WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 6 Ю.И. Равич, С.А. Немов примесей и электроактивных дефектов по образцу. Ста- Лыков [34,35] открыли объемную сверхпроводимость с билизация химического потенциала приводит к высокой необычно высокой для полупроводников критической пространственной однородности концентрации носите- температурой до 1.4 K в PbTe с таллием (до 2.2 K при лей тока. Обычно микронеоднородности концентрации дополнительном легировании натрием [36,37]). Затем электрически активных примесей, включая статистиче- наблюдалась сверхпроводимость с еще более высокой ски равновесные флуктуации, приводят в полупроводни- критической температурой (до 4 K) в SnTe : In [38], где ках к флуктуациям концентрации свободных носителей примесные уровни In расположены внутри валентной и, как следствие, к росту магнитосопротивления в обла- зоны, как и в PbTe : Tl. Была обнаружена также коррести классически сильных магнитных полей с увеличе- ляция между сверхпроводимостью и резонансным раснием напряженности поля. В образцах PbTe с примесью сеянием в полупроводниках типа AIVBVI, легированных индия впервые наблюдалось насыщение магнитосопроти- элементами III группы: сверхпроводимость и резонансвления [5,18], соответствующее теории для однородных ное рассеяние имеют место одновременно, когда резополупроводников. нансные состояния создаются на фоне валентной зоны, Другим ярким проявлением высокой концентрацион- и зависимость интенсивности резонансного рассеяния ной однородности образцов PbTe, легированных инди- от содержания дополнительной примеси, изменяющей ем, является уникальная картина осцилляций эффекта положение уровня Ферми, коррелирует с соответствуюШубникова–де-Гааза. Обычно при низких температурах щими зависимостями критической температуры сверхнаблюдалось 2-3 пика в зависимости сопротивления проводимости и других параметров, характеризующих PbTe от магнитного поля [20], а осцилляции, связанные фазовый переход [5,6,9].

с более высокими уровнями Ландау, размывались вслед- Однако не было замечено никаких проявлений отрицаствие неоднородности концентрации носителей. В образ- тельной корреляционной энергии в явлениях переноса, це же PbTe с 1 ат% In было зарегистрировано до 28 ос- когда в них участвуют примесные состояния (в случаях цилляций Шубникова–де-Гааза [21]. резонансного рассеяния и прыжковой проводимости).

Стабилизация химического потенциала свидетельству- При наблюдении резонансного рассеяния примесные ет о том, что плотность электронных состояний на уровни существенно уширяются благодаря гибридизации уровне Ферми высока и следовало бы ожидать проявле- примесных и зонных состояний [6,9]. Как будет показано ний спинового парамагнетизма электронов. Между тем далее, прыжковая проводимость наблюдается при больпоиск парамагнитных эффектов в легированном индием ших содержаниях In, когда имеет место значительный теллуриде свинца и твердых растворах на его осно- разброс локализованных примесных уровней. По-видиве дал определению отрицательный результат [22–24]. мому, увеличение ширины полосы локализованных или Ситуация при легировании соединений AIVBVI индием резонансных состояний в обоих случаях нивелирует оказалась аналогичной существующей в аморфных полу- возможные проявления эффективного притяжения локапроводниках [12,25], и противоречие между пиннингом лизованных электронов.

химического потенциала и отсутствием парамагнетизма Как упомянуто выше, причиной эффективного притябыло устранено привлечением одной и той же модели жения между локализованными электронами является центров с отрицательной энергией Хаббарда U. Мойжес поляризация атомного окружения примесного центра:

с сотр. [22,26,27] для объяснения свойств PbTe с индием при парном заполнении центра электронами локальная и Андерсон [25] для аморфных полупроводников предпо- деформация кристаллической решетки увеличивается и ложили, что между двумя локализованными электрона- полная энергия системы понижается. Другим эффектом, ми может возникнуть эффективное притяжение вслед- обусловленным взаимодействием локализованных элекствие деформации электронами атомной подсистемы. тронов с решеткой, является долговременная релаксация Энергия двух одноэлектронных состояний в этом случае неравновесной концентрации электронов: при темпевыше, чем одного двухэлектронного, и локализованные ратурах ниже 20 K процессы перетекания электронов состояния либо пусты, либо заполнены двумя элек- между примесными и зонными состояниями в PbTe и тронами с противоположно направленными спинами. твердых растворах Pb1-xSnxTe с примесью In характеПредложенная модель объясняет не только отсутствие ризуются временами до нескольких часов [5,7,39–43].

парамагнитных эффектов, но и результаты исследования Равновесие в различных экспериментах нарушалось изрентгеновских фотоэлектронных спектров [24], а также лучением, вызывающим фотопроводимость, квантующим позволяет лучше понять вольт-амперные характеристики магнитным полем или сильным электрическим полем.

туннельных систем металл–диэлектрик–полупроводник Теоретическое объяснение эффекта долговременной (МДП структур), приготовленных из теллурида свинца, релаксации состоит в том, что любой электронный пелегированного индием [28,29]. реход сопровождается изменением зарядового состояния Еще одним проявлением отрицательной корреляци- примесного центра и требует перестройки окружающей онной энергии электронов в квазилокальных состояни- атомной подсистемы [44,45], поэтому процесс релаксаях, согласно Мойжесу [30–33], является сверхпроводи- ции носит активационный характер, и при понижении мость некоторых соединений типа AIVBVI, легирован- температуры ниже 20 K время релаксации увеличивается ных элементами III группы. Первоначально Черник и на несколько порядков.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Прыжковая проводимость по сильно локализованным примесным состояниям индия в PbTe... Благодаря долговременной релаксации возникает ано- с увеличением x вплоть до SnTe [1–4]. При низких теммально высокая фотопроводимость [7,39,42], с нею свя- пературах инверсия происходит при x = 0.35, с ростом зано отсутствие резонансного рассеяния в PbTe : In при температуры этот параметр увеличивается. Положение низких температурах [6,18]. Метастабильный характер примесного уровня In в такой инверсной зонной схеме, примесных состояний объясняет отсутствие связанных с как функция x [5], показано на рис. 3. При x < 0.пиком плотности состояний In особенностей туннельных уровень приближается к дну зоны проводимости со характеристик структур типа МДП, вместо них был об- скоростью i/x = -(0.3-0.4) эВ и при x 0.наружен гистерезис вольт-амперной характеристики при входит в запрещенную зону, которая равна приблизиизменении направления развертки напряжения [28,29]. тельно 0.07 эВ при этом содержании Sn. Таким образом, Далее мы будем рассматривать прыжковую проводи- при x 0.22 примесное состояние из резонансного мость главным образом при температурах порядка 100 K превращается в локализованное, химический потенциал и выше, поэтому перестройка решетки при перескоках стабилизируется в энергетической щели, что приводит электронов обсуждаться не будет. к крайне низким концентрациям свободных носителей, недостижимым без пиннинга уровня Ферми ни при каком способе приготовления полупроводников типа AIVBVI.

1.2. Примесные состояния в твердых растворах Исследование гальваномагнитных эффектов при низPb1-xSnxTe ких температурах, включая осцилляции Шубникова– В твердых растворах на основе PbTe, легированных де-Гааза, показало [47–49], что при x = 0.22 уровни In индием, наблюдается стабилизация химического потен- находятся в запрещенной зоне вблизи дна зоны проциала на уровне, существенно зависящем от состава водимости, при x = 0.26 достигают середины щели, твердого раствора. Замена Te другими халькогенидами затем образцы становятся дырочными, и уровни входят Se и S приводит к смещению уровня стабилизации, в валентную зону при x = 0.29. При больших значесовпадающего с примесным энергетическим уровнем, в ниях x, приближающихся к x = 1 (SnTe), примесные зону проводимости. Замещение Pb более легкими эле- состояния расположены в глубине валентной зоны, при ментами Sn и Ge сдвигает примесный уровень в сторону этом наблюдается резонансное рассеяние и сверхпровозапрещенной зоны. Наибольший интерес для нас пред- димость [38,50].

ставляет зависимость энергии примесного состояния i Вследствие зависимости положения примесных уровв Pb1-xSnxTe от содержания олова x.

ней In от содержания Sn следует ожидать заметного ушиПри постепенном увеличении x в этом полупровод- рения примесной полосы, связанного с пространственнике происходит инверсия электронной и дырочной зон:

ными флуктуациями x, в твердых растворах Pb1-x SnxTe энергетическая щель Eg сначала уменьшается, затем ре- по сравнению с примесными уровнями In в PbTe. Хоализуется бесщелевое состояние, после чего состояния тя это явление не исследовалось экспериментально в с симметрией L+ и L- меняются местами и щель растет Pb1-xSnx Te : In, аналогичный эффект уширения примес6 ной полосы резонансных состояний Tl несколько раз наблюдался в твердых растворах PbSe1-xSx : Tl [51].

1.3. Особенности примесных состояний при больших содержаниях In При содержаниях индия y до 2.5 ат% энергия примесных состояний слабо зависит от y. При более высоких концентрациях индия появляется существенная зависимость i(y), которая сопровождается целым рядом изменений свойств образцов PbTe, легированных In.

Особенности действия примеси индия при его содержаниях до величин порядка 20 ат% были изучены в работах [52,53]. Индий вводился в образцы, полученные методом Бриджмена, как примесь замещения атомов свинца, другими словами, исследовались твердые растворы Pb1-yInyTe. Положение примесного уровня как функция y определялось при температуре 4.2 K.

На рис. 4 изображены зависимости электропроводности, коэффициента Холла R и холловской подвижности |R| от y. Постоянная Холла, исключительно Рис. 3. Зонная схема твердых растворов Pb1-x SnxTe и поло- стабильная при y < 0.025, при дальнейшем увеличежение примесного уровня In как функция x при T = 0K [5]. нии y монотонно возрастает по абсолютной величине, Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 8 Ю.И. Равич, С.А. Немов При y > 0.12 наблюдается резкое ускорение падения электропроводности и подвижности, которое было объяснено [54] возникновением случайного потенциального рельефа. Резкое падение происходит, когда химический потенциал входит в область рельефа края зоны проводимости, что вызывает не только рассеяние электронов, но и искажение линий тока. Из значения химического потенциала при y = 0.12 следует оценка характерной величины потенциального рельефа V 0.03 эВ.

Возникновение рельефа прямо связано с самой зависимостью положения стабилизирующих химический потенциал примесных уровней от концентрации атомов In. Если при малых величинах y флуктуации концентрации примеси вследствие пиннинга химического потенциала не приводят к неоднородности концентрации электронов, при больших y величина i и энергетическое расстояние между химическим потенциалом и краем зоны проводимости флуктуируют вместе с концентрацией индия. Таким образом, падение подвижности с ростом y обусловлено как увеличением потенциального рельефа, так и понижением уровня Ферми. Возникновение неоднородности концентрации, неразрывно связанное с потенциальным рельефом, подтверждается независимыми экспериментальными данными: описанная выше необычно отчетливая картина осциляции Шубникова–де-Гааза Рис. 4. Зависимость удельной электропроводности (1), холи насыщение магнитного сопротивления в сильных неловской подвижности (2) и коэффициента Холла (3) при квантующихся полях наблюдаются лишь при y < 0.02 и T = 4.2 K от состава твердого раствора Pb1-y InyTe [52].

резко пропадают при увеличении y выше этого значения.

Возможны и другие источники потенциального рельефа при больших содержаниях In, например механические напряжения, возникающие благодаря хаотической почти на 2 порядка в исследованном интервале изменепространственной неоднородности постоянной решетки ния y. Этот рост свидетельствует о том, что примесный уровень In и связанный с ним химический потенциал смещаются к дну зоны проводимости. Энергия примесного состояния i как функция содержания индия y, рассчитанная из холловской концентрации, приведена на рис. 5. В интервале изменения y приблизительно 0.05-0.15 падение i линейно, соответствующая производная i/x -0.55 эВ, и при сохранении линейного хода i(y) примесный уровень должен был бы выйти из зоны проводимости при y = 0.18. Однако, кажется, что при приближении к запрещенной зоне уменьшение i замедляется, и уровень остается в зоне проводимости вплоть до y = 0.20. Далее мы вернемся к обсуждению этой детали кривой i(y).

Падение электропроводности с ростом y, как показывает кривая для |R|, обусловлено уменьшением как концентрации электронов из-за смещения химического потенциала, так и их подвижности. При содержании индия y 0.12 падение подвижности относительно плавное и объясняется ростом количества рассеивающих атомов In, причем сечение рассеяния имеет обычную для рассеяния на короткодействующем потенциале примесей величину порядка 10-16 см2, даже меньшую, чем для атомов галогенов. Это означает, что резонансное рассеяние Рис. 5. Зависимость положения примесного уровня In в PbTe отсутствует, как и при малых y. от содержания индия y при низких температурах [52].

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Прыжковая проводимость по сильно локализованным примесным состояниям индия в PbTe... при флуктуациях y. Еще одним источником потен- При увеличении температуры от 4.2 K до приблизициального рельефа может быть спинодальный распад тельно 30 K термическое возбуждение электронов притвердого раствора Pb1-yIny Te на фазы с различными водит к увеличению числа электронов с относительно величинами y. В работе [54] показано, что электроны большой энергией, подвижность которых меньше подавв примесных состояниях In вносят отрицательный вклад лена рельефом, что приводит к росту. При темпево вторую производную плотности свободной энергии ратурах выше 30 K необходимо учесть температурное по y, что способствует спинодальному распаду. Нако- смещение примесных уровней и химического потенциала нец, в твердых растворах на основе PbTe, таких как в сторону запрещенной зоны и, как следствие, падение (Pb1-xSnx)1-yInyTe, флуктуации концентрации Sn также концентрации электронов в зоне проводимости и элексопровождаются неоднородностью i и увеличением по- тропроводности с ростом температуры. При температенциального рельефа. туре около 30 K имеется максимум в зависимости (T ) в рассматриваемом интервале изменения y.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |



© 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.