WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 7 Металлическая проводимость по акцепторной зоне легированных медью слабо компенсированных кристаллов p-Hg0.78Cd0.22Te © В.В. Богобоящий Кременчугский государственный политехнический институт, 39614 Кременчуг, Украина (Получена 20 сентября 2000 г. Принята к печати 19 декабря 2000 г.) Изучены электропроводность и эффект Холла сильно легированных кристаллов p-Hg0.78Cd0.22Te : Cu в диапазоне температур 4.2-125 K. При концентрации акцепторов NA > 3.8 · 1017 см-3 проводимость по примесной зоне имеет металлический характер. Электропроводность и коэффициент Холла, обусловленные делокализованными носителями заряда в примесной зоне, не зависят от температуры. Знак эффекта Холла в области металлической проводимости положительный. Вблизи точки перехода металл–диэлектрик холловская подвижность линейно растет с ростом концентрации акцепторов, а при NA > 1.6 · 1018 см-3 не зависит от нее. Удельная металлическая электропроводность пропорциональна NA в исследованной области концентраций при NA < 3.1 · 1018 см-3. При концентрации меди NA = 1.4 · 1017 см-3 наблюдается переход Андерсона в примесной A+-зоне, образованной положительно заряженными акцепторами. Минимальная металлическая проводимость, соответствующая этому переходу, равна 5.1 Ом-1· см-1. Показано, что 2-проводимость в допороговой области обусловливается делокализованными носителями в верхней зоне Хаббарда только при достаточно сильном легировании (NA > 1.4 · 1017 см-3), а при NA < 1.4 · 1017 см-3 она имеет прыжковый характер.

Введение В работе [2] приведены результаты исследований электропроводности кристаллов p-Hg1-xCdxTe : Cu в допороговой области концентраций, когда проводимость Исследования примесных состояний в полупроводниимеет активационный характер. В частности, там было ках путем гальваномагнитных измерений популярны блапоказано, что при x = 0.22 переход Мотта в примесной годаря относительной простоте и надежности эксперизоне этого материала наблюдается при концентрации мента. Одним из наиболее распространных направлений акцепторов NA = 3.8 · 1017 см-3. В предлагаемой работаких исследований является изучение перехода металл– те эти исследования были продолжены. Были изучены диэлектрик в примесной зоне легированных кристаллов электропроводность, эффект Холла и холловская по(перехода Мотта). Закономерности и условия этого педвижность носителей заряда в примесной зоне сильно рехода напрямую зависят от характерных размеров прилегированных медью кристаллов p-Hg0.78Cd0.22Te, в том месных центров [1], поэтому могут дать дополнительную числе при NA > 3.8 · 1017 см-3, когда проводимость информацию о параметрах их состояний. В частности, кристаллов при низкой температуре металлическая.

ряд полезных сведений можно почерпнуть из данных исследований металлической проводимости по примесной зоне полупроводника [1].

Методика и процедура эксперимента В работе [2] было показано, что перспективным материалом для исследований закономерностей поведеДля проведения опытов были отобраны однородные ния примесной проводимости вблизи перехода Мотта по составу пластины p-Hg0.78Cd0.22Te, предоставленные являются легированные медью кристаллы узкощелевоОАО ”Чистые металлы” (Светловодск, Украина). Конго твердого раствора p-Hg1-xCdxTe. Медь создает в центрация не скомпенсированных доноров в отобранных этом материале простые акцепторные центры достаточкристаллах была меньше 3 · 1014 см-3; плотность дислоно большого размера, что позволяет успешно применить каций не превышала 3 · 105 см-2. Розетки дислокаций и для их описания метод эффективной массы и тем самым включения второй фазы отсутствовали.

значительно упростить теоретическую модель. С другой Пластины разрезали на образцы размером стороны, растворимость Cu и коэффициент ее диффузии 1.2 0.3 0.1 см и напыляли на них медь в количестве в кристаллах узкощелевого Hg1-xCdxTe велики [3], а от 1016 до 3·1017 см-2. Медь вводили в кристаллы путем концентрация неконтролируемых примесей, напротив, отжига в насыщенных парах ртути в течение трех суток очень низкая. Поэтому не составляет особого труда при температуре не ниже 473 K. Распределение меди в получить слабо компенсированные кристаллы p-типа с образцах после такого отжига было макроскопически практически любой требуемой концентрацией основных однородным.

акцепторов. Кроме того, проводимость по состояниям При NA < 6 · 1017 см-3 твердый раствор Cu в примеси в p-Hg1-xCdxTe наблюдается при достаточно Hg0.78Cd0.22Te стабилен, поэтому такие кристаллы отвысокой температуре [2,4], что также существенно упро- жигали при 473 K, чтобы избавиться от влияния ваканщает процедуру эксперимента. сий ртути. При NA > 6 · 1017 см-3 в отсутствие ваканМеталлическая проводимость по акцепторной зоне легированных медью слабо компенсированных... сий ртути такой твердый раствор нестабилен и быстро распадается на две фазы — включения Cu и матрицу кристалла с NA 6 · 1017 см-3. Вакансии стабилизируют твердый раствор, снижая коэффициент диффузии меди и повышая ее растворимость [5]. Поэтому кристаллы с NA > 6 · 1017 см-3 отжигали при повышенной температуре (623-673 K). Количество равновесных вакансий ртути в этих условиях было близко к 1016 см-3. Поскольку это намного меньше величины NA, а энергия ионизации вакансии Hg более чем в 2 раза превышает энергию ионизации Cu [6], собственные дефекты в таких кристаллах не влияли на их электрофизические свойства при низкой температуре.

Полученные образцы подвергали химическому травлению в растворе Br2 в HBr и отмывали в деионизированной воде. Немедленно после этого измеряли их сопротивление и коэффициент Холла в магнитном поле B = 0.03 Тл. Измерения проводили в интервале температур 4.2-125 K. Концентрацию активной меди в образцах определяли по величине коэффициента Холла Рис. 1. Температурная зависимость удельной электров магнитном поле B = 1Тл при T = 77 K. Считалось, проводности (1–4) и коэффициента Холла (1 –4 ) кристалчто в этих условиях фактор Холла равен 1.24 [7], а вся лов p-Hg0.78Cd0.22Te : Cu. Концентрация акцепторов NA, см-3:

примесь полностью ионизована [8].

1, 1 —4.2 · 1017; 2, 2 — 8.2 · 1017; 3, 3 — 1.7 · 1018;

4, 4 —3.1 · 1018.

Результаты эксперимента На рис. 1 (кривые 1–4) приведены результаты измерений температурной зависимости удельной проводимости кристаллов p-Hg0.78Cd0.22Te, содержащих различное количество меди (NA > 3.8 · 1017 см-3). Видно, что у таких кристаллов при T < 125 K величина довольно слабо зависит от температуры.

Эффект Холла в сильно легированных кристаллах p-Hg0.78Cd0.22Te с NA > 2 · 1017 см-3, в отличие от слабо легированных образцов, легко поддается измерению вплоть до T = 4.2 K даже в таком слабом поле (B = 0.03 Тл). При этом знак коэффициента Холла RH в области примесной проводимости положителен.

Данные измерений RH(T ) также показаны на рис. (кривые 1 –4 ).

На рис. 2 показана температурная зависимость холловРис. 2. Температурная зависимость холловской подвижности ской подвижности носителей заряда (µH = RH) в тех носителей заряда в кристаллах p-Hg0.78Cd0.22Te : Cu. NA, см-3:

же образцах.

1 —4.2 · 1017, 2 —8.2 · 1017, 3 —1.7 · 1018, 4 —3.1 · 1018.

Анализ показывает, что каждую из экспериментальных кривых, представленных на рис. 1 и 2, можно вполне уверенно разделить на три участка.

В области низких температур (ниже 8-20 K в зависи- при ее повышении. С ростом концентрации меди велимости от величины NA) все три исследованные величины чины RH и µH уменьшаются. Следовательно, здесь заряд (, RH и µH) не зависят от температуры. Коэффициент переносится преимущественно дырками валентной зоны.

Холла здесь слабо зависит от NA, тогда как величины В промежуточной области температур вид зависимоси µH вполне ощутимо увеличиваются с ростом NA. Эти тей RH(T ) и µH(T ) при разных значениях NA качественно особенности ясно указывают на то, что в данной области разный. Нет никаких сомнений, что в этом температемператур и концентраций акцептора проводимость турном интервале происходит смена доминирующего имеет явно выраженный металлический характер. механизма электропереноса при изменении T.

При сравнительно высоких T (выше 40-80 K) эффект Последующая серия рисунков (рис. 3–5) демонстриХолла не зависит от температуры, а и µH убывают рует электропроводность, эффект Холла и холловскую Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 814 В.В. Богобоящий NAA 1.4 · 1017 см-3 — эмпирические константы. При более высокой концентрации меди (в диапазоне 1.6 · 1018 < NA < 3 · 1018 см-3) подвижность практически не изменяется при увеличении NA и равна 350-400 см2/(В · с).

Коэффициент Холла RHmet, обусловленный делокализованными носителями заряда ацепторной зоны, в исследованном диапазоне концентраций слабо зависит от NA (рис. 5). В интервале NA от 4 · 1017 до 1.6 · 1018 см-величина RHmet слегка возрастает с ростом NA (приблиРис. 3. Зависимости удельной электропроводности кристаллов p-Hg0.78Cd0.22Te : Cu от концентрации акцепторов при T = 4.2K (1), а также фактора 02 в активационном законе для 2-проводимости (2).

подвижность носителей заряда в акцепторной зоне при T = 4.2 K в области металлической проводимости — в зависимости от концентрации акцепторов NA.

Экспериментальная зависимость металлической проРис. 4. Зависимость холловской подвижности в кристаллах водимости от NA при NA > NAM предельно проста (рис. 3) p-Hg0.78Cd0.22Te : Cu при T = 4.2 K от концентрации акцептои может быть описана соотношением ров NA.

NA met = M (1) NAM (NAM = 3.8 · 1017 см-3 — концентрация акцепторов в точке перехода Мотта [2], M 14 Ом-1· см-1 — металлическая проводимость в этой же точке). Здесь надо отметить следующий экспериментальный факт. Согласно [2], ниже точки перехода Мотта в легированных медью кристаллах p-Hg0.8Cd0.2Te при низких температурах наблюдается активационная 2-проводимость:

2 = 02 exp. (2) kBT Легко видеть (см. рис. 3), что при NA > 1.5 · 1017 см-предэкспоненциальный множитель 02 в точности следует зависимости (1), плавно, без заметного скачка переходя в met в точке NA = NAM.

Закон изменения холловской подвижности делокализованных дырок акцепторной зоны с изменением NA имеет более сложный характер. При NA < 1.6 · 1018 см-экспериментальные данные можно с хорошей точностью Рис. 5. Зависимость коэффициента Холла кристаллов интерполировать линейной зависимостью вида p-Hg0.78Cd0.22Te : Cu при T = 4.2 K от концентрации акцепторов NA. Точки — данные эксперимента; 1 — линия NA = NAM;

NA - NAA µHmet = µH0, (3) 2 — результаты расчета RH по формуле (4) при rH = 1;

NAA 3 — результаты расчета RH по формуле (4) при rH = 1.9;

включая допороговую область концентраций 4 — эмпирическая зависимость RH(NA), рассчитанная по данNAA < NA < NAM (см. рис. 4). Здесь µH0 35 см2/(В · с), ным рис. 3–4.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Металлическая проводимость по акцепторной зоне легированных медью слабо компенсированных... зительно от 4.5 до 6 см3/Кл), а приNA > 1.6·1018 см-3 — убывает приблизительно в соответствии с классической формулой rH RH =, (4) ep если предположить, что p = NA и rH 1.9.

Обсуждение результатов A. Критические точки Исследования концентрационных зависимостей параметров металлической проводимости и 2-проводимости кристаллов p-Hg0.78Cd0.22Te : Cu показали наличие трех характеристических концентраций Рис. 6. Концентрационная зависимость фактора в актиакцепторов: NAA 1.4 · 1017 см-3; NAM 3.8 · 1017 см-3;

вационном законе (5) для удельного сопротивления криNAB 1.6 · 1018 см-3, разделяющих области с качествен- сталлов p-Hg0.78Cd0.22Te : Cu. Точки — данные эксперимента, линии — эмпирические интерполяционные зависимоно различным поведением совокупности коэффициенсти. 1 — область прыжковой 3-проводимости, 2 —область тов, RH и µH.

прыжковой 2-проводимости по состояниям в A+-зоне, Точка NA = NAM однозначно ассоциируется с перехо3 —область 2-проводимости по состояниям на крае подвиждом Мотта в акцепторной зоне кристалла. Это убединости в A+-зоне.

тельно показано в предыдущей работе [2] путем измерений концентрационной зависимости энергии активации низкотемпературной 2-проводимости в таком материскачок концентрационной зависимости фактора в але. При NA < NAM энергия 2 > 0, следовательно, активационном законе уровень Ферми лежит при T = 0 в области локализованных состояний акцепторов. При NA > NAM активация 2 проводимости отсутствует, так что уровень Ферми лежит = exp, (5) kBT в полосе делокализованных состояний.

Как известно [1], в слабо компенсированных легикоторый наблюдается при концентрации меди рованных полупроводниках переход Мотта возникает в NA 6 · 1016 см-3 (см. рис. 6), т. е. приблизительно результате перекрытия двух примесных зон. В случае в момент соприкосновения A+-зоны с валентной зоной.

кристаллов p-типа проводимости одна из этих зон (анаРезультаты выполненных здесь исследований холловлог нижней зоны Хаббарда) образована состояниями ской подвижности носителей заряда в примесной зоне нейтральных акцепторов. В момент перехода Мотта сильно легированных медью кристаллов p-Hg0.78Cd0.22Te эти состояния считаются локализованными (по крайней противоречит этому предположению, подтверждая в то мере в окрестности уровня Ферми). Другая зона (аналог же время механизм Андерсона–Лифшица локализации верхней зоны Хаббарда) образована A+-состояниями аксостояний в A+-зоне.

цепторов, присоединивших избыточную дырку. ПоскольВ самом деле, если считать истинным полученное в ку энергия присоединения избыточной дырки мала по работе [6] значение EA = 7.6 мэВ для энергии ионизасравнению с энергией ионизации акцептора, полагают, ции Cu в Hg0.78Cd0.22Te, то, пользуясь теорией [2,10] что радиус A+-состояний велик и они делокализоваи данными [11] для других констант этого материала, ны [1,9].

получим следующие значения размеров интересующих На самом деле, как было показано в [2], вследствие нас состояний изолированного акцептора: ah = 3.6нм, тождественности связанных дырок размер A+-состояния + aA = 4.8 нм. Тогда из критерия андерсоновской локалиизолированного простого акцептора лишь немногим зации превышает его радиус ah в нейтральном состоянии:

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.