WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 2 Примесная зона в кристаллах Hg3In2Te6, легированных кремнием © П.Н. Горлей, О.Г. Грушка Черновицкий национальный университет, 58012 Черновцы, Украина (Получена 23 апреля 2002 г. Принята к печати 27 июня 2002 г.) На основе данных оптических и электрических измерений исследовано влияние примеси кремния на зонный спектр полупроводникового соединения Hg3In2Te6, имеющего в своей структуре большую концентрацию стехиометрических вакансий. Показано, что кремний образует примесную зону донорных центров, плотность которых аппроксимируется гауссовым распределением с максимумом при Ec - 0.29 эВ.

Возникновение примесной зоны сопровождается образованием в запрещенной зоне (Eg = 0.74 эВ) квазинепрерывного спектра локализованных состояний, плотность которых растет с уровнем легирования.

Слияние всех состояний в сплошную полосу происходит при концентрации примеси NSi > 4.5 · 1017 см-3.

Экспериментальные результаты объясняются эффектом самокомпенсации примеси, при котором донорные примесные состояния возникают одновременно с акцепторными состояниями дефектов.

Кристаллы соединения Hg3In2Te6 относятся к числу в начальной части слитка, из которой приготовлены полупроводников со структурой сфалерита, в элемен- образцы 1-3 (см. таблицу) концентрация примесных тарных ячейках которых имеется больше мест, чем атомов NSi значительно меньше концентрации введенной атомов. Одна шестая часть незанятых атомами катион- примеси Si, а в хвостовой части слитка происходит ных узлов обусловливает наличие высокой плотности ее накопление, приводящее к сильному снижению простехиометрических вакансий ( 1021 см-3). Эти дефекты зрачности до полного затемнения материала в конце сильно снижают чувствительность электрофизических слитка. Большая крутизна концентрационного профиля свойств Hg3In2Te6 к введению достаточно больших по длине слитка обычно [4] имеет место для образующих ( 1019 см-3), но все же меньших количеств посторон- глубокие уровни примесей с малыми величинами k 1.

них примесей по сравнению с концентрацией собствен- Спектральная зависимость коэффициента поглощения ных структурных дефектов [1,2]. С особенностями струк- в области края собственного поглощения описывается туры связаны и другие интересные свойства материала, правилом Урбаха exp[-(Eg - h)/E]. По мере увенапример высокая стойкость параметров Hg3In2Te6 к личения содержания примеси крутизна края уменьшавоздействию ионизирующих излучений и инертность ется, а характеристическая энергия E, определенная по поверхности к адсорбции атомов из атмосферы, которые наклону линейного участка зависимости ln = f (h) в сочетании с высокой квантовой эффективностью фо- (вставка на рис. 1), увеличивается (см. таблицу).

топроводимости в широком энергетическом диапазоне Прямолинейные участки в урбаховской области, соот(0.74-3.0эВ) и рядом других достоинств определяют ветствующие образцам с различным содержанием приприкладное значение кристаллов Hg3In2Te6 [3].

меси, при их продолжении сходятся в одной точке при Представляет интерес исследование влияния леги- h = Eg = 0.74 эВ. Это свидетельствует о том, что велирования на зонный спектр и концентрацию уровней, чина Eg не изменяется при легировании. Как коэффицирасположенных в запрещенной зоне Hg3In2Te6, которое ент поглощения, так и характерная энергия E коррелиспособствует изучению природы самокомпенсации при- руют с уровнем легирования. Размытие края поглощения месей в Hg3In2Te6 и выяснению роли стехиометрических и его экспоненциальная зависимость для образца под вакансий в этом эффекте.

номером 0 (см. вставку к рис. 1) вызваны присутствием Легирование примесью кремния проводилось в про- хвостов плотности состояний на краях разрешенных зон цессе выращивания слитка Hg3In2Te6 по методу Бридж- в исходном, специально не легированном, материале мена. Концентрация введенной примеси Si составля- Hg3In2Te6. Хвосты плотности состояний, согласно [5], ла 1019 см-3. Распределение примеси по длине слитка обусловлены флуктуациями кристаллического поля, вноHg3In2Te6 исследовалось по оптическим спектрам поглощения образцов, вырезанных из различных частей Характеристика исследованных образцов слитка. Спектральные зависимости коэффициента поглощения определялись при 300 K из спектров отраni, см-3 |R |, см2/(В · с) № NSi, см-3 E, мэВ жения R(h) и пропускания T (h) в области энергий образца T = 300 K квантов 0.05 < h <0.74 эВ. По характеру изменения коэффициента поглощения по длине слитка во всей 0 0 14 1012-1013 250-1 1.6 · 1017 23 1.65 · 1013 исследованной спектральной области был сделан вывод, 2 2.7 · 1017 25 1.72 · 1013 что в процессе направленной кристаллизации примесь 3 4.5 · 1017 34 2.05 · 1013 кремния неоднородно распределяется по кристаллу с 4 - 36 7.44 · 1012 коэффициентом распределения k < 1. Оказалось, что Примесная зона в кристаллах Hg3In2Te6, легированных кремнием Формула (1) позволяет удовлетворительно описать форму примесной полосы поглощения для образцов 1-при значениях NSi, приведенных в таблице. Значения NSi определялись путем наилучшей подгонки к эксперименту. Рассчитанные по формуле (1) зависимости представлены на рис. 1 сплошными линиями.

Согласно [5], формула (2) определяет среднеквадратичный потенциал случайно расположенных экранированных примесей, который обусловливает разброс примесных уровней по энергиям и уширение примесной полосы.

Наблюдаемая полоса селективного поглощения, вероятнее всего, обусловлена оптическими переходами из валентной зоны на уровни донорных центров, которые при комнатной температуре ионизованы. Учитывая это, можно считать, что максимум плотности состояний, ответственных за возникновение полосы селективного Рис. 1. Спектры поглощения образцов Hg3In2Te6, как нелегипоглощения, находится ниже дна зоны проводимости на рованного (0), так и легированных кремнием (1–4), параметры энергетическом расстоянии Ed0 = Eg - E0 = 0.29 эВ.

которых приведены в таблице. Номера кривых совпадают с номерами образцов в таблице. На вставке — те же спектры в Электрические измерения показали, что исследованобласти экспоненциального возрастания коэффициента погло- ные образцы Hg3In2Te6, легированные кремнием, при щения.

температуре T 300 K сохраняют собственный характер проводимости, электронный тип которой обусловлен отношением подвижностей электронов и дырок b = µn/µp > 1. По концентрации собственных носитесимыми дефектами собственной природы, которыми в лей заряда ni 1013 см-3 при 300 K образцы 1-4 не данном случае являются стехиометрические вакансии.

Легирование приводит к росту величины характери- отличаются от нелегированных образцов, однако имеют несколько заниженные значения холловской подвижностической энергии E, что отражает дополнительное уширение хвостов плотности состояний и возникно- сти |R | (см. таблицу) при том же ni.

Температурные зависимости электропроводности вение локализованных состояний в запрещенной зоне, (T ), коэффициента Холла R(T ) и термоэдс th(T ) которые, образуя квазинепрерывный набор, сливаются анализировались с помощью известных соотношений [7] с зонами свободных носителей. При этом плотность для смешанной проводимости этих состояний растет с увеличением концентрации примеси Si.

= eµp(nb + p), (3) На фоне растущего с уровнем легирования сплошного бесструктурного поглощения в спектральном диапазоне A(p - nb2) 2-25 мкм в образцах 1-3 с небольшим содержанием R =, (4) e(p + nb)примеси наблюдается селективная полоса с максимумом n = Nc exp(-F/kBT ), p = N exp[-(Eg - F)/kBT ], при h = E0 = 0.45 эВ (рис. 1), которая исчезает при превышении некоторой величины NSi. Если предполо(p) (n) th + th b жить, что примесная зона имеет гауссово распределение th =, (5) 1 + b плотности состояний, то коэффициент поглощения может быть выражен формулой [6] kB F (n) th = - r + 2 +, e kBT (h) =0 exp[-(h - E0)2/2]. (1) kB Eg - F (p) th = r + 2 +, Величина определяет полушрину зоны и имеет вид e kBT e2 Nr0 1/2 где Nc, N — эффективные плотности состояний для =, (2) зоны проводимости и валентной зоны, F — уровень 0 Ферми, A — холл-фактор, r — показатель, зависящий от где длина дебаевского экранирования механизма рассеяния носителей заряда. При рассеянии 1/на акустических колебаниях решетки r = 0.

0kBT r0 =, Для области собственной проводимости при исполь2e2ni зовании равенства n = p = ni для случая r = 0 были N — концентрация примеси, kB — постоянная Больц- определены величины ni, F, b, µp, Nc и N.

мана, ni — концентрация собственных носителей заряда Для переходной области от собственной к примесной, при 300 K. в которой n = p, совместное решение уравнений (3)-(5) 4 Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 178 П.Н. Горлей, О.Г. Грушка ных переходов в широком диапазоне энергий квантов света (0.05-0.62 эВ) создается квазинепрерывно распределенными в запрещенной зоне локализованными состояниями. Площадь выступающих максимумов на фоне сплошного поглощения для образцов 1-3 (рис. 1) приблизительно одинаковая, хотя концентрация примеси различная, что является следствием большой, но все же неполной компенсации доноров, образующих примесную зону. Исчезновение соответствующего максимума в образце 4 происходит из-за полного его слияния с растущим фоновым поглощением. В трансформации спектров поглощения, показанных рис. 1, прослеживается процесс одновременного образования компенсирующих дефектов с включениями легирующей примеси и переход к полной взаимной компенсации образованных состояний. Вероятно, процесс образования пар легирующая Рис. 2. Температурные зависимости концентрации носителей примесь –дефект происходит с участием стехиометризаряда n и p для образцов 1–3. Номера кривых совпадают с ческих вакансий, что обеспечивает уменьшение энергии номерами образцов в таблице.

и релаксацию структуры кристалла.

Следует отметить, что для образца 4 не удалось провести расчеты при T < 300 K с использованием формул (3)–(5) из-за аномального характера температурной зависимости термоэдс, которая имеет резкий максимум |-2150| мкВ/K в области 230 K, по обе стороны от которого величина th уменьшается до |-500| мкВ/K при T 180 K и |-700| мкВ/K при 270 K. Объяснить такое поведение th(T ) пока не представляется возможным.

Для определения энергетического положения примесной зоны из электрических измерений был использован дифференциальный метод анализа кривых n(T ), предложенный в работе [8]. Как видно из рис. 3, уровень Ферми монотонно перемещается в глубь запрещенной зоны при увеличении температуры. Его пересечение с примесным уровнем должно сопровождаться высвобождением электронов.

Согласно [8], производная -kBTdn/dF имеет максиРис. 3. Температурные зависимости уровня Ферми для обмум, когда F приблизительно совпадает с донорным разцов 1–3. Номера кривых совпадают с номерами образцов в таблице. уровнем Ed. Поэтому абсцисса максимума зависимости -kBTdn/dF от F определяет энергетическое положение Ec - Ed.

На рис. 4 приведены результаты дифференциального проводилось при значениях Nc и N, определенных анализа зависимостей n(103/T ) (рис. 2) в температурной при T = 300 K с учетом изменения температуры. Пообласти 170-300 K. При малых изменениях температулученные температурные зависимости n(p) = f (103/T ) ры T = Ti - Tj зависимость величины -kBTdn/dF от и F(T ) приведены на рис. 2, 3. Как видно из рис. 2, F(T ) определяли в виде функции Z(x) [8], где в области низких температур наблюдается корреляция между концентрациями электронов n и примеси NSi kB n(Ti) - n(Tj) Z = - (Ti + Tj), в образцах. Однако величины n (1012-1013) см-2 F(Ti) - F(Tj) более чем на 5 порядков ниже NSi в образцах. Это свидетельствует о большой степени компенсации K = Na/Nd x =[F(Ti) +F(Tj)]/2.

0.999 [Na(d) — концентрация акцепторной (донорной) примеси].

В отличие от зависимостей n(103/T ) (рис. 2), не имеТо, что запрещенная зона Hg3In2Te6 при легирова- ющих каких-либо особенностей в области 170-300 K, нии кремнием заполняется не только донорными, но и на кривых -kBTdn/dF от F(T ) (рис. 4) наблюдается по акцепторными состояниями, видно из спектров погло- одному максимуму, которому соответствует энергетичещения, которое растет с уровнем легирования во всей ский уровень Ec - Ed 0.28 эВ, так как энергия Ферми, области прозрачности 2-25 мкм. Целый набор электрон- при которой наблюдается максимум F Ed.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Примесная зона в кристаллах Hg3In2Te6, легированных кремнием [5] Б.И. Шкловский, А.Л. Эфрос. Электронные свойства легированных полупроводников (М., Наука, 1979).

[6] В.П. Грибковский. Теория поглощения и испускания света в полупроводниках (Минск, Наука и техника, 1975).

[7] П.С. Киреев. Физика полупроводников (М., Высш. шк., 1975).

[8] H.J. Hoffmann. Appl. Phys., 19, 307 (1979).

Редактор Т.А. Полянская The impurity band in Hg3In2Te6 crystals doped with silicon P.N. Gorley, O.G. Grushka Chernovtsy National University, 58012 Chernovtsy, Ukraine Рис. 4. Зависимости функции -kBTdn/dF от положения уровня Ферми F для образцов 1–3. Номера кривых совпадают

Abstract

On the base of optical and electrical measuring data с номерами образцов в таблице.

the influence of Si impurity on the zone spectrum of Hg3In2Tesemiconductor compound, the crystalline structure of which contains a high density of stoichiometric vacancies, has been investigated. It is shown that the silicon forms an impurity Небольшая высота максимума и заметное его смеband of donor centers and their density can be approximated by щение в сторону более низких энергий по сравнению the Gauss distribution with the maximum of Ec - 0.29 eV. The с положением оптического максимума, согласно [8], occurrence of the impurity band is accompanied by formation of является следствием большой степени компенсации. Одquasi-continuous spectrum of localized states within the energy нако дополнительной причиной несколько заниженной gap (Eg = 0.74 eV), their density rising as the doping level величины Ed по сравнению с оптическим значением increases. Confluence of all states in continuous band under Ed0 = 0.29 эВ может быть проводимость по уровню проimpurity concentration of NSi > 4.5 · 1017 cm-3 takes place.

текания, расположенному ниже дна зоны проводимости Experimental results are explained in terms of the impurity selfвследствие размытия краев разрешенных зон энергий, а compensation effect. In this case, donor impurity states and также оценочный характер определения Ed из электричеacceptor states of defects arise simultaneously.

ских измерений при использовании некоторых приближений, например, фиксированных значений Nc, N, A, r.

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.