WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 10 Исследование зависимостей проводимости и коэффициента Холла от магнитного поля в пленках CdXHg1-XTe, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии ¶ © П.А. Бахтин, С.А. Дворецкий, В.С. Варавин, А.П. Коробкин, Н.Н. Михайлов, Ю.Г. Сидоров Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 8 января 2004 г. Принята к печати 4 марта 2004 г.) Проведено исследование зависимостей проводимости и коэффициента Холла от магнитного поля в пленках CdXHg1-X Te (КРТ) при 77 K. Пленки n-типа с X = 0.21-0.23 были выращены на подложках GaAs ориентации (013) методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Установлено уменьшение проводимости и коэффициента Холла в 3-5 раз при изменении магнитного поля от 0 до 1 Тл. Показано, что такие зависимости хорошо описываются в рамках двухслойной модели с высокой и низкой подвижностью электронов. Анализ измерений при послойном стравливании пленок показал, что пленку КРТ можно представить в виде двухслойной структуры. При этом тонкий слой, имеющий высокую концентрацию электронов с низкой подвижностью, расположен у границы с буферным слоем CdTe. Высокая концентрация электронов с низкой подвижностью в этом слое может быть обусловлена повышенной дефектностью слоя.

Исследования с помощью просвечивающей электронной микроскопии показали наличие сетки дислокаций в пленке КРТ у границы с буферным слоем.

1. Введение толщиной около 6 мкм. Пленки КРТ выращивались в одинаковых условиях и состояли из рабочего слоя постоПри создании фотоприемников ИК диапазона на янного состава и слоев переменного состава у границы с основе CdXHg1-XTe (КРТ), как фотовольтаических, так буферным слоем и у свободной поверхности с увеличеи фотопроводящих, необходимо иметь информацию о нием X до X 0.5 к границам раздела (рис. 1). Толщина концентрации и подвижности носителей заряда и их слоя переменного состава у границы с буферным слоем распределении по толщине структуры. Все производисоставляла 1-1.5 мкм, а у свободной поверхности — тели материала КРТ для определения свойств носителей 0.4-0.8мкм.

заряда используют измерения проводимости и коэфПосле изготовления пленки имеют электронный тип фициента Холла RH. Однако оценки, базирующиеся на проводимости и при малых значениях магнитного потрадиционных измерениях при заданной величине магля (до 0.05 Тл) эффективная концентрация (величинитного поля, могут привести к некорректным выводам, на 1/|qRH|, где q — элементарный заряд) составтак как в КРТ возможно присутствие нескольких типов ляет (2-5) · 1014 см-3, а эффективная подвижность носителей заряда. Общепризнанно, что гораздо больше (µH = | RH|) составляет 4 · 104-1.3 · 105 см2/(В · с) при информации может быть получено, если исследовать температуре 77 K. При увеличении магнитного поля зависимости проводимости и коэффициента Холла от ведо 1 Тл наблюдается сильное (в несколько раз) уменьличины магнитного поля и провести анализ смешанной проводимости [1–4]. При этом можно определить концентрацию и подвижность для разных типов носителей заряда в образце.

Цель данной работы — исследование зависимостей и RH от магнитного поля в пленках КРТ, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), для определения параметров носителей заряда (концентрация, подвижность) и распределения их по толщине пленки.

2. Экспериментальные результаты и обсуждение В работе изучались пленки КРТ (X = 0.21-0.23) Рис. 1. Распределение состава (величины X) по толщине толщиной 8-14 мкм, выращенные методом МЛЭ на пленки КРТ, измеренное автоматическим эллипсометром в подложках GaAs (013) [5] с буферным слоем CdTe процессе роста. Толщина отсчитывается от границы с буфер¶ E-mail: varavin@isp.nsc.ru ным слоем CdTe.

4 1204 П.А. Бахтин, С.А. Дворецкий, В.С. Варавин, А.П. Коробкин, Н.Н. Михайлов, Ю.Г. Сидоров рабочем и варизонных слоях зависимости проводимости и коэффициента Холла от магнитного поля будут существенно слабее (кривые 1 и 2 ), чем наблюдаемые экспериментально (рис. 2). Предположение об одинаковой концентрации носителей в рабочем и варизонных слоях основано на том, что экспериментально наблюдается лишь незначительное снижение концентрации электронов с увеличением X от 0.2 до 0.4 в пленках КРТ, выращенных в одинаковых условиях. Таким образом, только наличием варизонных слоев нельзя объяснить наблюдаемые зависимости от магнитного поля.

Лучшее соответствие расчетов экспериментальным зависимостям можно получить, лишь предположив наРис. 2. Зависимости коэффициента Холла и проводимости личие в пленке КРТ электронов с низкой подвижноот магнитного поля. Толщина пленки КРТ d = 13.4мкм, стью. При этом экспериментальные зависимости можX = 0.215. 1, 1, 1 — (B); 2, 2, 2 — RH(B). 1, 2 —экспено достаточно хорошо описать с учетом двух типов риментальные зависимости; 1, 2 — расчетные зависимости с учетом двух типов электронов; 1, 2 — расчетные зависи- электронов (рис. 2, кривые 1, 2 ). Подгонка расчетмости с учетом только варизонных слоев.

ных зависимостей к экспериментальным данным осуществлялась подбором значений ni и µi так, чтобы получить максимальное соответствие одновременно для обеих зависимостей (B) и RH(B). Для зависимостей шение проводимости и коэффициента Холла. Нами были на рис. 1 были получены следующие подгоночные проведены измерения проводимости и коэффициента параметры: µ1 = 130000 см2/(B · с), n1 = 1.3 · 1014 см-3, Холла в диапазоне магнитных полей 0-1 Тл, в том числе µ2 = 9000 см2/(B · с), n2 = 3.0 · 1014 см-3.

и при послойном травлении пленок КРТ.

Для разных пленок расчетные значения n1 и µНа рис. 2 показаны характерные экспериментальные и для электронов с высокой подвижностью составляют расчетные зависимости коэффициента Холла и проводи(1-3) · 1014 см-3 и 100000-160000 см2/(B · с) соответмости от магнитного поля.

ственно, n2 и µ2 для электронов с низкой подвижноРасчет зависимостей проводился в предположении присутствия нескольких типов носителей заряда в плен- стью — (2-5) · 1014 см-3 и 2000-12000 см2/(B · с) соответственно. Для изучения распределения электронов по ках [4]:

толщине пленки КРТ были проведены измерения при по2 i i слойном стравливании пленки. Травление проводилось в xx(B) + xy (B) i i растворе 1% Br в HBr. Время каждого травления было (B) =, (1) i одинаковым и толщина отдельного стравленного слоя xx (B) i считалась равной общей толщине стравленной части пленки, деленной на число травлений. В стравленных i (B) xy слоях дифференциальным методом определялись провоRH(B) =, (2) 2 B i i димость и коэффициент Холла (при поле 0.5 Тл), а также (B) + (B) xx xy i i подвижность и концентрация носителей по следующим i i формулам (двухслойная модель Петрица [6]):

где xx(B), xy(B) — компоненты тензора проводимости в магнитном поле, имеющие вид µ = |RH|, qniµi i xx (B) =, (3) 1 + µi BN =, 2 q|RH| qniµi B i xy(B) =. (4) 1 + µi B2 где n+1dn+1 - ndn Индекс i обозначает разный тип носителей.

=, (5) dn+1 - dn Так как пленки КРТ имели на границах варизонные слои, нами предварительно были сделаны расчеты по2 левых зависимостей с учетом этих слоев. В варизон- n+1 RH n+1 dn+1 - n RH n dn RH = (dn+1 - dn). (6) ных слоях величина X больше, чем в рабочем слое, (n+1dn+1 - ndn)следовательно, подвижность электронов в этих слоях ниже, чем в рабочем слое. Расчет с учетом зависимости В формулах (5) и (6) индексы n и n + 1 обозначают n-е подвижности электронов от состава КРТ в варизонных и (n + 1)-е травление, dn и dn+1 — толщина пленки КРТ слоях показал, что в случае одинаковой концентрации в после n-го и (n + 1)-го травления соответственно.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Исследование зависимостей проводимости и коэффициента Холла... экспериментальным данным (рис. 4). Полученные подгоночные значения подвижности и концентрации двух типов электронов d1 = 12.9мкм, n1 = 1.8 · 1014 см-3, µ1 = 130000 см2/(В · с); d2 = 0.5мкм, n2 = 9.0 · 1015 см-3, µ2 = 9000 см2/(В · с) также хорошо согласуются со значениями, полученными Рис. 3. Концентрация и подвижность электронов в стравиз подгонки зависимостей от магнитного поля для ленных слоях, r — расстояние от гетероперехода до сереисходного образца. Высокая концентрация электронов с дины стравленного слоя. Толщина пленки КРТ d = 13.4мкм, низкой подвижностью в этом слое может быть обусловX = 0.215. Точки — рассчитанные значения концентрации (1) лена большой дефектностью слоя. Исследования пленки и подвижности (2), сплошные кривые — сглаженные распрес помощью просвечивающей электронной микроскопии деления концентрации (1 ) и подвижности (2 ) по толщине показали, что на расстоянии около 0.1 мкм от границы пленки.

с буферным слоем образуется сетка дислокаций несоответствия. По литературным данным [6,7], высокая плотность дислокаций в КРТ может приводить к увеличению концентрации электронов и снижению их подвижности.

Поскольку слой с высокой концентрацией электронов у границы гетероперехода является шунтирующим при изготовлении фоторезисторов, необходимо минимизировать его вклад в общую проводимость пленки, который достигает величины 0.05-0.5 для исследованных пленок. Были исследованы пленки КРТ с различным начальным составом варизонного слоя на границе с буферным слоем CdTe. Из анализа зависимостей от магнитного поля определялись подвижность и концентрация электронов с низкой подвижностью и величина шунРис. 4. Зависимости подвижности µ и концентрации электро- тирующего сопротивления R для фоточувствительного нов N в оставшемся слое от его толщины t. Толщина пленки элемента в форме квадрата. Зависимости подвижности КРТ d = 13.4мкм, X = 0.215. 1 и 2 — экспериментальные и шунтирующего сопротивления от начального состазависимости, 1 и 2 — расчет по двухслойной модели;

ва варизонного слоя показаны на рис. 5. Видно, что 1, 1 — концентрация; 2, 2 —подвижность.

подвижность малоподвижных электронов снижается с ростом X. При этом величина R монотонно возрастает с ростом X за счет снижения подвижности. Для концентрации электронов с низкой подвижностью наблюдается На рис. 3 показаны подвижность и концентрация норазброс примерно в 2 раза, и ее величина в пересчете на сителей в стравленных слоях. Видно, что в стравленных поверхностную составляет (7-15) · 1011 см-2, при этом слоях концентрация носителей примерно постоянная, отсутствует зависимость от начального состава.

а подвижность несколько снижается при приближении к границе гетероперехода. Нужно отметить, что для разных образцов величина подвижности в стравленных слоях может превышать исходную эффективную подвижность в 1.5-3 раза. Из рис. 3 видно, что в оставшейся части пленки с уменьшением толщины резко уменьшается величина подвижности и растет концентрация.

Такие зависимости могут быть связаны со слоевой неоднородностью, и нами была рассмотрена двухслойная модель. По этой модели пленка состоит из основного слоя, имеющего электроны с высокой подвижностью и малой концентрацией, и тонкого слоя ( 0.5мкм) у границы гетероперехода, имеющего высокую концентрацию электронов с низкой подвижностью. Расчет конРис. 5. Зависимости подвижности медленных электроцентрации и подвижности в оставшейся части пленки, нов µ (1) и шунтирующего сопротивления R (2) для фотопроведенный по двухслойной модели, показывает очень чувствительного элемента в форме квадрата от начального хорошее качественное и количественное соответствие состава варизонного слоя на границе с буферным слоем CdTe.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1206 П.А. Бахтин, С.А. Дворецкий, В.С. Варавин, А.П. Коробкин, Н.Н. Михайлов, Ю.Г. Сидоров Таким образом, уменьшить вклад малоподвижных электронов в общую проводимость пленки КРТ можно, если выращивать на границе с буфером варизонный слой с большим начальным значением X.

3. Заключение В пленках КРТ n-типа проводимости, выращенных методом МЛЭ, наблюдается снижение в несколько раз проводимости и величины коэффициента Холла с ростом магнитного поля. Зависимости от магнитного поля хорошо описываются моделью проводимости двух типов носителей заряда: электронов с высокой и низкой подвижностью.

Анализ измерений при послойном травлении показал, что в пленке КРТ у границы с буферным слоем находится тонкий слой, имеющий высокую концентрацию электронов с низкой подвижностью, что может быть обусловлено дефектностью этого слоя. Этот слой может существенно снижать эффективную подвижность и повышать эффективную концентрацию в пленках КРТ, а также оказывать шунтирующее действие на фоторезисторы. Уменьшить вклад электронов с низкой подвижностью в общую проводимость пленки КРТ можно, если выращивать на границе с буфером варизонный слой с большим начальным значением X.

Авторы выражают благодарность И.И. Ижнину за полезные обсуждения, А.К. Гутаковскому за исследования с помощью просвечивающей электронной микроскопии граничащих с буфером слоев в пленках КРТ.

Список литературы [1] M.B. Reine, K.R. Maschhoff, S.P. Tobin, P.W. Norton, J.A. Mroczkowski, E.E. Krueger. Semicond. Sci. Technol., 8, 788 (1993).

[2] J.R. Meyer, C.A. Hoffman, F.J. Bartoli, D.A. Arnold, S. Sivananthan, J.P. Faurie. Semicond. Sci. Technol., 8, 805 (1993).

[3] E. Finkman, Y. Nemirovsky. J. Appl. Phys., 53 (2), 1052 (1982).

[4] L.F. Lou, W.H. Frye. J. Appl. Phys., 56 (8), 2253 (1984).

[5] Ю.Г. Сидоров, С.А. Дворецкий, В.С. Варавин, Н.Н. Михайлов, М.В. Якушев, И.В. Сабинина. ФТП, 35 (9), 1092 (2001).

[6] R.L. Petritz. Phys. Rev., 110, 1254 (1958).

[7] С.Г. Гасан-заде, С.В. Старый, М.В. Стриха, Г.А. Шепельский.

ФТП, 37 (1), 8 (2003).




© 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.