WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 11 Электрофизические и термоэлектрические свойства окиси цинка при атмосферном и гидростатическом давлениях ¶ © М.И. Даунов, Р.К. Арсланов, М.М. Гаджиалиев, Е.В. Кортунова, П.П. Хохлачев, П.П. Шванский Институт физики Дагестанского научного центра Российской академии наук, 367003 Махачкала, Россия Научно-исследовательский институт синтеза минерального сырья, 601600 Александров, Россия (Получена 11 января 2006 г. Принята к печати 16 февраля 2006 г.) Исследованы температурные (T = 77-400 K) и барические (P 8ГПа) зависимости удельной электропроводности (T, P), коэффициента Холла RH(T, P) и термоэдс Q(T ) в монокристаллических образцах n-ZnO с концентрацией примесей Ni = 1017-1018 см-3 и концентрацией свободных электронов n = 1013-1017 см-3. Монокристаллы выращены гидротермальным методом. Определены концентрационная зависимость энергии ионизации мелкого донорного уровня Ed1(Nd), коэффициенты давления Ed1/P и статической диэлектрической проницаемости /P. Установлено наличие глубокого уровня дефекта, расположенного под дном зоны проводимости на расстоянии Ed2 = 0.37 эВ. По данным о кинетических коэффициентах RH(T ) и Q(T ) рассчитана эффективная масса электронов.

PACS: 72.20.Fr, 72.20.Pa, 72.80.Jc 1. Введение полученных различными методами, в том числе на нелегированных и не подвергнутых термической обраНаметившийся в последние годы прогресс в росте ботке, всегда выявляется наличие мелких доноров с кристаллов ZnO и их уникальные физические харак- энергией ионизации 0.02-0.05 эВ, что указывает на их теристики (высокое значение коэффициента электроме- собственный характер. В работах [1,3,4,6,7] на осноханической связи, большая ширина запрещенной зоны, ве экспериментальных данных и результатов теоретилюминесцентные свойства, радиационная стойкость, вы- ческого анализа, в частности, сделан вывод о том, сокая температура фазового перехода и др. [1]) дела- что собственный дефект Zni является мелким доноют актуальными исследования электронного спектра и ром, а VO — глубоким донором с энергией ионитранспорта в этом соединении. Тем не менее данных зации Ed2 0.34 эВ [4,6]; водород всегда мелкий дооб электронных явлениях переноса при атмосферном нор. Окись цинка является полупроводником n-типа и гидростатическом давлениях, полученных на объем- проводимости в отсутствие специального легирования.

ных кристаллах, явно недостаточно. Сведения о ха- Эффективно подавлять электронную проводимость ZnO рактеристических параметрах носителей заряда и о можно, в частности, легированием литием в окислизонных параметрах скудны и противоречивы. В част- тельных условиях, натрием, медью, а также азотом, ности, значение эффективной массы электронов варьи- фосфором и мышьяком (см., например, [1,4]). Кроме рует от 0.06m0 до 0.5m0 [1–4], барический коэффици- того, поскольку современные методы очистки материент ширины запрещенной зоны Eg/P — от 6 до алов не позволяют полностью избавиться от примесей, 20 мэВ/ГПа [2,5]. вероятно наличие в кристаллах ZnO неконтролируемых Проблемам влияния собственных и примесных то- акцепторов, что заметным образом может сказываться чечных дефектов на электрофизические, оптические и на их свойствах.

другие свойства окиси цинка посвящены, помимо ори- В данной работе представлены температурные и багинальных работ, монографии и обзоры (см., напри- рические зависимости электропроводности (T, P), комер, [1–7] и цитированные в них ссылки). Интерес к это- эффициента Холла RH(T, P) и термоэдс Q(T ) для нелему вопросу обусловлен тем, что окись цинка является гированных и не подвергнутых высокотемпературному перспективным материалом для создания разнообразных отжигу объемных кристаллов ZnO.

приборов электроники.

Как известно, оксид цинка характеризуется откло2. Методика эксперимента нением от стехиометрии в сторону избытка цинка в кристаллической решетке. Это обусловливает в свою В интервале температур 77-400 K на объемочередь наличие собственных дефектов типа межузельных кристаллах n-ZnO с концентрацией примесей ных атомов цинка (Zni) и вакансий кислорода (VO), 1017-1018 см-3 измерены кинетические коэффициенты:

которые являются донорами, способными к двойной (T, P) и RH(T, P) при атмосферном и гидростатичеионизации. Следует отметить, что на монокристаллах, ском давлениях до P 8 ГПа, а также термоэдс Q(T ).

¶ E-mail: arslanov_ras@rambler.ru Техника эксперимента описана в работе [8].

1290 М.И. Даунов, Р.К. Арсланов, М.М. Гаджиалиев, Е.В. Кортунова, П.П. Хохлачев, П.П. Шванский Коэффициент Холла RH, холловская подвижность µH, термоэдс Q и некоторые дургие параметры образцов n-ZnO RH, см3/K µH, см2/(В · с) Q, мкВ/К mn = 0.3m0 mn = 0.5m№ Ed1, мэВ образца 77.4 K 300 K 77.4 K 300 K 100 K 300 K Nd1, 1018 см-3 Na, 1018 см-3 Nd1, 1018 см-3 Na, 1018 см-2.3 42800 350 142 150 1300 554 0.119 0.097 0.224 0.203 35.2.2 35400 395 155 130 1312.9 829.65 0.176 0.156 0.349 0.33 30.4.1 100000 1108 52.6 94 2188.5 1209.5 0.181 0.174 0.397 0.390 30.3.1 5994 91 77 105 687.5 656.9 0.295 0.212 0.53 0.45 26.1.1 1400 55 128 135 734.5 643.15 0.712 0.55 1.28 1.127 15.Монокристаллы выращены гидротермальным методом [1] в концентрированных растворах щелочей на моноэдрических затравках при температурах кристаллизации 330-350C, давлении 30-50 МПа и прямом перепаде температур 6-20 между камерами роста и растворения в автоклаве. Длительность цикла выращивания кристаллов 130-150 с.

3. Результаты эксперимента Результаты измерений (T, P), RH(T, P), подвижности µH(T, P) и термоэдс Q(T ) для нескольких образцов представлены в таблице и на рис. 1-6. Все исследоРис. 2. Температурные зависимости концентрации электронов n =(RHe)-1 при атмосферном давлении для образцов n-ZnO.

Номера образцов указаны на рисунке и в таблице.

ванные образцы n-типа.1 Наблюдаются следующие характерные особенности. Во-первых, зависимости (T ), n(T ), RH(T ) (рис. 1-3) при низких температурах носят экспоненциальный характер. Во-вторых, при T > 300 K в образцах 2.3, 2.2 и 4.1 с ростом температуры RH не насыщается, а убывает. Эффект этот особенно выражен в образце 4.1 с максимальной величиной RH, причем в этом образце при высоких температурах, несмотря на убывание µH с ростом температуры, электропроводность растет (рис. 1). Зависимость µH(T ) носит колоколообразный характер и при низких и высоких температурах µH T, а показатель степени изменяется от 3/Рис. 1. Температурные зависимости электропроводности при атмосферном давлении для образцов n-ZnO. Номера На рисунках, в таблице и в тексте подразумеваются абсолютные образцов указаны на рисунке и в таблице. величины кинетических коэффициентов.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Электрофизические и термоэлектрические свойства окиси цинка при атмосферном... до -3/2 (рис. 4). Что касается термоэдс, то этот кинетический коэффициент характеризуется тенденцией к убыванию с ростом температуры (рис. 5).

4. Обсуждение экспериментальных данных С целью количественного анализа экспериментальных данных применена трехуровневая модель дефектов в окиси цинка в предположении присутствия двух типов доноров — мелкого Zni, глубокого VO и одного типа акцепторов. Это обосновано вышеперечисленными особенностями температурных зависимостей (T ) и RH(T ) и сведениями о характеристиках точечных центров в нелегированных нетермообработанных кристаллах ZnO, приведенными во Введении.

Исходя из трехуровневой модели условие электронейтральности имеет вид + + n + Na = Nd1 + Nd2, (1) где n — концентрация электронов, Na — концентра+ + ция глубоких акцепторов, Nd1 и Nd2 — концентрации ионизованных мелких и глубоких донорных центров соответственно.

В области низких температур, где n Na < Nd1 и 3/Рис. 3. Температурные зависимости величины RHT при + 3/Nd2=0, по линейному участку зависимости ln(RHT ) атмосферном давлении для образцов n-ZnO. Номера образцов от 103/T (рис. 3) определялись энергия ионизации Edуказаны на рисунке и в таблице.

и отношение Na/Nd1. В области промежуточных температур находились значения Na и Nd1. Результаты количественного анализа приведены в таблице. Расчеты проводились с фактором спинового вырождения = 1/для двух значений эффективной массы электронов mn/m0 = 0.3 и mn/m0 = 0.5.

При mn/m0 = 0.1/Ed1 = 0.061 - 4.88 · 10-8Nd1, (2) при mn/m0 = 0.1/Ed1 = 0.061 - 4.24 · 10-8Nd1. (3) Здесь Ed1 и Ed2 — в эВ, Nd1 и Nd2 —в см-3.

Подчеркнем, что варьирование величины фактора спинового вырождения, использование для расчетов дополнительного соотношения при температуре экстремума 3/в зависимости ln(RHT ) от 103/T (рис. 3) и т. д. дает lim Ed1 0.06 эВ при Nd1 0.

Энергия ионизации второго донорного центра Ed2 0.37 эВ определялась по зависимости RH(T ) для образца 4.1 в области T > 300 K. Концентрация электронов в этом образце наименьшая, а уровень Ферми расРис. 4. Температурные зависимости холловской подвижно- положен более близко к уровню Ed2, чемв других образсти µH при атмосферном давлении для образцов n-ZnO. Ноцах. Отметим также, что при T > 300 K для образца 4.+ мера образцов указаны на рисунке и в таблице.

Nd1 Nd1, Nd2 3 · 1017 см-3. Оценки сделаны, как и выше, для mn/m0 = 0.3 и mn/m0 = 0.5. Значение EdФизика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1292 М.И. Даунов, Р.К. Арсланов, М.М. Гаджиалиев, Е.В. Кортунова, П.П. Хохлачев, П.П. Шванский пользовано следующее выражение:

kB 3/2 mn 3/Q = ln RHT + ln + r - ln ar - 5.165.

e m(4) Формула (4) следует непосредственно из следующих известных соотношений для невырожденного полупроводника [9]:

ar (2mnkBT )3/n = = e, (5) RHe 43/2 kB Q = (r + 2 - ). (6) e Рис. 5. Температурные зависимости термоэдс Q при атЗдесь kB — постоянная Больцмана, e — заряд элекмосферном давлении для образцов n-ZnO. Номера образцов трона, r — параметр рассеяния, ar — холл-фактор, указаны на рисунке и в таблице. Штрихпунктирные линии — = EF/kBT — приведенная энергия Ферми.

расчет при значениях эффективной массы электронов mn/m0:

1 —0.3, 2 —0.5.

Из рис. 4 для образца 3.1 видно, что показатель степени (µ T ) при возрастании температуры от до 400 K изменяется от = 3/2 до = -3/2, что свидетельствует о доминирующем механизме рассеяния при низких температурах на ионизированных примесях, а при высоких температурах — на акустических фононах.

Приблизительно аналогичная зависимость µ(T ) характерна и для других исследованных образцов (рис. 4).

Это значит, что в интервале T = 77-400 K показатель степени r в зависимости времени релаксации импульса электрона от энергии [9] r (E) Er-1/2 (7) изменяется от r = 2 при низких температурах до r = при высоких; холл-фактор ar соответственно изменяется от 315/512 до 3/8. Используя эти данные, была рассчитана зависимость Q(T ) для образца 3.1 при mn/m0 = 0.3 и mn/m0 = 0.5 (рис. 5).

Анализ этих результатов и расчеты по зависимости RH(T ) для образца 3.1, а также усреднение оценок по Q и RH для 8 образцов при 300 K позволяют лишь заключить, что mn/m0 = 0.3-0.5 (см. Введение).

Рис. 6. Зависимости удельного сопротивления, коэффициВсестороннее давление, вследствие сокращения расента Холла RH и холловской подвижности µH от гидростатичестояния между примесными центрами и соответственского давления P при T = 300 K для образца n-ZnO со значено возрастания их концентрации Ni — объемно-конниями кинетических коэффициентов при атмосферном давлецентрационный эффект [5], — способствует „металнии: RH0 = 25 см3/Кл, 0 = 0.16 · см и µH0 = 157 см2/(В · c).

лизации“ полупроводников. Однако в полупроводниках значительно сильнее изменяется эффективный боровский радиус. На рис. 6 приведены барические завипрактически не зависит от величины mn/m0. Отметим, симости коэффициента Холла, удельного сопротивлечто в литературе для кристалла ZnO, выращенного ния и холловской подвижности монокристалического гидротермальным методом, дается значение энергии образца n-ZnO с RH0 = 25 см3/Кл, 0 = 6.3 -1см-1 и ионизации глубокого донорного уровня Ed2 = 0.34 эВ, µH0 = 157 см2/(В · с) при T = 300 K.

что близко к величине 0.37 эВ, полученной нами.

По зависимости RH(P), носящей экспоненциальный С целью количественной интерпретации термоэдс в характер, выяснено, что уровень Ed1 удаляется от дна случае отсутствия вырождения электронного газа ис- зоны проводимости со скоростью Ed1/P = 5 мэВ/ГПа.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Электрофизические и термоэлектрические свойства окиси цинка при атмосферном... По соотношениям (1) и — обнаружить глубокий донорный центр и определить его энергию ионизации;

Ed(P) =0.061 + 0.005P, (8) — определить коэффициенты изменения с давлением энергии ионизации мелкого донорного центра и статичегде Ed — в эВ, P —в ГПа, ской диэлектрической проницаемости.

Eg Кроме того, на примере ZnO выяснилось, что воздейmn(P) =mn(P = 0) 1 +, (9) Eg ствие всестороннего давления, несмотря на сближение примесных центров, приводит к локализации электронов (Ed1/P) (/P) (mn/P) = -2 +, (10) (дырок) в прямозонных полупроводниках, т. е. наблюдаEd1 mn ется специфический эффект барического вымораживаP ния электронов (аналог магнитного вымораживания).

Ni(P) =Ni(P = 0) 1 +, (11) B Значительно меньшая величина коэффициента давления донорного уровня ZnO (5 мэВ/ГПа) в сравнении с а также по известным значениям Eg(P = 0) =3.25 эВ, барическим коэффициентом ширины запрещенной зоны Eg/P = 0.02 эВ/ГПа, объемного модуля B = 500 ГПа [3] (20 мэВ/ГПа [5]) является подтверждением того, что получено изменение диэлектрической проницаемости этот примесный центр — мелкий водородоподобный на уровне (/P)-1 = -0.029. Таким образом, при донор [8,12–14].

возрастании давления от нормального до P = 1ГПа боровский радиус aB убывает на 6.6%, в то время как Презентация результатов, приведенных выше, осущесреднее расстояние между примесными центрами сокра- ствлена на VII Всероссийской конференции по физике щается менее чем на 0.1% (объемно-концентрационный полупроводников [15] и на Объединенной 20-й Междуэффект [10]), т. е. имеет место выраженная тенденция народной и 43-й Европейской конференции „Высокие к локализации электронов на мелких донорах с ростом давления в науке и технологиях“ [16].

давления.

Работа выполнена при финансовой поддержке РосЭтот эффект особенно сильно проявляется в алмазосийского фонда фундаментальных исследований (грант подобных прямозонных с кейновским законом диспер№ 05-02-16608) и Президиума РАН (Программа „Фисии, узкозонных полупроводниках n-типа AIIIBV (InSb, зика и механика сильно сжатого вещества и проблема InAs) и AIIBIVCV (CdSnAs2, CdGeAs2), что обусловвнутреннего строения Земли и планет“).

лено наряду с зависимостью (P) также заметной зависимостью mn(P). В этих полупроводниках, с учетом полученной экспериментально барической зависимости Список литературы диэлектрической проницаемости (P) [11], имеет место соотношение [1] И.П. Кузьмина, В.А. Никитенко. Окись цинка (М., Наука, aB1984).

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.