WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 7 Оптические свойства монокристаллов Cd1-xZnxTe (0 < x < 0.1) в инфракрасном диапазоне длин волн © А.И. Белогорохов¶, В.М. Лакеенков, Л.И. Белогорохова Федеральное государственное унитарное предприятие, Научный центр ”Гиредмет”, 109017 Москва, Россия Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия (Получена 15 ноября 2000 г. Принята к печати 27 ноября 2000 г.) Методами длинноволновой оптической спектроскопии исследовались дисперсионные зависимости коэффициента пропускания T () монокристаллов Cd1-xZnxTe (0 < x < 0.1), выращенных с помощью модифицированного метода Бриджмена, в интервале температур 5-300 K. В неотожженных образцах, имеющих p-тип проводимости, наблюдалось резкое увеличение поглощения в области энергий, меньших ширины запрещенной зоны. Более того, при изменении температуры образца от 5 до 300 K зависимости T () пересекаются практически на одной и той же длине волны. Рассчитаны теоретические дисперсионные зависимости T () с учетом существенного вклада механизма межподзонного перехода носителей заряда в валентной зоне. Проведена оценка положения уровня Ферми в исследованных образцах при T = 77.3 и 295 K. При x = 0.040-0.047 наблюдается немонотонная зависимость положения уровня Ферми от состава.

Обсуждается вопрос о возможном влиянии преципитатов теллура на уменьшение коэффициента пропускания света в Cd1-xZnxTe в области волновых чисел 3000-400 см-1.

Введение чисел 700-4000 см-1 с присутствием в объеме материала преципитатов теллура. Полученные результаты предПолупроводниковые твердые растворы Cd1-xZnxTe ставляют значительный интерес, так как многих исслепредставляют собой перспективный материал для созда- дователей интересуют причины изменения оптических ния разнообразных оптоэлектронных и тепловизионных свойств Cd1-xZnxTe в этом спектральном интервале [7].

приборов [1]. Они широко используются в качестве Это в свою очередь обусловлено тем, что, как отмечаматериала подложки при выращивании эпитаксиальных лось выше, данный твердый раствор часто используется структур CdxHg1-xTe, на основе которых уже созданы в качестве подложки для выращивания эпитаксиальных матричные инфракрасные фотоприемники, работающие структур CdxHg1-xTe и создания на их основе приборов в спектральном диапазоне 3-5 и 8-14 мкм [2]. Твердые для инфракрасной (ИК) области спектра, работающих растворы Cd1-xZnxTe весьма перспективны для создания именно в этом диапазоне. Обозначенная выше причина на их основе высокоэффективных детекторов большой явилась движущим стимулом проведения цикла работ, площади для регистрации гамма-излучения [3], что обус- направленных на исследование взаимосвязи легирования ловлено большими значениями ширины запрещенной Cd1-xZnxTe и его оптических свойств [8]. Несмотря на зоны и атомного номера цинка, а также имеющейся ряд появившихся публикаций, однозначного ответа на возможностью получать материал с удельным сопро- вопрос о причине уменьшения поглощения квантов света тивлением 1010 Ом · см. Наметившиеся тенденции в в области волновых чисел 3000-400 см-1 еще нет.

создании матричных инфракрасных фотоприемников и гамма-детекторов, имеющих большую площадь, диктуют Экспериментальные результаты жесткие требования к контролю свойств твердого раси их обсуждение твора Cd1-xZnxTe, а также к локальной однородности материала. Вопрос об изменении оптических свойств маМонокристаллические образцы Cd1-xZnxTe териала с составом и концентрацией носителей заряда в (0 < x < 0.18) имели p-тип проводимости, выращиспектральной области межзонных переходов рассмотрен вались по методу Бриджмена, имели удельное авторами работ [4,5]. В частности, в работе [5] обнаружесопротивление при комнатной температуре (T = 300 K) но, что поведение коэффициента поглощения в этом диаот 0.5 до 2.5 · 102 Ом · см и подвижность дырок пазоне длин волн подчиняется экспоненциальному зако40-100 см2 В-1· с-1. Концентрация носителей заряну (правило Урбаха). Спектры пропускания Cd1-xZnxTe да (КНЗ) при T = 300 K составляла 1015-1018 см-3.

за краем фундаментального поглощения представлены в Из кристаллов вырезали монокристаллические пластиработе [6]. В ней проведено исследование изменения ны, ориентированные по кристаллографической плосковесового соотношения компонентов твердого раствора с сти (111). Состав образцов контролировался методами температурой (термограммы), что позволило ее авторам рентгеновского энергодисперсионного анализа, лазерной связать увеличение поглощения в диапазоне волновых масс-спектрометрии и по краю межзонного поглощения.

¶ Измерение значений параметров кристаллической E-mail: belog@mig.phys.msu.su Fax: +7-(095)438 7664 решетки образцов проводилось методами рентгеновской Оптические свойства монокристаллов Cd1-xZnxTe(0 < x < 0.1) в инфракрасном диапазоне... при которых начинают сказываться эффекты многофононного поглощения света. Образцы же с большей концентрацией носителей заряда, особенно если ситуация близка к вырождению дырочного газа, имеют сильное поглощение в полосе частот = 3000-400 см-1. Обращает на себя внимание изменение характера поведения зависимостей T () с понижением температуры: они имеют точку пересечения с зависимостью при более высокой температуре, причем в зависимости от степени вырождения дырочного газа точка пересечения спектров смещается вправо или влево по шкале энергий.

Подобные зависимости коэффициента поглощения от длины волны () в широком температурном интервале наблюдались в кристаллах CdTe [9], и это можно объяснить проявлением резонансного характера поведения диэлектрической проницаемости (), обусловленного переходами носителей заряда между ветвями легких и тяжелых дырок. Для этого воспользуемся приведенным в Рис. 1. Экспериментальные (штриховые кривые) и расработе [9] соотношением для коэффициента поглощения, четные (сплошные кривые) спектры пропускания образца связанного с переходами между ветвями легких и тяжеCd0.948Zn0.052Te.

лых дырок, который без учета влияния гофрированности потолка валентной зоны имеет следующий вид:

e21/12() = 1 nc 3/2 2m2 2m EF - exp - + kT (1 - ) kT EF -- exp - + 1. (1) kT (1 - ) kT Здесь k — постоянная Больцмана, = m2/m1, mи m2 — масса тяжелых и легких дырок соответственно, n — показатель преломления, c — скорость света, EF — энергетическое положение уровня Ферми, изменение которого с понижением температуры аппроксимировалось следующим образом:

Рис. 2. Экспериментальные (штриховые кривые) и рас2 kT четные (сплошные кривые) спектры пропускания образца EF(T ) =EF(0) 1 -. (2) 12 EF(0) Cd0.956Zn0.044Te.

Учет гофрировки валентной зоны приводит к существенному изменению формы частотной зависимости Im (), дифрактометрии высокого разрешения. Поверхность в частности к сильному размытию высокочастотного образцов перед измерениями подвергалась химико- края полосы поглощения, но, как показано в [9], лишь механической полировке с последующим травлением в при низких (4 < T < 15 K) температурах. В данном слурастворе Br2/CH3OH. чае не имело смысла принимать во внимание подобную Оптические спектры пропускания света T () при тем- поправку.

пературах T = 5-300 K были получены на фурье-спект- На рис. 1 и 2 показаны как экспериментальные, так рометре IFS-113v (Bruker, Germany) в диапазоне волно- и рассчитанные согласно подходу, изложенному выше, вых чисел 10-5000 см-1 со спектральным разрешением оптические спектры двух образцов Cd1-xZnxTe различне хуже 1 см-1. Спектральные зависимости пропускания ного состава. Из них видно, что удалось получить удовT () исследованных образцов в ИК диапазоне длин летворительное согласие между экспериментальными и волн проявляли различный характер своего поведения теоретическими данными, что в свою очередь позволяет (рис. 1, 2). Так, образцы с низкой КНЗ имели коэффи- судить о применимости использованной модели. Некотоциент пропускания квантов света на уровне 60-63% в рое рассогласование, наблюдавшееся со стороны меньисследованном диапазоне длин волн вплоть до частот, ших энергий, объясняется проявлением многофононного Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 810 А.И. Белогорохов, В.М. Лакеенков, Л.И. Белогорохова должна локализоваться дырка. В результате получается комплекс типа Te-p+-Te. В неотожженных кристаллах может происходить локальная самоорганизация центров Te-p+-Te в размерные образования (2D или 3D), масштаб которых составляет от десятков нм до долей мкм. В рамках настоящей работы нет возможности дать точную оценку размеров подобных образований.

Проведенное селективное травление пластин CdZnTe, состоящих из двойниковых кристаллов, показало, что в той части образца, в которой наблюдается уменьшение коэффициента поглощения в области волновых чисел 3000-400 см-1, появляются характерные ямки травления. Авторы работы [6] провели исследования по влиянию теллуровых включений в материале CdZnTe на характер пропускания ими света в ИК области длин волн.

Было замечено, что в образцах CdZnTe, в которых концентрация теллуровых преципитатов достигала 0.6 вес%, Рис. 3. Экспериментальные спектры пропускания кристаллов Cd1-xZnxTe различного состава при T = 78 и 295 K. Значения x: 1 — 0.041, 2 — 0.044, 3 — 0.046, 4 — 0.031.

поглощения, которое не учитывалось при моделировании спектров T (). Характерная точка пересечения спектральных зависимостей для каждого образца своя, что хорошо видно из рис. 3. Это естественно, потому что они различаются по значениям концентрации и подвижности носителей заряда. Зная положение этой точки в спектрах, можно в свою очередь определить и энергетическое положение уровня Ферми в исследуемом материале CdZnTe. Результаты расчета, выполненные для серии образцов состава x = 0-0.06 при комнатной температуре и температуре жидкого азота, показаны на рис. 4 и 5. Как можно видеть из приведенных рисунков, наблюдается монотонная зависимость положения уровня Ферми EF в образцах Cd1-xZnxTe от их состава x Рис. 4. Зависимости уровня Ферми EF от состава твердого вплоть до значений x = 0.04. Далее явно выделяется раствора Cd1-xZnxTe, рассчитанная для T = 78 K.

область составов x 0.04-0.05, где наблюдаются сильные отклонения от монотонного характера указанных выше зависимостей, причем их проявление подобно друг другу для двух различных температур. В работе [10] в свое время сообщалось о том, что значения частот оптических фононов в образцах Cd1-xZnxTe в этом же диапазоне составов отличались от теоретических значений, полученных в рамках модели однородных ячеечных смещений. На основании полученных в данной работе и приведенных авторами [10] результатов можно предположить, что для материала Cd1-xZnxTe в области составов x 0.04-0.05 имеют место эффекты изменения локальной динамики кристаллической решетки, которые оказывают существенное влияние на систему носителей заряда, в данном случае дырок. Подобные эффекты должны проявляться в непосредственной близости от окрестности вакансии кадмия, когда ближайшие атомы теллура оказываются смещенными из своих центральных положений. При этом, чтобы уравновесить изменение поляризуемости решетки в этой области кристалла, здесь Рис. 5. То же, что и на рис. 4, но для T = 300 K.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Оптические свойства монокристаллов Cd1-xZnxTe(0 < x < 0.1) в инфракрасном диапазоне... уровень пропускания света в ИК диапазоне длин волн не Optical properties of Cd1-xZnxTe single превышал 55%, а сам характер поведения спектральных crystal (0 < x < 0.1) in a far-infrared зависимостей T() был аналогичен тем, которые привеspectral region дены на рис. 1 и 2. В нашем случае в кристаллах CdZnTe A.I. Belogorokhov, V.M. Lakeenkov, после проведения дополнительного отжига в парах кадL.I. Belogorokhova мия при температурах T > 480C пропускание ими света в диапазоне 3000-400 см-1 увеличивалось. В субInstitute of Rare Metals, миллиметровой области волновых чисел, за полосой 109017 Moscow, Russia поглощения на колебаниях кристаллической решетки Moscow State University, (<80 см-1), значение T() в исследованных образцах 119899 Moscow, Russia вновь увеличивалось до 40-50%. Это свидетельствует об отсутствии поглощения квантов света на мелких при

Abstract

Infrared (IR) transmittance T () of Cd1-xZnxTe месных уровнях в запрещенной зоне рассматриваемых (0

nique has been investigated within the temperature range 5-300 K.

As-grown CdZnTe crystals of p-type conductivity exhibited strong absorption in the wavelength region below the band gap energy.

Заключение The spectral dependencies of T () that had been measured at different temperatures (in the range from 5 to 300 K) intersected На основании всего сказанного можно сделать выat the same wavelength. The dispersion relations of T () have вод о существенном влиянии теллуровых включений been calculated taking into account an essential role of intersubband на увеличение поглощения квантов света со стороны transitions of carriers in the valence band. Estimation of energy энергий, меньших ширины запрещенной зоны CdZnTe.

position of Fermi level in the samples at T = 77.3 K and 295 K Немонотонная зависимось EF(x) при x = 0.04-0.has been made. In the samples with x = 0.040-0.047, связана скорее всего с отклонениями от стехиометрии a nonmonotonous dependence of Fermi level position on Zn при получении материала указанного состава.

concentration is observed. The effect of the Te precipitation in Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект Cd1-xZnxTe crystal on decreasing IR transmittance from 00-02-17104).

to 400 cm-1 is under discussion.

Список литературы [1] E.A. Paten, M.H. Kalisher, G.R. Chapman, J.M. Fulton, C.Y. Huang, P.R. Norton, M. Ray, S. Sen. J. Vac. Sci. Technol., B9, 1746 (1991).

[2] S.M. Johnson, M.H. Kalisher, W.L. Ahlgren, J.B. James, C.A. Cockrum. Appl. Phys. Lett., 56, 946 (1990).

[3] P. Fougeres, M. Hage-Ali, J.M. Koebel, P. Siffert, S. Hassan, A. Lusson, R. Triboulet, G. Marrakchi, A. Zerrai, K. Cherkaoui, R. Adhiri, G. Bremond, O. Kaitasov, M.O. Ruault, J. Crestou. J. Cryst. Growth, 184/185, 1313 (1998).

[4] D. Ohimann, M. Mazilu, R. Levy, B. Honerlage. J. Appl. Phys., 82, 1355 (1997).

[5] A.J. Syllaios, P.-K. Liao, B.J. Greene, H.F. Schaake, H.-Y. Liu, G. Westphal. J. Electron. Mater., 26, 567 (1997).

[6] J. Zhu, X. Zhang, B. Li, J. Chu. Infr. Phys. Techn., 40, (1999).

[7] А.Р. Гареева, В.И. Петров, Н.А. Смирнова, В.М. Лакеенков, А.Г. Белов, А.И. Белогорохов, Н.В. Пашкова. Матер.

VIII Всес. симп. по полупроводникам с узкой запрещенной зоной и полуметаллам (Львов, Украина, 1991) т. 2, с. 148.

[8] Н.В. Агринская, В.В. Шашкова. ФТП, 24, 697 (1990).

[9] А.И. Белогорохов. ФТТ, 34, 1045 (1991).

[10] A.I. Belogorokhov, L.I. Belogorokhova, A.G. Belov, V.M. Lakeenkov, L.M. Liberant, N.A. Smirnova. J. Cryst. Growth, 159, 186 (1996).

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.