WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1 Влияние инверсии зон на фононные спектры твердых растворов Hg1-xZnxTe ¶ © Л.К. Водопьянов, И.В. Кучеренко, А. Марчелли, Е. Бураттини, М. Пиччинини, М. Честелли Гауди, Р. Трибуле+ Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 119991 Москва, Россия Национальная лаборатория Фраскати ИНФН, 00044 Фраскати, Италия + Лаборатория физики твердого тела, ЦНРС, Медон, Франция (Получена 26 апреля 2005 г. Принята к печати 10 мая 2005 г.) Узкозонные полупроводниковые сплавы II–VI и IV–VI являются удобным объектом для исследования электрон-фононного взаимодействия. Однако в сплавах IV–VI концентрация свободных носителей достаточно высока ( 1018 см-3), что затрудняет изучение этого эффекта методом оптического отражения. Концентрация свободных носителей в узкозонных твердых растворах Hg1-x Znx Te значительно меньше ( 1016 см-3), поэтому плазменная составляющая оказывает меньшее влияние на спектр решеточного отражения. Спектры отражения кристаллов Hg1-x ZnxTe с x = 0.1-1 исследовались в далекой инфракрасной области в диапазоне 30-700 см-1 в интервале температур 40-300 K. С помощью дисперсионного анализа и анализа Крамерса– Кронига определены частоты TO-фононов HgTe- и ZnTe-подобных мод в зависимости от состава. Показано, что перестройка фононного спектра имеет двухмодовый характер. В узкозонном сплаве с x = 0.1 измерены температурные зависимости частот TO-фононов и параметра затухания в интервале температур 80-200 K.

Впервые оптическими методами обнаружено уменьшение частоты TO-фонона мягкой моды вблизи точки инверсии зон при T = 110 K. Параметр затухания несколько возрастает в окрестности этой температуры.

Полученные результаты качественно согласуются с теоретической моделью Кавамуры и др., учитывающей влияние электрон-фононного взаимодействия на частоту мягкой моды в соединениях IV–VI.

PACS: 63.20.-e, 63.20.Dj, 63.20.Mt 1. Введение Уменьшение частоты поперечного оптического (TO) фонона вблизи точки инверсии зон в результате электрон-фононного взаимодействия теоретически было Узкозонные сплавы II–VI и IV–VI являются удобпредсказано Кавамурой и др. для узкозонных сплавов ным объектом для исследования электрон-фононного IV–VI [3]. Согласно предложенной модели, деформация, взаимодействия. Однако в сплавах IV–VI концентрация вызванная оптической модой, расщепляет почти выросвободных носителей достаточно высока ( 1018 см-3), жденные в точке инверсии уровни, и энергетическая что затрудняет исследование этого эффекта методом щель увеличивается. Уменьшение энергии электронной оптического отражения. Концентрация свободных носисистемы в результате понижения энергии электронов телей в узкощелевых твердых растворах Hg1-x ZnxTe валентной зоны компенсируется увеличением упругой значительно меньше ( 1016 см-3), поэтому плазменная энергии решетки, вызывая размягчение соответствуюсоставаляющая оказывает меньшее влияние на спектр щей фононной моды. Согласно [3], разность квадратов решеточного отражения.

исходной и перенормированной частот составляет Зонная структура твердых растворов HgZnTe аналогична зонной структуре хорошо изученных твердых рас- ln.

творов HgCdTe [1]. Бинарное соединение ZnTe является EF + EG - hTO широкозонным полупроводником, а HgTe — полуметалЗдесь EF — уровень Ферми, EG — ширина запрещенной лом. Зона проводимости твердых растворов Hg1-x ZnxTe зоны, TO — частота TO фонона. При EG + EF hTO с полупроводниковой стороны имеет симметрию, а частота TO фонона имеет минимальное значение.

валентная зона, состоящая из вырожденных в точке Величина этого эффекта пропорциональна константе зон легких и тяжелых дырок, имеет симметрию. Поэлектрон-фононного взаимодействия, выраженной через сле инверсии зон твердые растворы HgZnTe становятся оптический деформационный потенциал.

полуметаллом. В точке инверсии пересекаются все три зоны. Согласно [2], в растворе с x = 0.1 бесщелевое состояние достигается при T 120 K. Плавно изменяя 2. Эксперимент температуру в окрестности этой точки, можно пройти Серия монокристаллических образцов Hg1-xZnxTe через точку инверсии зон.

(x = 0.1-1) была выращена методом перемещающейся ¶ E-mail: vodopian@maill.lebedev.ru зоны нагрева. Подробное описание этого метода дано в 42 Л.К. Водопьянов, И.В. Кучеренко, А. Марчелли, Е. Бураттини, М. Пиччинини...

работе [4]. Состав образцов (x) определялся рентгеновским микрозондовым анализатором и из рентгеновских дифракционных измерений постоянной решетки. Для оптических измерений образцы полировались механически и травлением в полирующем травителе. Концентрация электронов, измеренная из эффекта Холла, составляла n = 4.5 · 1016 см-3 при T = 77 K, а подвижность µ = 920 см2/(В · c).

Коэффициент отражения измерялся в геометрии почти нормального падения света на спектрометре Фурье типа Bruker Equinox 55 FTIR в диапазоне частот 30-700 см-1 с разрешением 1 см-1. В качестве детектора использовался охлажденный до гелиевой температуры полупроводниковый болометр. Измерения на всех образцах проведены при температурах 40, 100, Рис. 2. Зависимости частоты TO фононов HgTe- и ZnTeи 300 K. Измерения на узкозонном образце с x = 0.подобных мод от состава в кристаллах Hg1-x ZnxTe при дополнительно проводились в интервале температур T = 295 K.

80-140 K с шагом 10 K.

3. Анализ спектров отражения Для анализа спектров инфракрасного (ИК) отражения использовалась динамическая диэлектрическая функция и обсуждение результатов в виде Спектры отражения Hg1-xZnx Te для различных соS 2 phf j j ставов представлены на рис. 1. Для всех составов () =hf + -, (1) 2 - 2 - i j ( + i ) четко видны две полосы отражения, характерные для j j двухмодового типа перестройки TO-фононного спектра, где первый член hf — высокочастотная диэлектрическая что полностью согласуется с результатами предыдущих проницаемость; второй член представляет вклад колебаисследований [5]. Из рисунка также видно, что с уветельных мод решетки и дефектов с частотами фононных личением концентрации Hg растет сила осциллятора мод j, силами осцилляторов S и параметрами затухаj HgTe-подобной моды и уменьшается сила осцилляторов ния ; третий член связан с плазменными колебаниями j ZnTe-подобной моды. При частоте 95 см-1 наблюдается с частотой p и параметром затухания = 1/, где дополнительная фононная мода в кристаллах с x = 0. — время релаксации свободных носителей заряда.

и 0.1. Природа этой моды до сих пор не ясна, но есть Спектры отражения сначала анализировались на оснопредположения, что она связана с вакансиями Hg [5].

ве соотношения Крамерса–Кронига, затем проводился В узкозонных образцах с x = 0.2 и 0.1 плазменные коледисперсионный анализ с использованием диэлектричебания вносят заметный вклад в коэффициент отражения.

ской функции (1). Подгонка расчетных значений коэффиЭто проявляется в увеличении R при частотах меньше циента отражения к экспериментальным данным осуще100 см-1 (рис. 1).

ствлялась по программе, использующей метод наименьших квадратов. Эта процедура позволила определить зависимости от состава и температуры следующих параметров: частоты TO фононов HgTe- и ZnTe-подобных мод, силы осцилляторов и параметров затухания. Из анализа преобразования Крамерса–Кронига были получены максимумы мнимой части диэлектрической проницаемости Im() и Im(-1/), что дает возможность определить TO и LO моды, которые мало отличались от частот, полученных из дисперсионного анализа.

На рис. 2 показаны зависимости частот TO фононов Hg1-xZnxTe от состава при T = 300 K. Видно, что в этом твердом растворе осуществляется двухмодовая перестройка фононного спектра.

Для исследования влияния бесщелевого состояния на спектр фононов был выбран кристалл с x = 0.1, в котором, согласно [2], пересечение зон при переходе от полупроводника к полуметаллу происходит при T 120 K. Спектры отражения были измерены в инРис. 1. Спектры отражения кристаллов Hg1-xZnx Te при тервале температур 80-140 K с шагом 10 K. Точность T = 295 K.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Влияние инверсии зон на фононные спектры твердых растворов Hg1-xZnxTe 166.5 до 171.8 см-1. В области бесщелевого состояния можно заметить лишь незначительное изменение наклона. Следует отметить, что существует крреляция между характером температурных зависимостей HgTeРис. 3. Спектр отражения для образца Hg0.9Zn0.1Te при T = 300 K. Экспериментальные значения R обозначены точками, расчетные значения с учетом диэлектрической функции (1) показаны сплошной кривой.

Рис. 4. Температурные зависимости частоты TO фонона HgTe-подобной моды и параметра затухания в образце с Hg0.9Zn0.1Te.

подгонки расчета к эксперименту для коэффициента отражения с динамической диэлектрической функцией в образце с x = 0.1продемонстрирована на рис. 3. Ошибка определения параметров для этого образца находилась в пределах 0.011-0.017.

Температурные зависимости HgTe- и ZnTe-подобных мод представлены на рис. 4 и 5. Температурная зависимость частоты HgTe-подобной моды имеет минимум при T = 110 K. Следует отметить, что плазменная частота имеет максимум при T = 110 K (рис. 6). Максимальные значения p соответствуют минимальным значениям эффективной массы электронов вблизи бесщелевого состояния.

Параметр затухания несколько увеличивается в интервале 120-80 K (рис. 4), но в действительности имеет большие значения, если принять во вни Рис. 5. Температурная зависимость частоты TO фонона ZnTeмание, что монотонно уменьшается с уменьшением подобной моды в образце Hg0.9Zn0.1Te.

температуры из-за уменьшения ангармоничности. Мы наблюдали такое поведение в полупроводниковых образцах с x = 0.2-0.93. Когда энергетическая щель становится сравнимой с энергией TO фонона, возникает дополнительный канал рассеяния в результате виртуальных переходов электронов из валентной зоны в зону проводимости с участием фононов, что и приводит к увеличению.

Сила осциллятора HgTe-подобной моды растет с уменьшением температуры, т. е. с уменьшением ширины энергетической щели, и имеет максимум при T = 110 K.

Для объяснения этого результата следует, вероятно, учесть влияние электрон-фононного взаимодействия на диэлектрическую функцию в условиях, когда ширина запрещенной зоны EG становится сравнимой с энергией TO фонона.

Частота ZnTe-подобной TO моды имеет совсем другую температурную зависимость: она возрастает при Рис. 6. Температурная зависимость плазменной частоты p в уменьшении температуры в интервале 300-80 K от образце Hg0.9Zn0.1Te.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 44 Л.К. Водопьянов, И.В. Кучеренко, А. Марчелли, Е. Бураттини, М. Пиччинини...

Список литературы [1] R. Dornhaus, G. Nimtz. Narrow-Gap Semiconductors.

Springer Tracts in Modern Physics (Springer Verlag, Berlin– Heidelberg–N. Y.–Tokyo, 1985) v. 98, p. 119.

[2] A. Sher, D. Eger, A. Zemel, H. Feldstein, A. Raizman. J. Vac.

Sci. Technol. A, 4, 2024 (1986).

[3] H. Kawamura, S. Katayama, S. Tanako, Hotta. Sol. St.

Commun., 14, 259 (1974).

[4] R. Tribulet, A. Lasbley, B. Toulouse, R. Granger. J. Cryst.

Growth, 79, 695 (1986).

[5] M.P. Volz, F.R. Szofran, S.L. Lehoczky, Ching-Hua Du. Sol. St.

Commun., 75, 943 (1990).

[6] M. Balkanski. Infr. Phys., 29, 729 (1989).

Редактор Т.А. Полянская Рис. 7. Температурная зависимость мод + и - в образце Hg0.9Zn0.1Te.

Effect of band inversion on the phonon spectra of Hg1-xZnxTe semiconductor alloys и ZnTe-подобных мод и температурной зависимостью запрещенной зоны этих бинарных соединений: темпера- L.K. Vodopyanov, I.V. Kucherenko, A. Marchelli, турный коэффициент ZnTe отрицателен, а HgTe положи- E. Burattini, M. Piccinini, M. Cestelli Guidi, + телен. Это указывает на возможную корреляцию меж- R. Tribulet ду колебательными модами и электронной структурой Lebedev Physical Institute, сплавов Hg1-xZnxTe.

Russian Academy of Sciences, В кристаллах с x = 0.1 существует сильное взаимо119991 Moscow, Russia действие LO фононов HgTe-подобной моды с плазмен Laboratori Nazionali Frascati INFN, ными колебаниями. Плазменная частота пересекается 00044 Frascati, Italy с частотой LO фонона моды HgTe, в результате чего + Laboratories de Physique des Solides, CNRS, возникает электрон-фононное спаривание [6]. Это взаMedon, France имодействие не позволяет непосредственно определить частоты LO фононов HgTe-подобной моды. Плазмонфононные HgTe-подобные спаренные моды + и -

Abstract

II–VI and IV–VI narrow-gap semiconductor alloys are определялись из частотной зависимости very suitable subjects for study of the electron-phonon interaction.

However, free carrier concentration is fairly high ( 1018 cm-3) Im - =, in IV–VI alloys that makes difficult to study this phenomenon ( )2 +( )by the optical reflection method. Free carrier concentration где и — действительная и мнимая части ди- in Hg1-x ZnxTe is much less ( 1016 cm-3) and as a result электрической функции, полученные из преобразований plasma vibration has less effect on the lattice vibration spectrum.

Крамерса–Кронига и дисперсионного анализа. ТемпеReflection spectra of Hg1-x Znx Te with x = 0.1-1 were studied ратурные зависимости спаренных HgTe-подобных мод in far infrared region 30-700 cm-1 in the temperature range представлены на рис. 7. На этих кривых также имеются 40-300 K. Composition dependences of TO-phonon HgTe- and минимумы при T = 120-110 K.

ZnTe-like modes are determined. It was found that the phonon spectra has two-mode behavior. Temperature dependences of TO-phonon frequencies and damping parameter are measured 4. Заключение in the temperature range 80-200 K in Hg0.9Zn0.1Te. For the first time decreasing of TO-phonon frequency of HgTe-like mode was Таким образом, мы наблюдали уменьшение частоты TO фонона HgTe-подобной моды и увеличение парамет- observed near the band inversion point at T = 110 K. The dampра затухания вблизи точки инверсии зон в Hg0.9Zn0.1Te. ing parameter slightly increases in vicinity of this temperature.

Этот результат качественно согласуется с предсказания- Experimental results qualitavely agree with the Kawamura theory ми теории, развитой для узкозонных полупроводников model which takes into account influence of the electron-phonon IV–VI [3]. Для объяснения представленных в данной interaction on the TO-phonon frequency of soft mode in IV–VI работе результатов необходимо создание новой теоnarrow-gap semiconductors.

ретической модели, учитывающей особенности зонной структуры твердых растворов II–VI.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проект № 03-02-17110.




© 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.