WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 2 Возбужденные состояния ионов халькогенов в германии © А.Ю. Ушаков, Р.М. Штеренгас, Л.М. Штеренгас, Н.Б. Радчук Санкт-Петербургский государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия (Получена 26 июля 1997 г. Принята к печати 31 июля 1997 г.) Исследован энергетический спектр примесей халькогенов в германии методами фотопроводимости, оптического поглощения и фотолюминесценции. Проведена идентификация обнаруженных ранее возбужденных состояний ионов этих примесей. Показано, что наблюдаемые возбужденные состояния ионов теллура Te+ и селена Se+ связаны соответственно с - и L-точками зоны Бриллюэна германия.

Халькогены, имея на 2 валентных электрона больше, маний p-типа проводимости, легированный мелкой акчем атомы основной решетки, ведут себя в германии цепторной примесью галлия в различной концентрации как глубокие двухзарядные донорные примеси замеще- от 7 · 1013 до 2 · 1015 см-3. Контроль электрофизических ния [1], создающие в запрещенной зоне два уровня, параметров образцов осуществлялся методом эффекта соответствующие нейтральному и однократно положи- Холла. Оптические и фотоэлектрические измерения в тельно заряженному состояниям атома халькогена. Ра- области энергий 240 500 мэВ проводились на спектроботы по изучению энергетического спектра халькогенов метре с решеткой 200 штрихов/мм. Для области меньших в германии немногочисленны [2–6]. Наибольшее внима- энергий применялась решетка 50 штрихов/мм. Большинние в литературе уделяется основным состояниям этих ство измерений выполнено при температурах вблизи 54 примесей. Менее изучены их возбужденные состояния, и 77 K. Фотолюминесценция возбуждалась излучением исследование которых безусловно интересно, так как в импульсной ксеноновой лампы.

отличие от глубоких основных к ним применимо при- Наши фотоэлектрические и оптические измереближение эффективной массы. Известны лишь резуль- ния [7,9] показали, что энергетические зазоры между таты Grimmeiss et. al. [5,6], наблюдавших возбужденные донорными уровнями, создаваемыми туллуром в запресостояния нейтральных атомов серы, селена и теллура щенной зоне германия, и дном зоны проводимости состав германии. Для однократно положительно заряженных вляют 95 и 280 мэВ для атома (Te0) ииона (Te+) теллура атомов в [5] приводятся данные только для иона селена.

соответственно, что согласуется с известными данными Однако, по словам самих же авторов, идентификация других авторов [2,5]. Кроме того, в определенном инсостояний была затруднена из-за плохого разрешения тервале значений степени компенсации k (k = NGa/Nch, структуры в спектре. Нами были впервые обнаружены где NGa — концентрация галлия, Nch — концентрация возбужденные состояния ионов серы, селена и теллура в халькогена) на фоне обычной примесной фотопроводигермании при исследованиях оптическими и фотоэлек- мости нами был обнаружен максимум фотоэффекта при трическими методами [7,8]. В дальнейшем путем ис- энергии 375 мэВ. На рис. 1 приведен спектр фотопровоследования образцов с различной степенью компенсации димости образца Ge : Te со степенью компенсации k было подтверждено, что наблюдавшиеся резонансные при температуре 77 K. Малая ширина пика, порядка kT пики в спектрах связаны с переходами в возбужденные на уровне 0.5 от максимума, свидетельствует о том, состояния именно ионов теллура [9], серыи селена [10], что эта особенность в спектре обусловлена переходами а также уточнены энергетические спектры примесных в возбужденное состояние. Необычность наблюдаемых состояний, создаваемых в германии халькогенами. Также результатов заключается в том, что переход в возбубыла обнаружена фотолюминесценция с участием ионов жденное состояние наблюдается на фоне непрерывного селена и теллура [11]. В данной работе проведена спектра, т. е. происходит при энергиях, больших глубины идентификация возбужденных состояний селена и туллу- залегания примесного состояния (280 мэВ), тогда как ра, обосновывается связь возбужденных состояний этих традиционно возбужденные состояния локализованы в примесей с различными точками зоны Бриллюэна герма- области меньших энергий.

ния, предлагается объяснение существенно различного Для анализа природы наблюдаемой особенности бывклада в спектры фотопроводимости примесей селена и ли проведены исследования ряда образцов с различной теллура с учетом всех полученных результатов.

степенью компенсации, т. е. с различными зарядовыми Образцы для исследования были приготовлены пе- состояниями теллура, и при различных температурах [9].

рекристаллизацией в вакуумированных ампулах в гра- Снижение температуры откачкой паров азота сопроводиентной печи с последующей быстрой закалкой для ждалось ростом амплитуды и сужением пика, а также предотвращения выделения халькогена в виде электриче- смещением его в область больших энергий, что соот ски неактивных комплексов. Для управления зарядовым ветствует отрицательному температурному коэффицисостоянием двухзарядной донорной примеси халькоге- енту изменения ширины запрещенной зоны германия.

нов в качестве исходного материала применялся гер- При температуре жидкого азота уровень, соответству156 А.Ю. Ушаков, Р.М. Штеренгас, Л.М. Штеренгас, Н.Б. Радчук в возбужденное состояние Te+ соответствует уровень, лежащий на фоне зоны проводимости, выше абсолютного минимума, находящегося в L-точке, и ниже на 38 мэВ экстремума в -точке. Разумно предположить, что в возбужденном состоянии электрон иона теллура связан с экстремумом. Электроны из возбужденного состояния с испусканием серии фононов переходят в абсолютный минимум зоны проводимости и дают вклад в фототок.

Поскольку коэффициент поглощения для переходов в возбужденное состояние на порядок превосходит величину для ”фонового” примесного поглощения, вклад этого процесса в фотопроводимость может быть весьма большим. В результате переход в возбужденное состояние приводит к резкому возрастанию фотоэффекта и на кривой фотопроводимости появляется пик.

Рис. 1. Спектр фотопроводимости Ge : Te при 77 K, k 1.

Для идентификации возбужденного состояния найденное из эксперимента значение энергии связи сравнивалось с данными теоретического расчета [12], выполненного в приближении эффективной массы для реальной ющий нейтральному теллуру Te0 (с энергией ионизазонной структуры германия. Наилучшее совпадение с ции 95 мэВ), ионизован, и фотопроводимость начинается данными [12] отмечено для состояния 1s. В [6,13] при энергии 280 мэВ. При снижении температуры ниже обнаружено, что энергии связи состояния 1s, рассчи77 K в образцах с малой компенсацией (k < 0.1) танной в приближении эффективной массы, в случае происходит заполнение верхнего уровня и фотоэффект глубоких примесей в Si и Ge соответствует трехкратно начинается с энергии 95 мэВ. При степени компенсации вырожденное состояние 1s(T2), образовавшееся в реk = 2 пик отсутствовал при всех температурах, и зультате расщепления шестикратно (для Si) и четырехфотопроводимость начиналась с 450 мэВ, что соответкратно (для Ge) вырожденного основного состояния в ствует переходам из валентной зоны на уровень иона результате долинно-орбитального взаимодействия. В гертеллура Te+. Относительная величина пика оказалась мании 1s-состояние расщепляется на 1s(A1) и1s(T2) [14], максимальной при степени компенсации k 1 и примергде A1 и T2 — неприводимые представления группы но на порядок превышала уровень фона. Таким образом, тетраэдра Td, к которой принадлежит решетка гермаамплитуда пика оказывается пропорциональной числу ния. Истинно основным, самым глубоким, оказывается ионов теллура, определяющемуся как степенью компенпри этом невырожденное 1s(A1)-состояние. Переходы сации, так и изменением температуры.

Спектры оптического поглощения подобны спектральным зависимостям фотопроводимости и имеют максимум при той же энергии 375 мэВ. Рассчитанное из спектра сечение поглощения в области максимума возрастает на порядок и достигает величины 10-15 см2.

Максимальная величина коэффициента поглощения наблюдалась в образцах со степенью компенсации k 1.

Совокупность полученных данных позволила сделать вывод о связи наблюдаемой особенности в спектре фотопроводимости с переходами в возбужденное состояние именно ионов теллура.

На рис. 2 показана энергетическая диаграмма состояний теллура в германии. Численные значения приведены для температуры жидкого азота. Так как Te создает в Ge глубокие энергетические уровни, электроны теллура сильно пространственно локализованы. Большая глубина залегания обоих основных энергетических состояний теллура в германии подразумевает сильную локализацию примесных электронов в r-пространстве и, соответственно, неопределенность по волновому вектору, что отражено на рисунке пунктирными линиями в Рис. 2. Энергетическая диаграмма состояний примеси теллура пределах всей зоны Бриллюэна германия. Измеренным в германии при 77 K. Стрелкой показан переход электрона иона значениям энергии ионизации Te+ и энергии перехода теллура в возбужденное состояние.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Возбужденные состояния ионов халькогенов в германии между s-состояниями запрещены правилами отбора в дипольном приближении. Однако в [6,13] высказываются соображения о том, что для глубоких примесей с сильно пространственно локализованными орбиталями требования правил отбора в дипольном приближении становятся менее жесткими, и определяющими уже оказываются соображения симметрии, которая разрешает оптические переходы типа ns(A1) ns(T2).

Исследование примеси Se дало существенно другие результаты. На рис. 3 изображена типичная спектральная зависимость фотопроводимости Ge : Se при 77 K и степени компенсации k 0.5. В области энергий 350 370 мэВ мы наблюдали резкое снижение фототока на фоне обычного примесного фотоэффекта. В этой области различаются три частично перекрывающиеся спектральные линии шириной порядка kT при энергиях 353, 362 и 368 мэВ, связанные с переходами в возбужденные состояния. Особенность в спектре наблюдается в узком интервале значений степени компенсации и Рис. 4. Энергетическая диаграмма состояний примеси селена наиболее сильно проявляется при степени компенсации в германии при 77 K. Стрелками показаны переходы электронов k 0.5, т. е. когда в материале одновременно прииона селена в возбужденное состояние.

сутствуют атомы (Se0) и ионы (Se+) примеси селена.

Снижение температуры до 54 K вызывает лишь сужение и смещение линий пропорционально kT. Таким образом, примеси Se и Te дают существенно различный вклад в Энергетический спектр примеси селена в германии фотопроводимость. Особенность, связанная с переходом в соответствии с нашими результатами изображен на иона теллура в возбужденное состояние, наблюдается на рис. 4. Возбужденные состояния иона селена Se+ фоне фотопроводимости за счет переходов с уровня Te+.

расположены под абсолютным минимумом зоны проВ случае селена особенности наблюдаются на фоне водимости Ge в L-точке с зазорами 4, 10 и 19 мэВ.

переходов электронов с нейтрального атома селена Se0 Отрицательный вклад в фотопроводимость переходов и кроме того дают отрицательный вклад в фототок.

ионов селена в возбужденные состояния связан с тем, В спектрах поглощения Ge : Se обнаруживаются мак- что за счет на порядок большего сечения поглощения симумы при тех же энергиях. Сечение поглощения от- такие переходы составляют эффективную конкуренцию носительно примесного ”фона” возрастает на порядок. примесной фотопроводимости, связанной с переходами Коэффициент поглощения в этой области достигает мак- с уровня атома селена Se0. Энергетический зазор между симального значения при степени компенсации k 1. возбужденными состояниями и зоной проводимости Ge, как следует из наших данных, невелик, и то, что элекСовокупность полученных данных свидетельствует в троны при температуре жидкого азота не забрасываются пользу принадлежности наблюдаемых возбужденных сотермически в зону, свидетельствует о малом времени стояний именно иону селена Se+.

жизни в возбужденных состояниях. В результате возбуждение электрона сопровождается снижением фотоэффекта.

Для идентификации состояний полученные значения энергии сравнивались с теоретическими данными [12].

Малая величина энергетических зазоров между возбужденными состояниями и зоной проводимости Ge допускает применение приближения эффективной массы.

Наши результаты находятся в хорошем согласии с данными [12] для состояний 2P0, 3P0 и 3P±.

Для выяснения возможной связи наблюдаемых особенностей в спектрах с комплексами было исследовано несколько образцов со смешанным легированием теллуром и селеном в различных процентных соотношениях и с одинаковой степенью компенсации k 0.8, при которой проявляются особенности в германии как с примесью теллура (Ge : Te), так и с примесью селена (Ge : Se) [8].

Рис. 3. Спектр фотопроводимости Ge : Se при 77 K, k 0.5.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 158 А.Ю. Ушаков, Р.М. Штеренгас, Л.М. Штеренгас, Н.Б. Радчук Смешанное легирование привело к простому сумми- [5] H.G. Grimmeiss, L. Montelius, K. Larsson. Phys. Rev. B, 37, 6916 (1988).

рованию вкладов от обеих примесей без образования [6] H.G. Grimmeiss, K. Larsson, L. Montelius. Sol. St. Commun., качественно новых деталей. Относительная величина 54, 863 (1985).

вкладов элементов спектров, характерных для каждой из [7] Н.Б. Радчук, А.Ю. Ушаков. ФТП, 16, 1855 (1982).

примесей, пропорциональна процентному содержанию [8] Н.Б. Радчук, А.Ю. Ушаков. ФТП, 19, 749 (1985).

компонентов. Таким образом, наблюдаемые нами пере[9] Н.Б. Радчук, А.Ю. Ушаков, Р.М. Штеренгас. ФТП, 29, ходы в возбужденные состояния связаны с одиночными (1995).

халькогенами, и, по-видимому, при применяемой нами [10] Н.Б. Радчук, А.Ю. Ушаков, Р.М. Штеренгас. ФТП, 29, технологии выращивания, основанной на введении при(1995).

меси при перекристаллизации германия с последующей [11] А.Ю. Ушаков, Р.М. Штеренгас. Письма ЖТФ, 21, быстрой закалкой, пары халькогенов не образуются.

(1995).

С целью получения дополнительной информации бы- [12] R.A. Faulkner. Phys. Rev., 184, 713 (1969).

[13] H.G. Grimmeiss, E. Janzen, K. Larsson. Phys. Rev. B, 25, ло предпринято исследование фотолюминесценции [11].

(1982).

Для этого эксперимента были взяты образцы Ge : Te и [14] J.H. Reuszer, P. Fisher. Phys. Rev., 135, A1125 (1964).

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.