WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, № 1 Термостимулированные токи и неустойчивости фотоотклика в сплавах на основе PbTe(In) при низких температурах © Б.А. Акимов, В.А. Богоявленский, Л.И. Рябова, В.Н. Васильков, Е.И. Слынько Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия (Получена 5 мая 1998 г. Принята к печати 19 мая 1998 г.) Исследованы фотоэлектрические свойства эпитаксиальных пленок Pb1-X-Y SnXGeY Te(In) (0.06 < X < 0.2, 0.08 < Y < 0.12) с концентрацией In 0.5–1 ат% на подложках BaF2 в диапазоне температур 4.2 < T < 30 K.

Единичные пики термостимулированных токов наблюдаются при T 6 - 14 K. Установлено, что магнитное поле до 5 Тл слабо сдвигает положение пиков, практически не влияя нжа их форму. Пики термостимулированных токов и обнаружнные при T < 15 K электротермические неустойчивости объясняются возбуждением электронов из метастабильных состояний в зону проводимости.

Введение последнем случае термическая энергия активации проводимости системы EA соответствует переходам E2 - EC.

Твердые растворы на основе PbTe с примесью In явля- По имеющимся данным, эта величина увеличивается ются интересными объектами для исследований необыч- в сплавах Pb1-X-Y SnXGeY Te(In) с ростом X и Y [7].

ных примесных состояний в полупроводниках [1]. При- В диэлектрическом состоянии уровень E1 может быть кладные аспекты проблемы связаны с конструированием расположен как выше, так и ниже уровня EC.

фотоприемных устройств на основе данных соединений В настоящей работе проведен цикл экспериментов по для инфракрасного (ИК) диапазона спектра [2,3]. исследованию кинетических характеристик неравновесных процессов с целью обнаружить и изучить особенУстановлено, что введение In в PbTe в количестве ности метастабильных состояний примесных центров в 0.5–2.0 ат% приводит к закреплению уровня Ферми (УФ) сплавах Pb1-X-YSnX GeY Te(In).

на 70 мэВ выше дна зоны проводимости, а также к повышению однородности электрофизических свойств монокристаллов. При температурах T < TC 20 K Исследованные образцы, в PbTe(In) при выведении из состояния равновесия особенности методики эксперимента наблюдаются долговременные релаксации электронных распределений [1].

Эпитаксиальные пленки состава Pb1-X-YSnX GeY Te(In) Стабилизация УФ может осуществляться в запребыли получены методом горячей стенки на подложках щенной зоне твердых растворов Pb1-XSnXTe(In) [1], из BaF2 [2]. Состав шихты для синтеза соответствовал Pb1-XMnXTe(In) [4], Pb1-XGeXTe(In) [5]. Для создатрем сериям: X = 0.06, Y = 0.08, CIn = 1%;

ния фотоприемных устройств на базе данных сплавов X = 0.1, CIn = 0.5% и X = 0.2, Y = 0.12, CIn = 1%.

предпочтительно использование эпитаксиальных плеТемпераутрнай режим камеры поддерживался таким нок, которые могут быть получены методами горячей образом, что температура подложки фиксировалась стенки и молекулярно-лучевой эпитаксии, в том чипри 380C, а градиент в реакционной зоне составлял сле и на кремнии с переходными слоями [6]. Широне более 1-3C. В таких условиях, очень близких к кие возможности вариации параметров энергетическорановесным, рост пленки продолжался в течение 7–8 ч.

го спектра представляются при исследовании сплавов Толщина полученных пленок варьировалась при этом Pb1-X-YSnX GeY Te(In) [7]. Но главным преимуществом от 1 до 6 мкм. Температурные зависимости удельного этих твердых растворов является наиболее высокое знасопротивления пленок, снятые в условиях полного чение температуры появления задержанной фотопроэкранирования образцов от фонового излучения и водимости TC 36 K [2] по сравнению с другими при ИК подсветке, показаны на рис. 1. Все образцы исследованными сплавами на основе PbTe(In).

обладали высокой фоточувствительностью (изменения По существующим представлениям, примесь In в PbTe сопротивления составляли 4–6 порядков при 4.2 K) и сплавах на его основе индуцирует формирование глу- и имели значение термической энергии активации боких DX-подобных центров. Такие центры описываются EA в диапазоне от 4 до 44 мэВ. Вариация величины в рамках конфигурационных диаграмм [4,8,9] для систе- EA обусловлена изменением состава пленок и шихты мы трех уровней: EC -E1 -E2. Уровень EC соответствует в процессе нескольких последовательных процедур дну зоны проводимости, уровень E1 отвечает метаста- синтеза, осуществленных после шихты фиксированного бильному одноэлектронному состоянию. Уровень Ферми состава.

стабилизируется на основном двухэлектронном уровне В настоящей работе применялась в основном станE2. При E2 > EC в сплавах реализуется металличе- дартная методика термоактивационной токовой спектроское состояние, при E2 < EC — диэлектрическое. В скопии, подробно описанная, например, в книге [10].

10 Б.А. Акимов, В.А. Богоявленский, Л.И. Рябова, В.Н. Васильков, Е.И. Слынько Экспериментальные результаты Типичный вид кривых ТСТ показан на рис. 2 для пленки с энергией активаци EA 35 мэВ. Образец пленки с размерами 1 2 мм охлаждался до 4.2 K и засвечивался ИК излучением с помощью миниатюрной лампы накаливания с максимальной мощностью излучения до 30 мВт. Напряжение на образце фиксировалось на уровне 1 В, регистрировался ток в цепи образца.

Далее подсветка выключалась и наблюдалась длительная (до нескольких десятков минут) релаксация фототока I.

Участок 1–2 на зависимостях I от времени t, приведенных на рис. 2, соответствует некоторой конечной стадии релаксации. В условиях остаточной релаксации фототока в момент времени, соответствующий точке 2, образец начинали нагревать со скоростью 1–3 K/с. При этом были зарегистрированы пики ТСТ, максимумы которых находились в диапазоне от 6 до 14 K, а форма пиков зависела от режима нагревания. На рис. 2 кривые 2, 3, 4, и 2, 3, 4, 5 соответствуют нагреву образца со скоростью 1 и 2 K/с соответственно. Вблизи точки 4 ток I Рис. 2. Типичный вид автоматической записи термостимулипочти достигал своего темнового значения. На участрованных токов в исследуемых пленках (см. текст).

ках 4-5, 4-5 наблюдается характерное возрастание тока, связанное с термической активацией проводимости даже в условиях экранирования.

существенно более низких температурах. Как видно из В отличие от имеющихся многочисленных данных [10] приведенных на рис. 2 данных, пик ТСТ является единпики ТСТ в исследованных системах наблюдаются при ственным и не содержит каких-либо особенностей.

Ранее, в работах [11,12], обращалось внимание на необычное поведение свойств метастабильных (парамагнитных) центров в сплавах на основе PbTe с примесями In и Ga. Поэтому в настоящей работе были исследованы особенности пиков ТСТ в магнитных полях до 5 Тл.

Было установлено, что в магнитном поле амплитуда ТСТ понижается, а максимум пиков незначительно сдвигается в сторону более низких температур (рис. 3).

С ростом напряжения, приложенного к пленке (до 5 В) в условиях непрерывной подсветки, обнаружены квазипериодические колебания тока (рис. 4, края кривой 1).

Такого рода колебания подробно иписывались ранее для метастабильных состояний в PbTe(Ga) [13]. Кривая 2 на рис. 4 описывает кратковременное изменение окружающей среды от 4.2 до 15 K в максимуме. При таком изменении ток через образец при прочих равных условиях падает, а неустойчивости исчезают.

При исследовании фотоотклика образцов при 4.2 K было обнаружено явление бистабильности. Оказалось, что в том случае, когда интенсивность подсветки достаточно мала, для нарастания фототока при напряжениях до 3 В в систему необходимо вносить дополнительное возбуждение. Оно может быть реализовано посредством повышения температуры образца или с помощью подсветки дополнительным источником ИК излучения. ОбРис. 1. Температурные зависимости сопротивления образцов щая схема эксперимента состояла в следующем. Образец пленок Pb1-X-Y SnXGeY Te(In) с различной энергией активации засвечивался малой засветкой при 4.2 K и затем подсветпри низких температурах в условиях экранирования (1, 2, 3) и при ИК подсветке (1, 2, 3 ). ка выключалась. Через некоторое время после начала Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, № Термостимулированные токи и неустойчивости фотоотклика в сплавах на основе PbTe(In)... Обсуждение результатов Интерпретация экспериментальных результатов возможна в рамках описанной ранее модели глубоких центров. К сожалению, из-за сложности изучаемых многокомпонентных систем и наличия фазового перехода в исследуемом интервале температур можно предложить лишь феноменологическое описание явлений.

Наиболее логичной представляется гипотеза, что пики ТСТ соответствуют переходам носителей заряда между метастабильным уровнем E1 и зоной проводимости. Возбуждение системы светом приводит к тому, что с уровней E2 электроны возбуждаются в зону проводимости.

При этом индуцируются электронные метастабильные состояния с уровнем E1. В процессе релаксации электронных распределений некоторое количество центров с энергией E1 остается заселенным. Нагрев образца приводит к термическому возбуждению локализованных на этих центрах электронов в зону проводимости, при этом в начале нагрева проводимость образца увеличивается, а уровни E1 начинают опустошаться. Темп переходов зонных электронов на уровень E2 оказывается более высоким, чем темп повторного их захвата на уровень E1.

Это может быть связано с тем, что число состояний на Рис. 3. Вид записи кривых термостимулированных тоуровне E2 гораздо выше, чем на уровне E1. С дальнейков в отсутствие магнитного поля (1) и в магнитном пошим ростом температуры происходит опустошение как ле (2 — H = 1Тл, 3 — H = 5Тл).

зоны проводимости, так и уровня E1. В динамике весь описанный процесс и приводит к пику ТСТ. Описание такого рода процессов аналогично хорошо известным токам ТСТ в широкозонных полупроводниках [10], следует лишь проследить аналогию между известными уровнями прилипания и метастабильными состояниями E1.

Качественный результат состоит в том, что наблюдается единственный пик ТСТ с максимумом при крайне низких температурах 6–14 K. Пик сдвигается в магнитном поле, но не расщепляется. Количественные точные расчеты положения уровня E1 в методике ТСТ затруднены, однако приблизительные оценки дают значения энергии перехода порядка 10–20 мэВ. Те же значения энергии можно получить из рассмотрения картин электротермических неустойчивостей при различных температурах по методике работы [13]. Естественно также считать существование самих неустойчивостей качественным подтверждением предложенной модели.

Рис. 4. Электротермические неустойчивости тока в цепи Заметим, что факт наблюдения единственного пика образца (1) и их трансформация при изменении температуры окружающей среды (2). ТСТ может дать некоторую информацию о фазовом переходе в пленках Pb1-X-YSnX GeY Te(In). Как видно из рис. 1, никаких особенностей на кривых температурных зависимостей сопротивления не наблюдается.

релаксации фототока подсветка снова включалась, но Совокупность полученных данных указывает на то, что это последующее включение никак не влияло на рев рассматриваемых системах фазовый переход может лаксацию. Далее на некоторое время включался либо подавляться. Не исключена также и противоположная нагреватель образца, либо дополнительный источник ситуация: расщепление эквивалентных долин достаточно ИК излучения. Было установлено, что при температуре велико, так что в качестве уровня EC выступает лишь образца около 6 K он вновь становится фоточувстви- одна нижняя долина.

тельным и в дальнейшем описанный цикл обратимо Положение уровня E1 зависит от состава сплава.

воспроизводится. Наблюдение этого уровня при E1 > EC, по-видимому, Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, № 12 Б.А. Акимов, В.А. Богоявленский, Л.И. Рябова, В.Н. Васильков, Е.И. Слынько возможно, если учитывать, что существует барьер в Thermally induced currents конфигурационном пространстве между этим уровнем and instabilities of photoresponse и зонной проводимости [4,9]. Однако методически наin PbTe(In)-based alloys at low блюдение этого эффекта в сплавах с малой (до 10 мэВ) temperatures энергией активации осложняется тем, что наличие в камере с образцов источников с температурой выше B.A. Akimov, V.A. Bogoyavlenskiy, L.I. Ryabova, 15 K приводит к заметной фотопроводимости пленок. V.N. Vasil’kov, S.I. Slyn’ko При больших энергиях активации (выше 40 мэВ) релакM.V. Lomonosov Moscow State University, сации фототока становятся столь быстрыми, что ТСТ 119899 Moscow, Russia зарегистрировать не удается. Таким образом, наиболее надежными можно считать данные, полученные в проме

Abstract

The thermally induced currents (TIC) and instabilities жуточном интервале энергий активации.

of photoresponse in Pb1-X-Y SnXGeY Te(In) (0.06 < X < 0.2;

Интерпретация экспериментов по бистабильности фо0.08 < Y < 0.12; 0.5% < CIn < 1%) films prepared on BaFтоотклика и зависимостей формы и положения пиков substrates have been investigated at temperatures 4.2 < T < 30 K.

ТСТ от магнитного поля пока вызывает затруднения.

The temperature corresponding to the maximum of single TIC В заключение отметим важное следствие предста- peaks TM appears to be extremely low being from 6 K up to 14 K вленных исследований. Существование метастабильных for films with different compositions. It is established that the influence on the magnetic fiels up to 5 T on the shape of TIC состояний, которые могут быть частично заселены при peaks and TM values is negligible. The results are interpreted in подсветке, фактически означает, что на базе рассматриваterms of thermal excitation of charge carriers from a metastable емых сплавов могут быть созданы длинноволновые фотоimpurity level E1 to the conduction band EC. At low excitation приемные устройства с предварительным возбуждением levels under the IR-illumination instabilities of photoresponse have метастабильных состояний.

been observed at temperatures close to 4.2 K. The combined effect of lighting and slight heating of the sample up to 6K results Работа выполнена при частичной поддержке Российin reducing or increasing of the photoresponse depending on ского фонда фундаментальных исследований, гранты experimental conditions.

№ 96-02-16275-a и № 96-15-96500.

Fax: (095) 932 88 76 (Akimov) E-mail: akimov@mig.phys.msu.su (Akimov) Список литературы [1] B.A. Akimov, A.V. Dmitriev, D.R. Khokhlov, L.I. Ryabova.

Phys. St. Sol. (a), 137, 9 (1993).

[2] V.F. Chishko, V.T. Hryapov, I.L. Kasatkin, V.V. Osipov, E.I. Slyn’ko, O.V. Smolin, V.V. Tretinik. Infr. Phys., 33, (1993).

[3] B.A. Akimov, L.I. Ryabova, V.N. Shumskiy, N.I. Petikov. Infr.

Phys., 34, 375 (1993).

[4] Б.А. Акимов, Н.А. Львова, Л.И. Рябова. ФТП, 30, (1996).

[5] Х.А. Абдуллин, А.И. Лебедев. Письма ЖЭТФ, 39, (1984).

[6] H. Zogg, S. Blunier, T. Hoshino, C. Maissen, J. Masek, A.N. Tiwari. IEEE Trans. Electron. Dev., 38, 1110 (1991).

[7] Х.А. Абдуллин, А.И. Лебедев. ФТП, 19, 1725 (1985).

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.