WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 12 Hg1-x-y-zCdxMnyZnzTe: новая альтернатива Hg1-xCdxTe ¶ © И.Н. Горбатюк, А.В. Марков, С.Э. Остапов, И.М. Раренко Черновицкий национальный университет им. Ю. Федьковича, 58012 Черновцы, Украина (Получена 15 декабря 2003 г. Принята к печати 6 апреля 2004 г.) Представлены исследования основных зонных параметров нового пятикомпонентного полупроводникового твердого раствора HgCdMnZnTe. Показано, что рассматриваемый материал по своим параметрам может успешно конкурировать с HgCdTe — основным материалом для инфракрасной фотоэлектроники в диапазонах 3-5 и 8-14 мкм.

1. Введение 2. Изготовление кристаллов и эксперимент Брагодаря своим уникальным физическим свойствам 2.1. Получение кристаллов CdxHg1-xTe (КРТ) и сегодня остается основным материалом инфракрасной оптоэлектроники [1,2]. ВарьиКристаллы КМЦРТ выращивались модифицированрованием состава твердого раствора можно получить ным методом зонной плавки из предварительно синтеКРТ с шириной запрещенной зоны от 0 до 1.6 эВ.

зированных однородных поликристаллических слитков Очень важным обстоятельством при этом является мидиаметром 15-20 мм и длиной 15-18 см. Для синтеза нимальное различие постоянных решетки между CdTe твердых растворов использовались исходные компонени Cd0.2Hg0.8Te, что позволяет с успехом использовать ты Cd, Te, Zn, Hg чистотой не меньше 99.9999 мас% и эти материалы для создания эпитаксиальных структур.

Mn, чистотой 99.998 мас%, дополнительно очищенный Высокая подвижность носителей заряда в КРТ позводвойной вакуумной дистилляцией.

ляет разрабатывать весьма быстродействующие прибоОбразцы для исследования оптических, электрофиры [3].

зических и механических свойств вырезались из шайб Основным недостатком КРТ является слабость хи- толщиной 500-600 мкм, полученных резкой слитка пермической связи Hg–Te, которая приводит к большому пендикулярно направлению роста. Дефектный слой, обчислу вакансий ртути и создает проблемы с обеспе- разующийся при резке и шлифовке, удаляли полировкой чением стабильного поведения поверхностей и границ с помощью алмазных паст АСМ 2 / 1, АСМ 1 / 0. Финишная обработка поверхности выполнялась химико-мехараздела в структурах. Конечно, указанные проблемы отчасти разрешимы при помощи современной техноло- нической полировкой [7]. После роста все кристаллы имели p-тип проводимости.

гии, однако стоимость получаемого материала при этом многократно возрастает.

Таким образом, остается актуальным поиск путей 2.2. Исследование микротвердости улучшения стабильности и однородности кристаллов Качественным свидетельством улучшения связи КРТ или синтез его аналогов с более совершенной Hg-Te и стабилизации кристаллической решетки и стабильной кристаллической решеткой. Этой цели материала в присутствии Mn и Zn может служить можно достичь введением в твердый раствор элементов увеличение микротвердости кристаллов. И если с меньшим, чем у КРТ, ионным радиусом, что приведет стабилизирующее влияние цинка на кристаллическую к стабилизации кристаллической связи Hg-Te. Такими решетку материалов типа КРТ не оспаривается, то на изовалентными элементами, в частности, являются Mn и счет влияния марганца единого мнения не существует.

Zn, ионные радиусы которых (1.39 и 1.3 ) значительно Несмотря на теоретическое предсказание об увеличении меньше, чем у кадмия (1.56 ) [4–6].

энергии связи Hg-Te в присутствии Mn [8], прямых Учитывая все вышесказанное, мы считаем, что пятиэкспериментальных доказательств этому нет. Более того, компонентный твердый раствор CdxMny ZnzHg1-x-y-zTe авторами работы [9], изучавшими влияние марганца на (КМЦРТ) с незначительным содержанием марганца механические свойства (в том числе и микротвердость) и цинка (1-7%) должен выгодно отличаться от широкозонных кристаллов CdxMn1-xTe, делается вывод КРТ: а) большей временной и термической стабильно- о дестабилизации кристаллических связей в кристаллах стью; б) более высоким структурным совершенством; AIIBVI в присутствии ионов Mn2+ в количестве 10%.

в) лучшими свойствами поверхности и границ раздела. Вместе с тем авторы [10,11] наблюдали рост микротвердости кристаллов Cdx Mn1-xTe вплоть до 40% Mn.

Данная работа и посвящена получению КМЦРТ и В связи с этим нами были проведены исследования исследованию его зонных параметров.

микротвердости кристаллов КМЦРТ с различным со¶ E-mail: ostap@chv.ukrpack.net держанием марганца и цинка в сравнении с КРТ и Hg1-x-y-z Cdx Mny ZnzTe: новая альтернатива Hg1-xCdx Te Таблица 1. Микротвердость кристаллов Hg1-x-y-z CdxMnyZnzTe разных составов при T = 300 K Состав кристаллов Состав кристаллов H, кг/ мм2 H, кг/ мм(Eg = 0.15 эВ) (Eg = 0.3эВ) Hg0.8Cd0.2Te 37.6 ± 1.3 Hg0.7Cd0.3Te 47.3 ± 1.Hg0.82Cd0.16Mn0.02Te 41.0 ± 1.4 Hg0.73Cd0.24Mn0.03Te 50.1 ± 1.Hg0.82Cd0.15Mn0.02Zn0.01Te 43.6 ± 1.1 Hg0.73Cd0.23Mn0.03Zn0.01Te 53.7 ± 1.Hg0.84Cd0.11Mn0.04Zn0.01Te 46.5 ± 0.7 Hg0.76Cd0.17Mn0.06Zn0.01Te 57.5 ± 0.Таблица 2. Ширина запрещенной зоны исследуемых кристаллов Hg1-x-y-z CdxMnyZnzTe при T = 300 K № Eg, Eg, Состав образца теория (2) эксперимент 1 x = 0.215, y = 0.031, z = 0.02 0.301 0.2 x = 0.212, y = 0.04, z = 0.02 0.321 0.3 x = 0.178, y = 0.02, z = 0.01 0.260 0.Hg1-x-yCdx MnyTe, с приблизительно одинаковой шири- постоянной Холла и электропроводности. Полученные ной запрещенной зоны. Исследования проводились мето- результаты хорошо коррелируют друг с другом.

дом Виккерса при комнатной температуре. Результаты, Определенные таким образом значения ширины засуммированные по 12-15 измерениям, представлены прещенной зоны для трех образцов (см. рис. 1) составв табл. 1.

ляли: для образца 1 — Eg = 0.291 эВ, для образца 2 — Как видно из таблицы, даже при росте содержания Eg = 0.332 эВ, для образца 3 — Eg = 0.257 эВ.

ртути (от 80% до 84% в случае Eg = 0.15 эВ и от 70% до 76% в случае Eg = 0.3эВ) микротвердость 3. Теоретические расчеты исследованных кристаллов растет как с увеличением содержания цинка, так и марганца. Такие результаты, Основные зонные параметры 5-компонентного тведонесомненно, свидетельствуют об укреплении кристаллиго раствора Hg1-x-yCdxMny Te рассчитывались с помоческой решетки ртутьсодержащих материалов типа КРТ щью метода, описанного в [12], когда произвольный зонв присутствии небольших (до 5%) количеств как Zn, ный параметр многокомпонентного твердого раствора так и Mn.

может быть представлен композицией двух его составляющих. Для четырехкомпонентного твердого растовра 2.3. Определение ширины запрещенной зоны любой зонный параметр A может быть представлен как Ширина запрещенной зоны полученных кристаллов A(Hg1-x-yCdx Mny Te) =0.5A(Hg1-uCduTe) определялась из кривых оптического поглощения, представленных на рис. 1, и из температурной зависимости + 0.5A(Hg1-wMnwTe), (1) где u = 2x, w = 2y. В соответствии с этим методом ширина запрещенной зоны Hg1-x-y-z CdxMny ZnzTe вычислялась следующим образом:

Eg(Hg1-x-y-zCdx MnyZnz Te) = 0.5Eg(Hg1-x-2yCdxMn2y Te) + 0.5Eg(Hg1-x-2z Cdx Zn2z Te). (2) Рассчитанные по формуле (2) значения ширины запрещенной зоны сравнивались с экспериментальными данными при комнатной температуре. Результаты представлены в табл. 2.

Рис. 1. Спектры оптического поглощения для трех образцов Как видим, и в случае 5-компонентного твердого расHg1-x-y-z CdxMnyZnzTe: 1 — x = 0.215, y = 0.031, z = 0.02;

твора предложенный метод расчета зонных параметров 2 — x = 0.212, y = 0.04, z = 0.02; 3 — x = 0.178, y = 0.02, показывает хорошее согласие с экспериментом.

z = 0.01.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1416 И.Н. Горбатюк, А.В. Марков, С.Э. Остапов, И.М. Раренко Отсчитывая энергию от дна зоны проводимости, для Hg1-x-y-z CdxMny ZnzTe с x = 0.14, y = 0.014, z = 0.01, концентрации электронов в зоне проводимости можно поскольку, судя по значениям концентрации и характеру записать, в согласии с моделью Кейна [13]: кривой, область собственной проводимости простирается у него вплоть до 100 K, что в свою очередь говорит 1/о малом содержании дефектов и, соответственно, о 2Nc z (1 + z / )1/2(1 + 2z / ) dz n =, (3) качестве полученных кристаллов КМЦРТ. Рассчитан 1 + exp(z - ) ные зависимости ni(T ) для остальных исследованных образцов также демонстрируют хорошее согласие с где Nc — эффективная плотность состояний в зоне экспериментом, однако область собственной проводимопроводимости, = Eg/kBT — приведенная ширина засти появляется на экспериментальных кривых в этих прещенной зоны, = F/kBT — приведенная энергия образцах лишь при T > 180 K.

Ферми. В этом случае эффективная масса электронов Для сравнения на рис. 2 представлены температурные у дна зоны проводимости описывается выражением зависимости концентрации собственных носителей для Hg0.8Cd0.2Te (кривая A) и Hg0.7Cd0.3Te (кривая B), рас-Eg + 2 /считанные по эмпирической формуле для концентрации m = m0 1 + EP. (4) e Eg(Eg + ) собственных носителей в КРТ [14]. Как видим, образец Hg1-x-y-z CdxMny ZnzTe (x = 0.14, y = 0.014, z = 0.01) Здесь EP = 2m0P2/ и обычно в полупроводниках типа по концентрации собственных носителей соответствует КРТ составляет величину 18-19 эВ, — величина Hg0.8Cd0.2Te, хотя по ширине запрещенной зоны — спин-орбитального расщепления зон. Значения, как Hg0.817Cd0.183Te. Аналогично Hg1-x-y-z CdxMny ZnzTe правило, выбираются из диапазона 0.95-1.08 эВ [4,13].

(x = 0.21, y = 0.025, z = 0.012) соответствует по конКонцентрация дырок в валентной зоне вычислялась стандартным образом:

2kBTm 3/hh p = 4 F1/2( + ), (5) hгде m —эффективная масса тяжелых дырок, hh F1/2( + ) — функция Ферми–Дирака. Значения EP и спин-орбитального расщепления, а также эффективная масса тяжелых дырок при расчетах принимались равными: EP = 18 эВ, = 1эВ, m = 0.55m0.

hh Эффективная масса электронов в КМЦРТ в случае полного вырождения рассчитывалась следующим образом [13]:

m e = 32.5 · 10-32Eg /P4 Рис. 2. Температурные зависимости собственной концен1 - m e трации в образцах Hg1-x-y-z CdxMnyZnzTe разных составов.

Штрихпунктирные кривые — расчет для твердых растворов:

+ 8.27 · 10-30n2/3/P2, (6) i A —Hg0.8Cd0.2Te; B —Hg0.7Cd0.3Te.

где P — матричный элемент оператора момента импульса, ni — собственная концентрация. Поскольку мы принимали EP = 18 эВ, следовательно P = 8.28 · 10-8 эВ · см. Такое значение P получено из наилучшего совпадения результатов расчетов с экспериментальными данными. Следует отметить, что величины P =(8.2-8.5) · 10-8 эВ · см являются обычными для полупроводников типа КРТ [4].

4. Обсуждение результатов Результаты расчетов концентрации собственных носителей ni в сравнении с экспериментом представлены на рис. 2. Из рисунка видно, что теоретические кривые хорошо согласуются с экспериментальными знаРис. 3. Температурные зависимости приведенного чениями в области собственной проводимости. Осо- уровня Ферми для исследованных кристаллов Cdx MnyZnzTe.

бый интерес, на наш взгляд, представляет образцец Hg1-x-y-z Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Hg1-x-y-z Cdx Mny ZnzTe: новая альтернатива Hg1-xCdx Te Таблица 3. Сравнение эффективных масс электронов в кристаллах Hg1-x-y-z CdxMnyZnzTe и Hg1-x CdxTe при T = 300 K Состав кристалла Концентрация me/m0, me/m0, me/m0, Eg, эВ Состав КРТ [15] КМЦРТ носителей, N, см-3 расчет (6) теория [15] эксперимент [15] x = 0.14, y = 0.014, z = 0.01 0.131 2.4 · 1018 0.049 0.045 0.049 0.x = 0.166, y = 0.02, z = 0.01 0.182 6.7 · 1017 0.034 0.035 0.033 0.x = 0.16, y = 0.03, z = 0.02 0.223 2.8 · 1018 0.052 0.049 0.048 0.Примечание. В последней колонке приведены значения x для твердых растворов Cdx Hg1-xTe с близкими величинами Eg.

Таблица 4. Сравнение эффективных масс электронов в кристаллах Hg1-x-y-z CdxMny ZnzTe и Hg1-x MnxTe при T = 300 K Состав кристалла Концентрация me/m0, me/m0, me/m0, Eg, эВ Состав МРТ [16] КМЦРТ носителей, N, см-3 расчет (6) теория [16] эксперимент [16] x = 0.092, y = 0.01, z = 0.01 0.054 1.5 · 1017 0.019 0.019 0.0162 0.x = 0.14, y = 0.014, z = 0.01 0.131 6.0 · 1016 0.017 0.0194 – 0.x = 0.16, y = 0.015, z = 0.01 0.158 5.5 · 1017 0.031 0.0345 0.036 0.Примечание. В последней колонке приведены значения x для твердых растворов Hg1-x Mnx Te с близкими величинами Eg.

центрации Hg0.7Cd0.3Te, а по ширине запрещенной зо- 5. Заключение ны — Hg0.72Cd0.28Te.

Таким образом, в данной работе получены следующие Таким образом, концентрация собственных носителей результаты.

в КМЦРТ несколько меньше, чем у КРТ при равных 1. Методом модифицированной зонной плавки полузначениях ширины запрещенной зоны.

чены монокристаллы нового полупроводникового тверНа рис. 3 показано поведение уровня Ферми для дого раствора Hg1-x-y-z CdxMny ZnzTe с различным соисследованных кристаллов. Видно, что практически все исследованные кристаллы не вырождены, за исключе- держанием Mn и Zn.

2. Исследована микротвердость полученных кристалнием КМЦРТ состава x = 0.14, y = 0.014, z = 0.01, лов. Показано, что значения микротвердости возрастают уровень Ферми которого при T > 170 K попадает в зону проводимости. Такое поведение неудивительно, посколь- при увеличении содержания Mn и Zn в кристаллах, ку по ширине запрещенной зоны, как уже отмечалось, что свидетельствует об укреплении кристаллической он соответствует Hg1-x CdxTe (x = 0.183), поэтому и решетки ртутьсодержащих материалов типа КРТ в придолжен вести себя подобным образом. сутствии небольшого (до 5-7%) количества как Zn, так Представляется интересным также сравнить эффек- и Mn.

тивные массы КМЦРТ и КРТ для кристаллов с одина- 3. Рассчитаны температурные зависимости концентраковой шириной запрещенной зоны. В табл. 3 показаны ции собственных носителей в Hg1-x-y-z CdxMny ZnzTe.

результаты расчетов в сравнении с данными [15] при Показано хорошее согласие расчетов с экспериментом комнатной температуре. Из таблицы можно заключить, в области собственной проводимости. Данная теория что эффективная масса электронов в КМЦРТ несколько может применяться в диапазонах составов: x 0.3, больше, чем в КРТ, причем с увеличением содержания y 0.1, z 0.1 и температур 50 T 300 K.

марганца и цинка разница возрастает. Это согласуется с 4. Рассчитаны эффективные массы электронов в невывыводом, сделанным в [16] при сравнении эффективных рожденном и вырожденном материале. Показано, что масс электронов в растворах MnHgTe (МРТ) и КРТ. увеличение содержания марганца и цинка в твердом Сравнение наших расчетов с результатами [16] при растворе приводит к увеличению эффективной массы T = 300 K показано в табл. 4. Видно, что эффективные электронов и уменьшению концентрации собственных массы электронов в КМЦРТ несколько меньше (при- носителей.

мерно на 15%), чем у МРТ. Что касается значительных расхождений для образцов с Eg = 0.054 эВ, то и в рабоСписок литературы те [14] наблюдается аналогичное несовпадение теории с экспериментом, причем также в большую сторону.

[1] J. Piotrowski, A. Rogalski. Sensors Actuators, A67, Причина, по-видимому, заключается в том, что данная (1998).

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.