WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 8 Мессбауэровское исследование примесных атомов железа в арсениде галлия © П.П. Серегин, Т.Р. Степанова, Ю.В. Кожанова, В.П. Волков Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия (Получена 3 февраля 2003 г. Принята к печати 4 февраля 2003 г.) 57 Методом эмиссионной мессбауэровской спектроскопии на изотопе Co(57mFe) выявлена зависимость зарядового состояния примесных атомов железа в GaAs от положения уровня Ферми в запрещенной зоне, идентифицированы нейтральные и ионизованные состояния примесных атомов как в приповерхностной (они входят в состав ассоциатов с вакансиями решетки), так и в объемной областях (они входят в виде изолированной примеси замещения) материала. Для частично компенсированных образцов в объемной области материала обнаружен процесс быстрого электронного обмена между нейтральными и ионизованными акцепторными центрами железа, осуществляемый дырками через валентную зону.

1. Введение эровских спектров, относится к материнскому атому (57Co) по положению зонда в решетке и к дочернему Проблема поведения примесных атомов железа в ар- (57mFe) по электронному состоянию зонда. В частности, сениде галлия неоднократно привлекала внимание Мастеров и др. продемонстрировали эффективность поД.Н. Наследова (см., например, ставшую классической, следней методики на примере исследования примесных работу „Свойства арсенида галлия, легированного же- атомов железа в фосфиде галлия [4,5]: были идентифицилезом и никелем“ [1]), и именно по инициативе Дмит- рованы нейтральные и ионизованные примесные центры рия Николаевича были начаты исследования примес- железа, а также процесс быстрого электронного обмена между нейтральными и ионизованными центрами женых атомов железа в GaAs методом абсорбционной мессбауэровской спектроскопии [2,3]. В этом вариан- леза. Однако последнего явления не наблюдалось для 57 те спектроскопии исследуемое вещество является по- случая примесных атомов Co(57mFe) в GaAs [5]. Кроме того, следует иметь в виду, что диффузионное распреглотителем (для случая изотопа Fe оно включает деление кобальта и железа в соединениях типа AIIIBV в свой состав атомы железа) и при этом испольхарактеризуется двумя участками — приповерхностным зуется излучение стандартного источника с одиночи объемным, причем для приповерхностного участка наной линией испускания (для случая Fe таким исблюдается повышенная концентрация примесных атомов точником служат радиоактивные ядра Co, введени вакансий [6]. Поэтому следует ожидать различного ные в структуру кубического немагнитного кристалповедения примесных атомов железа в приповерхностла). Основной недостаток абсорбционной спектроскопии ной и объемной областях кристалла. Этот вопрос также в случае его использования для исследования примесных остается открытым.

атомов — предельная чувствительность не превышает В настоящей работе возможности эмиссионной 1018 ат / см3. Поскольку концентрация железа в образцах мессбауэровской спектроскопии на изотопе Co(57mFe) GaAs : Fe, полученных методом зонной перекристаллииспользуются для идентификации нейтральных и ионизации, была 1020 ат / см3 (что значительно превышает зованных состояний примесных атомов железа в припредел растворимости железа в GaAs, составляющий поверхностной и объемной частях GaAs, а также для 2 · 1018 ат / см3 [1]), мессбауэровские спектры были принаблюдения быстрого электронного обмена между нейписаны не примесным атомам железа, а выделениям тральными и ионизованными центрами железа в объемтипа FeGa1.3 [2,3], и стала очевидной необходимость ной части GaAs.

использования для подобных исследований эмиссионного варианта мессбауэровской спектроскопии на изотопе Co(57mFe).

2. Методика эксперимента В эмиссионном варианте спектроскопии исследуемый образец является источником -квантов (для случая Эмиссионные мессбауэровские спектры Co(57mFe) 57 Fe в образец вводится радиоактивный изотоп Co) измерялись на промышленном спектрометре СМ-и его излучение анализируется с помощью стандарт- при 295 и 78 K. В качестве стандартного поглотитеного поглотителя с одиночной линией поглощения ля использовался K4Fe(CN)6 · 3H2O с поверхностной 57 (для случая Fe чаще всего используется поглоти- плотностью 0.05 мг / см2 по Fe. За аппаратурную шитель K4Fe(CN)6 · 3H2O). Чувствительность эмиссионной рину спектральной линии Fe принималась ширина мессбауэровской спектроскопии для случая Co(57mFe) мессбауэровского спектра указанного поглотителя с исдостигает 1013 ат / см3. Однако следует иметь в виду, точником Co в палладии: = 0.26(2) мм / с. Исследучто информация, получаемая из эмиссионных мессбау- емые образцы GaAs, легированные Co, служили ис918 П.П. Серегин, Т.Р. Степанова, Ю.В. Кожанова, В.П. Волков точниками. Изомерные сдвиги мессбауэровских спек- 3. Экспериментальные результаты тров Co(57mFe) приводятся относительно поглотителя и их обсуждение K4Fe(CN)6 · 3H2O.

Как уже отмечалось, из-за малой растворимости жеДля идентификации нейтральных и ионизованных леза в GaAs для исследования состояния примесных центров железа были использованы монокристаллические образцы GaAs n- и p-типов (p = 1.6 · 1018 см-3 атомов железа возможно использование лишь эмиссионного варианта мессбауэровской спектроскопии, когда и n = 1.6 · 1018 см-3 при 295 K). На поверхность обв GaAs методом диффузионного легирования вводится разца из аммиачного раствора безносительного пре57 радиоактивный изотоп Co, после распада которого парата CoCl2 электролитически осаждался кобальт, 57m образуется мессбауэровский зонд Fe. При анализе и образцы подвергались диффузионному отжигу в ваэкспериментальных результатов следует иметь в виду, куумированных кварцевых ампулах в присутствии почто NCo NFe (здесь NCo, NFe — концентрации в GaAs рошка GaAs (для уменьшения испарения мышьяка) примесных атомов кобальта и железа), так что положепри 1025C в течение 24 ч. После диффузии образцы ние уровня Ферми в запрещенной зоне полупроводника обрабатывались в смеси HF и HNO3 (для удаления определяется концентрациями и положением энергетинепродиффундировавшего Co) и с поверхности удаческих уровней, создаваемых примесными атомами колялся слой толщиной 20 мкм (концентрация кобальбальта и фоновой примеси (цинк для дырочных и теллур та в нем, определенная методом радиоактивных индидля электронных образцов).

каторов, составляла 1018 см-3). Этот слой служил Согласно электрическим измерениям, примесные атомессбауэровским источником для исследования состоямы железа и кобальта образуют в запрещенной зоне ния примесных атомов Co(57mFe) в приповерхностном GaAs глубокие акцепторные уровни, лежащие на 0.59(2) слое (образцы I и II с концентрациями носителей тока и 0.54(3) эВ выше потолка валентной зоны [7]. Следовасоответственно p = 2 · 1018 см-3 и n = 2 · 1018 см-3). Зательно, только нейтральные центры железа [Fe]0 должтем удалялся второй слой толщиной 150 мкм и оставны наблюдаться в спектрах дырочных образцов (когда шийся образец (в нем концентрация кобальта составуровень Ферми находится вблизи потолка валентной ляла 5 · 1016 см-3) служил мессбауэровским источзоны), и только ионизованные центры железа [Fe]- — ником для исследования состояния примесных атомов в электронных образцах, когда NTe > NCo и уровень Co(57mFe) в объемной части образца (образцы III Ферми находится вблизи дна зоны проводимости (здесь и IV с концентрациями носителей тока соответственно NTe — концентрация доноров).

p = 2 · 1018 см-3 и n = 2 · 1018 см-3). Тип проводимости Как видно из рис. 1, тонкая структура мессбауобразцов после диффузионного отжига не изменялся.

эровских спектров зависит как от типа проводимости исходного образца, так и от местонахождеДля исследования процесса быстрого электронного обмена между нейтральными и ионизованными центрами железа в объемной части материала был использован монокристаллический образец GaAs n-типа (n = 5 · 1016 см-3 при 295 K), в который по описанной выше диффузионной методике вводился Co (время диффузионного отжига составляло 5 мин). С поверхности образца удалялся непродиффундировавший Co, удалялся слой толщиной 40 мкм и затем последовательно снимались слои, содержащие концентрации кобальта 1.5 · 1017 (образец V), 8 · 1016 (образец VI) и 5 · 1016 см-3 (образец VII), которые и служили мессбауэровскими источниками.

Чтобы обнаружить процесс быстрого электронного обмена между нейтральными и ионизованными центрами железа в приповерхностной области материала, был приготовлен мессбауэровский источник на основе монокристаллического GaAs n-типа (n = 3 · 1017 см-3 при 295 K), в который по описанной выше диффузионной методике вводился Co (время диффузионного отжига составляло 24 ч). С поверхности образца удалялся Рис. 1. Эмиссионные мессбауэровские спектры при 295 K непродиффундировавший Co, снимался слой толщи- примесных атомов Co(57Fe) в GaAs: в приповерхностной 20 мкм (концентрация кобальта в нем составляной (a, b) и объемной (c, d) частях образцов n- и p-типа ла 1018 см-3) и этот слой служил мессбауэровским (p = 2 · 1018 см-3 (a, c) и n = 2 · 1018 см-3 (b, d)). Спектры источником (образец VIII). измерены на образцах: a —I, b —II, c — III, d —IV.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Мессбауэровское исследование примесных атомов железа в арсениде галлия ния примесных атомов Co(57mFe) (приповерхностная или объемная области). Мессбауэровский спектр примесных атомов Co(57mFe) в приповерхностной области дырочного образца I (рис. 1, a) представляет собой квадрупольный дублет ( = 0.45(2) мм / с, квадрупольное расщепление EQ = 0.95(3) мм / с, ширина компонент квадрупольного дублета = 0.55(3) мм / с, спектр I), тогда как для электронного образца II (NTe > NCo) спектр представляет собой одиночную уширенную линию ( = 0.60(2) мм / с, EQ = 0.20(3) мм / с, = 0.56(2) мм / с, спектр II, рис. 1, b). Параметры спектров I и II слабо зависят от температуры измерения (295 или 78 K). Наличие в спектре I квадрупольного расщепления свидетельствует об образовании в приповерхностной области ассоциатов типа „кобальт–вакансия“, 57m причем дочерние атомы железа Fe после радиоактивного распада Co остаются в составе таких ассоциатов.

Изомерный сдвиг спектра I отвечает трехвалетному 57m железу Fe3+ с электронной конфигурацией 3d5. СлеРис. 2. Эмиссионные мессбауэровские спектры примесных довательно, и материнские атомы кобальта в составе атомов Co(57Fe) в объемной части GaAs (n = 5 · 1016 см-3) этих ассоциатов находятся в трехвалентном состоянии при 295 (a–c) и 78 K (d–f ). Концентрация кобальта:

Co3+. Зависимость изомерного сдвига спектров при- 1.5 · 1017 (a, b), 8 · 1016 (b, e) и 5 · 1016 см-3 (c, f ). Спектры измерены на образцах: a, d —V; b, e —VI; c, f —VII.

месных атомов железа в приповерхностной области от типа проводимости образцов свидетельствует об электрической активности указанных ассоциатов. В дырочном образце I ассоциаты находятся в нейтральном конфигурацией 3d5. Такой вывод находится в согласии состоянии, и в их состав входят ионы Co3+(57mFe3+) с данными исследования GaAs : Fe методом ЭПР [8].

с незавершенной системой тетраэдрических связей, что Возрастание изомерного сдвига мессбауэровских и приводит к большому квадрупольному расщеплению спектров Co(57mFe) при переходе от центров [57mFe]мессбауэровского спектра I. В электронном образце II к центрам [57mFe]- свидетельствует об уменьшении 57m указанные ассоциаты ионизуются, и в их состав входят электронной плотности на ядрах Fe. По-видимому, ионы Co2+(57mFe2+) с завершенной системой тетраэдионизация центра [57mFe]0 сопровождается увеличением рических связей. Как следствие, квадрупольное расщеп- заселенности 3d-оболочки железа, причем для количеление спектра II значительно меньше, чем квадруполь- ственной оценки изменения изомерного сдвига следует ное расщепление спектра I.

воспользоваться соотношением Мессбауэровские спектры примесных атомов = n - i = | (0)|2 -| (0)|2, (1) 57 n i Co(57mFe) в объемной области дырочного образца III (спектр III, рис. 1, c) и электронного образца IV где — калибровочная константа ( = (спектр IV, рис. 1, d) представляют собой одиночные = 0.23a-3 мм / c [9]), | (0)|2, | (0)|2 — электронные n i несколько уширенные линии ( = 0.50(2) мм / с) плотности на ядрах железа для центров [57mFe]с различающимися изомерными сдвигами: минимальный и [57mFe]0 (они рассчитаны в работе [10]), a0 — сдвиг наблюдается для дырочного образца боровский радиус.

( = 0.38(2) мм / с), максимальный — для электронного Если центры [57mFe]0 и [57mFe]- имеют электронные образца ( = 0.63(2) мм / c). Параметры спектров конфигурации 3d5 и 3d6 соответственно, то теоретислабо зависят от температуры измерения. Очевидно, ческое значение = 0.58 мм / с, и эта величина суtheor что спектр III следует отнести к изолированным щественно отличается от экспериментального значения нейтральным акцепторным центрам железа [57mFe]0, = 0.25(2) мм / с. Расхождения наблюдаемых и расexp образовавшимся после радиоактивного распада четных величин объясняются тем, что в расчетах изолированных нейтральных акцепторных центров не учтена отличная от нуля заселенность 4s-орбитали кобальта [57Co]0 (изомерный сдвиг n), а спектр IV — железа, которая изменяется при переходе от [57mFe]к изолированным ионизованным акцепторным центрам к [57mFe]-.

железа [57mFe]-, образовавшимся после радиоактивного Мессбауэровские спектры примесных атомов распада изолированных ионизованных акцепторных цен- Co(57mFe) в объемной области частично компентров кобальта [57Co]- (изомерный сдвиг i). Величина n сированных образцов V, VI и VII (спектры V, VI типична для изомерных сдвигов мессбауэровских спек- и VII на рис. 2, a, b, c) при комнатной температуре тров соединений трехвалентного железа с электронной представляют собой одиночные несколько уширенные Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 920 П.П. Серегин, Т.Р. Степанова, Ю.В. Кожанова, В.П. Волков линии ( = 0.50(2) мм / с) с изомерными сдвигами, монотонно изменяющимися по мере возрастания степени компенсации (0.50(2), 0.56(2), 0.63(2) мм / с для спектров V, VI и VII соответственно). Однако при 78 K изомерные сдвиги спектров этих образцов оказались одинаковыми (0.62-0.63 мм / с) и соответствуют ионизованным центрам [57mFe]- (см. рис. 2, d, e, f).

Для объяснения особенностей спектров V, VI и VII следует иметь в виду, что при выполнении условия NCo > NTe уровень Ферми привязан к уровню кобальта с энергией ECo:

µ = ECo - kT ln CoG, (2) где Co — фактор вырождения уровня кобальта; G = =(NCo - NTe - p + n)/(NTe + p - n) (NCo - NTe)/NTe;

n, p — концентрации электронов и дырок.

Следовательно, P = Nn/Ni = G[Co/Fe] exp (EFe - ECo)/kT, (3) Рис. 3. Зависимость P = Nn/Ni от G =(NCo - NTe)/NTe (здесь где Nn, Ni — концентрации нейтральных и ионизованNCo, NTe, Nn и Ni — концентрации кобальта, теллура, нейтральных центров железа, Fe — фактор вырождения уровня ных и ионизованных центров железа). Прямая соответствует железа, EFe — энергия уровня Fe.

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.