WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 10 Влияние легирования гадолинием на физические свойства Hg3In2Te6 © О.Г. Грушка, П.М. Горлей, А.В. Бесценный, З.М. Грушка Черновицкий государственный университет, 58012 Черновцы, Украина (Получена 4 апреля 2000 г. Принята к печати 17 апреля 2000 г.) Рассмотрены особенности растворимости гадолиния в процессе роста кристалла Hg3In2Te6 Gd. Отмечено, что максимально возможная концентрация гадолиния в твердой фазе составляет 2.3·1019 см-3. Показано, что с ростом степени легирования возникают деформации и напряжения кристаллической решетки, коррелирующие с концентрацией примеси. Легирование практически не изменяет кинетические параметры и положение уровня Ферми, который расположен вблизи середины запрещенной зоны. Наблюдаемое поглощение света в области энергий фотонов, меньших ширины запрещенной зоны, объясняется наличием в запрещенной зоне хвостов плотности состояний. Особенности спектров поглощения интерпретируются с использованием теории взаимодействия света с неупорядоченным сильно компенсированным полупроводником. Дополнительное бесструктурное поглощение в области прозрачности обусловлено малоугловым рассеянием света на включениях, образованных заряженными примесями.

Наиболее полные сведения о полупроводниках, леги- зацией из расплава по методу Бриджмена–Стокбаргера.

рованных редкоземельными элементами (РЗЭ) с неза- Слитки разрезались на шайбы, из которых приготаполненной 4 f -оболочкой, относятся к Si, Ge и соеди- вливались экспериментальные образцы. Концентрация нениям AIIIBV, AIIBVI. Как отмечено в обзоре [1], примеси NGd в образцах устанавливалась по результаповедение примесей РЗЭ в полупроводниках характе- там измерений статической магнитной восприимчивости.

ризуется некоторыми отличительными особенностями, Учитывая общепризнанный факт [1], что атомы РЗЭ в например сочетанием малой растворимости и способно- полупроводниках находятся в состоянии Re3+ (исключести РЗЭ производить ”очистку” материала, при которой ние составляет Eu2+), предполагали, что и в Hg3In2Teвозможно значительное снижение концентрации фоно- гадолиний обладает зарядовым состоянием Gd3+.

вых примесей и увеличение подвижности электронов. Рентгенографические исследования показали, что В таком качестве максимальный эффект получен при легирование до уровня предельной растворимости использовании примесей гадолиния и иттербия. В этой Gd не изменяет структуру и параметр решетки связи изучение поведения названных примесей в по- (6.289 ± 0.001 ), который практически остается талупроводниках других типов, в частности соединениях ким же, как в нелегированном материале. Однако окасо стехиометрическими вакансиями, характеризующихся залось заметным изменение высоты и ширины пиков значительной растворимостью примесей, представляет дифрактограмм, полученных на монохроматизированном самостоятельный интерес. CuK-излучении. При NGd < 1018 см-3 рефлексы под В данной работе приводятся результаты исследования большими углами острые, высокие, с расщепленными свойств Hg3In2Te6, легированного гадолинием. Полу- дублетами. С ростом степени легирования пики снижапроводник Hg3In2Te6 представляет собой химическое ются, уширяются, менее заметным становится расщеплесоединение в системе In2Te3–HgTe с конгруэнтным ти- ние дублетов, которое при NGd 1019 см-3 полностью пом плавления, которое кристаллизуется в дефектной исчезает. Наблюдаемая трансформация рентгенодифракструктуре типа сфалерита с большой концентрацией тограмм свидетельствует о вызываемых примесью де( 1021 см-3) электронейтральных стехиометрических формациях и о возникновении напряженного состояния вакансий. Последние обусловливают ряд выгодных для решетки матрицы.

практического применения свойств [2]: высокую устой- Из того факта, что наименьшая концентрация примечивость физических параметров к воздействию ионизи- си оказывалась в образцах, вырезанных из начальных рующих излучений, электрическую неактивность приме- участков слитков, можно судить, что коэффициент рассей и широкие спектральные области фоточувствитель- пределения примеси Gd в Hg3In2Te6 k < 1. Однако расности (0.74–3.5 эВ) и прозрачности (2–25 мкм). Предва- пределение примеси вдоль слитков не удается описать рительные исследования показали интересную способ- уравнением Пфанна для направленной кристаллизации ность гадолиния: пропорционально содержанию его в из-за немонотонности кривых концентрационных прообразцах Hg3In2Te6 равномерно уменьшать коэффициент филей. Периодическая неоднородность в распределении пропускания во всей области прозрачности от значения гадолиния проявляется тем сильнее, чем больше конценT = 55-60%, соответствующего нелегированному ма- трация введенной в шихту примеси. Одной из возможтериалу, не изменяя бесструктурный характер спектров ных причин наблюдаемого эффекта является накопление пропускания. примеси вблизи фронта кристаллизации в соответствии Для исследований использовались слитки Hg3In2Te6 с с коэффициентом распределения k < 1, что может приразличным содержанием введенной примеси гадолиния водить к понижению равновесной температуры кристал(1019-1020 см-3), выращенные направленной кристалли- лизации.

Колебания температуры на границе раздела фаз 1198 О.Г. Грушка, П.М. Горлей, А.В. Бесценный, З.М. Грушка вызывают неустойчивый рост кристалла с образованием компенсации. Реализация обоих этих случаев вполне возслоев роста, в которых меняется содержание примеси, можна в Hg3In2Te6 при изменении температуры от 400 до вследствие чего возникают примесные неоднородности. 150 K. Теория [4] объясняет опускание уровня Ферми в Полученная максимальная концентрация NGd в монокри- неупорядоченных системах глубоко в запрещенную зону сталлических образцах составляла 2.3 · 1019 см-3, что возникновением крупномасштабных флуктуаций элекна 1–2 порядка ниже предельной растворимости других тростатического потенциала в случае сильного легирова(не РЗЭ) примесей в Hg3In2Te6, но на порядок выше, чем ния (Na3 1, ae и ah — боровские радиусы электрона e(h) в полупроводниках, не содержащих стехиометрические и дырки) и приблизительным равенством концентрации вакансии. Редкоземельные ионы, обладающие экраниN доноров и акцепторов, случайно распределенных в рованной f -оболочкой, относительно мало подвержены кристалле. Имеющие место деформации и напряжения в влиянию кристаллического поля матрицы, и поэтому их решетке легированного материала могут стать причиной малая растворимость определяется в основном размерпоявления крупномасштабных флуктуаций потенциала, ным фактором. Из-за относительно крупных размеров однако в случае Hg3In2Te6 — не за счет введения в ионов Gd3+ (r = 0.97 ) имеющаяся в расплаве приматрицу одинаковых больших количеств донорной и месь отторгается растущим кристаллом, и происходит акцепторной примеси, а в результате эффекта самокомее накопление в хвостовой части слитка. Пересыщенный пенсации. Этот специфический для полупроводников со примесью участок кристалла проявляет повышенную стехиометрическими вакансиями эффект, который обустенденцию к растрескиванию и после извлечения слитка ловлен природой материала [5], до сих пор не получил из контейнера легко рассыпается на мелкие кусочки, не убедительного объяснения и нуждается в изучении.

пригодные для исследований. Малая растворимость и суИзвестно, что оптическое поглощение чувствительно к щественное отклонение в распределении примеси РЗЭ от состоянию материала. Поэтому были исследованы спекстатистического в полупроводниках различных классов тры поглощения света с энергией квантов h, меньших является типичным явлением и в работе [1] объясняется ширины запрещенной зоны Eg. В области небольших склонностью РЗЭ к образованию сложных комплксов и дефицитов энергии кванта = Eg - h коэффициент ассоциатов (особенно с элементами VI группы), образопоглощения хорошо описывается правилом Урбаха вание которых приводит к возникновению напряжений в кристаллической решетке, что согласуется с результатаln[(h)] -/0, ми анализа рентгенодифрактограмм.

Исследования кинетических свойств Hg3In2Te6 Gd где 0 — характерная энергия, не зависящая от частоты.

(электропроводности, коэффициента Холла, термо- Прямолинейные участки в урбаховской области (рис. 1), эдс) показали, что концентрация носителей заряда соответствующие образцам с различным содержанием ( 1013 см-3 при 300 K) на 4–6 порядков ниже присут- примеси, при их продолжении сходятся в одной фокальствующей в образцах примеси. Холловская подвижность ной точке. Это свидетельствует о том, что величина до уровня легирования менее 1019 см-3 практически не Eg не изменяется при легировании. Как коэффициент отличается от подвижности в нелегированном материале поглощения, так и характерная энергия 0 (см. вставку (300–320 см2/(В · с) при 300 K) и лишь при большем на рис. 1) пропорциональны уровню легирования.

содержании примеси несколько уменьшается, становясь Из предложенных в [4,6–8] моделей, посвященных равной 270 см2/(В · c) при NGd = 2.3 · 1019 см-3. Таким правилу Урбаха, в нашем случае наиболее приемлема образом, эффекта очистки материала и улучшения парамодель [4], в которой оптическое поглощение с дефиметров не происходит, что, вероятно, связано с преобцитом энергии объясняется флуктуациями потенциала, ладанием числа собственных дефектов над примесными.

создающими состояния в запрещенной зоне. Теория [4], Основными собственными дефектами в Hg3In2Te6 являразработанная для прямозонного полупроводника со слуются стехиометрические вакансии (СВ), и их концентрачайно распределенными примесями, в котором масса ция (2.7·1021 см-3) не изменяет порядок величины даже дырки больше массы электрона и уровень Ферми лежит в том случае, если вся примесь Gd, соответствующая глубоко в запрещенной зоне, вполне может быть примепредельной растворимости (2.3 · 1019 см-3), внедрится в нима к объекту исследования, так как Hg3In2Te6 является стехиометрические вакансии.

Таким образом, СВ ответименно таким полупроводником.

ственны за дефектность и неупорядоченность структуСогласно [4], при небольших значениях энергии, ры. В исследованной области температур (150-400 K) отсчитываемой в глубь запрещенной зоны, плотность примесной проводимости не возникает, и по своим свойсостояний () спадает по закону ствам Hg3In2Te6 Gd подобен собственному полупроводнику. Как и многие другие примеси металлов (см., ln[()/(0)] = -2/2, = e2(Nr0)1/2/(r0), (1) например, [3]), гадолиний никак не влияет на положегде e — заряд электрона, r0 — радиус экранирования, ние уровня Ферми, который находится вблизи середины запрещенной зоны, чем и объясняется электрическая — диэлектрическая проницаемость, N — концентранеактивность ионов Gd3+ в Hg3In2Te6. Стабилизация ция примесей.

уровня Ферми примерно посередине запрещенной зоны Для плотности состояний (1) существенны крупномасможет быть вследствие высокой температуры или точной штабные флуктуации, создающие плавно меняющийся Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Влияние легирования гадолинием на физические свойства Hg3In2Te6 вклад в плотность состояний начинают вносить скопления примесей типа атома [4]. В этом случае плотность состояний спадает в глубь запрещенной зоны по закону ln () -1/2 ln, а коэффициент поглощения в глубоком хвосте зависимости () воспроизводит плотность состояний и описывается формулой ln[()/(0)] = -(/EB)1/2 ln[(/EB)2/(Na3)]. (3) Непрямолинейные участки зависимости ln = f (h) в области =(0.06 - 0.11) эВ на рис. 1 спрямляются при построении их в координатах ln от 1/2 ln, как показано на рис. 2, а величины наклонов полученных отрезков прямых 0 = -d(1/2 ln )/d ln (см. вставку на рис. 2) увеличиваются с ростом концентрации гадолиния в образцах. Следует отметить, что концентрация NGd не может быть отождествлена с величиной N в формулах (2) и (3), где N представляет собой суммарную концентрацию доноров и акцепторов. Концентрация последних в Hg3In2Te6 Gd в условиях самокомпенсации должна зависеть от NGd, однако может значительно превосходить концентрацию гадолиния в образцах. В многокомпонентном полупроводнике с большой концентрацией СВ определить величину N не представляется возможным.

Рис. 1. Спектры коэффициента поглощения образцов Тем не менее полученные данные не противоречат закоHg3In2Te6: нелегированного (1) и легированных гадолинием нам (2) и (3).

при NGd, 1018 см-3: 2 — 0.55, 3 —2.8, 4 —5.0, 5 — 12.6, 6 — 15.8, 7 — 23.0; на вставке — зависимость характерной энергии 0 от концентрации гадолиния NGd.

потенциал. В [4] показано, что коэффициент поглощения в урбаховской области не повторяет плотность состояний (1), а убывает по закону ln[()/(0)] = -(/EB)5/4/(Na3)1/2, (2) где — численный множитель, EB — энергия ионизации изолированной примеси, a — эффективный боровский радиус. Закон (2) близок к экспериментально наблюдаемому правилу Урбаха () exp(-/0), так как зависимость 5/4 в узком интервале частот практически не отличается от линейной. И действительно, зависимости () (рис. 1) в урбаховской области, построенные в координатах ln от 5/4, являются линейными в соответствии с формулой (2).

Как видно из рис. 1, при больших дефицитах =0.06-0.11 эВ — в области сравнительно меньших значений — кривые ln = f (h) более пологие и отличаются от урбаховских. По мере углубления в Рис. 2. Зависимость коэффициента поглощения от 1/2 lg запрещенную зону становятся существенными мелкомасдля тех же образцов, что на рис. 1; на вставке — зависимость штабные (по сравнению с r0) флуктуации, так как с 0 = -d(1/2 ln )d ln от концентрации гадолиния NGd.

ростом размер флуктуаций уменьшается, и основной Обозначения кривых 2–7 те же, что и на рис. 1.

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1200 О.Г. Грушка, П.М. Горлей, А.В. Бесценный, З.М. Грушка В области прозрачности 0.62 h > 0.05 эВ ко- The effect of gadolinium doping on эффициент поглощения увеличивается с ростом уровня physical properties of Hg3In2Teлегирования, при этом остается не зависящим от длины O.G. Grushka, P.M. Gorley, A.V. Bestsenny, волны. В этом случае спектры () = const не обZ.M. Grushka наруживают поглощения света свободными носителями.

Наблюдаемое уменьшение прозрачности, обусловленное Chernovtsy State University, дополнительным поглощением, удается объяснить, если 58012 Chernovtsy, Ukraune предположить наличие известного механизма малоуглового рассеяния света на неоднородностях, образованных

Abstract

The technological aspects of gadolinium solubility duскоплениями заряженных примесей [9]. Такие своеring growth of Hg3In2Te6 crystals have been considered. The maxiобразные микродефекты могут быть окружены областя- mum gadolinium concentration in the solid phase is 2.3·1019 cm-3.

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.