WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 12 Особенности электропроводности монокристаллов Cd1-xZnxTe и Cd1-xMnxTe © Л.А. Косяченко, А.В. Марков, Е.Л. Маслянчук, И.М. Раренко, В.М. Склярчук Черновицкий национальный университет, 58012 Черновцы, Украина (Получена 21 мая 2003 г. Принята к печати 27 мая 2003 г.) Исследованы электрические характеристики монокристаллов Cd1-x Znx Te (x = 0.05) и Cd1-x MnxTe (x = 0.04) p-типа проводимости с удельным сопротивлением 103-1010 Ом · см (300 K). Проводимость и ее изменение с температурой интерпретируются на основе статистики электронов и дырок в полупроводнике с глубокими акцепторными примесями (дефектами) с учетом их компенсации донорами. Найдена глубина акцепторных уровней и степень их компенсации. Обсуждаются проблемы достижения проводимости, близкой к собственной.

1. Введение CdTe до 2.26 эВ для ZnTe [6]. Значение Eg, найденное по той же методике для Cd0.96Mn0.04Te, оказалось CdTe и Cd1-xZnx Te (x = 0.05-0.1) в настоящее время равным 1.507 эВ. Удельное сопротивление пластин, являются основными материалами для полупроводниковырезанных из центральной части слитков Cd1-xZnx Te вых детекторов рентгеновского и гамма излучения, раи Cd1-xMnx Te, обычно не превышает при комнатной ботающих без криогенного охлаждения [1–3]. Электротемпературе 103-104 Ом · см, а на концах слитка проводность этих материалов и время жизни носителей, может быть еще меньшим (вплоть до 10-100 Ом · см).

а значит, и ключевые характеристики детектора, какоЧтобы понизить проводимость материала, пластины выми являются эффективность собирания генерируемых толщиной 1.5-2.5 мм подвергались отжигу в парах носителей и энергетическая разрешающая способность Cd. В результате значение заметно возрастало, в прибора, определяются остаточными примесями и денекоторых случаях до 108-109 Ом · см, а то и выше.

фектами. В последнее время опубликован ряд работ, Результаты измерения эффекта Холла обычно удостопосвященных анализу компенсирующего влияния элеверяют p-тип проводимости кристаллов, подвижность ментов III или VII групп Периодической системы (Al, дырок при комнатных температурах не выходит за In, Cl, Br), а также переходных металлов (V, Ti) на пределы 60-80 см2/(В · с). На рис. 1, a представлены электропроводность CdTe [4,5]. Между тем связь провотемпературные зависимости удельного сопротивления димости и ее температурного изменения с параметрами Cd1-xZnx Te и Cd1-xMnx Te с различными значениями остаточных примесей и собственных дефектов в специпри 300 K, а также высокоомного CdTe для сравнения.

ально не легированных кристаллах исследована недоИзвестно, что в CdTe, как и в достаточно совершенстаточно, хотя и в этом случае возможно достижение ных монокристаллах Cd1-xZnxTe и Cd1-xMnxTe при проводимости, близкой к собственной [1]. До конца не малых x, в области T > 200 K доминирует рассеяние выявлено, при каких условиях компенсация акцепторов на оптических фононах и поэтому подвижность носидонорами делает возможным полуизолирующее состотелей уменьшается с температурой пропорционально яние полупроводника со значительной концентрацией -3/T [7,8]. Поскольку эффективные плотности состоуровней примесей и дефектов различной глубины.

яний в зоне проводимости Nc = 2(mkT /2 )3/2 и ваЦель настоящей работы — исследование механизn ма проводимости специально не легированных моно- лентной зоне Nv = 2(mkT/2 )3/2 пропорциональны p 3/кристаллов Cd1-xZnxTe (x = 0.05). Как выяснилось в T, температурная зависимость удельного сопротивходе выполнения работы, аналогичный механизм про- ления = 1/(enµn + epµp) определяется только эксповодимости свойственен и другому твердому раствору ненциальной функцией (m и m — эффективная масса n p Cd1-xMnxTe (x = 0.04), а также нелегированным моно- электрона и дырки, µn и µp — их подвижности). Поэтому кристаллам CdTe.

зависимости (T ) в координатах lg() от 1000/T представляются прямыми линиями, наклон которых сразу же дает величину энергии активации проводимости 2. Экспериментальные результаты материала E (указаны на рисунке).

Дополнительную информацию о характере проводиМонокристаллы Cd1-xZnxTe (x = 0.05) и мости дает положение уровня Ферми и его перемещение Cd1-xMnxTe (x = 0.04) получены модифицированным в запрещенной зоне при изменении температуры. Обометодом Бриджмена. Ширина запрещенной зоны значим расстояние уровня Ферми от потолка валентной Cd0.95Zn0.05Te, найденная из оптических измерений, составляет Eg = 1.505 эВ (300 K), что согласуется с зоны (далее — „энергия уровня Ферми“) через µ. Тогда примерно линейным увеличением Eg от 1.47 эВ для для концентрации свободных электронов и дырок можно Особенности электропроводности монокристаллов Cd1-x Znx Te и Cd1-xMnx Te записать µ p = Nv exp -, (1) kT Eg - µ n = Nc exp -. (2) kT Решая уравнение для относительно µ с учетом (1) и (2) и зная для каждой температуры удельное сопротивление и подвижность носителей, можно найти энергию уровня Ферми как 1 - 1 - 4e22µnµpni µ = kT ln. (3) 2eµnn2/Nv Найденные из зависимостей (T ) по формуле (3) кривые µ(T) представлены на рис. 1, a. Эффективная масса электрона m принята равной 0.11m0, дырки n m = 0.35m0 (m0 — масса электрона в вакууме). Для p подвижности электронов и дырок использованы хорошо выполняющиеся для CdTe в области T > 200 K (когда доминирует рассеяние оптическими фононами даже при значительных концентрациях примесей) выражения -3/2 -3/µn = 5.5 · 106T и µp = 4 · 105T см2/(В · с) [8,9], согласно которым подвижности электронов и дырок при 300 K равны соответствено 1058 и 77 см2/(В · с).

3. Обсуждение модели проводимости исследуемых кристаллов Даже в наиболее чистых и структурно совершенных монокристаллах CdTe, Cd1-xZnx Te и Cd1-xMnx Te имеются примеси и дефекты, образующие в запрещенной зоне энергетические уровни различной глубины [5,9]. Остаточные примеси Ag, As и P в исходных Cd, Zn и Te образуют мелкие акцепторные уровни Ev +(0.06-0.15) эВ. Избыточный Cd вносит в запрещенную зону глубокий уровень Ev +(0.4-0.45) эВ. Вакансия Cd в комплексе с примесным атомом образует так называемый A-центр, вносящий более глубокий уровень Ev + 0.76 эВ. Концентрация этих примесей (дефектов), найденная методом ЭПР в комбинации с оптическими и люминесцентными исследованиями, находится в пределах 1015-1016 см-3 [5].

Имея в виду только акцепторные уровни (т. е. игнорируя компенсацию), невозможно объяснить высокие значения, наблюдаемые на исследуемых образцах и представляющие наибольший практический интерес. В этом случае найденные из наклона прямых на рис. 1, a значения энергии активации E давали бы половину величины энергии ионизации примеси Ea ( E = Ea/2), и тогда для наиболее высокоомных образцов ( E = 0.64-0.72 эВ) значение Ea пришлось бы принять равным 1.28-1.44 эВ. В запрещенной зоне CdTe Рис. 1. a — температурные зависимости удельного сопрои Cd1-xZnxTe обнаружены донорные уровни, отстоящие тивления монокристаллов Cd0.95Zn0.05Te и Cd0.96Mn0.04Te от дна зоны проводимости на 1.1 эВ [9] и даже на (с различной величиной при 300 K), а также CdTe. b —тем1.4 эВ [5,10]. Нельзя исключить существование и акпературные зависимости уровня Ферми для тех же образцов.

цепторных уровней вблизи зоны проводимости. Однако Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1422 Л.А. Косяченко, А.В. Марков, Е.Л. Маслянчук, И.М. Раренко, В.М. Склярчук проводимость полупроводника, содержащего акцепторные уровни различной глубины, определяется наиболее мелкими уровнями. Простой расчет показывает, что при наличии акцепторов с энергией ионизации, например, 1.28 эВ и концентрацией 1016 см-3 (самостоятельно обеспечивающих проводимость, близкую к собственной) присутствие менее глубоких уровней (Ea = 0.1-0.7эВ) практически не влияет на положение уровня Ферми только в случае, когда их концентрация меньше собственной концентрации носителей ni (4 · 105 см-3 для CdTe при 300 K). Если же концентрация менее глубоких уровней больше ni, то положение уровня Ферми определяется именно этими уровнями. Таким образом, в высокоомных образцах доминирующую роль акцепторных уровней, расположенных вблизи зоны проводимости, следует исключить, а объяснение свойств исследуемых материалов нужно искать в учете компенсации акцепторов донорами, свойственной соединениям элементов II и VI групп Периодической системы.

Характерным для температурной зависимости концентрации носителей в компенсированном полупроводнике является возможность двух значений энергии активации — E = Ea и E = Ea/2 [11,12]. При высокой степени компенсации и низких температурах концентрация дырок в полупроводнике p-типа определяется выражением Na - Nd Ea Рис. 2. a — зонная схема полупроводника с одним донорным p Nv exp -, (4) Nd kT и тремя акцепторными уровнями. b — зависимость энергии уровня Ферми µ от концентрации компенсирующей донорной а при низкой степени компенсации и высоких темперапримеси Nd при наличии трех акцепторных уровней Ea1, турах Ea2, Ea3, концентрация каждого из которых равна 1016 см-3.

Ea Температура 300 K.

p NaNv exp -. (5) 2kT Для кремния с энергией ионизации примесей 0.01-0.05 эВ переход от зависимости (4) к (5) (изменедырок p определяются формулами (1) и (2). Для заряние наклона от E = Ea к E = Ea/2 на зависимости женных доноров и акцепторов ln pT-3/2 от 1000/T ) наблюдается при температурах 10-20 K. Чтобы определить условия, при которых Nd + Nd =, (7) формулы (4) или (5) справедливы для широкозонного Eg-Ed- µ gd exp - + полупроводника с глубокими уровнями (в особенности kT для интересующего нас случая проводимости, близкой к собственной), следует решать уравнение электро- Na Na = (8) нейтральности в общем виде. Ea- µ ga exp + kT Рассмотрим дырочный полупроводник с тремя акцепторными и одним компенсирующим донорным уровнем с индексами „1“, „2“ и „3“ для Na, Ea и Na. Для (рис. 2). Концентрацию доноров и акцепторов обозначим определенности примем энергии акцепторных уровней через Nd, Na1, Na2, и Na3, их энергии ионизации — через равными Ea1 = 0.1эВ, Ea2 = 0.44 эВ, Ea3 = 0.72 эВ, доEd, Ea1, Ea2 и Ea3 соответственно. Энергию ионизации норного — Ed = 0.1 эВ. Вариация величины Ed в предеакцепторов, как и уровня Ферми µ, будем отсчитывать лах 0.1–0.7 эВ не изменяет результатов расчета, поскольот потолка валентной зоны, а доноров — от дна зоны ку при условии, когда донорный уровень расположен проводимости. Условие электронейтральности для такой на несколько kT выше акцепторного, все донорные схемы уровней имеет вид примеси практически полностью ионизованы. Факто- - - + ры спинового вырождения примесей, gd и ga примем n + Na1 + Na2 + Na3 = p + Nd, (6) равными 1, что вносит незначительную погрешность + - - где Nd, Na1, Na2, Na3 — концентрации заряженных в величину энергии ионизации, равную kT ln gd или доноров и акцепторов. Концентрации электронов n и kT ln ga (меньше ±0.01 эВ при 300 K).

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Особенности электропроводности монокристаллов Cd1-x Znx Te и Cd1-xMnx Te На рис. 2 представлены результаты компьютерного компенсацию. На рис. 3, a и 3, b представлены темперасчета зависимости энергии уровня Ферми µ от ратурные зависимости энергии уровня Ферми µ, расконцентрации донорной примеси при одинаковой кон- считанные из уравнения электронейтральности (6) для центрации всех трех акцепторов 1016 см-3. Как видно, Ea = 0.64 и 0.72 эВ при различных значениях = Nd/Na в компенсированном полупроводнике положение уровня (указаны на рисунке). Там же представлены кривые Ферми (а значит, и проводимость) уже не определяется µ(T), найденные из экспериментальных зависимостей примесью или дефектом с наименьшей энергией иониза- (T ) по формуле (3) (рис. 1, b). Как видно, сопоставляя ции. В области малых значений Nd, недостаточных для рассчитанные и экспериментальные зависимости, можно компенсации самого мелкого акцептора, уровень Ферми довольно точно определить степень компенсации акцепмедленно удаляется от валентной зоны при увеличении торов донорами. Для образца с = 1.6 · 1010 Ом · см Nd (разумеется, µ Ea/2 при Nd 0 и T 0). При = 0.90-0.92, для другого образца с = 9 · 108 Ом · см приближении Nd к Na1 это перемещение ускоряется, а = 0.044, т. е. большее достигается в результате при Nd = Na1 уровень Ферми „перескакивает“ в область большей компенсации, несмотря на меньшуюю глубину энергий µ Ea2. При дальнейшем увеличении Nd акцепторного уровня.

уровень Ферми снова медленно удаляется от валентной Для низкоомного образца Cd1-xZnxTe ( = зоны, пока Nd не приблизится к Na1 + Na2. Как только = 3 · 103 Ом · см, E = 0.22 эВ) такое же сопоставление Nd становится равным Na1 + Na2, уровень Ферми делает экспериментальной кривой с рассчитанными зависимоновый „прыжок“ в область энергий µ Ea3. Когда, стями µ(T ) не приводит к согласующимся результатам.

наконец, Nd превысит суммарную концентрацию всех Этого можно было ожидать, поскольку низкое свидеакцепторов Na1 + Na2 + Na3, уровень Ферми перемеща- тельствует о слабой компенсации акцепторной примеси, ется в верхнюю половину запрещенной зоны (проводи- а в этом случае E = Ea/2, т. е. в данном случае энергия мость становится электронной и резко возрастает).

ионизации Ea равна 0.44 эВ, а не 0.22 эВ. Сравнение Следует подчеркнуть, что процесс компенсации са- экспериментальной зависимости µ(T ) с кривыми, мого глубокого уровня происходит независимо от на- рассчитанными для Ea = 0.44 эВ при разной степени личия уже полностью скомпенсированных менее глубо- компенсации, подтверждает такое предположение ких уровней. Влияние этих уровней сводится к тому, (рис. 3, c). Как видно из рисунка, наилучшее согласовачто на их компенсацию „израсходовано“ необходимое ние результатов расчета с экспериментом достигается, количество доноров (в реальном случае под Nd следу- если предположить слабую, но все же ощутимую ет понимать суммарную концентрацию всех доноров). компенсацию 0.001. При столь слабой компенсации, На процесс компенсации частично компенсированного согласно (5), p =(NaNv)1/2 exp(-Ea/2kT ). Сравнивая уровня практически не влияют также расположенные с этим выражением экспериментальные значения выше более глубокие уровни, исключая очень узкую пе- концентрации дырок, которые легко определить, зная реходную область легирования Nd =(1 ± 0.05)Na, когда и подвижность дырок (p = 1/eµp), находим концентрапроисходит скачок уровня Ферми (особенно для глу- цию акцепторной примеси (дефекта) Na = 6 · 1015 см-3.

боких уровней, представляющих наибольший интерес).

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.