WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 10 Неустойчивость DX-подобных примесных центров в PbTe(Ga) при отжиге © Д.Е. Долженко, В.Н. Демин, И.И. Иванчик, Д.Р. Хохлов¶ Физический факультет Московского государственного университета, 119899 Москва, Россия Химический факультет Московского государственного университета, 119899 Москва, Россия (Получена 21 марта 2000 г. Принята к печати 6 апреля 2000 г.) Впервые исследована кинетика изменения сопротивления монокристаллов PbTe(Ga) с уровнем Ферми, изначально стабилизированным внутри запрещенной зоны, при их отжиге при температурах до 400C.

Показано, что отжиг кристаллов уже в течение нескольких минут при температуре 200-250C приводит к трансформации полуизолирующего при низких температурах материала в сильно вырожденный полупроводник с концентрацией свободных электронов 1018 см-3, т. е. к распаду DX-подобных примесных центров, определяющих эффект стабилизации уровня Ферми внутри запрещенной зоны в PbTe(Ga). Определена энергия активации, соответствующая этому процессу. При высокотемпературном отжиге при температуре порядка 400C имеется тенденция к частичному восстановлению полуизолирующих свойств.

Легирование теллурида свинца и сплавов на его основе цикле: нагрев от комнатной температуры до 250Cи понекоторыми элементами III группы приводит к появле- следующее охлаждение. Если при нагреве температурная нию эффекта стабилизации уровня Ферми, а также дол- зависимость сопротивления имеет полупроводниковый говременных релаксационных процессов при выведении характер, то при охлаждении она металлического тисистемы из состояния равновесия при низких темперапа, причем тип проводимости электронный. Отсутствие турах, в частности, к эффекту задержанной (persistent) фотопроводимости [1]. В PbTe(Ga) уровень Ферми может быть стабилизирован при определенных условиях внутри запрещенной зоны, на 70 мэВ ниже дна зоны проводимости, а задержанная фотопроводимость наблюдается при температурах T < 80 K [2]. Такое действие галлия обусловлено формированием DX-подобных примесных центров [3]. Известно, что в тех случаях, когда в PbTe(Ga) стабилизация уровня Ферми отсутствует, галлий действует как донор с неустойчивым легирующим действием, которое сильно зависит от внешних условий — давления, температуры и др. [4]. Цель настоящей работы заключалась в проверке устойчивости DX-подобных примесных центров в PbTe(Ga) со стабилизированным уровнем Ферми по отношению к высокотемпературному отжигу.

До начала отжига в указанных кристаллах наблюдался эффект стабилизации уровня Ферми, а также задержанная фотопроводимость при T < 80 K. Отжиг кристаллов производился путем их нагрева до температур T 400C в атмосфере гелия, причем в процессе отжига производились измерения сопротивления кристаллов in situ 4-контактным методом. Контакты изготавливались из графита и прижимались к образцам специальной пружиной из бериллиевой бронзы. Температура образца определялась с помощью медьконстантановой термопары.

Нагрев PbTe(Ga) с характерным временем в несколько минут до температур 250C приводит к полной потере образцом полуизолирующих свойств. На рис. 1 показана зависимость сопротивления образца от температуры в Рис. 1. Зависимость сопротивления образца PbTe(Ga) от температуры при его нагреве до T 250C и последующем ¶ E-mail: khokhlov@mig.phys.msu.su охлаждении. Время отжига при 250C — несколько минут.

Неустойчивость DX-подобных примесных центров в PbTe(Ga) при отжиге Тем не менее добиться полного восстановления полуизолирующих свойств, а также эффекта задержанной фотопроводимости при низких температурах не удается.

Эффект стабилизации уровня Ферми в PbTe(Ga) заметно отличается от аналогичного эффекта, наблюдавшегося при легировании PbTe другими элементами III группы — индием и таллием. Это различие связано прежде всего с тем, что в PbTe(Ga) стабилизация уровня Ферми наблюдается лишь в узком диапазоне концентраций введенного Ga, а вне этого диапазона, вплоть до предела растворимости, галлий действует как донор [5].

В PbTe(Tl) и PbTe(In) уровень Ферми оказывается стабилизированным при любых значениях концентрации введенной примеси, превышающих концентрацию других электрически активных примесей и дефектов [6].

Еще одно важное обстоятельство заключается в следующем. Естественно было бы предположить, что положение примесного уровня, стабилизирующего уровень Ферми в PbTe, легированном различными примесями III группы, будет монотонно зависеть от атомного номера элемента. В то же время галлий явно нарушает эту последовательность: в PbTe, легированном наиболее тяжелым элементом III группы — таллием, уровень Ферми стабилизируется глубоко в валентной зоне; в PbTe(In) — на 70 мэВ выше дна зоны проводимости, а в PbTe, легированном галлием, который легче индия, стабилизация уровня Ферми происходит внутри Рис. 2. Зависимость характерного времени спада сопротивлезапрещенной зоны. Такая ”непоследовательность” может ния при отжиге от температуры отжига.

быть объяснена, если предположить, что стабилизация уровня Ферми внутри запрещенной зоны, наблюдаемая в PbTe(Ga), обусловлена не действием одиночных атомов максимума на температурной зависимости сопротивле- Ga, а некоторых комплексов галлия и окружающих ния при охлаждении от 250C свидетельствует о том, дефектов. На такую возможность указывает целый ряд что концентрация свободных электронов в отожженном экспериментальных фактов.

образце составляет не менее 1018см-3. Прежде всего уже в первых работах, посвященных исследованию спектров оптического поглощения Отжиг образцов при фиксированной температуре в PbTe(Ga), была обнаружена оптическая активация на диапазоне 200-280C приводит к экспоненциальному падению их сопротивления во времени по закону, близ- квазилокальный уровень, лежащий высоко в зоне проводимости [7]. В то же время относительно маленькая кому к экспоненциальному:

растворимость галлия в теллуриде свинца не позволяет уровню Ферми достичь положения этого квазилокально = 0 - 1 - exp(-t/ ).

го уровня при легировании. Возможно, указанный кваВеличина экспоненциально зависит от температуры зилокальный уровень отвечает возможному положению отжига (рис. 2): стабилизации уровня Ферми одиночными атомами Ga.

Кроме того, факт стабилизации уровня Ферми внутри = 0 exp(Ea/kT ).

запрещенной зоны в узком диапазоне концентраций Ga говорит о том, что плотность состояний на соответствуОценка величины Ea из зависимости (T ) дает значение ющем уровне значительно меньше общего количества Ea 1.8эВ.

Ga в кристалле. Следовательно, такая стабилизация моПри нагреве образца до температуры выше 380Cего жет осуществляться, только если галлий, не входящий сопротивление начинает резко возрастать, и при после- в комплексы, в основном компенсирует легирующее дующем охлаждении появляется активационный участок, действие прочих примесей и дефектов. Сколько-нибудь наблюдающийся вплоть до температур 100C. В наи- значительный разбаланс этой компенсации приводит к большей степени удается приблизиться к изначальному срыву стабилизации в ту или иную сторону.

(до отжига) сопротивлению образца при комнатной тем- Результаты, представленные в настоящей работе, такпературе, если его закалить путем резкого охлаждения же дают указание на то, что примесным центром, от 400 до 25C в течение нескольких десятков секунд. обеспечивающим стабилизацию уровня Ферми внутри Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1196 Д.Е. Долженко, В.Н. Демин, И.И. Иванчик, Д.Р. Хохлов запрещенной зоны в PbTe(Ga) является комплекс (при- Unstability of DX-like impurity centers in месь + дефект). Более того, по всей видимости, такой PbTe(Ga) upon annealing комплекс является метастабильным при температурах D.E. Dolzhenko, V.N. Demin, I.I. Ivanchik, ниже 400C. Действительно, нагрев всего лишь до D.R. Khokhlov 200-250C приводит к полной потере образцом полуизолирующих свойств. Если считать, что весь Ga, Physics Department, Moscow State University, находящийся в таких комплексах, перешел в состояние, 119899, Moscow, Russia не обеспечивающее стабилизацию уровня Ферми, то конChemistry Department, Moscow State University, центрация комплексов составляет по порядку величины 119899 Moscow, Russia 1018 см-3, что существенно меньше общего количества галлия в кристалле 1020 см-3. Величина барьера,

Abstract

We have investigated for the first time the kinetics отделяющего метастабильное, DX-подобное состояние of resistivity of PbTe(Ga) monocrystals, their Fermi level being комплекса от основного, не обеспечивающего стабилиpinned within the gap, throughout their annealing at temperatures зацию уровня Ферми, составляет около 2 эВ. По всей as high as 400C. It has been shown that the annealing of crystals at видимости, при температурах выше 380C DX-подобное temperatures 200-250C just for several minutes decidedly leads состояние комплекса становится основным, что приводит to the transformation of the material that is a semiinsulator at low к резкому росту сопротивления и к появлению тенденции temperatures into a strongly degenerated semiconductor with the к восстановлению полуизолирующих свойств при послеfree electron concentration of the order of 1018 cm-3, i. e. the дующей закалке.

annealing results in decomposition of DX-like impurity centers that define the Fermi level pinning within the gap in PbTe(Ga). The Авторы выражают глубокую признательность activation energy corresponding to this process has been found. At проф. Л.И. Рябовой за плодотворное обсуждение a high-temperature annealing at temperatures about 400C there результатов.

is a trend to partial restoration of the semiinsulating properties.

Работа выполнена при частичной поддержке грантов № 98-02-17317 и № 96-02-18853 Российского фонда фундаментальных исследований и гранта ИНТАС-РФФИ № 95-1136.

Список литературы [1] B.A. Akimov, A.V. Dmitriev, D.R. Khokhlov, L.I. Ryabova.

Phys. St. Sol. (a), 137, 9 (1993).

[2] Б.А. Акимов, Н.Б. Брандт, А.М. Гаськов, В.П. Зломанов, Л.И. Рябова, Д.Р. Хохлов. ФТП, 17, 87 (1983).

[3] А.И. Белогорохов, И.И. Иванчик, С.В. Пономарев, Е.И. Слынько, Д.Р. Хохлов. Письма ЖЭТФ, 63, 342 (1996).

[4] Б.А. Акимов, Н.Б. Брандт, Л.И. Рябова, Д.Р. Хохлов, С.М. Чудинов, О.Б. Яценко. Письма ЖЭТФ, 31, 304 (1980).

[5] Г.С. Бушмарина, Б.Ф. Грузинов, И.А. Драбкин, Е.Я. Лев, Н.В. Нельсон. ФТП, 11, 1874 (1977).

[6] В.И. Кайданов, Ю.И. Равич. УФН, 145, 51 (1985).

[7] А.Н. Вейс, В.И. Кайданов, Н.А. Костылева, Р.Б. Мельник, Ю.И. Уханов. ФТП, 7, 928 (1973).

Редактор Т.А. Полянская Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып.




© 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.