WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 12 О механизмах рассеяния дырок в кристаллах p-Hg0.8Cd0.2Te при низких температурах © В.В. Богобоящий Кременчугский государственный политехнический университет, 39614 Кременчуг, Украина (Получена 19 февраля 2002 г. Принята к печати 28 марта 2002 г.) Исследовано удельное сопротивление и эффект Холла в легированных медью кристаллах p-Hg0.8Cd0.2Te в интервале температур 4.2-100 K и концентраций Cu от 1.5 · 1015 до 1.7 · 1018 см-3. Показано, что для корректного определения холловской подвижности дырок при низких температурах необходимо исключить вклад прыжкового переноса заряда. Найдено, что при 77 K тяжелые дырки рассеиваются друг на друге, на ионах примеси, флуктуациях состава и колебаниях решетки. При низких температурах в компенсированных кристаллах дырки рассеиваются исключительно на ионах примеси. В некомпенсированных кристаллах при расчете подвижности необходимо учитывать рассеяние дырок на положительно заряженных центрах, образованных в результате захвата избыточных дырок акцепторами.

Подвижность µh свободных дырок в кристаллах 1. Эксперимент p-Hg0.8Cd0.2Te при низких температурах, по мнению многих исследователей, существенно меньше, чем ожиДля проведения эксперимента были взяты дается для рассеяния на ионах примеси [1–3]. Этому монокристаллические пластины n-Hg1-x CdxTe явлению дают разные объяснения, но ни одно из них (x = 0.21... 0.22) толщиной d 0.1 см, полученные в нельзя признать достаточным. Например, в [1] малые условиях серийного производства методом вертикальной подвижности дырок объясняют рассеянием на упругих направленной кристаллизации с подпиткой из полях нейтральных дефектов, а в [2] — рассеянием на твердой фазы и последующего отжига в насыщенных флуктуациях состава. С другой стороны, при T < 15 K парах Hg. Плотность дислокаций в пластинах была величина µh пропорциональна T3/2, что соответствует менее 3 · 105 см-2.

рассеянию именно на заряженных центрах и протиОсновная часть исходных слитков была получена из воречит предложенным в [1,2] механизмам. Авторы компонентов класса чистоты 6N и 7N и содержала работы [3] считают, что при низких температурах дырки, только остаточные примеси. В отожженных пластикоторые участвуют в переносе заряда, пребывают в нах такого типа концентрация примесных электронов хвосте плотности состояний валентной зоны, поэтому при низких температурах не превышала 3 · 1014 см-3.

их динамические свойства вообще нельзя охарактериНесколько кристаллов были легированы индием из расзовать зонной эффективной массой. Кроме того, как плава и содержали от 1015 до 1.6 · 1017 см-3 избыточных считают в [3], энергия взаимодействия дырок и цендоноров. Концентрацию индия NIn в таких образцах тров рассеяния не мала по сравнению с их кинетиотождествляли с концентрацией примесных электронов ческой энергией, поэтому классические представления при T = 77 K, определенной по значению коэффициента о подвижности здесь неприменимы. Открытым также Холла RH в магнитном поле B = 1T.

является вопрос об угловой зависимости интенсивноОбразцы p-типа были получены из исходных пластин сти перекрытия I(k, k) = d3r · u uk, где uk — k путем диффузионного легирования медью. Пленка меди периодическая часть волновой функции Блоха для -й ветви спектра, а интегрирование ведется по объ- заданной толщины наносилась на поверхность пластины ему элементарной ячейки. С одной стороны, приня- методом резистивного распыления в вакууме. Количето считать, что для дырок I2(k, k) =(1 + 3cos2 k)/4, ство распыленной меди и расстояние от источника до обh где k — угол между векторами k и k (см. [3,4]). разца выбирались так, чтобы после растворения пленки С другой стороны, в модели Кейна uhhk = uhh0, поэтому обеспечить требуемую концентрацию NCu активной меIh(k, k) =1. ди. Диффузия Cu производилась в ходе изотермического По этим причинам здесь были исследованы концен- отжига пластин в атмосфере насыщенных паров Hg.

Продолжительность отжига t выбиралась из условия трационная и температурная зависимости подвижности свободных дырок в легированных медью не компен- DCut > 5d, где DCu — коэффициент диффузии меди сированных или компенсированных индием кристаллах (использовались значения DCu в Hg0.8Cd0.2Te, найденные p-Hg0.8Cd0.2Te при температурах T < 100 K в условиях в [5]). В этом случае медь распределялась в кристаллах слабого и умеренного легирования. достаточно равномерно.

О механизмах рассеяния дырок в кристаллах p-Hg0.8Cd0.2Te при низких температурах При относительно слабом легировании, когда NCu < 7 · 1017 см-3, диффузия Cu производилась при 473 K в течение 72 ч. Согласно [6], в этом случае раствор Cu вполне стабилен при T 300 K. Более концентрированный раствор Cu в стехиометричных кристаллах неустойчив и подвержен быстрому распаду, поэтому сильно легированные образцы отжигались при более высоких температурах (670-680 K). При этом в них вводилось около 1016 см-3 вакансий Hg, что стабилизировало раствор Cu вследствие снижения скорости миграции Cu [7]. С другой стороны, количество вакансий в таких образцах было малым по сравнению с количеством меди, и они не оказывали влияния на подвижность дырок.

В результате была получена серия однородно легированных кристаллов p-Hg1-x CdxTe, содержащих Рис. 1. Подвижность электронов при 4.2 K в кристалот 1.5 · 1015 до 1.7 · 1018 см-3 растворенных активных лах n-Hg0.78Cd0.22Te : In. Точки — данные измерений, лиатомов Cu. Количество активных атомов Cu в некомпен- нии — результаты расчета. 1 — NA = 0.5 · 1015 см-3, 2 — NA = 1 · 1015 см-3, 3 — NA = 1.5 · 1015 см-3.

сированных кристаллах отождествлялось с количеством свободных дырок p при 77 K, поскольку такие дефекты в данных условиях ионизированы полностью, а неконтролируемые доноры и акцепторы в исследуемом материале компенсировали друг друга. Концентрация Cu в компенсированных In образцах p-типа определялась исходя из условия электронейтральности в виде NCu = p + NIn.

Несколько некомпенсированных образцов, содержащих 3.5 · 1016 см-3 активной меди, были дополнительно отожжены при разных температурах и давлениях паров Hg с таким расчетом, чтобы концентрация равновесных собственных акцепторов (вакансий ртути VHg) в них была около 1.8 · 1016 см-3. Подробное описание режимов отжига, способов определения концентрации VHg и температурные зависимости проводимости и эффекта Холла в этих образцах приведены в работе [8].

Подвижность и концентрация электронов и дырок Рис. 2. Подвижность тяжелых дырок при 77 K в кристаллах определялись 6-контактным методом Холла. Для этого p-Hg0.8Cd0.2Te : Cu. Точки — данные измерений, линии — реиз пластин вырезались образцы в форме прямоугольного зультаты расчета при Ih = 1 (1–5) и Ih = 1 - (3/4) sin2 k (6).

параллелепипеда размером около 1.2 0.3 0.1см3 и 1 — подвижность, ограниченная рассеянием на полярных измерялись их удельная электропроводность и коэфоптических фононах; 2 — подвижность, ограниченная рассеяфициент Холла RH. Измерения производились либо при нием на флуктуациях состава; 3 — подвижность, ограниченная рассеянием на акустических фононах; 4 —подвижность, ографиксированной температуре 77 K в магнитном поле B ниченная рассеянием на заряженных центрах; 5, 6 — суммарот 0.5 до 2 Тл, либо в диапазоне температур от 4.ная подвижность.

до 125 K в фиксированном поле B = 0.030 Тл.

Для вычисления концентрации p и подвижности µh тяжелых дырок при 77 K в образцах p-типа использовались значения RH в области сильных по отношению к Результаты измерений концентрационной зависимости легким дыркам магнитных полей. С этой целью зависи- подвижности электронов при 4.2 K в кристаллах n-типа мость RH(B), полученная в диапазоне B от 0.5 до 2 Тл, и подвижности тяжелых дырок при 77 K в некомпенсиэкстраполировалась в область B > 3 Тл. Согласно [9], в рованных кристаллах p-типа представлены на рис. 1 и 2.

таких полях присутствие легких дырок уже не сказыТемпературная зависимость и RH нескольких образвается на величине RH. Для корректной экстраполяции цов p-типа изучалась при помощи установки, описанной зависимость RH(B) представлялась в виде полинома по в работе [10]. Температура образца определялась по степеням B-2; соответствующие примеры приведены в показаниям калиброванного термометра сопротивления работе [9]. Считалось, что холл-фактор тяжелых дырок с точностью до нескольких десятых долей процента.

r(hh) 1.02 [9]. Для уменьшения степени окисления поверхности на H Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 1420 В.В. Богобоящий Рис. 3. Температурная зависимость диагонального (a) и недиагонального (b) компонентов тензора электропроводности кристаллов p-Hg0.78Cd0.22Te : Cu (точки — данные измерений, сплошные линии — результаты подгонки, штриховые линии — результаты интерполяции). 1 — NCu = 3.5 · 1016 см-3, NIn < 1015 см-3, [VHg] < 1014 см-3; 2 — NCu = 3.5 · 1016 см-3, NIn < 1015 см-3, [VHg] =1.8 · 1016 см-3; 3 — NCu = 1.5 · 1015 см-3, NIn < 1015 см-3, [VHg] < 1014 см-3; 4 — NCu = 1.14 · 1017 см-3, NIn = 9.2 · 1016 см-3, [VHg] < 1014 см-3.

только что протравленные, отмытые в теплой деио- (проводимость Мотта [12]):

низированной воде и высушенные образцы напаивали M = M0 exp -(T0/T )1/4. (2) контакты в атмосфере охлажденного азота. Сразу после этого их помещали в наполненный гелием измериЗнак эффекта Холла в области 1-проводимости ниже тельный криостат для проведения измерений и RH.

точки инверсии, вызванной вымораживанием собственПри такой подготовке кристаллы не успевают заметно ных электронов, положительный, а температурная завиокислиться, и влияние поверхностных электронов не симость недиагонального компонента xy тензора провонаблюдается. Применялись индиевые контакты, которые, димости, в отличие xx(T ), ниже 20-30 K описывается согласно [11], вполне можно считать омичными.

активационным законом с одной определенной энергией По данным измерений RH и вычислялись комактивации. Такое поведение xy свидетельствует о том, поненты xx и xy тензора электропроводности; тачто в исследованном диапазоне температур этот компокая форма представления результатов более удобна в нент определяется исключительно свободными дырками.

случае смешанной проводимости. Так как магнитное Это вполне согласуется с теорией прыжкового эффекта поле было предельно слабым, полагалось, что xx = 2 Холла [13,14], согласно которой локализованные дырки и xy = BRH.

не способны создавать заметную эдс Холла. По этой Типичные результаты, полученные для разных видов же причине в области чисто прыжковой проводимости исследованных образцов p-Hg0.8Cd0.2Te : Cu, показаны на эффект Холла зарегистровать не удалось.

рис. 3. Видно, что при относительно высоких температуПоскольку при низких температурах эдс Холла в крирах, выше 10-15 K, в слабо компенсированных образцах сталлах p-Hg0.8Cd0.2Te создается легкими и тяжелыми и выше 20-30 K в сильно компенсированном кристалле дырками валентной зоны, а проводимость — носителями доминирует 1-проводимость, обусловленная дырками заряда, локализованными на акцепторах, для корректновалентной зоны. При более низких температурах во всех го определения подвижности тяжелых дырок µh необхослучаях наблюдается значительная прыжковая проводидимо исключить вклады других носителей заряда в xx мость по акцепторной зоне. Величина и тип прыжковой и xy.

проводимости зависят от присутствия вакансий ртути и Влияние прыжкового механизма исключалось сравкомпенсирующих доноров. В частности, в слабо компеннительно просто. Учитывая аддитивность компоненсированных кристаллах (рис. 3, a, кривая 1) наблюдается тов тензора электропроводности, принималось, что прыжковая проводимость с не зависящей от T энергией xx = 1 + 3 или xx = 1 + M в зависимости от того, активации (3-проводимость):

преобладает прыжковая проводимость типа (1) или типа (2); здесь 1 — проводимость, обусловленная свобод3 = 30 exp -3/kBT. (1) ными дырками. Затем осуществлялась взаимная экстраВ компенсированных образцах (кривые 3, 4), а также поляция высокотемпературного и низкотемпературного в присутствии вакансий Hg (кривая 2) наблюдается участков зависимости xx(T ) и подгонка параметров сопрыжковая проводимость с переменной длиной прыжка ответствующих активационных законов; считалось, что Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. О механизмах рассеяния дырок в кристаллах p-Hg0.8Cd0.2Te при низких температурах зависимость коэффициента Холла кристаллов p-Hg0.8Cd0.2Te. В частности, при 77 K отношение RH(B)/RH() убывает от 1.35 ± 0.05 до 1 при увеличении поля B от 0 до 3 Тл [9]. Поскольку эффективная масса легких дырок ниже 77 K изменяется мало, а время релаксации легких дырок практически не зависит от их массы из-за того, что в результате рассеяния они превращаются в тяжелые дырки [15], предполагалось, что вклад легких дырок в эффект Холла при T < 77 K не зависит от T. Тогда, используя определение величин xx и xy и пренебрегая вкладом легких дырок в величину 1, найдем, что холловская Рис. 4. Температурная зависимость подвижности тяжелых подвижность и концентрация тяжелых дырок равны дырок в легированных медью и компенсированных индием кристаллах p-Hg0.8Cd0.2Te (точки — данные измерений, xy 1.35r(hh)H µhH r(hh)µh =, p =. (3) линии — результаты расчета). 1 — NA = 1.14 · 1017 см-3, H 1.35B1 eRHxx ND = 9.2 · 1016 см-3; 2 — NA = 2.6 · 1016 см-3, ND = Отметим, что влияние прыжкового механизма про= 2.2 · 1016 см-3.

водимости приводит к существенному снижению эффективной холловской подвижности RH. Так, при самых низких температурах в исследованном диапазоне подвижность, найденная по формуле (3), превышает величину RH более чем на порядок. Вероятно, именно в этом состоит главная причина малой подвижности дырок, найденной в работах [1–3], где влияние прыжковой проводимости не учитывалось.

Итоговые результаты измерений µhH представлены на рис. 4 и 5. Видно, что в компенсированных кристаллах низкотемпературная подвижность дырок сравнительно мала и убывает с ростом легирования, тогда как в слабо компенсированных кристаллах при T < 20 K она практически не зависит от количества меди. Стоит подчеркнуть, что в присутствии вакансий Hg дырки рассеиваются в таких кристаллах заметно сильнее, несмотря на Рис. 5. Температурная зависимость подвижности тято что в легированных медью кристаллах p-Hg0.8Cd0.2Te желых дырок в не компенсированных кристаллах pсобственные акцепторы не влияют на концентрацию Hg0.8Cd0.2Te : Cu (точки — данные измерений, линии — резульсвободных дырок ниже 30 K (см. кривые 1, 2 на рис. 3, a).

таты расчета). 1 — NCu = 1.5 · 1015 см-3, ND = 4 · 1015 см-3, [VHg] < 1014 см-3; 2 — NCu = 3.5 · 1016 см-3, ND = = 4 · 1015 см-3, [VHg] < 1014 см-3; 3 — NCu = 3.5 · 1016 см-3, 2. Модель ND = 4 · 1015 см-3, [VHg] =1.8 · 1016 см-3; 4 — NA = ND = 0.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.