WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1 Рекомбинация на примесных центрах с переменной валентностью в эпитаксиальных слоях PbTe(Ga) © Б.А. Акимов, В.А. Богоявленский, В.А. Васильков, Л.И. Рябова, Д.Р. Хохлов Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119992 Москва, Россия E-mail: khokhlov@mig.phys.msu.ru Проведены исследования кинетики фотопроводимости в эпитаксиальных пленках PbTe(Ga), синтезированных методом „горячей стенки“. Обнаружено, что при низких температурах рекомбинация неравновесных фотовозбужденных электронов происходит в два этапа: после участка относительно быстрой релаксации следует задержанная фотопроводимость. Температура появления задержанной фотопроводимости возрастает при уменьшении толщины пленки. Скорость быстрого участка релаксации зависит от толщины пленки и минимальна в наиболее тонких слоях. В полуизолирующих пленках фотопроводимость всегда положительна, в то время как в образцах с более низким сопротивлением наблюдается сосуществование положительной и отрицательной фотопроводимости. Полученные данные обсуждаются в рамках модели, учитывающей возможность существования примесного атома галлия в различных зарядовых состояниях.

Работа выполнена при частичной поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований № 04-02-16497, 02-02-17057 и INTAS N 2001-0184.

В настоящее время известно несколько легирующих температурах. Последующее увеличение Tsub до 250C добавок (Ga, In, Yb, Cr), характеризующихся перемен- и выше привело к разрушению полуизолирующего ной валентностью и стаблизирующих положение уровня состояния, сопровождающемуся ростом концентрации Ферми в теллуриде свинца. Тем не менее практически электронов в слоях. Таким образом, изменяя темперакаждая из этих примесей имеет свои индивидуальные туру подложки, удалось воспроизвести картину, соотчерты. Галлий является единственной примесью, позво- ветствующую изменению свойств монокристаллических ляющей реализовать в PbTe полуизолирующее состояобразцов при последовательном увеличении содержания ние. В монокристаллах PbTe(Ga) явление задержанной галлия. Однако в случае пленок оказалось возможным фотопроводимости наблюдается при температурах ниже реализовать существенно более плавное изменение конTC 80 K, что существенно превышает TC в образцентрации примеси и получить серию образцов, соцах, легированных другими примесями с переменной ответствующих некоторому переходному состоянию от валентностью. Еще одна отличительная особенность стабилизированного положения уровня Ферми к металPbTe(Ga) — достаточно узкий интервал концентраций лической проводимости n-типа. В качестве подложек легирующей примеси, в котором реализуется эффект в основном использовался фторид бария в ориентации стабилизации уровня Ферми. При увеличении содер 111, на котором наблюдался эпитаксиальный рост с жания галлия в монокристаллических образцах наблюхорошей адгезией без видимых признаков механических дается резкий рост концентрации электронов, который деформаций. Для получения полуизолирующих слоев может быть обусловлен тем, что избыточный галлий также использовался Si с буферным слоем SiO2. В этом начинает вести себя как активный донор.

случае адгезия была достаточно слабой.

Свойства монокристаллических образцов PbTe(Ga) Измерения температурных зависимостей проводимоизучены достаточно подробно [1,2]. В настоящей расти и кинетики релаксационных процессов проводились боте рассматриваются электрофизические и фотоэлекв камере, экранирующей образцы от фоновой подсветки, трические свойства эпитаксиальных слоев PbTe(Ga), в в интервале температур 4.2–300 K. В качестве источникоторых варьировалась толщина слоя, тип подложки, ков ИК-подсветки использовались миниатюрная лампа концентрация легирующей добавки.

накаливания и светодиод с длиной волны = 1 µm.

1. Исследованные образцы 2. Фотопроводимость в полуизолирующемPbTe(Ga) Синтез образцов поводился модифицированным методом „горячей стенки“. Варьируя температуру подложТемпературные зависимости удельного сопротивлеки Tsub, удавалось изменять проводимость полученных пленок в широких пределах. При Tsub < 200C происхо- ния полуизолирующих пленок, осажденных на раздил рост пленок с проводимостью p-типа. При темпе- ные подложки, показаны на рис. 1. Толщина пленок составляла 2 µm. Как видно из этого рисунка, качературах подложки около 200C наблюдалась инверсия типа проводимости, и в интервале температур Tsub от ственный вид зависимостей (102/T ) не зависит от 210 до 240C были получены пленки n-типа, характе- типа подложки. В условиях подсветки фотопроводиризующиеся полуизолирующими свойствами при низких мость наблюдается при температурах T < TC 100 K, Рекомбинация на примесных центрах с переменной валентностью в эпитаксиальных слоях PbTe(Ga) что на 20 K выше, чем соответствующая температура для монокристаллических образцов. Важно, что тенденция к увеличению TC при уменьшении толщины эпитаксиального слоя прослеживается достаточно четко.

Так, в пленках толщиной 0.2 µm TC достигает 140 K.

Амплитуда фотоответа оказалась несколько выше в слоях на подложке BaF2. На рис. 2 показаны кинетические зависимости фотопроводимости в условиях импульсной подсветки светодиодом при нескольких температурах для той же пленки. Так же как и в монокристаллических образцах, кинетика спада сигнала фотопроводимости после выключения подсветки имеет относительно быстрый участок, сменяющийся задержанной фотопроводимостью. В условиях импульсной подсветки быстро релаксирующий сигнал доминирует. Изменяя условия эксперимента (длительность импульса, тип источника излучения, температуру и т. д.), можно получать разные соотношения амплитуд быстро релаксирующего сигнала и собственно задержанной фотопроводимости. Однако как в монокристаллах, так и в пленках, толщина которых составляет несколько микрометров, релаксация фотопроводимости имеет неэкспоненциальный характер. СиРис. 2. Кинетика фотопроводимости (t) при импульсной туация качественно изменяется в достаточно тонких слоподсветке светодиодом (длина волны = 1 µm) эпитаксиальях с d 0.2 µm. Практически сразу после прохождения ной пленки n-PbTe(Ga) на подложке 111 -BaF2 при 4.2 (1), импульса подсветки спад сигнала описывается экспонен13 (2) и 30 K (3). Продолжительность ИК-импульса 1 ms.

циальной кинетикой (t) exp(-t/ ). При T = 4.2K Стрелками показан момент выключения подсветки.

время быстрой релаксации составляет 13 ms. Важно, что процессы релаксации в тонких пленках проходят медленнее, чем в слоях с большей толщиной.

ны с переменной валентностью галлия в теллуриде свинОсобенности кинетики неравновесных процессов в ца. Рекомбинация неравновесных носителей складываетобъемных образцах и пленках различной толщины связася из процессов, обусловленных захватом на примесные центры, находящиеся в разных зарядовых состояниях.

Поэтому скорость рекомбинации определяется не только концентрацией и пространственным распределением неравновесных носителей, но и количеством примесных центров в разных зарядовых состояниях и их распределением в объеме образца. Неравномерное распределение носителей в объеме в сочетании с неоднородным распределением примесных центров в разных зарядовых состояниях может приводить к неэквивалентным условиям для рекомбинации разных групп носителей и существенной модификации кинетических процессов.

По-видимому, пространственная однородность в распределении неравновесных носителей и заряженных примесных центров реализуется только в достаточно тонких слоях c d 0.2 µm. Релаксационный процесс в этом случае описывается экспоненциальной зависимостью.

3. Фотопроводимость в PbTe(Ga) с повышенным содержанием Ga В сравнительно низкоомных образцах, характеризуРис. 1. Температурные зависимости удельного сопротивющихся повышенным содержанием галлия, фотопроления эпитаксиальных пленок n-PbTe(Ga) на подложках водимость качественно отличается от найденной для 111 -BaF2 (1,1 ) и Si–SiO2 (2, 2 ). Зависимости 1 и 2 получены полуизолирующих слоев. На рис. 3 показан вид темв темноте, 1 и 2 — при непрерывной подсветке миниатюрной пературных зависимостей удельного сопротивления для лампой накаливания.

11 Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 162 Б.А. Акимов, В.А. Богоявленский, В.А. Васильков, Л.И. Рябова, Д.Р. Хохлов наблюдается задержанная отрицательная фотопроводимость: после выключения подсветки происходит быстрая релаксация части положительной фотопроводимости, сопротивление образца еще больше возрастет по сравнению с темновым состоянием.

Следует отметить, что задержанная отрицательная фотопроводимость не является чем-то необычным. Она наблюдается в системах, где по той или иной причине возникает рекомбинационный барьер. В частности, в неоднородных полупроводниках рекомбинация пространственно разделенных неравновесных электронов и дырок может быть затруднена из-за модуляции зонного рельефа, аналогичная ситуация может возникать в системах квантовых ям, в поликристаллических образцах. Более интересным явлением можно считать быструю составляющую отрицательной фотопроводимости, проявляющуюся в условиях импульсной подсветки. На рис. 5 показана кинетика спада сигнала фотопроводимости (t)/0 при разных температурах.

В условиях импульсной подсветки отрицательная фотопроводимость доминирует, причем мгновенные времена релаксации имеют порядок десятков микросекунд, что на три порядка меньше соответствующих времен положительной фотопроводимости в полуизолирующих Рис. 3. Температурные зависимости удельного сопротивлеобразцах PbTe(Ga). Столь быстрый рекомбинационный ния образца n-PbTe(Ga). Зависимость 1 получена в темноте, 2 и 3 — в условиях непрерывной подсветки (миниатюрной лампой накаливания) с различной (возрастающей) интенсивностью, 4 — при нагревании в темноте после выключения источника ИК-подсветки при T = 4.2K.

одной из низкоомных пленок (d = 2 µm). Наряду с темновой кривой 1 на рисунке представлены зависимости, измеренные при разных интенсивностях подсветки (кривые 2, 3). В области низких температур при включении подсветки наблюдается рост сопротивления пленки — отрицательная фотопроводимость. По мере повышения температуры амплитуда отрицательной фотопроводимости уменьшается, фотопроводимость исчезает (точка пересечения кривых 1, 2 или 1, 3), при дальнейшем росте T наблюдается положительная фотопроводимость. В действительности положительная и отрицательная компоненты фотопроводимости сосуществуют и при низких температурах, но вклад отрицательной доминирует. Об этом свидетельствует тот факт, что при T = 4.2K достигает максимального значения после выключения подсветки (кривая 4 на рис. 3). Из рисунка видно, что задержанная отрицательная фотопроводимость наблюдалась вплоть до T 100 K.

Еще более наглядно сосуществование вкладов положительной и отрицательной фотопроводимости при низких температурах проявляется при исследовании кинетики фотопроводимости (рис. 4). Видно, что при 77 K наблюдается только положительная фотопроводимость.

Рис. 4. Кинетика фотопроводимости (t) при подсветке Однако при понижении температуры до 4.2 K первонаминиатюрной лампой накаливания образца n-PbTe(Ga) (см.

чальный сигнал положительной фотопроводимости уже рис. 3) при 77 (1) и 4.2 K (2). Стрелками показан момент примерно через 0.5 s меняет знак, и в дальнейшем выключения подсветки.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Рекомбинация на примесных центрах с переменной валентностью в эпитаксиальных слоях PbTe(Ga) ся согласно реакции 2Ga2+ Ga+ + Ga3+. Тогда стабилизация уровня Ферми обеспечивается перераспределением атомов галлия между донорным Ga3+ и акцепторным Ga+ зарядовыми состояниями. В терминах атомных орбиталей состоянию Ga2+ отвечает электронная конфигурация s1 p2, состоянию Ga+ — конфигурация s2 p1, а состоянию Ga3+ — s0 p3. Атому свинца, который замещает галлий, соответствует конфигурация s2 p2. Состояния разрешенных зон в халькогенидах свинца практически полностью построены из атомных p-орбиталей, поэтому для различных зарядовых состояний атома Ga локализованными являются электроны, находящиеся на глубокой s-оболочке, a p-электроны делокализованы. Стабилизация уровня Ферми предполагает, что значительное число атомов галлия имеет пустую s-оболочку. В короткодействующем притягивающем потенциале этой оболочки могут локализоваться два p-электрона с противоположно направленными спинами [4]. Однако ввиду большой величины диэлектрической проницаемости и малой эффективной массы электронов в PbTe единичный примесный центр с пустой s-оболочкой может не создавать связанного состояния. В то же время количество таких центров весьма велико, и одно связанное состояние p-электронов может сформироваться для кластера из Рис. 5. Кинетика фотопроводимости (t) при импульс103-104 примесных центров с пустой s-оболочкой [5].

ной подсветке светодиодом (длина волны 1 µm) образца Таким образом, генерация и рекомбинация неравn-PbTe(Ga) (см. рис. 3) при 4.2 (1), 13 (2) и 30 K (3).

новесных носителей заряда как в монокристаллах Продолжительность импульса источника ИК-излучения 5 µs.

Стрелками показан момент выключения подсветки. PbTe(Ga), так и в эпитаксиальных пленках определяются электронными переходами в системе двух разрешенных зон и трех примесных уровней, причем плотность состояний на примесных уровнях может изменяться процесс не может быть объяснен с привлечением мов процессе релаксации и быть пространственно неодделей, предполагающих пространственное разделение нородной. В этих условиях можно наблюдать достанеравновесных носителей. Характер рекомбинации долточно экзотические явления, например быстрый спад жен определяться структурой энергетического спектра сигнала отрицательной фотопроводимости. Модель [3] примесных состояний.

позволяет описать на качественном уровне все основные Таким образом, в относительно низкоомных образцах экспериментальные факты. Строгое количественное опиPbTe(Ga) при низких температурах сигнал фотопровосание, видимо, нереально, поскольку оно потребовало димости является знакопеременным во времени, что бы определения многих микроскопических параметров, связано с сосуществованием как отрицательной, так и их временных и координатных зависимостей. Тем не положительной фотопроводимости, причем каждая из менее следует отметить, что в идентичных условиях этих компонент имеет „быструю“ и „медленную“ части, эксперимента наблюдается высокая воспроизводимость которые преобладают в разные моменты времени.

результатов.

4. Обсуждение результатов Список литературы Совокупности экспериментальных данных в наиболь[1] Б.А. Волков, Л.И. Рябова, Д.Р. Хохлов. УФН 172, шей степени соответствует модель, предложенная в (2002).

работе [3]. Эта модель основана на том факте, что со- [2] B.A. Akimov, A.V. Dmitriev, L.I. Ryabova, D.R. Khokhlov.

стояния разрешенных зон в халькогенидах свинца прак- Phys. Stat. Sol. (a) 137, 9 (1993).

[3] А.И. Белогорохов, Б.А. Волков, И.И. Иванчик, Д.Р. Хохлов.

тически полностью построены из атомных p-орбиталей.

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.