WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 11 Гальваномагнитные эффекты в атомно-разупорядоченных соединениях HgSe1-xSx ¶ © А.Е. Карькин, В.В. Щенников, С.Е. Данилов, В.А. Арбузов, Б.Н. Гощицкий Институт физики металлов Уральского отделения Российской академии наук, 620219 Екатеринбург, Россия (Поступила в Редакцию 16 декабря 2002 г. Принята к печати 25 февраля 2003 г.) На облученных электронами с энергией 5 МэВ при температуре 270 K монокристаллических образцах HgSe и HgSe1-x Sx исследованы сопротивление и эффект Холла в интервале температур 1.7-370 K и магнитных полях до 13.6 Тл. Определены изменения концентрации и подвижности носителей заряда при возникновении индуцированных облучением дефектов и при последующих изохронных отжигах. В результате облучения удалось снизить концентрацию электронов сильнее, чем позволяют традиционные методы, и с помощью отжигов вернуть ее величину почти к исходному состоянию.

1. Введение за „примесные“ электроны в HgSe, как и в других халькогенидах ртути со структурой сфалерита (HgTe, Введение радиационных дефектов атомного масштаба HgS), по-видимому, пока не имеет однозначного объв упорядоченные кристаллы (радиационное разупорядо- яснения [7]. Фактически перекрытие электронных зон чение) является одним из методов изучения фундамен- в большинстве моделей, так или иначе, связывается тальных свойств твердого тела [1]. Изучение отклика с дефектами кристаллической структуры. В тройных сокристаллов на такое воздействие, при котором сохраединениях введение третьего компонента представляет няeтся стехиометрический состав, позволяет выявить собой дополнительный параметр варьирования свойств особенности их электронной и фононной подсистем, полупроводника. В системе HgSe–S при замещении определяющих свойства кристаллов в том числе и в исселена серой полуметаллические свойства усиливаются, ходном упорядоченном состоянии [2–4]. Несомненным поскольку увеличивается перекрытие зон [9].

достоинством метода является возможность (в завиИз-за наличия перекрытия концентрацию электронов симости от вида и температуры облучения) введения обычными методами можно изменять только в оградефектов разного сорта с плавным изменением их конниченных пределах. Так, отжиг в парах ртути при центрации. Отжиг облученных образцов обеспечивает температуре 300C в течение 500 ч увеличивает конполную обратимость процесса, т. е. позволяет многократцентрацию электронов до 3 · 1018 см-3, а отжиг в парах но восстанавливать на одном и том же образце любое селена при 220C в течение 500 ч — уменьшает ее промежуточное или исходное состояния.

до 4 · 1017 см-3 [10]. Однако понизить концентрацию Роль атомного беспорядка в формировании электронэлектронов ниже минимального значения 1017 см-ных состояний в узкощелевых полупроводниках изучаи получить, например, HgSe p-типа путем изменения ли в работах [4,5]. Было показано, что радиационные стехиометрии или даже с помощью легирования, не дефекты, возникающие при облучении электронами с удается [9,10]. В кубической фазе HgSe электронная энергией 1–5 МэВ, могут приводить к изменению типа концентрация также всегда не менее 1018 см-3 [9].

проводимости с дырочного на электронный. ОблучеПоскольку облучение высокоэнергетическими частицание высокоэнергетическими частицами обычно приводит ми представляется наиболее мощным методом прямого к образованию в полупроводниках глубоких уровней воздействия на структуру дефектов полупроводниковых в запрещенной зоне или в зонax разрешенных энеркристаллов, в данной работе было исследовано влияние гий [4,5]. Существование таких уровней объясняет как электронного облучения на электрофизические свойства наблюдавшиеся изменения концентрации и подвижности тройных кристаллов HgSeS для изучения возможности носителей заряда, так и изменения знака эффекта Холла более эффективного варьирования параметров носитепри облучении полупроводников различными дозами [4] лей заряда. По своему воздействию на электронную или отжигах при постоянной дозе облучения [5], a также структуру введение замещений в анионной и катионной происходящие в этих случаях переходы полупроводник– решетках, гидростатическое сжатие и облучение элекметалл [4,5].

тронами дополняют друг друга.

Селенид ртути и твердые растворы замещения HgSeS — полуметаллы (бесщелевые полупроводники), в которых высокая концентрация электронов обуслов2. Образцы и методика измерений лена перекрытием зоны проводимости и валентной зоны [6–9]. Однако происхождение зоны, ответственной Методика измерений в целом была такой же, как ¶ в работе [5]. Гальваномагнитные эффекты в монокриE-mail: bng@imp.uran.ru Fax: (3432)740003 сталлических образцах HgSe1-x Sx (x = 0, 0.104 и 0.508) Гальваномагнитные эффекты в атомно-разупорядоченных соединениях HgSe1-xSx исследовали в интервале температур 1.7-380 K в постоянном магнитном поле до 13.6 Тл. Состав образцов был установлен методом рентгеноспектрального микроанализа на установке Superprobe–JCXA-733. Электрические контакты, приготовленные с помощью ультразвуковой пайки эвтектики In–Ga, имели размеры не более 50 50 мкм2. Коэффициент Холла измеряли на образцах размерами 1 2 0.2мм3 с четырьмя симметричными контактами в геометрии Монтгомери [5]. Измерения выполнены на установке Oxford Instruments [5]. Образцы облучали в канале ускорителя электронами с энергией 5 МэВ при охлаждении очищенным газообразным гелием до температуры ниже 270 K.

После облучения образцы перемещали в измерительную вставку без отогрева выше 290 K. Изохронные отжиги образцов в течение 20 мин проводили в атмосфере гелия до температуры 390 K, чтобы избежать потерь Hg. Режимы облучения и отжигов были выбраны такими же, как при аналогичных исследованиях узкощелевого полупроводника Bi2Te3 [5].

3. Результаты На рис. 1, 2 показаны температурные зависимости коэффициента Холла RH и сопротивления исследованных образцов в исходном состоянии, после облучения и последующих отжигов. До облучения значения RH образцов HgSe1-x Sx, измеренные в магнитном поле 12 Тл, для всех составов слабо зависели от температуры T.

Зависимость сопротивления от T хорошо описывалась полиномом второй степени. При фиксированной температуре T = 4.2 K кривые RH(B) исходных образцов (рис. 3, 4) имели слабые зависимости от магнитного поля B, которые говорят о преимущественном вкладе в проводимость электронов одной зоны. Ранее в работе [11] на тех же кристаллах HgSeS были исследованы осцилляции Шубникова–де-Гааза, из которых в рамках однозонной модели были определены концентрация и подвижность электронов проводимости.

Облучение электронами кристалла HgSe увеличило величину сопротивления (главным образом в низкотемРис. 1. Температурные зависимости коэффициента Холла RH пературной области, рис. 1, b), а у коэффициента Холла (a) и сопротивления (b) образцов HgSe: 1 — исходного, появилась сильная зависимость от магнитного поля B 2 — облученного электронами флюенсом 1019 см-2, и, кроме того, отожженных при Tann, K: 3 — 330, 4 — 360, 5 — 390.

(рис. 3). В области слабых полей B при температуре T = 4.2 K коэффициент Холла возрос по модулю, а в сильных полях, напротив, уменьшился почти вдвое (рис. 3). В образце HgSe0.9S0.1 облучение такой же дозой образца HgSe0.5S0.5 наблюдались слабые зависимости RH привело к противоположным эффектам — уменьшению от поля (на рисунке не приведены).

сопротивления и росту по модулю коэффициента Холла, При отжиге облученного кристалла HgSe, по мекак в слабых, так и в сильных полях (рис. 2, b и 4).

ре увеличения температуры отжига Tann, коэффициСильная зависимость RH от магнитного поля обычно ент Холла в сильном магнитном поле, определяемый свидетельствует о вкладе в проводимость носителей полной концентрацией электронов, растет по модулю, заряда второго типа, которые в данном случае можно назвать „тяжелыми электронами“, поскольку их подвиж- приближаясь к значению в исходном образце (рис. 1, a).

ность µ, как будет показано далее, гораздо меньше Сопротивление, как и при облучении, после отжига проэлектронной подвижности в исходных кристаллах. Для должает увеличиваться и уменьшается только при макФизика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1318 А.Е. Карькин, В.В. Щенников, С.Е. Данилов, В.А. Арбузов, Б.Н. Гощицкий симальной температуре отжига Tann = 390 K (рис. 1, b).

В слабом магнитном поле при промежуточной температуре отжига коэффициент Холла сильно возрастает по модулю, что, как правило, является признаком двухзонного характера проводимости (рис. 3).

Для кристалла HgSe0.9S0.1 величина и температурный ход сопротивления при отжиге практически не изменяются, а коэффициент Холла в сильном и слабом магнитном поле ведет себя одинаково: при увеличении Tann сначала растет по модулю, а при максимальной температуре отжига 390 K уменьшается, но остается выше исходного значения (рис. 2, 4). Можно сделать вывод о том, что вклад в проводимость тяжелых носителей заряда невелик, и влияние облучения сводится к уменьшению электронной концентрации. У образца Рис. 3. Зависимости коэффициента Холла RH образцов HgSe от магнитного поля B при T = 4.2 K. Обозначения кривых — как на рис. 1. Сплошные линии — расчет по формулам (1)–(3).

Рис. 4. Зависимости коэффициента Холла RH образцов HgSe0.9S0.1 от магнитного поля B при T = 4.2K. Обозначения кривых — как на рис. 1. Сплошные линии — расчет по формулам (1)–(3).

HgSe0.5S0.5 изменения аналогичных температурных и полевых зависимостей при облучении и отжигах были еще меньше (на рисунке не показаны). Облучение приводило к некоторому росту сопротивления и концентрации электронов, а также к снижению их подвижности.

Отжиг восстанавливал исходные свойства. Коэффициент Холла, соответствующий концентрации электронов n = 4 · 1018 см-3, практически не зависел от магнитного поля.

4. Обсуждение результатов Полученные зависимости коэффициента Холла от магнитного поля (рис. 3, 4) удовлетворительно описываются двухзонной моделью. Концентрации и подвижности носителей заряда служили подгоночными параметрами, Рис. 2. Температурные зависимости коэффициента Холла RH значения которых приведены в табл. 1 и 2. Для изотроп(a) и сопротивления (b) образцов HgSe0.9S0.1. Обозначения кривых — как на рис. 1. ного полупроводника [12] коэффициент Холла может Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Гальваномагнитные эффекты в атомно-разупорядоченных соединениях HgSe1-xSx Таблица 1. Подгоночные параметры зависимостей RH(B) для HgSe при T = 4.2K Флюенс, Температура n1, µ1, n2, µ2, 1019 см-2 отжига, C 1017 см-3 104 см2/(В · с) 1017 см-3 104 см2/(В · с) 0 - 4.7 4.8 - 1 - 3.4 4.0 5.5 0.1 330 1.7 6.0 6.5 0.1 360 1.8 5.2 5.5 0.1 390 3.5 4.3 2.5 0.Таблица 2. Подгоночные параметры кривых RH(B) для HgSe0.9S0.1 при T = 4.2K Флюенс, Температура n1, µ1, n2 µ2, 1019 см-2 отжига, C 1017 см-3 104 см2/(В · с) 1017 см-3 104 см2/(В · с) 0 - 8.3 5.0 - 1 - 6.5 8.8 1.1 0.1 330 5.7 12 1.3 0.1 360 5.2 5-10 0.6 0.1 390 5.6 10 0.7 0.быть представлен в виде электронов достигает для этих температур отжига своего максимального значения (см. табл. 1). Подвиж RH ность тяжелых носителей заряда, точность определения RH =, (1) 2 +( RH B)2 которой не очень велика, полагали при облучении и отжигах неизменной, что подтвердили и расчеты по где в угловых скобках обозначены следующие величины:

формулам (1)–(3), в которых она была варьируемым параметром.

i Ri(i)У образца HgSe0.9S0.1 облучение уменьшает конценi i =, R =. (2) трацию электронов, но увеличивает их подвижность.

1 +(RiiB)2 1 +(Rii B)Тяжелые носители заряда фактически себя не проявляют (табл. 2). Отжиги также уменьшают концентрацию Здесь i = 1/i и Ri — проводимости и коэффициенты электронов, при этом их подвижность сохраняет высоХолла для индивидуальных зон [12]. Для двухзонной кие значения. В результате электропроводность образца проводимости формулы (1), (2) сводятся к стандартному HgSe0.9S0.1 остается примерно вдвое выше исходной, виду, рассмотренному в работе [13]. Полевую зависив отличие от HgSe, где она необратимо уменьшалась мость однозонных параметров i и Ri учитывали с помов 1.5 раза. Отметим, что даже при обработке образцов щью простых интерполяционных формул, описывающих HgSeS высоким давлением 0.4–0.7 ГПа, вызывающим переход от слабых к сильным магнитным полям:

обратимый фазовый переход с большим объемным эфRi()[aR + b(µiB)2] фектом 10%, образующиеся дефекты не изменяли хаRi(B) =, (3) рактера температурных и магнитополевых зависимостей 1 + b(µiB)сопротивления, а только приводили к росту и снижегде µi — подвижность, Ri(0) и Ri() — коэффициенты нию µ [11,14]. Это показывает важную роль собственных Холла в пределах малого и большого магнитного поля дефектов, определяющих электрофизические свойства соответственно [12], aR = Ri(0)/Ri (), b — подгоноч- таких кристаллов.

ный параметр.

В бесщелевых полупроводниках HgSe и HgSeS глубоРезультаты анализа экспериментальных кривых по- кие уровни, обусловленные радиационными дефектами, казали, что облучение электронами с энергией 5 МэВ очевидно, находятся в области непрерывного спектра.

уменьшает проводимость электронов в кристалле HgSe Относительно низкая концентрация электронов в образза счет снижения их концентрации (см. табл. 1). В то це HgSe (см. табл. 1) предполагает высокое содержание же время возрастает вклад в проводимость тяжелых селена в междоузлиях и вакансий ртути, а в тройных соэлектронов, которые не заметны в исходном состоянии единениях, где концентрация электронов выше (табл. 2), образца. Концентрация электронов имеет минимальное наиболее вероятными дефектами являются атомы ртузначение при температурах отжига 330–360 K; при этом ти в междоузлиях [10]. Разная природа собственных их подвижность максимальна. Концентрация тяжелых дефектов в исследуемых кристаллах, по-видимому, и Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1320 А.Е. Карькин, В.В. Щенников, С.Е. Данилов, В.А. Арбузов, Б.Н. Гощицкий является одной из причин того, что при облучении Список литературы и отжигах кристаллы ведут себя по-разному. Энергия [1] Б.Н. Гощицкий, В.Е. Архипов, Ю.Г. Чукалкин. Sov. Sci.

образования вакансий атомов ртути в HgSe, HgS и Rev./Sec. A: Phys. Rev., 8, 519 (1987).

HgSeS, согласно расчетам, выполненным в работе [15], [2] Б.А. Алексашин, В.И. Воронин, С.В. Верховский, С.А. Дазначительно ниже энергии образования вакансий селена выдов, А.Е. Карькин, А.В. Мирмельштейн, Б.Н. Гощицкий, и серы. Поэтому наиболее вероятными дефектами при Ю.И. Жданов, В.Л. Кожевников, К.Н. Михалев, М.В. Саоблучении являются катионные вакансии или связанные довский, В.В. Сериков, С.М. Чешницкий. ЖЭТФ, 95, с ними комплексы, которые в HgSe действительно долж(1989).

ны снижать концентрацию электронов [10].

[3] А.Е. Карькин, С.А. Давыдов, А.В. Мирмельштейн, Б.Н. ГоОблучение электронами увеличивает плотность сошицкий. СФХТ, 5, 2215 (1992).

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.