WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 2 Оптическое поглощение в (Pb0.78Sn0.22)1-XInXTe (X = 0.001-0.005) © А.Н. Вейс Санкт-Петербургский технический университет, 195251 Санкт-Петербуг, Россия (Получена 18 июня 2001 г. Принята к печати 20 июня 2001 г.) Исследованы спектральные зависимости коэффициента поглощения в (Pb0.78Sn0.22)1-X InXTe (X = 0.0010.005) при T = 300 K. Выявлены асимметричные полосы дополнительного поглощения 0 и 1, обладающие резкими красными границами. Определены оптические энергии локализованных уровней и их полуширина.

Высказаны предположения об их природе.

В последнее время значительно возрос интерес к из- ми красными границами, расположенными при энергиях учению особенностей энергетического спектра и свойств квантов, равных 0.09 и 0.05 эВ. Несимметричная Pb0.78Sn0.22Te, легированного индием [1–8]. В этих форма зависимостей 0( ) и 1( ), а также наличие исследованиях были обнаружены новые эффекты, для красных границ у обеих составляющих дополнительобъяснения которых были привлечены представления ного поглощения позволяют считать, что эти полосы о прыжковой проводимости по примесным состояни- обусловлены оптическими переходами электронов из ям индия, а также о самокомпенсации донорного дей- локализованных состояний E0 и E1, расположенных в ствия примеси. Эти эффекты должны сопровождаться запрещенной зоне, в разрешенные состояния зоны просущественными изменениями в энергетическом спектре водимости (см. энергетическую схему на рис. 1).

(Pb0.78Sn0.22)1-XInXTe. Такие изменения могли бы быть Энергетическое положение уровней, ответственных за обнаружены при исследовании спектров оптического по- появление особенностей 0 и 1 в спектрах ( ), было глощения в (Pb0.78Sn0.22)1-XInXTe. Однако подавляющая определено при помощи расчета коэффициента дополничасть результатов, содержащихся в [1–8], была получена тельного поглощения. Для этого частотные зависимости при помощи электрофизических методов исследований, 0 + 1 были выделены из экспериментальных кривых а возможности оптических методов в полной мере ис- посредством вычитания экстраполированного в коротпользованы не были. О характере возможных измене- коволновую область поглощения свободными носитений в энергетическом спектре (Pb0.78Sn0.22)1-XInXTe, лями тока. В качества примера на рис. 1 представлевозникающих в условиях прыжковой проводимости или ны полученные таким образом результаты для образца вследствие самокомпенсации донорного действия при- с X = 0.005.

меси, невозможно судить и на основании имеющихся Расчет спектральных зависимостей 0 + 1 был выв литературе данных [9,10] об оптических свойствах полнен по формуле (2) работы [12], позволяющей найPb1-Y SnY Te : In. Эти данные не полны, а интерпретация ти энергетическое положение локализованных центров их противоречива.

и оценить полуширину примесных полос. НеобходиПоэтому в настоящей работе было выполнено ис- мые для расчета величины энергий Ферми EF были опреследование спектральных зависимостей коэффициента делены в рамках кейновской модели непараболичности поглощения в (Pb0.78Sn0.22)1-XInXTe с низкими кон- по формуле (6.27) работы [13]. При этом были использоцентрациями свободных электронов с целью изучения ваны параметры энергетического спектра Pb0.78Sn0.22Te, особенностей его энергетического спектра.

взятые из [7]. Корректность использования указанных Использованные в работе образцы были приготовлены параметров была подтверждена посредством анализа методом горячего прессования. Методика приготовления зависимостей ( ) в области края фундаментальной и отжига образцов детально описана в [2]. Концентрация полосы. Оказалось, что величины коэффициента поглоиндия в шихте X не превышала 0.005. При таких щения в исследованных образцах в области края функонцентрациях введенного индия, согласно [11], можно даментальной полосы соответствуют имеющимся экспене опасаться заметного влияния вводимой примеси на риментальным данным для ”чистого” Pb0.8Sn0.2Te, без такие параметры энергетического спектра Pb0.78Sn0.22Te, индия [14], а ширина запрещенной зоны в них составляет как ширина запрещенной зоны Eg и эффективные массы 0.20 ± 0.01 эВ.

свободных носителей тока. Холловские концентрации Результаты расчета зависимостей 0( ) и 1( ) электронов nH в исследованных образцах не превосхо- представлены на рис. 1 кривыми 6–8. Хорошее согласие дили 3.6 · 1017 см-3. Все эксперименты выполнены при между результатами расчета и экспериментальными точopt opt T = 300 K.

ками позволило определить величины энергий E0 и EНекоторые из полученных в работе результатов пред- и оценить полуширину полос 0 и 1. Оказалось, что в opt opt ставлены на рис. 1. Как видно из рис. 1, в спектрах исследованных образцах величины E0 и E1 составляют ( ) исследованных твердых растворов присутствуют -(0.09 ± 0.01) и -(0.050 ± 0.005) эВ соответственно, а две полосы дополнительного поглощения 0 и 1 с резки- полуширина локализованных полос 0 и 1 не превы184 А.Н. Вейс Рис. 1. Спектральные зависимости коэффициента поглощения в (Pb0.78Sn0.22)1-X InXTe при T = 300 K. X(n · 10-17 см-3):

H 1 — 0.001 (2.1), 2 — 0.003 (3.6), 3,4 — 0.005 (1.7); толщина образцов d, µm: 1 —8.9, 2 —3.4, 3 —2.6, 4 —5.7. Спектр дополнительного поглощения в (Pb0.78Sn0.22)0.995In0.005Te. Точки (5) —эксперимент, линии —расчет по формуле (2) работы [12] opt opt при E0 = 0.09 эВ, E1 = 0.05 эВ, 0 =1 = 8мэВ: 6 — 0( ), 7 — 1( ), 8 — 0 + 1. Для зависимостей 5–8 значения увеличены в 10 раз. 9 — экспериментальные данные [14] для ”чистого” Pb0.8Sn0.2Te, без индия. На вставке — энергетическая схема (Pb0.78Sn0.22)1-X InXTe. Стрелками обозначены наблюдаемые оптические переходы, связанные с перезарядкой локализованных состояний E0 и E1.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Оптическое поглощение в (Pb0.78Sn0.22)1-XInX Te (X = 0.001-0.005) В отличие от уровня E0, уровень E1 в Pb1-Y SnY Te не наблюдался ранее ни в оптических экспериментах, ни при изучении явлений переноса. Поэтому предположения о возможной природе полос 1, обнаруженных в (Pb0.78Sn0.22)1-XInXTe, в первую очередь должны основываться на особенностях свойств изучаемого материала. В этой связи необходимо отметить следующее. Анализ величин холловских концентраций электронов nH показывает, что донорные центры индия в исследованных образцах могут быть не единственными.

Действительно, в примесной полосе индия в соответствии с данными [18] содержится по два состояния на каждый атом примеси. Поэтому независимо от величины электронной корреляционной энергии U на примесном центре индия при U 0 [18], в отсутствие дополнительных доноров и акцепторов, величины EF не могут превосходить значения Etherm. Велиtherm чина E0 в (Pb0.78Sn0.22)1-XInX Te может быть оцеopt therm нена в предположении, что разность |E0 - E0 | в Pb1-Y SnY Te : In не зависит от Y и составляет, как Рис. 2. Зависимости интенсивности полос дополнительного и в PbTe : In, 0.045 эВ [16]. В таком случае велиmax max поглощения 0 (1) и 1 (2) от содержания индия X therm чина E0 в (Pb0.78Sn0.22)1-XInXTe должна составлять в (Pb0.78Sn0.22)1-X InX Te при T = 300 K.

-0.045 эВ, а холловские концентрации электронов не должны превышать n = 2.4 · 1017 см-3. Отметим, что H therm приведенная выше оценка E0 в (Pb0.78Sn0.22)1-XInXTe соответствует данным [1], где было показано, что величишает 8 мэВ. Отметим, что уширение примесных полос therm в твердых растворах по сравнению с их шириной в ны E0 в изучаемых твердых растворах при T = 300 K бинарных халькогенидах свинца наблюдалось и ранее, в составляют -0.05 эВ.

Pb1-XGeXTe : In [12] и в PbSe1-X SX : Tl [15] и связывалось с влиянием неэквивалентности кристаллического окружения дефекта. При помощи расчета удалось оценить и величины интенсивностей полос 0 и 1. Соответствующие данные показаны на рис. 2.

Переходя к обсуждению возможной природы особенностей, наблюдаемых в спектрах ( ) исследованных твердых растворов, прежде всего отметим, что полосы в Pb1-Y SnY Te ранее не наблюдались. Их интенсивность, как это следует из рис. 2, растет пропорционально количеству индия в шихте X. Поэтому полосы 0 естественно связать с оптической перезарядкой индия. В пользу такого предположения свидетельствуют и результаты, представленные на рис. 3. На этом рисунке показаны зависимости энергетического положения примесного уровня индия E0 в Pb1-Y SnY Te : In от содержания олова Y в шихте, полученные на основании исследования оптиopt therm ческого поглощения (E0 ) и явлений переноса (E0 ).

opt Значение E0 в PbTe, представленное на этом рисунке, получено посредством линейной экстраполяции экспериментальных данных [16] для образцов с электронным типом проводимости из высокотемпературной области Рис. 3. Зависимости энергетического положения примесного к T = 300 K. Корректность подобной экстраполяции уровня E0, связанного с индием, в Pb1-Y SnY Te : In от содержаtherm установлена в [16]. Значения E0, приведенные на ния олова Y в шихте, полученные на основании анализа данных рис. 3, взяты из работ [11,17] иотносятся к 0 K. Из рис. по исследованию оптического поглощения (1,2) и явлений opt therm видно, что скорости изменения E0 и E0 с составом переноса (3,4). 1 — данные настоящей работы, 2 — [16], в Pb1-Y SnY Te близки и составляют dE0/dY 0.3. 3 — [17], 4 — [11]. T, K: 1,2 — 300, 3 —4.2, 4 —0.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 186 А.Н. Вейс Если обратиться к величинам nH в иссле- [12] Т.В. Бочарова, А.Н. Вейс, Н.А. Ерасова, В.И. Кайданов.

ФТП, 16, 1462 (1982).

дованных образцах, то можно видеть, что nH [13] Ю.И. Равич, Б.А. Ефимова, И.А.Смирнов. Методы исслев (Pb0.78Sn0.22)0.997In0.003Te (nH = 3.6 · 1017 см-3) судования полупроводников в применении к халькогенищественно выше, чем n. Отмеченное несоответствие H дам свинца: PbTe, PbSe, PbS (М., Наука, 1968).

между nH и n может быть следствием двух причин.

H [14] И.А. Драбкин, Л.Я. Морговский, И.В. Нельсон, Ю.И. Равич.

Во-первых, можно предполагать, что примесь индия ФТП, 6, 1323 (1972).

в (Pb0.78Sn0.22)1-XInX Te находится в двух зарядовых [15] А.Н. Вейс, В.И. Кайданов, С.А. Немов. ФТП, 14, состояниях: In- иIn0 (здесь и далее в обозначениях [18]).

(1980).

В рамках такой интерпретации экспериментальных [16] А.Н. Вейс, С.А. Немов. ФТП, 16, 1130 (1982).

данных, в соответствии с результатами [19], полоса 0 [17] В.Г. Голубев, Н.И. Гречко, С.Н. Лыков, И.А. Черник. ФТП, должна быть связана с процессом оптической переза11, 1704 (1977).

рядки индия In- In0, а 1 - In0 In+. Во-вторых, все [18] В.И. Кайданов, Ю.И. Равич. УФН, 145, 51 (1985).

исследованные образцы могут быть самокомпенсирован- [19] С.А. Рыков. Автореф. докт. дис. (СПб., Изд-во СПбГТУ, 1999).

ными. Согласно [1], компенсация донорного действия [20] H. Heinrich. Proc. Int. Summer School on Narrow-Cap индия осуществляется за счет образования вакансий Semiconductors: Physics and Applications (Nimes, France, в подрешетке металла Vm. При этом следует учесть, 1979) p. 407.

что индий был введен в исследованные образцы в виде примеси замещения. Поэтому можно предполагать, что Редактор Л.В. Беляков вакансии в подрешетке металла могут возникать не только в виде дефектов по Шоттки, но и в виде дефектов Optical absorption in (Pb0.78Sn0.22)1-XInXTe по Френкелю. В таком случае в исследованных образцах (X = 0.001-0.005) может появиться заметная по величине концентрация A.N. Veis межузельного металла, который, как известно [20], является однократным донором. В этом случае полоса 1 St.Petesburg State Tachnical University, может быть связана либо с межузельным металлом, либо 195251 St.Petersburg, Russia с комплексами, включающими межузельный металл.

Полученные к настоящему времени данные не позво

Abstract

The spectral dependencies of the absorption coefficient ляют отдать предпочтение какому-либо из высказанных of a (Pb0.78Sn0.22)1-X InXTe (X = 0.001-0.005) were investigated выше предположений. В пользу первого из них свидеat T = 300 K. Asymmetric additional absorption bands тельствует возрастание интенсивности полос 1 при увеand 1, characterized by sharp red edges, were observed. The личении X. В пользу второго — отсутствие корреляции optical energies of localized levels and their half-widths were determined. Assumptions on the nature of peculiarities observed между интенсивностью полос 1 и величинами EF.

were formulated.

Автор признателен С.А. Немову за предоставленные для исследований образцы.

Список литературы [1] С.А. Немов, Ю.И. Равич, М.К. Житинская, В.И. Прошин.

ФТП, 26, 1493 (1992).

[2] С.А. Немов, Ю.И. Равич, А.В. Березин, В.Э. Гасумянц, М.К. Житинская, В.И. Прошин. ФТП, 27, 299 (1993).

[3] Ю.И. Равич, С.А. Немов, В.И. Прошин. ФТП, 29, (1995).

[4] Т.Г. Абайдулина, С.А. Немов, В.И. Прошин, Ю.И. Равич.

ФТП, 30, 2173 (1996).

[5] С.А. Немов, В.И. Прошин, Т.Г. Абайдулина. ФТП, 30, (1996).

[6] С.А. Немов, В.И. Пришвин, Ю.И. Равич. ФТП, 30, (1996).

[7] А.Н. Вейс, С.А. Немов. ФТП, 32, 1047 (1998).

[8] С.А. Немов, В.Э. Гасумянц, В.И. Прошин, Ю.И. Равич.

ФТП, 34, 926 (2000).

[9] И.А. Драбкин, Ю.Я. Елисеева, Г.Ф. Захарюгина, И.В. Нельсон, Ю.И. Равич. ФТП, 8, 1947 (1974).

[10] А.Н. Вейс, В.И. Кайданов, Ю.И. Равич, И.А. Рябцева, Ю.И. Уханов. ФТП, 10, 104 (1976).

[11] Н.А. Ерасова, Б.А. Ефимова, Г.Ф. Захарюгина, В.И. Кайданов. Неорг. матер., 14, 870 (1978).




© 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.