WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 8 Энергия ионизации меди в кристаллах Hg0.8Cd0.2Te при слабом и промежуточном легировании © В.В. Богобоящий Кременчугский государственный политехнический институт, 39614 Кременчуг, Украина (Получена 9 декабря 1999 г. Принята к печати 24 января 2000 г.) Исследовано удельное сопротивление и эффект Холла в легированных медью кристаллах p-Hg0.8Cd0.2Te в интервалах температур 4.2-125 K и концентраций Cu от 2.6 · 1015 до 2 · 1018 см-3. Показано, что традиционный метод определения энергии ионизации примесей по углу наклона зависимости RH(T ) в данном случае неприменим. Для получения корректных результатов необходимо учитывать строение примесной зоны и экранирование заряда примеси свободными носителями тока. Предложена упрощенная модель структуры примесной зоны, позволяющая рассчитать энергию ионизации акцепторов при слабом легировании и слабой компенсации. В рамках такого подхода найдено, что энергия ионизации меди при T = 0 слабо зависит от ее концентрации и для изолированного акцептора равна EA = 7.6 мэВ, что совпадает с теоретическим значением. При конечных температурах энергия ионизации акцепторов заметно уменьшается в результате экранирования.

1. Введение Такой метод, бесспорно, справедлив при предельно низких концентрациях примеси, когда уровни энергии Поведение мелких примесных уровней в запрещенной однотипных примесных атомов можно считать идентичзоне полупроводника при промежуточном легировании ными. В то же время хорошо известно [2], что в реальных вызывает известный интерес в связи с проблемой конкристаллах, которые всегда частично компенсированы, центрационного перехода металл–диэлектрик в легиропримесные уровни смещены на величину потенциала ванных полупроводниках. Возникновение металлической электрического поля компенсирующих примесей в точке проводимости связывают в этом случае с перекрытием расположения дефекта. В промежуточно легированном примесных состояний [1,2] и с экранированием заряда Hg0.8Cd0.2Te амплитуда флуктуаций этого поля сравнима примеси свободными носителями тока [3].

с EA, поэтому энергия активации RH определяется как В обоих случаях критерий перехода включает в себя величиной EA, так и крупномасштабным потенциалом размер связанного состояния, в качестве которого исзаряженных доноров. Ясно, что в такой ситуации традипользуют радиус изолированного атома примеси [1–3].

ционный подход к вычислению EA по данным измерения С другой стороны, этот размер зависит от энергии связи, RH приведет к ошибочным результатам. Соответственно которая, как принято считать, быстро убывает с ростом значения EA в p-Hg0.8Cd0.2Te, полученные ранее в [4] и концентрации примеси. По этой причине в [2] высказыв других работах для области промежуточного легировается сомнение относительно корректности использования, нельзя считать достоверными.

вания параметров состояния изолированной примеси в С другой стороны, в [3] высказывается сомнение по критерии перехода к металлической проводимости.

поводу эффективности применения холловского метода В предлагаемой работе были исследованы проводидля измерения EA в узкощелевых кристаллах. Здесь мость и эффект Холла в легированных медью кристаллах будет показано, что при надлежащей обработке экспеp-Hg0.8Cd0.2Te с целью определения концентрационной риментальных данных этот метод дает вполне надежные зависимости энергии связи EA дырок и эксперименрезультаты даже для таких узкощелевых полупроводнитального подтверждения обоснованности использования ков, как Hg0.8Cd0.2Te. Для этого необходимо разделить радиуса состояния изолированного нейтрального акцевклады различных механизмов электропереноса и учесть птора в критерии Мотта.

реальную структуру акцепторной зоны, экранирование и Обычно при определении энергии ионизации примеси захват дырок нейтральными акцепторами, влияние котопо данным измерения коэффициента Холла RH ее оторых в промежуточно легированных кристаллах весьма ждествляют с энергией активации RH в области выморазначительно.

живания примесной проводимости, если степень компенсации K кристаллов близка к 1; при слабой компенсации эту величину удваивают. Например, в [4] приведены 2. Эксперимент результаты измерения этим методом концентрационной зависимости энергии EA ионизации меди в Hg0.8Cd0.2Te, полученные по данным измерения RH в диапазоне T от Для проведения эксперимента были взяты свеже20 до 50 K. Согласно этим результатам, величина EA как выращенные образцы высококачественного Hg1-xCdxTe 1/функция NA линейно убывает от 11.5 мэВ при NA = 0 (x = 0.21 0.22), получаемого серийно в промышдо нуля при NA 1017 см-3. ленных условиях методом вертикально направленной 956 В.В. Богобоящий кристаллизации. Большая их часть содержала только неконтролируемые примеси. Несколько кристаллов были намеренно легированы в процессе выращивания индием с целью получения в дальнейшем сильно компенсированных образцов p-типа.

Из отобранных кристаллов была выделена контрольная группа (по образцу из каждого слитка) для определения концентрации ND неконтролируемых доноров.

Оставшиеся образцы были подвергнуты термообработке в парах Hg с целью удаления вакансий Hg и включений второй фазы. После измерения состава отожженных кристаллов в них была введена медь из напыленной в вакууме пленки контролируемой толщины путем диффузионного отжига в насыщенных парах Hg при 200C.

Режим отжига был рассчитан по данным [5] и обеспечивал полное растворение пленки и макрооднородное распределение Cu в кристалле.

Концентрация меди в полученных кристаллах была Рис. 1. Температурная зависимость удельного сопротивления в пределах от 2.6 · 1015 до 2 · 1018 см-3. Ее велилегированных медью кристаллов p-Hg0.8Cd0.2Te. NA, см-3:

чину определяли по значению RH в магнитном поле 1 —2.6 · 1015, 2 —3.2 · 1016, 3 —6 · 1016, 4 —1 · 1017, B = 1Тл при T = 77 K, когда медь ионизирована 5 —1.8 · 1017, 6 —4.7 · 1017.

полностью [5], а холл-фактор дырок rH = 1.24, согласно данным [6]. Количество вакансий Hg в кристаллах из контрольной группы определяли оптическим методом [6] при T = 293 K, когда те полностью (дважды) ионизированы [7]. Концентрация In в легированных кристаллах менялась от 5 · 1015 до 1017 см-3; ее отождествляли с концентрацией примесных электронов в них после низкотемпературного отжига в парах Hg.

На свежетравленные и отмытые в теплой деионизированной воде образцы напаивали In-контакты в атмосфере охлажденного азота. Немедленно после этого их помещали в наполненный гелием измерительный криостат и проводили измерения и RH в интервале температур от 4.2 до 125 K.

Часть данных измерения показана на рис. 1, 2. Видно, что в легированных Cu кристаллах с NA > 1017 см-1-проводимость, обусловленная дырками валентной зоны, выражена слабо и сопоставима по величине с проводимостью по примесной зоне, так что ее практически невозможно выделить в чистом виде (рис. 1).

Во всех без исключения кристаллах при самых низких температурах доминировала проводимость по примесям.

Рис. 2. Температурная зависимость коэффициента Холла В образцах из контрольной группы она подчинялась легированных медью кристаллов p-Hg0.8Cd0.2Te. NA, см-3:

закону Мотта [8]:

1 —2.6 · 1015, 2 —3.2 · 1016, 3 —6 · 1016, 4 —1 · 1017, 5 —1.8 · 1017, 6 —4.7 · 1017.

= 0 exp (T0/T )1/4, (1) тогда как в легированных Cu кристаллах ее температурная зависимость описывалась активационным законом ной проводимости (2) увеличивалась с ростом NA, а -1/Аррениуса:

множитель 0 был пропорционален NA. Поэтому в соответствии с [2] в таких кристаллах она была ото = 0 exp. (2) ждествлена с прыжковой 3-проводимостью. В компенkBT сированном кристалле с K 0.5 и NA = 2.6 · 1015 см-В слабо компенсированных кристаллах с энергия активации была очень низкой (0.14 мэВ, рис. 1), NA < 6 · 1016 см-3 энергия активации низкотемператур- что также характерно для 3-проводимости [1,2].

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Энергия ионизации меди в кристаллах Hg0.8Cd0.2Te при слабом и промежуточном легировании 3. Обработка результатов измерений 3.1. Определение концентрации дырок Влияние проводимости по примесям в кристаллах p-Hg0.8Cd0.2Te проявляется даже при T > 10 K (рис. 1, 2), а энергия ионизации акцепторов низкая, так что вымораживание 1-проводимости становится существенным только ниже 20 K. Поэтому здесь корректное определение EA непосредственно по величине RH возможно лишь в очень узкой области T (15–20 K); при более низких температурах необходимо использовать совместно данные измерения RH и.

Поскольку в кристаллах с NA < 1017 см-3 произведение RH2 определяется исключительно дырками валентной зоны, концентрация свободных дырок в валентной зоне может быть найдена из уравнения rH(1)Рис. 3. Температурная зависимость произведения RH2 в p =. (4) легированных медью кристаллах p-Hg0.8Cd0.2Te. NA, см-3:

eRH 1 —2.6 · 1015, 2 —3.2 · 1016, 3 —6 · 1016, 4 —1 · 1017, 5 — 1.8 · 1017, 6 —4.7 · 1017. Для определения 1 потребовалось разделить вклады различных механизмов электропереноса в области смешанной проводимости.

Поскольку в разных диапазонах T доминируют разные При NA > 6 · 1016 см-3 энергия активации проводимомеханизмы электропереноса, а суммарная электропрости (2) уменьшалась с ростом NA по закону водность складывается аддитивно из вкладов различных типов носителей тока, 1 можно было выделить путем 2 = 4.4 1 - (NA/NAM)1/3 мэВ, (3) эмпирической экстраполяции. При NA < 6 · 1016 см-3, когда наблюдается 3-проводимость, такая процедура не вызывала затруднений, так как энергия активации обращаясь в нуль при NA > NAM = 3.8 · 1017 см-3. Со3 существенно меньше 1 и слабо зависит от темгласно [1–2], зависимость (3) отвечает 2-проводимости пературы [2]. При NA > 6 · 1016 см-3 наблюдается по A+-зоне, образованной акцепторами, заряженными 2-проводимость, температурная зависимость которой положительно в результате присоединения избыточной определяется вероятностью заполнения A+-зоны и подырки.

тому существенно немонотонна. Ее энергия активации Знак RH ниже высокотемпературной точки инверсии постоянна только при T < 10 K, поэтому выделение был положительный (рис. 2). В области перехода к 1 с помощью экстраполяции было корректным тольпроводимости по примесям наблюдался характерный ко в этой области T. Затем участок зависимости максимум RH. Как известно, он наблюдается, если 1(T ), выделенный при T < 10 K, плавно ”сшивался” подвижность дырок в акцепторной зоне и обусловленный с участком (T ), отвечающим T > 50 K, где 1.

ими эффект Холла малы [2], т. е. если величина произвеТочность интерполяции была приемлема только при дения RH2 в переходной области определяется в данном NA < 1017 см-3, когда величина 2 заметно меньше случае только вкладом дырок валентной зоны.

истощенной 1-проводимости.

Действительно, при NA < 1017 см-3 температурная зависимость RH2 не претерпевает изломов в обла3.2. Подвижность и холл-фактор дырок сти смены доминирующего механизма проводимости (рис. 3). Напротив, при NA > 1017 см-3 такой излом Данные о природе низкотемпературной подвижности отчетливо виден. В этой области концентраций коэффидырок в Hg0.8Cd0.2Te противоречивы. Величина µp в циент Холла, обусловленный носителями тока в A+-зоне, этом материале существенно меньше, чем предсказывааномально мал и равен около 5 см3/Кл независимо от ет модель Брукса–Херринга, что обычно объясняют с NA. Подвижность таких носителей монотонно убывает рассеянием на нейтральных дефектах [9] или на флукот 350 см2/В·с при NA = 2·1018 см-3 до 15 см2/В·с при туациях состава [10]. Однако эксперимент показал, что 3/NA = 1.8 · 1017 см-3. Таким образом, при NA < 1017 см-µp T при T < 12 K, а это как раз соответствует и 1 > 0.1 носители в A+-зоне не вносят вклад в рассеянию дырок на ионах примеси и противоречит величину RH2. Здесь 1 = epµp —вклад свободных предложенным в [9–10] механизмам рассеяния. Кроме дырок в суммарную электропроводность. того, в компенсированных индием образцах величина Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 958 В.В. Богобоящий 1/µp уменьшалась обратно пропорционально росту коли- уровне Ферми g(F) =ND/(e2NA ), где — диэлектричества ионизированных центров NI. В частности, при ческая проницаемость, а радиус локализации связанной T 20 K холловская подвижность составила около 1150, на вакансии дырки a = / mlh(EA1 + EA2). Здесь EA550 и 180 см2/(В · с) в образцах с концентрацией ионов и EA2 — энергии первой и второй ионизации вакансии 1.5 · 1016, 4.4 · 1016 и 1.8 · 1017 см-3 соответственно. На (EA1 18 мэВ, EA2 2EA1). По этим данным, в исэтом основании здесь полагалось, что при T < 25-30 K следованных слитках концентрация неконтролируемых дырки рассеиваются на ионах примеси. доноров составляла величину (1.2 ± 0.2) · 1015 см-3, что Холл-фактор rH в p-Hg0.8Cd0.2Te формально можно хорошо согласуется с данными анализа µp.

представить в виде произведения rHh · rHl(B), где rHh — холл-фактор тяжелых дырок; rHl(B) — множитель, опи3.4. Определение энергии акцепторного уровня сывающий вклад легких дырок. При T = 77 K, соЭлектрическое поле компенсирующих доноров сущегласно [6], rHl(0) = 1.35 ± 0.05. Опыт показывает, ственно влияет на положение уровня Ферми в кристалле, что величина rHl(0) слабо зависит от температуры при будучи при этом зависимым от K и NA [2]. Поэтому при T < 77 K (по-видимому, из-за того что легкие дырки вычислении EA условие электронейтральности записырассеиваются на ионах примеси уже при T = 77 K).

валось в разном виде для разных областей NA, K и T.

Поэтому при расчетах полагалось, что rHl(0) =1.35 во Вычисления производились отдельно для каждой точки всем исследованном интервале температур.

измерения, взятой из области T < 22 K, где вымораживаХолл-фактор тяжелых дырок равен 1 при T = 77 K [6], ние свободных дырок существенное, экранирование отгде они рассеиваются на колебаниях решетки. Ниже носительно слабoе, а величина rH определена достаточно 70 K механизм рассеяния начинает меняться, о чем надежно. Плотность состояний NV ввалентнойзонебыла свидетельствует характерный излом зависимости µp(T ).

3/взята из [6].

При низких T, где µp T, считалось rHh = 1.93.

Вобразце с NA 2.5·1015 см-3 и K 0.5акцепторная Тщательный анализ показывает, что, например, при зона достаточно симметрична, ее ширина сравнима с NA (2-3) · 1016 см-3 холл-фактор тяжелых дырок kBT, а уровень Ферми при T = 0 располагается пракдостигает насыщения уже при T 15 K, а в области тически в центре зоны [2], о чем свидетельствует крайне температур от 15 до 70 K его величина плавно уменьшанизкое значение энергии активации 3-проводимости — ется до 1.

+ 0.14 мэВ. С другой стороны, здесь NA p. В итоге для расчета EA в этом образце можно было пользоваться 3.3. Определение степени компенсации условием электронейтральности в его обычном виде [3]:

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.