phys. St. Sol. (a), 5, K199 (1971).

[7] C.J. Summersand, J.G. Broerman. Phys. Rev. B, 21, ных доноров Fe3+ не строго периодична, определенный (1980).

вклад в рассеяние электронов вносит неупорядоченное [8] Z. Wilatowski, W. Jantsch, G. Hendorfer. Semicond. Sci.

распределение ионов Fe3+ и уменьшение концентрации Thechnol., 5, S266 (1990).

этих рассеивающих центров NFe3+ = ne приводит к [9] Н.П. Гавалешко, С.Ю. Паранчич, Л.Д. Паранчич, М.Ф. Рытому, что подвижность носителей почти одинакова для бак. Изв. вузов. Физика, 11, 48 (1990).

легированных и нелегированных образцов (рис. 4). Тем[10] В.Д. Прозоровский, И.Ю. Решидова, С.Ю. Паранчич, пературную зависимость концентрации носителей. т. е.

Л.Д. Паранчич. ФТТ, 32, 3290 (1990).

рост концентрации с температурой, мы связываем с Редактор Л.В. Шаронова преимущественным нахождением железа в состояниях Fe3+. Как показали экспериментальные исследования магнитной восприимчивости [8,9], основное состояние Regulation of physical properties иона Fe2+ в теэтраэдрическом кристаллическом поле of Fe-doped CdxHg1-xSe solid solutions является магнитным синглетом. В таком случае темпераO.S. Romanyuk, S.Yu. Paranchich, L.D. Paranchich, турное изменение концентрации не должно наблюдатьN.N. Makogonenko ся. Что касается ионов Fe3+, то измерения ЭПР [10] показали, что основное состояние представляет собой Chernovtsy State University, орбитальный синглет с шестикратным вырождением по 274012 Chernovtsy, Ukraine спину. Локальная симметрия является кубической, и спиновые расщепления четко выражены. Анализ температурной зависимости ширины линий ЭПР позволяет заключить, что при достаточно высоких температурах линия, обусловленная ионами Fe3+, уширяется вследствие столкновений с переворотом спина с зонными электронами.

Экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что наблюдаемые явления в CdxHg1-xSe : Fe в прямозонном случае не связаны с пространственной корреляцией примесных ионов, а связаны скорее всего с количеством собственных дефектов, которые образуются при кристаллизации. Анализ кристаллической структуры и химической связи позволяет выделить в твердых растворах CdxHg1-xSe три типа наиболее вероятных дефектов: вакансии селена (VSe) — доноры; атомы ртути межузельные (Hgi) — доноры; вакансии ртути (VHg) — акцепторы. Железо, замещающее в CdxHg1-xSe атомы ртути, приводит к уменьшению количества собственных дефектов (например, вакансий Hg), что подтверждается и слабым влиянием отжига в парах Se на транспортные явления (табл. 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.