WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 7 Роль примесной зоны при переходе диэлектрик–металл при изменении состава сильно легированного и компенсированного полупроводникового твердого раствора TiCo1-xNixSb.

Донорные примеси © В.А. Ромака,†, М.Г. Шеляпина, Ю.В. Стаднык•,¶, D. Fruchart, Л.П. Ромака•, В.Ф. Чекурин Институт прикладных проблем механики и математики им. Я. Пидстрыгача Национальной академии наук Украины, 79053 Львов, Украина † Национальный университет «Львовская политехника», 79013 Львов, Украина Институт физики им. И.В. Фока Санкт-Петербургского государственного университета, 198504 Санкт-Петербург, Россия • Львовский национальный университет им. И. Франко, 79005 Львов, Украина Лаборатория кристаллографии Национального центра научных исследований, ВР 166, 38042 Гренобль, Франция (Получена 23 июня 2005 г. Принята к печати 1 декабря 2005 г.) Определена роль примесной донорной зоны в проводимости сильно легированного и компенсированного интерметаллического полупроводника TiCoSb. Произведен расчет электронной структуры полупроводникового твердого раствора TiCo1-x Nix Sb. Предложена модель перестройки примесной зоны полупроводника TiCoSb при легировании донорными примесями. Выявлен переход проводимости от активационной к металлической при изменении состава твердого раствора TiCo1-x NixSb, который мы связываем с переходом Андерсона.

PACS: 71.20.Nr, 71.30.+h, 72.20.Pa, 75.20.Ck, 81.05.Hd 1. Введение всех известных нам работах, включая цитируемые, предусматривает сплавление шихты исходных компоПри изучении влияния примесей на кинетические, нентов с последующим неконтролируемым охлаждемагнитные и структурные характеристики интерметалнием расплава. Иными словами, на практике частичлических соединений структурного типа MgAgAs, в но реализуется один из путей получения аморфчастности полупроводников MCoNi(Sn, Sb) (M = Ti, ных твердых тел [15]. Последнее наряду с флуктуZr, Hf), мы сделали вывод об определяющей роли ациями больших концентраций заряженных примесей примесных состояний в проводимости указанных соеди(1019-1021 см-3) [16] приводит к наличию в кристалнений. Данный вывод сделан из анализа как собственных лических соединениях структурного типа MgAgAs знатеоретических и экспериментальных результатов, так и чительных структурных разупорядочений [17]. Все пелитературных данных по проводимости, коэффициенту речисленное в свою очередь обусловливает появление Зеебека и магнитной восприимчивости полупроводников в запрещенной зоне состояний, связанных с дефекM(Co, Ni)(Sn, Sb) и твердых растворов на их основе, а тами, а в зоне непрерывных энергий — локализотакже в результате исследования структурных особенванных состояний, разделенных с непрерывными зонностей указанных соединений [1–12].

ными состояниями порогом подвижности [15]. Такие Было изучено влияние акцепторных примесей разизменения в энергетическом спектре полупроводника личных концентраций от NA = 3.5 · 1020 см-3 до существенным образом влияют на его характеристиNA = 5.3 · 1021 см-3 на кинетические и магнитные явлеки. В то же время ни в одной из известных нам ния в интерметаллических полупроводниках n-ZrNiSn и работ при анализе экспериментальных результатов, в n-TiNiSn. Кроме того, был сделан расчет электронной частности температурных зависимостей проводимости, плотности для полупроводниковых твердых растворов термоэдс, коэффициента Холла, авторы не обращают Zr1-xScxNiSn и Ti1-xScx NiSn. Эти исследования позвовнимания на этот, на наш взгляд, принципиальный и лили предложить модель перестройки примесной зоны определяющий факт. В этой связи в работе [18] излопри легировании указанных полупроводников акцепторжен подход для оценки экспериментальных результаными примесями и наблюдать предсказанный теоретитов исследования интерметаллических полупроводников ческими расчетами переход проводимости диэлектрик– структурного типа MgAgAs. В основе подхода лежит металл, который является переходом Андерсона [13,14].

одновременный учет особенностей сильно легированВ этой связи важно отметить, что технология поных и компенсированных полупроводников MNi(Sn, Sb) лучения указанных полупроводниковых материалов во (M = Ti, Zr, Hf) и локальных разупорядочений их кри¶ E-mail: stadnyk_yuriy@franko.lviv.ua сталлической структуры.

Роль примесной зоны при переходе диэлектрик–металл при изменении состава... Известно, что проводимость полупроводников в зна- марное распределение для различных составов. Видно, чительной мере определяется степенью их компенсации, что TiCoSb и TiNiSb, находящиеся на противоположных которая в свою очередь задает положение уровня Фер- сторонах твердого раствора, являются узкозонными поми (EF). Определение положения EF, а также умение лупроводниками. Данный вывод согласуется как с экспеуправлять этим положением в полупроводнике TiCoSb риментальными результатами [10], так и с результатами является важной практической задачей, поскольку дан- теоретических расчетов методом псевдопотенциала [5].

ный полупроводник только при существующем методе Из расчетов следует, что принципиальным отличием полученния обладает относительно высокими значения- между полупроводниками TiCoSb и TiNiSb является ми проводимости и коэффициента Зеебека, что делает расположение в них уровня Ферми EF. В TiCoSb EF его одним из наиболее исследуемых и перспективных располагается в запрещенной зоне, а в TiNiSb — в зоне термоэлектрических материалов [19–21]. проводимости. Соответственно проводимость TiCoSb буДанная работа посвящена изучению влияния зна- дет носить активационный характер, а проводимость чительных концентраций донорных примесей на ки- TiNiSb — металлический.

нетические, магнитные и структурные характеристики Из рис. 1 также следует, что электронная плотность интерметаллического полупроводника TiCoSb. Иссле- выше уровня Ферми определяется главным образом довалось поведение электропроводности, коэффициента d-состояниями Ti, в то же время валентная зона опреЗеебека и магнитной восприимчивости TiCoSb, а также деляется d-состояниями Co или Ni, которые перекрывапространственное расположение атомов в кристалли- ются с d-состояниями Ti и p-состояниями Sb. Уже при ческой решетке полупроводника при легировании его x = 0.1 уровень Ферми попадает в зону проводимости.

донорными примесями различных концентраций путем Увеличение x приводит к дрейфу EF внутри зоны замены Co (3d74s2) на Ni (3d84s2) и образования твер- проводимости. Наблюдается уменьшение интенсивности дого раствора замещения TiCo1-xNix Sb. При этом конпиков в валентной зоне при -0.14 и -0.06 Ry (для центрация доноров изменялась от ND = 1.9 · 1020 см-3 случая TiCoSb), которые соответственно принадлежат (x = 0.01) до ND = 3.8 · 1021 см-3 (x = 0.2). Столь больd-состояниям Co и Ni. При этом новый пик -0.22 Ry шие концентрации донорных примесей в исследуемых ниже EF, связанный с увеличением d-состояний Ni, явполупроводниках позволяют наблюдать особенности их ляется более рельефным и доминирует для x = 0.9. Прохарактеристик, в том числе при достаточно высоких водимость TiCo1-xNixSb будет носить металлический температурах [16]. Для отделения эффектов, связанных с характер. Таким образом, замена Co на Ni в полупропримесными состояниями, мы провели расчет электронводниковом твердом растворе TiCo1-xNixSb приводит к ной структуры TiCo1-xNixSb методом функций Грина в реализации перехода проводимости от активационной к приближении когерентного потенциала [22] и сопоставиметаллической.

ли результаты расчетов с экспериментальными данными.

Расчет плотности состояний на уровне Ферми N(EF) свидетельствует (рис. 2, вставка), что для малых значений x (меньших концентраций донорных примесей) 2. Методика эксперимента плотность состояний на уровне Ферми определяется d-электронами Ti с существенным вкладом d-состояОбразцы твердого раствора TiCo1-xNix Sb получали ний Co. С увеличением x определяющим становится методом электродуговой плавки исходных компонентов вклад d-электронов Ni.

на медном водоохлаждаемом поде в атмосфере очищенного аргона. Сплавы подвергались гомогенизирующему отжигу при 1070 K на протяжении 720 ч в вакуумирован4. Экспериментальные иследования ных кварцевых ампулах. Рентгеновский фазовый анализ TiCo1-xNixSb осуществлялся при помощи дифрактометров ДРОН-2.(FeK-излучение) и HZG-4A (CuK-излучение). РасРентгеновский фазовый анализ подтвердил, что все исчет параметров решетки и уточнение кристаллической следуемые образцы неограниченного твердого раствора структуры осуществлялись при помощи комплекса проTiCo1-xNixSb являются однофазными и кристаллизуютграмм CSD [23]. Удельное сопротивление (), коэффися в структурном типе MgAgAs (пространственная групциент Зеебека (S) по отношению к меди и магнитная па F43m). Уточнение кристаллической структуры для восприимчивость (), определенная по методу Фарадея, фаз составов TiCo0.99Ni0.01Sb и TiCo0.95Ni0.05Sb показало, были измерены в области температур 80-380 K.

что распределение атомов в образцах соответствует структурному типу MgAgAs, в котором позиции 4 (a) 3. Расчет электронной структуры 0 0 0 статистически заняты атомами Ni и Co [10].

Зависимости ln (1/T ) для TiCo1-xNixSb при x 0.TiCo1-x NixSb являются типичными для полупроводников (рис. 3). При На рис. 1 представлены результаты расчета распре- значениях x > 0.01 активационные участки исчезают и деления электронной плотности (DOS) для каждого из зависимости принимают металлический характер. На компонентов твердого раствора TiCo1-xNixSb и сум- зависимости ln (1/T ) для образца TiCoSb (кривая 1) Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 798 В.А. Ромака, М.Г. Шеляпина, Ю.В. Стаднык, D. Fruchart, Л.П. Ромака, В.Ф. Чекурин Рис. 1. Распределение плотности состояний для каждого из компонентов и суммарное распределение для твердого раствора TiCo1-x NixSb. Вертикальными пунктирными прямыми обозначено положение уровня Ферми EF.

можно выделить высоко- и низкотемпературный актива- величина S имеет положительный знак (рис. 2, 4). При ционные участки, которые мы связываем соответственно более высоких температурах и для всех остальных с активацией электронов с уровня Ферми, расположен- образцов коэффициент Зеебека имеет отрицательный ного в кулоновской щели примесной зоны, в нелока- знак. Смена знака S с положительного на отрицательный лизованные состояния зоны проводимости (энергия 1) свидетельствует, что исследуемый образец TiCoSb имеет и 2 — энергия активации на порог подвижности EC неконтролированные акцепторные примеси.

зоны проводимости. Расчеты показывают, что для TiCoSb Легирование полупроводника донорными примесями (x = 0) 1 176 мэВ, а 2 9 мэВ. При этом коэффици- с ND = 1.9 · 1020 см-3 (x = 0.01) обусловливает процесс ент Зеебека S с температурой изменяется квазилинейно перестройки примесной зоны в результате изменения (рис. 4, кривая 1). Такое несвойственное для классиче- как степени компенсации и положения уровня Ферми, ских полупроводников поведение зависимости S(T ), как так и размеров этой зоны и ее расположения по считают авторы [24], обусловлено значительными кон- отношению к вершинам зон непрерывных энергий, а центрациями примесей ( 1020 см-3). Оно эксперимен- также изменяет механизмы проводимости полупроводтально наблюдалось в сильно легированных акцептор- ника. При полной компенсации полупроводника уровень ными примесями и компенсированных полупроводниках EF должен находиться на дне примесной зоны, а при ZrNiSn [17,18,25,26]. Для образца с x = 0 при T < 100 K перекомпенсации (увеличении x) будет дрейфовать по Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Роль примесной зоны при переходе диэлектрик–металл при изменении состава... увеличение = f (x) ( N(EF)/EF для парамагнетика Паули) и возрастание по абсолютной величине значений S(x) (S kBT /EF). Поскольку исследованные образцы являются парамагнетиками Паули, наблюдаемая синхронность в поведении |S|(x) и (x) в концентрационном интервале ND =(1.9-9.5) · 1020 см-3 (x = 0.01-0.05) свидетельствует об уменьшении плотности состояний на уровне Ферми, что связано поначалу с изменением степени компенсации полупроводника с последующей перекомпенсацией и переходом от p- к n-типу проводимости. Последнее приводит к дрейфу уровня EF от дна примесной зоны в сторону зоны проводимости (случай сильной компенсации полупроводника n-типа) вплоть до дна зоны (случай слабой компенсации) при увеличении концентрации донорной примеси [16]. Можем предположить, что в этой области концентраций Рис. 2. Зависимости проводимости (1), коэффициента кулоновская щель исчезает из-за заполнения всех соЗеебека S (2), магнитной восприимчивости (3) и расчетной стояний примесной зоны. В результате примесная зона плотности состояний на уровне Ферми (вставка) от состава твердого раствора TiCo1-xNixSb при 80 K.

перекрывается с порогом подвижности, а уровень EF фиксируется на пороге подвижности зоны проводимости, т. е. на минимуме плотности состояний. Отметим, что мы не наблюдали осцилляций плотности состояний при прохождении уровня Ферми через примесную зону в TiCoSb, как это имело место при легировании интерметаллических полупроводников ZrNiSn и TiNiSn акцепторными примесями [13,14,18,25]. Объяснений этого различия у нас пока нет.

Из рис. 3 следует, что для образца с x = 0.01 при T 270 K вклад зонных носителей становится все более существенным и при T 300 K наблюдается металлизация проводимости, а рост (T ) обусловлен зонными механизмами рассеяния. Иными словами, уже при x = 0.01 и определенных значениях температур появляется достаточное количество свободных электронов с высокой подвижностью, которые существенно влияют на проводимость полупроводника. Проводимость Рис. 3. Температурные зависимости удельного сопротивления для твердого раствора TiCo1-x Nix Sb для различных значений x: 1 —0, 2 – 0.01, 3 — 0.03, 4 – 0.05.

примесной зоне в направлении зоны проводимости [16].

Уменьшение энергии активации проводимости 2 с 9 мэВ (x = 0) до 3.5 мэВ (x = 0.01) указывает на увеличение радиусов локализации электронов и изменение положения EF по отношению к порогу подвижности зоны проводимости EC из-за изменения степени компенсации Рис. 4. Температурные зависимости коэффициента Зеебека S полупроводника. Как следует из рис. 2, на этом же для твердого раствора TiCo1-x NixSb при различных значениконцентрационном участке (x = 0-0.05) наблюдается ях x: 1 —0, 2 – 0.01, 3 — 0.03, 4 – 0.05.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 800 В.А. Ромака, М.Г. Шеляпина, Ю.В. Стаднык, D. Fruchart, Л.П. Ромака, В.Ф. Чекурин примесями свидетельствует о корректности предложенной модели перестройки примесной зоны интерметаллических полупроводников при легировании донорными примесями.

Работа выполнена в рамках грантов Национальной академии наук Украины (№ 0102U000454) и Министерства образования и науки Украины (№ 0106U001299).

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.