WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 10 Низкотемпературные особенности фотоэлектрических свойств кристаллов CdxHg1-xTe с дырочной проводимостью: влияние вымораживания дырок и упругого напряжения © С.Г. Гасан-заде, С.В. Старый, М.В. Стриха, Г.А. Шепельский Институт физики полупроводников Национальной академии наук Украины, 03650 Киев, Украина (Получена 3 марта 2000 г. Принята к печати 6 апреля 2000 г.) Измерены температурные и деформационные зависимости фотопроводимости, фотоэлектромагнитного эффекта, а также темновой электрической проводимости и коэффициента Холла в p-CdxHg1-xTe c cоставом x 0.20-0.22 при низких температурах. Показано, что рекомбинационные переходы в температурном диапазоне T < 30-40 K могут быть интерпретированы в рамках двухуровневой модели Шокли–Рида с учетом вымораживания основных носителей тока — дырок. При этом второй рекомбинационный центр, который проявляется лишь в указанном диапазоне температур, является акцептором некулоновского типа с энергией ионизации порядка 10–15 мэВ.

Введение доминирует, как правило, механизм Шокли–Рида. Исходя из этого большой разброс во временах жизни Фотоэлектрические свойства монокристаллов и эпи- = 10-9-10-6 с связывается с разной концентрацией в кристаллах дефектов и примесей. При этом из разных таксиальных слоев CdxHg1-xTe (КРТ) — одного из работ следует, что в p-КРТ обнаружено по крайней мере основных материалов инфракрасной (ИК) фотоэлектри рекомбинационных уровня с зависящей от состава троники по-прежнему вызывают значительный интерес.

глубиной залегания (для x = 0.2: 10–15, 40–45 и К настоящему времени благодаря успехам технологии 60–70 мэВ от вершины валентной зоны соответственно) материал n-типа достаточно хорошо исследован. Его и с большим разбросом в значениях сечений захвата кинетические коэффициенты определены с высокой стеосновных и неосновных носителей тока.

пенью точности, а рекомбинационные механизмы в диаВ n-КРТ центрами рекомбинации определенно являпазоне температур 4.2–300 K считаются установленными ются дефекты акцепторного типа [1]. По дырочному (см., например, обзор [1]). Результаты экспериментов же материалу выводы разных работ оказались протихорошо воспроизводятся. Гораздо сложнее обстоит сиворечивыми и, таким образом, тип рекомбинационного туация с материалом p-типа. По числу работ p-КРТ центра остался в значительной степени неопределенным.

значительно уступает материалу n-типа. Это относится Поскольку попытки объяснения температурных зависии к фотоэлектрическим исследованиям прежде всего в мостей в p-КРТ с помощью одноуровневой модели области низких температур. Между тем в последние годы Шокли–Рида в большинстве случаев оказались мало отмечается широкое использование монокристаллов и удачными, некоторыми авторами [5,7] была привлечена эпитаксиальных слоев с дырочной проводимостью для двухуровневая модель. Однако типы рекомбинационных изготовления фотодиодов ИК диапазона. Последние, как центров при этом определить не удалось. С другой известно, функционируют в низкотемпературном режистороны, были предприняты попытки интерпретировать ме. Для характеристик фотодиода важное значение имезависимости (T ) в широком температурном диапазоне ют параметры неравновесных носителей тока в p-слое.

на основании исключительно межзонных механизмов Рекомбинационные процессы носителей заряда в рекомбинации [4]. Таким образом, низкотемпературное p-КРТ исследовались в ряде работ [2–7]. При этом поведение рекомбинационных мезанизмов в дырочном оказалось, что в отличие от n-КРТ в материале p-типа КРТ требует дальнейших исследований.

наблюдается очень большой разброс экспериментальных При этом следует учитывать, что кинетические коэфданных. Это касается как значений основных параметров фициенты в материале p-типа обнаруживают ряд анонеравновесных носителей тока (времени жизни, дифмалий в низкотемпературном (T < 77 K) диапазоне фузионной длины L, скорости поверхностной рекомби(см. обзор [8]). Указанные аномалии сказываются и нации s и др.), так и самого определения доминируюна фотоэлектрических свойствах p-КРТ [9]. В основе щего механизма рекомбинации в разных температурных низкотемпературных аномалий лежат, главным образом, диапазонах. Указанный разброс объяснялся прежде всего два механизма: резкое уменьшение концентрации равноменьшим совершенством кристаллов p-типа, большим весных дырок из-за их вымораживания на акцепторные различием в условиях их роста, отжига и обработки, состояния при понижении температуры и большая асимразличным состоянием поверхности образцов. Большая метрия в подвижностях электронов и тяжелых дырок в часть результатов сводится к тому, что в p-КРТ с КРТ. Поэтому в материале p-типа могут проявлять себя составом x = 0.20-0.30 в температурном диапазо- конкурирующие каналы проводимости n-типа в объеме не T < 150-200 K в рекомбинационных процессах или на поверхности кристалла.

3 1188 С.Г. Гасан-заде, С.В. Старый, М.В. Стриха, Г.А. Шепельский В настоящей работе показано, что в низкотемпературном диапазоне рекомбинационные переходы в кристаллах p-КРТ с составом x = 0.20 могут быть интерпретированы в рамках двухуровневой модели Шокли–Рида с учетом вымораживания основных носителей тока — дырок. При этом второй рекомбинационный уровень, который проявляется лишь при T < 30-40 K, является акцептором с энергией ионизации порядка 10–15 мэВ.

Эксперимент и обсуждение результатов К особенностям настоящей работы следует отнести два момента: одновременное измерение стационарной фотопроводимости (ФП) и фотоэлектромагнитного эффекта (ФМЭ), а также применение одноосного упругого напряжения. Первое позволяет контролировать время жизни как основных, так и неосновных носителей тока (как известно,, измеренное из эффекта ФП — phc, близко к времени жизни h основных носителей, а, полученное из анализа ФМЭ — phm соответствует e — времени жизни неосновных носителей тока). Применение одноосного напряжения P основано на его избирательном воздействии: в узкощелевых поРис. 1. Температурные зависимости коэффициента Холла RH лупроводниках (УП) напряжение P радикально транси удельного сопротивления для p-CdxHg1-xTe c параметрами:

формирует энергетические состояния валентной зоны и x = 0.201; p = 3.3 · 1015 см-3, µ = 1.2 · 103 см2/(В · с) при акцепторов, практически не затрагивая при этом зоны T = 77 K.

проводимости и связанных с ней донорных уровней.

Это может значительно облегчить идентификацию типа рекомбинационного центра.

ослабленного излучения ЛГ-126 (мощность 5 мВт) — Были исследованы образцы p-CdxHg1-xTe c составом при T > 20-30 K. Устройство для наложения упругого x = 0.20-0.22 и концентрацией нескомпенсированных одноосного давления размещалось непосредственно в примесей Na - Nd = 3 · 1015-2 · 1016 см-3. Образгелиевом криостате.

цы изготовлялись из монокристаллов КРТ, полученных На рис. 1 и 2 представлены характерные для исследометодом направленной кристаллизации и отоженных в ванных образцов КРТ температурные зависимости RH и насыщенных парах ртути при T = 400C. Концен, phc и phm в диапазоне 4.2–200 K. Резкие изменения RH трация активных примесей определялась по величине и в области T < 30-40 K имеют концентрационную коэффициента Холла RH при температуре истощения природу и связаны с вымораживанием свободных дырок примесей T = 78 K. Для определения концентрации на акцепторный уровень. Глубина залегания акцептора свободных дырок RH измерялся при достаточно сильном зависит от концентрации Na и в исследованных образцах поле H > 3-5 кЭ, чтобы исключить вклад легких дырок находилась в пределах 6–8 мэВ. Из-за очень высов коэффициент Холла. Особое внимание было обращено кого значения сопротивления образца при T < 10 K на обработку поверхности образцов. Предварительно (область прыжковой проводимости) величину RH не полированные химико-механическим способом образцы удается надежно измерить. В низкотемпературном дианепосредственно перед измерениями протравливались в пазоне T < 30-40 K наблюдается также рост времени 5% растворе брома в метаноле с последующей прожизни дырок h одновременно с падением времени жизни мывкой в изобутиловом спирте. Электрические контакэлектронов e при понижении температуры. При этом, ты наносились вплавлением индия. Линейные размеры как и в случае с RH, при T < 10 K фотомагнитный ток образцов составляли (0.4 0.6) (1.5 2) (6 8) мм3.

падает в такой степени, что e становится практически Измерения ФП и ФМЭ выполнялись по стандартнеизмеряемым. Разница в значениях h и e при T = 10 K ным методикам с модуляцией возбуждающего излучения.

достигает нескольких порядков. Это позволяет сделать Источниками излучения служили глобар в диапазоне уверенный выбор в пользу механизма Шокли–Рида и длин волн 1–14 мкм и лазер ЛГ-126 ( = 3.39 мкм).

Для исследуемых образцов условие слабого возбужде- отказаться от интерпретации зависимостей (T ) с помония p p (p — концентрация неравновесных щью межзонных механизмов рекомбинации в указанном дырок) выполнялось для излучения глобара при всех температурном диапазоне. Напомним, что в последнем исследуемых температурах T = 4.2-150 K, а для не- случае должно выполняться условие h = e.

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Низкотемпературные особенности фотоэлектрических свойств кристаллов CdxHg1-xTe... как вымораживание дырок никак не влияет на скорость захвата электронов на рекомбинационный центр:

e =(rcNt)-1, где rc — соответствующий коэффициент рекомбинации;

Nt — концентрация центров рекомбинации. Однако, как видно из рис. 2, данные эксперимента противоречат этому: в области вымораживания наблюдается существенный спад e. Об уменьшении e в кристаллах p-КРТ в низкотемпературном диапазоне сообщалось и в других работах [7,10].

Таким образом, простая одноуровневая модель Шокли–Рида не в состоянии объяснить наблюдаемые в эксперименте зависимости (T) даже на качественном уровне. Очевидно, что наряду с надежно установленным глубоким рекомбинационным центром (для x = 0.20 глубина залегания находится в пределах E = 40-45 мэВ), при низкой температуре в рекомбинационных переходах в p-КРТ начинает принимать участие другой центр рекомбинации. Этот центр вступает в игру по мере понижения температуры и соответствующего понижения уровня Ферми, когда состояния ловушек освобождается от электронов. Как будет показано далее, второй рекомбинационный центр находится вблизи валентной зоны и является акцептором, несколько более глубоким по отношению к кулоновскому.

Выше упоминалось, что воздействие одноосного упругого напряжения на энергетический спектр полупроводников с кубической кристаллографической структурой Рис. 2. Температурные зависимости времен phc (1) и phm (2).

оказывается избирательным. Действительно, одноосное Параметры образца те же, что и на рис. 1.

напряжение почти не затрагивает зону проводимости (не считая внесения небольшой анизотропии) и связанных с зоной проводимости донорных состояний. Совсем С учетом эффекта вымораживания увеличение h при иначе обстоит дело с валентной зоной, которая в отсутпонижении T имеет простое объяснение. Действительно, ствие деформации вырождена в точке k = 0 и состоит при понижении температуры уровень Ферми у образцов из подзон легких и тяжелых дырок. Понижая симметрию p-типа опускается и приближается к вершине валентной кристалла, одноосное напряжение снимает вырождение зоны. Избыточные электроны быстро захватываются на валентной зоны. В результате в точке k = 0 возникает незанятые состояния рекомбинационного центра, так что пропорциональная давлению P энергетическая щель 0, а темп рекомбинации будет ограничиваться более медленсостояния тяжелых и легких дырок перемешиваются. Ноным процессом — захватом дырок на центр:

вые состояния удобнее характеризовать подзонами V+ и V- c анизотропными эффективными массами дырок [11].

V = rvpnt, Четырехкратно вырожденный (с учетом спина) акцепторный уровень также расщепляется на два двугде rv – коэффициент рекомбинации для процесса захвата кратно вырожденных состояния. Величина расщепления дырки, а p и nt — соответственно концентрации Ea при малых деформациях (выполняется соотношение свободных дырок и электронов, уже захваченных ре0 < Ea) оказывается порядка расщепления валенткомбинационным центром. Тогда время жизни основных ной зоны [12]. Напротив, при достижении больших носителей заряда может быть записано в виде деформаций, когда выполняется обратное соотношение 0 > Ea, акцептор создает серию локализованных состоp p h = =, (1) яний (основного и возбужденных), связанных с зоной V+ V rv pnt и резонансных состояний, связанных с зоной V- [13].

где p — концентрация фотодырок. В обычных полупроводниках, например Ge, Si, из-за Вымораживание дырок приводит к росту h, поскольку небольшого по величине отношения эффективных масс h p-1. В такой простой модели время жизни тяжелых и легких дырок mh/ml вплоть до достаточно неосновных носителей e не должно изменяться, так высоких значений деформации (P 3кбар для Ge) Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1190 С.Г. Гасан-заде, С.В. Старый, М.В. Стриха, Г.А. Шепельский реализуется первый из описанных выше предельных слу- а концентрация свободных дырок p приближается к чаев. Исходя из этого влияние деформации на состояния значению Na - Nd. Последнее должно приводить к валентной зоны и акцепторных уровней можно считать резкому снижению удельного электрического сопротинезначительным.

вления кристалла p-КРТ с повышением давления. Если Для CdxHg1-xTe (x = 0.20) соотношение mh/ml 50.

же концентрация акцепторов в CdxHg1-xTe достаточно Поэтому расщепление подзон, изменение эффективных велика (Na 1015 см-3), то одноосное сжатие вообмасс дырок в зонах и глубина залегания акцептора ще может привести к слиянию акцепторных состояний при тех же значениях деформации оказываются много с вершиной валентной зоны (переход Мотта), когда сильнее [14]. Действительно, уже при P = 1кбар параметр легирования (произведение концентрации на величина расщепления зон 0 составляет 12 мэВ для ”боровский” объем Naa3) превышает величину 0.02 [14].

направления деформации [100], что превышает глубину При этом энергия основного состояния акцептора образалегания мелких акцепторов в исходном кристалле. При щается в нуль. Таким образом, воздействие P на неэтом реализуется второй из описанных выше предельных глубокие акцепторные центры в КРТ оказывается сильслучаев. Понятно, что при низких температурах дырки ным.

заселяют лишь верхнюю из расщепившихся валентных При захвате носителя на кулоновский центр в пределе подзон, а основное состояние акцептора формируется из большой деформации происходит значительное уменьэнергетических состояний потолка этой подзоны.

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.