WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 8 Оптическая ширина запрещенной зоны полупроводников Cd1-xMnxTe и Zn1-xMnxTe © П.В. Жуковский, Я. Партыка, П. Венгерэк, Ю.В. Сидоренко, Ю.А. Шостак, А. Родзик Люблинский технический университет, Люблин, Польша Белорусский государственный университет, 220050 Минск, Белоруссия (Получена 22 января 2001 г. Принята к печати 30 января 2001 г.) Методами катодолюминесценции и отражения света исследована зависимость оптической ширины запрещенной зоны полупроводниковых соединений Zn1-xMnxTe и Cd1-xMnxTe. Установлено, что в соединениях Zn1-xMnxTe в области x 0.2 появляется дополнительное уширение запрещенной зоны на величину около 0.08 эВ, связанное с наличием в монокристаллах высокой концентрации дефектов межузельного типа.

При x 0.3 вероятность существования этих дефектов существенно уменьшается, что связано с искажением тетраэдров кристаллической решетки Zn1-xMnxTe атомами Mn, входящими в состав каждого из тетраэдров.

Введение примесными зонами атомов Mn, о чем свидетельствует расширение линии EM1. Наиболее существенным резульРяд тройных соединений AIIBVI с переходными металтатом исследований катодолюминесценции Zn1-xMnxTe лами являются широкозонными полумагнитными полуявляется то, что линия E0, связанная с межзонными проводниками с подобными свойствами [1,2]. В облапереходами, начинает заметно изменять свое положение сти низких концентраций Mn в материалах Zn1-xMnxTe только при x > 0.085.

обнаружены, в отличие от Cd1-xMnxTe, нелиненые изС целью детального выяснения влияния атомов Mn менения ширины запрещенной зоны Eg и параметров на оптическую ширину запрещенной зоны были исспектров электронного парамагнитного резонанса [3,4].

следованы спектры отражения света в интервале энерС целью выяснения различий в свойствах полупроводгий 0.8-6 эВ. Эксперименты проведены на установке ников Cd1-xMnxTe и Zn1-xMnxTe, обнаруженных в облас двухлучевой оптической схемой. Регистрация сигнасти малых концентраций Mn, в данной работе приведены ла осуществлялась с помощью фоторезистора и серезультаты измерений оптической ширины запрещенной лективного вольтметра, сопряженного с персональным зоны, полученные на основании измерений спектров компьютером.

катодолюминесценции (температуры 77 и 300 K) и спекНа рис. 2 приведены спектры отражения света для тров отражения света (300 K).

соеденений Cd1-xMnxTe и Zn1-xMnxTe с разными концентрациями атомов Mn. В спектрах видны максимумы, Экспериментальные результаты и их обсуждение На рис. 1 представлены спектры катодолюминесценции, полученные на сколотых поверхностях кристаллов Zn1-xMnxTe. Энергия электронов составляла 10 кэВ, ток пучка 5 мкА, освещаемая пучком поверхность около 0.2 мм2. Давление остаточных газов в вакуумной камере было около 10-7 Па. Сигнал детектировался решеточным монохроматором и измерялся селективным вольтметром.

Как видно из рис. 1, a, в спектре катодолюминесценции для образца Zn0.995Mn0.005Te (кривая 1), измеренном при температуре жидкого азота, доминирует максимум E0, связанный с межзонными переходами. Видны также два максимума EM1 и EM2, которые можно при4 писать внутрицентровым переходам T1(4G) A1(6S) 4 и T2(4G) A1(6S) [5].

При концентрациях атомов марганца x 0.1 доРис. 1. Спектры катодолюминесценции соединений минирующим в спектрах при T = 77 K становится Zn1-xMnxTe для температур измерений T, K: a — 77, b — 300.

4 переход T1(4G) A1(6S). При более высоких конценСпектры соответствуют образцам с содержанием Mn x:

трациях Mn переходы происходят скорее всего между 1 — 0.005, 2 — 0.085, 3 — 0.283, 4 — 0.39, 5 — 0.532.

938 П.В. Жуковский, Я. Партыка, П. Венгерэк, Ю.В. Сидоренко, Ю.А. Шостак, А. Родзик Как видно из рис. 3, a, для соедениний Cd1-xMnxTe ширина запрещенной зоны линейно увеличивается вместе с концентрацией x. Прямая линия, представленная на рисунке, получена путем подгонки экспериментальных результатов методом наименьших квадратов.

Для соединений Zn1-xMnxTe (рис. 3, b) наблюдаются существенные различия зависимости ширины запрещенной зоны для областей низких (x 0.20) и высоких (x 0.30) концентраций атомов Mn, т. е. невозможно полученные результаты описать прямой линией для 0 x 0.60. В области x 0.30 экспериментальные точки хорошо ложатся на прямую линию. Экстраполяция этой линии к x = 0 дает экстраполированную ширину запрещенной зоны ZnTe Eg = 2.18 эВ. Это значение оказываетс меньшим, чем измеренная ширина запрещенной зоны ZnTe Eg = 2.27 эВ. Экспериментальные точки для интервала концентраций Mn 0 x 0.20 также находятся выше, чем прямая, Рис. 2. Спектры отражения света (T = 300 K) для соединений:

проведенная по данным при x 0.30. Через эти a —Cd1-xMnxTe, b —Zn1-xMnxTe. Цифрами у кривых указана атомная доля Mn (x). точки можно провести прямую линию примерно с тем же наклоном, но расположенную на 0.08 эВ выше, чем первая. Величина смещения линейных зависимостей ширины запрещенной зоны для областей низких и высоких концентраций значительно превосходит величину ошибки измерений. Полученные экспериментальные результаты выглядят так, как будто в области x 0.20 в соединениях Zn1-xMnxTe проявляется дополнительный механизм, расширяющий запрещенную зону примерно на 0.08 эВ. При x 0.30 этот механизм перестает работать. Проанализируем такую возможность интерпретации экспериментальных результатов.

Ширина запрещенной зоны соединений ZnTe, выраРис. 3. Зависимости ширины запрещенной зоны, полученные из спектров отражения света (T = 300 K), от содержа- щенных в различных лабораториях, была исследована ния Mn (x) для: a —Cd1-xMnxTe, b —Zn1-xMnxTe. методом измерения спектров отражения света рядом авторов [6,7]. Полученные ими значения существенно различаются между собой: 2.35 эВ [6] и 2.26 эВ [7]. Столь существенные различия не могут быть объяснены ошибобозначенные на рисунках как E0, E1, E1 +1, E2, A, ками измерений, поскольку в этом интервале энергий B1, B2. Эти максимумы соответствуют переходам элекошибка в измерениях положения максимумов в спектрах тронов в симметричных точках первой зоны Бриллюэна.

отражения не превышает ±0.02 эВ. В связи с этим Переход между точками v и c соответствует переходу 6 8 причину различий следует искать единственно в качестве электронов из валентной зоны в зону проводимости.

образцов, выращенных в разных лабораториях. Различия Энергетическое положение максимума E0, связанного с в величинах ширины запрещенной зоны могут быть этим переходом, с точностью до 10 мэВ равно ширине обусловлены, по нашему мнению, наличием больших запрещенной зоны [6]. Поскольку в наших измерениях концентраций неконтролируемых примесей и дефектов ошибка в определении положения максимума E0 не кристаллической решетки в образцах, исследованных в превышала ±0.02 эВ, можно считать, что измеренное работах [6,7].

энергетическое положение максимума E0 соответствует Возможно, что такую гипотезу подтверждают обнаширине запрещенной зоны соединения Eg.

руженные нами в области x 0.20 флуктуации знаНа рис. 3 представлены зависимости ширины запре- чений Eg(x), величина которых значительно превыщенной зоны соединений Cd1-xMnxTe и Zn1-xMnxTe, шает погрешность измерений (рис. 3, b). Эти изменеопределенные из спектров отражения света, от атомной ния Eg могут быть связаны с флуктуациями концендоли Mn в составе соединений. Увеличение ширины за- трации дефектов в образцах с разной концентрацией прещенной зоны соединений Cd1-xMnxTe и Zn1-xMnxTe, атомов Mn. Альтернативой для этой гипотезы могла обусловленное ростом концентрации атомов марганца, бы быть возможность появления при x 0.30 дефектов должно происходить линейным образом. или примесей, сужающих запрещенную зону соединений Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Оптическая ширина запрещенной зоны полупроводников Cd1-xMnxTe и Zn1-xMnxTe Zn1-xMnxTe. Однако такой интерпретации обнаружен- постоянную решетки, а атомы в междоузлиях — ее ной зависимости Eg(x) не соответствуют результаты увеличивать. Разница ”радиусов” вакансий (междоузлий) измерений катодолюминесценции, из которых следует, и атомов Zn должна быть значительно больше, чем для что Eg быстрее изменяется при высоких концентраци- атомов Mn и Zn. В соединениях AIIBVI с переходныях x (рис. 1), а также флуктуации ширины запрещенной ми металлами изменение ширины запрещенной зоны, зоны в области x 0.20. в первом приближении, должно быть пропорционально Наличие больших концентраций дефектов в полупро- произведению радиуса примесей (дефектов) и их конценводниковых соединениях AIIBVI с переходными метал- трации. Поэтому концентрация дефектов, дополнительно лами установлено из температурных измерений диэлек- расширяющих запрещенную зону в области x 0.20, трической проницаемости в работах [8–10]. Из данных, должна быть значительно меньше, чем x 0.13.

приведенных на рис. 3, b, следует, что для x 0.20 Необходимо, кроме того, выяснить, почему при увеопределенная экспериментально ширина запрещенной личении концентрации атомов Mn до x 0.25 сузоны превышает величину, полученную экстраполяцией щественно уменьшается влияние дефектов на ширину к x = 0 значений, измеренных для x 0.30. Эти две запрещенной зоны соединений Zn1-xMnxTe. Так как области разделены значением x = 0.25. Предполагая атомы Mn имеют большие, чем атомы Zn, радиусы, случайное размещение атомов Mn в узлах подрешетки введение хотя бы одного атома Mn в тетраэдр приводит цинка при x = 0.25, получим, что в каждом татраэдре к его искажению. В результате этого возрастает потенэтой подрешетки оказывается один атом Mn. Из измере- циальная энергия кристалла и происходит уширение заний зависимости Eg(x) следует, что введение в каждый прещенной зоны. Размещение в искаженных тэтраэдрах татраэдр подрешетки цинка одного атома Mn приводит дефектов межузельного типа, приводящих к дальнейшим к существенному уменьшению влияния дефектов на их искажениям, является энергетически менее выгодным.

ширину запрещенной зоны соединений Zn1-xMnxTe. То, Наоборот, размещение в них вакансий (в подрешетке Te) что дефекты перестают влиять на величину Eg при уменьшает искажения. В связи с этим следовало бы x 0.25 не означает, что их концентрация составля- ожидать, что в области x 0.20, там где воздействия ет 0.25. Верхняя граница концентрации дефектов скорее дефектов и атомов Mn на величину Eg происходят всего во много раз меньше чем 0.25. Ее величину независимо, дефекты должны дополнительно расширять можно оценить следующим образом. Предположим, что запрещенную зону.

дефекты влияют на величину запрещенной зоны таким При концентрациях x 0.25 наличие межузельных же образом, как и атомы переходных металлов. Как дефектов в тетраэдрах, уже искаженных атомами Mn, следует из рис. 3, b, ширина запрещенной зоны (в эВ) становится энергетически невыгодным. В то же время зависит от концентраци атомов Mn для x 0.30 как не существует видимых препятствий для нахождения в них вакансий.

Eg(x) =Eg(0) +(0.60 ± 0.04)x [эВ], Наши измерения Eg(x) для соединений Zn1-xMnxTe показывают, что в области x 0.20 происходит увеличеИз этой зависимости следует, что для увеличения ние ширины запрещенной зоны. Это может означать, что ширины запрещенной зоны на 0.08 эВ, так как это в этой области концентраций в соединениях существуют происходит при x 0.20, достаточно введения атомов дефекты межузельного типа, приводящие к дополнимарганца в концентрации x 0.13. Следует обратить тельному увеличению ширины запрещенной зоны. По внимание на то, что в различных соединениях AIIBVI мере увеличения x уменьшается число неискаженных атомы Mn могут как увеличивать, так и уменьшать тетраэдров, в которых могут существовать межузельные постоянную кристаллической решетки. Связано это со дефекты, а при x 0.25 таких тетраэдров в Zn1-xMnxTe знаком разницы ионных радиусов Mn и замещающего уже не будет. Это означает, что перестанет действовать иона. Например, в соединении Cd1-xMnxTe постоянная дополнительный механизм увеличения ширины запререшетки уменьшается с ростом x, поскольку радиус Mn щенной зоны, связанный с наличием в Zn1-xMnxTe деменьше радиуса Cd на 0.05 [1]. В то же время фектов межузельного типа.

радиус Mn больше радиуса Zn на величину 0.09 [1], и в связи с этим рост концентрации Mn приводит к росту постоянной решетки соединения Zn1-xMnxTe. Однако Заключение в обоих случаях введение Mn приводит к увеличению ширины запрещенной зоны. На основании анализа спектров катодолюминесценДля нас это означает, что дефекты, которые в области ции, отражения света образцов Zn1-xMnxTe с различным x 0.20 дополнительно расширяют запрещенную зону содержанием Mn (0 x 0.60) и сравнения со на 0.08 эВ могут как уменьшать, так и увеличивать спектрами отражения Cd1-xMnxTe (0 x 0.70) в постоянную решетки. Кроме атомов примесей изменять материале Zn1-xMnxTe в области x 0.20 обнаружены постоянную решетки могут также точечные дефекты ва- аномалии в зависимости оптической ширины запрещенкансионного и межузельного типов. Вакансии и их более ной зоны Eg(x), которые определяются наличием в сложные комплексы должны, как правило, уменьшать кристаллах атомов Mn и дефектов межузельного типа.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 940 П.В. Жуковский, Я. Партыка, П. Венгерэк, Ю.В. Сидоренко, Ю.А. Шостак, А. Родзик При x 0.30 вероятность существования дефектов в Zn1-xMnxTe резко уменьшается, что связано с искажениями тетраэдров атомами Mn, которые имеют радиус, больший, чем атомы Zn, и обнаруженная аномалия зависимости Eg(x) исчезает.

Список литературы [1] Полумагнитные полупроводники, под ред. Я. Фундыны, Я. Косута (М., Мир, 1992).

[2] Физика соединений AIIBVI, под ред. А.М. Георгобиани, М.К. Шейнкмана (М., Наука, 1986).

[3] A. Twardowski, P. Swiderski, M. von Ortenberg, R. Pauthenet.

Sol. St. Commun., 56, 479 (1985).

[4] П.В. Жуковский, Я. Партыка, П. Венгерэк, Н.М. Лапчук, Ю.В. Сидоренко, Ю.А. Шостак, В.П. Толстых, А. Родзик.

Матер. IV науч.-техн. конф. ”Качество электроэнергии и электротехнических изделий” (Польша, Свиноустье, 1988) с. 249.

[5] A. Holda, A. Rodzik, A.A. Meknikov, P.W. ukowski. Acta Phys. Polon. A, 88, 739 (1995).

[6] В.В. Соболев. Зоны и экситоны соединений группы AIIBVI (Кишинев, Штиинца, 1980).

[7] A. Ebina, M. Yamamoto, T. Tokahashi. Phys. Rev. B, 6, (1972).

[8] П.В. Жуковский, А. Родзик, Ю.А. Шостак. ФТП, 31, (1997).

[9] П.В. Жуковский. Я. Партыка, П. Вергерэк, Ю.В. Сидоренко, Ю.А. Шостак, А. Родзик. ФТП, 33, 270 (1999).

[10] П.В. Жуковский. Я. Партыка, П. Вергерэк, Ю.В. Сидоренко, Ю.А. Шостак, А. Родзик. ФТП, 34, 1174 (2000).




© 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.