WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 11 Влияние примеси висмута на концентрацию носителей тока в эпитаксиальных слоях PbSe : Bi : Se © В.А. Зыков, Т.А. Гаврикова, В.И. Ильин, С.А. Немов, П.В. Савинцев Санкт-Петербургский государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия (Получена 12 марта 2001 г. Принята к печати 3 апреля 2001 г.) Исследована зависимость холловской концентрации носителей тока от концентрации висмута n, p = f (NBi) в пленках PbSe : Bi : Se / BaF2. Пленки получены конденсацией в вакууме из двух независимых молекулярных потоков (PbSe : Bi и Se2), которые смешивались непосредственно на поверхности подложки (111)BaF2, нагретой до 350C. Концентрация висмута NBi в шихте составляла 0-0.3 ат%. На экспериментальной зависимости n, p = f (NBi) выделены два участка. При NBi > 0.0375 ат% концентрация электронов близка к NBi; при малых концентрациях висмута (NBi < 0.0375 ат%) наблюдается нарушение линейного хода зависимости n = f (NBi) и переход к проводимости дырочного типа. Все исследованные легированные пленки были насыщены селеном. Это условие является обязательным для получения наибольших концентраций электронов в пленках при NBi, соответствующих линейному участку зависимости n = f (NBi). Полученные результаты обсуждаются в рамках термодинамической модели взаимодействия примеси с собственными дефектами в селениде свинца, учитывающей амфотерное поведение Bi в PbSe.

Характер проявления электрических свойств примеси Наиболее наглядно возможность перераспределения в халькогенидах свинца в большой степени зависит от ее висмута между подрешетками соединения демонстривзаимодействия с собственными дефектами соединения. руется результатами исследования влияния избыточных Это утверждение находит многочисленные подтвержде- компонентов соединения на электрические свойства пления в результатах исследований электрических свойств нок PbSe : Bi с фиксированным содержанием примеси кристаллов и пленок бинарных и тройных халькогенидов (NBi = 0.075 ат%) [9]. Отклонение состава от стехиомесвинца, легированных примесями I, III, VII групп Перио- трического в пленке PbSe : Bi контролировалось путем дической системы [1,2]. Для указанных примесей харак- введения в паровую фазу при напылении избыточных терно строго определенное положение атомов в одной [Se] или [Pb]. При увеличении содержания Se в паре наиз подрешеток соединения. Для примесей элементов V блюдалось повышение концентрации донорных центров группы (Sb, Bi) взаимодействие с собственными дефекта- в пленке PbSe : Bi, что не согласуется с акцепторным дейми осложняется возможностью их размещения в обеих ствием избыточного сверх стехиометрии Se (источник подрешетках соединения с вероятностями, зависящими акцепторных вакансий свинца) в чистомPbSe. При больот типа и концентраций преобладающих собственных ших избытках селена концентрация свободных носителей дефектов, аналогично поведению Ge или Si в GaAs [3].

выходила на уровень, близкий к концентрации висмута в Амфотерное поведение сурьмы в халькогенидах свинца шихте, и не менялась при дальнейшем увеличении содерэкспериментально (методом мессбауэровской спектро- жания Se. Данный факт трактовался как переход всего скопии) наблюдалось при изучении размещения Sb в висмута в свинцовую подрешетку (BiPb), где эта примесь подрешетках PbS [4] и PbTe [5], которое оказалось в проявляет донорные свойства, отдавая один электрон в прямой зависимости от характера отклонения состава зону проводимости на один атом примеси. При этом соединения от стехиометрического. Было установлено, предполагалось, что роль избыточного селена сводится что в образцах с избытком свинца сурьма локализуется к созданию вакантных мест в катионной подрешетке.

преимущественно в анионной подрешетке, а в образцах Для пленок с избытком свинца картина выглядела более с избытком халькогенида — в катионной.

сложной. В области условий, при которых концентрации Относительно поведения Bi в халькогенидах свинца [BiPb] и [BiSe] близки (небольшие избытки свинца), консведения противоречивы. Ряд авторов полагают [6,7], что центрация носителей тока определяется присутствием Bi в халькогенидах свинца располагается исключительно свинца в межузельных положениях, где он является в катионной подрешетке и проявляет донорные свойства. однократно ионизованным донором [10]. Появление акНапротив, результаты работы [8] по изучению электри- цепторных центров в пленке, соответствующих переводу ческих свойств кристаллов PbTe : Bi с избытком теллура висмута в подрешетку халькогена (BiSe), отмечалось при свидетельствуют о возможности проявления висмутом больших избытках свинца. Сам факт появления акцеакцепторных свойств, что предполагает размещение Bi пторных центров в пленках PbSe : Bi с большим избытком в анионной подрешетке. При изучении электрических свинца является сильным аргументом в пользу предстасвойств легированных Bi пленок PbSe нами также по- влений о размещении висмута в анионной подрешетке, лучены результаты, косвенно свидетельствующие об ам- поскольку только в этом положении атомы Bi способны фотерном характере поведения этой примеси [9]. к термической генерации дырок.

1312 В.А. Зыков, Т.А. Гаврикова, В.И. Ильин, С.А. Немов, П.В. Савинцев Предметом обсуждения в настоящей работе является зависимость концентрации носителей тока от содержания висмута в пленках PbSe, полученных в условиях наиболее благоприятных для размещения висмута в катионной подрешетке.

Пленки выращивались вакуумной эпитаксией из молекулярных пучков по методике, описанной в [9]. Напыление производилось из двух независимых источников, в один из которых помещался селенид свинца, содержащий висмут, в другой — элементарный селен.

Содержание висмута в шихте варьировалось в пределах 0.02-0.4 ат%. Смешивание потоков пара осуществлялось непосредственно на поверхности подложки. Параметры напыления были следующими: температура подложки TS = 350C, температура источника PbSe : Bi — 700C, температура источника селена TSe менялась в зависимости от содержания висмута и подбиралась такой, чтобы обеспечить предельное насыщение легированного Рис. 1. Зависимость холловской концентрации носителей образца селеном. Выполненные ранее эксперименты [9] тока от содержания висмута в насыщенных селеном пленках показали, что при указанных выше условиях напыления PbSe : Bi (T = 300 K).

весь висмут из шихты переносится в пленку.

Электрические свойства пленок PbSe : Bi : Se исследовались с помощью измерений эффекта Холла и электропроводности. Результаты исследования холловской концентрации носителей тока n, p (T = 300 K) от содержания висмута NBi в шихте для пленок, предельно насыщенных селеном, приведены на рис. 1 и 2. На экспериментальной кривой (рис. 1) зависимости n, p = f (NBi) можно выделить два участка. В диапазоне концентраций висмута 0.05-0.3 ат% пленки имеют проводимость n-типа, связь между n и NBi линейная (рис. 2), причем n = NBi. При содержании висмута в шихте менее 0.05 ат% характер поведения зависимости n = f (NBi) изменяется. В этой области линейная зависимость между n и NBi не соблюдается, при уменьшении концентрации висмута концентрация электронов быстро убывает, и при NBi < 0.0375 ат% доминирующими носителями становятся дырки, концентрация которых в нелегированной пленке (NBi = 0) достигает значений порядка (2-5) · 1018 см-3.

Если полагать, что висмут располагается в катионной подрешетке, где он проявляет донорные свойства, отда- Рис. 2. Линейный участок зависимости холловской конценвая 1 электрон на 1 атом примеси, уравнение электро- трации носителей тока от содержания висмута в насыщенных селеном пленках PbSe : Bi (T = 300 K).

нейтральности может быть записано в виде 2n - p =[Bi+ ] - 2[VPb ].

Pb приводить к нарушению линейного хода зависимости Анализ этого соотношения позволяет качественно n - p = f (NBi) из-за возрастания концентрации дыобъяснить полученную экспериментальную зависимость рок, смены типа проводимости и установления значения n - p = f (NBi), Действительно, при больших NBi, когда 2p (2-5) · 1018 см-3, соответствующего предельной [Bi+ ] 2[VPb ], вакансиями в свинцовой подрешетке Pb растворимости селена в чистом PbSe при T = TS.

можно пренебречь и уравнение электронейтральности Как видим, анализ электронейтральности в легироприобретает вид (n - p) = [Bi+ ], удовлетворительно Pb описывая экспериментальные данные (рис. 2). При ванных пленках селенида свинца позволяет качественно малых концентрациях висмута (в эксперименте мень- правильно описать их электрические свойства. Однако 2ших 0.05 ат%), таких, что [VPb ] [Bi+ ], влиянием он явно не полный, так как не учитывает тот факт, что Pb акцепторных вакансий пренебречь нельзя, что должно все приведенные экспериментальные данные относятся к Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Влияние примеси висмута на концентрацию носителей тока в эпитаксиальных слоях PbSe : Bi : Se пленкам, предельно насыщенным селеном. Последнее за- селена в паре; N — число мест в анионной (катионной) мечание важно, поскольку изменение содержания селена подрешетке PbSe, PSe2 — парциальное давление селена в в паровой и твердой фазах способно на порядки изменить паровой фазе. Подставляя (4) в (3) получаем концентрацию носителей тока в пленках PbSe : Bi [9].

[Bi0 ] Учет этого факта требует иного подхода, нежели проSe -= aPSe2, (5) стого рассмотрения полного равновесия собственных де[Bi0 ] Pb фектов в полупроводниковом соединении в присутствии где примеси, как это сделано, например, в [6]. В настоя- g(Bi0 ) - g(Bi0 ) щей работе предпринята попытка анализа зависимости Pb Se a = A(T ) exp, n- p = f (NBi) с учетом возможности перераспределения kT примеси между подрешетками соединения. Основу анавеличина A(T ) зависит только от температуры. Дополняя лиза составляет подход, развитый в [3,11] для описания (5) условием [Bi0 ] +[Bi0 ] =NBi (NBi — общее количеSe Pb поведения амфотерных примесей в полупроводниковых ство введенного висмута), получаем соединениях AIIIBV.

В рамках представлений об амфотерном поведении NBiPSeвисмута в селениде свинца равновесное распределение [Bi0 ] =. (6) Pb (a + PSe2) примеси в подрешетках соединения описывается реакцией Соотношение (6) качественно удовлетворительно опи0 Bi0 + VPb = Bi0 + VSe, (1) Se Pb сывает результаты экспериментов по влиянию избытгде VPb и VSe — обозначения вакансий свинца и селена, ка селена на электрические свойства пленок PbSe : Bi, символ ”0” используется для электрически нейтральных показывая, что введение избыточного селена в пленку частиц. Для этой реакции соотношение химических по- способствует размещению висмута в катионной подтенциалов µ имеет вид решетке, где Bi проявляет донорные свойства; более того, при достаточно высоких PSe2 прктически весь Bi 0 µ(Bi0 ) +µ(VPb) =µ(Bi0 ) +µ(VSe). (2) Se Pb оказывается в положении BiPb. Действительно, при столь малых PSe2, когда выполняется условие a > PSe2, Следуя [3] в предположении о том, что точечные де(a + PSe2) a и концентрация висмута в катионной фекты, равно, как и примесь, образуют в кристалле PbSe подрешетке линейно зависит от парциального давления идеальный разбавленный раствор, получаем выражение селена [Bi0 ] = NBiPSe2/c, где c = const. Напротив, для отношения концентраций Bi в подрешетках:

Pb при больших PSe2, достаточных для выполнения усло[Bi0 ] [VSe] Se вия a PSe2, (a + PSe2) PSe2 и [Bi0 ] = NBi — Pb = [VPb] [Bi0 ] весь висмут переходит в катионную подрешетку. Этой Pb области значений PSe2 на изотермической (TS = const) 0 g(Bi0 )-g(Bi0 )+g(VSe)-g(VPb) кривой зависимости n - p = f (PSe2) отвечает насыщение Pb Se exp. (3) kT концентрации носителей тока [8]. Отметим, что для рассматриваемого предельного случая размещения Bi 0 Здесь g(VSe) и g(VPb) — свободные энергии образования исключительно в катионной подрешетке PbTe общую вакансий, g(Bi0 ) и g(Bi0 ) — свободные энергии рас- тенденцию увеличения растворимости висмута предскаPb Se творения Bi в катионной и анионной подрешетках PbSe зывают и результаты термодинамического расчета [6].

соответственно.

Учет статистики электронного газа [3] для случая Выражение для отношения концентраций вакансий одновременного присутствия в PbSe донорных (BiPb) и 0 [VSe]/[VPb], получаемое при анализе полного равновесия акцепторных (BiSe) центров дает для отношения конценсобственных дефектов в чистом PbSe с учетом [3,10], траций ионизированных примесей величину имеет вид 0 [VSe] K2 -[Bi+ ] [Bi0 ] NC p ED - EA Pb Pb = PSe2, (4) = exp -, (7) [VPb] KNV n kT [Bi-] [Bi0 ] Se Se где 0 g(VSe) +g(VPb) которая с учетом (4) преобразуется в K1 = N2 exp kT [Bi-] n — константа равновесия реакции образования вакансий Se = K3, ni [Bi+ ] свинца и селена, Pb µ(Se0 ) - g(VSe) - (T ) NV a ED - EA Se -K2 = N exp K3 = PSe2 exp. (8) kT NC kT — константа, определяющая равновесные концентрации NC и NV — плотности состояний в зоне проводимости собственных дефектов в зависимости от содержания и валентной зоне, ED и EA — энергии ионизации 3 Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 1314 В.А. Зыков, Т.А. Гаврикова, В.И. Ильин, С.А. Немов, П.В. Савинцев примеси висмута, соответственно, в донорном и акцеп- и связь между n0 и NBi имеет вид торном состояниях, ni — концентрация собственных 1 + K3(n0/ni)носителей заряда. В области высоких температур, где все 2NBi =(n0 + 2[VPb ]). (13) примесные центры ионизованы, 1 - K3(n0/ni)[Bi0 ] n Очевидно, что в области концентраций носителей тока Se = K3. (9) 2ni n0, сопоставимых или меньших [VPb ], должно наблю[Bi0 ] Pb даться отклонение от линейного хода n0 = f (NBi), соПолученное соотношение показывает, что размещение провождающееся понижением концентрации электронов, примеси в подрешетках соединения зависит от парцичто и наблюдается в эксперименте.

ального давления пара компонента соединения и конценТаким образом, в рамках представлений об амфотрации носителей тока. Увеличение PSe2, согласно (8), терном поведении висмута в пленках селенида свинца, (9), влечет за собой уменьшение отношения [Bi0 ]/[Bi0 ], Se Pb полученных вакуумным напылением из шихты PbSe : Bi т. е. к увеличению доли висмута в катионной подрешетке.

с большим избытком селена в паровой фазе, удается Напротив, с ростом концентрации электронов в пленке описать как зависимость концентрации носителей тока доля висмута на месте свинца убывает пропорционально от содержания висмута, так и необычное влияние селена n-2. Для пленок с проводимостью n-типа, когда n/ni > 1, на концентрацию носителей тока в PbSe : Bi. Безусловусловием преобладания висмута в катионной подрешетке но, предполагаемая модель формальна и не раскрывает является K3 < 1.

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.