Энергетическая структура, оптическое поглощение и процессы рассеивания в низкоразмерных системах на основе узкощелевых полупроводников A4B6 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Національна Академія Наук України ■р 1^7 Інститут фізики напівпровідників

На правах рукопису

Забудський В’ячеслав Володимирович

Енергетична структура, оптичне поглинання та процеси розсіювання в ішзьковимірішх системах на основі вузькощілшших напівпровідників А4В6

/01.04.10 - фізика напівпровідників та діелектриків./

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук.

Київ - 1997

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників Національної Академії наук України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук,

професор Сизов Федір Федорович.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

професор Вакуленко Олег Васильович.

доктор фізико-математичних наук, Васько Федір Трохимович.

Провідна організація: Чернівецький державний університет

ім. Ю. Федьковича

Захист відбудеться 28 березня 1997 року о 14 год. 15 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д50.07.01 при Інституті фізики напівпровідників Національної Академії наук України за адресою: 252028, Київ - 28, нр. Науки, 45.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту фізики напівпровідників Національної Академії наук України за адресою: (м. Київ, пр. Науки, 45).

Автореферат розісланий “^7?” ,/М>Т0?П 1997 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради —■ С. С. Іщенко.

Актуальність теми досліджень. Одними з найбільш актуальних об’єктів напівпровідникової мікро- та оптоелектроніки на сьогодні є надгратки та квантові ями, що відкривають значні перспективи в конструюванні нових напівпровідникових приладів, побудованих на можливості керування їх енергетичною зонною структурою як за допомогою зміни складу компонент, так і варіюванням їх розмірів на рівні кількох сталих кристалічної гратки.

Серед багатьох напрямків досліджень, що сформувались із часів отримання перших надграток та квантових ям ОаАз/АЮаАБ, загалом для цілей мікроелектроніки, інтенсивно розвивається напрямок, пов’язаний зі створенням фотоприймачів інфрачервоного діапазону спектра як на міжпідзонних оптичних переходах в зоні провідності ваАэ в надгратках першого типу ОаЛэ/АЮгАэ, так і на міжзонних оптичних переходах між основними станами ям (бар’єрів) одного типу шарів і хвостами густини станів бар’єрів (ям) сусідніх квантоворозмірних шарів надграток II типу. В останньому разі існує можливість керування червоною межею фотовідгуку фотоприймачів на міжзонних оптичних переходах лише шляхом зміни товщин шарів складових компонент надгратки, причому ефективна ширина забороненої зони може бути значно меншою, ніж ширина забороненої зони компонент надгратки.

До сьогодні дослідження по створенню фоточутливих структур на надгратках II типу були виконані лише на сполуках ІІІ-У. Разом з тим існують і інші напівпровідникові системи, в яких можливо реалізувати надгратки II типу для цілей інфрачервоної фотоелектроніки.

Серед таких систем придатними для цих цілей можуть бути деякі пари напівпровідників групи ІУ-УІ, що мають порівняно невеликі ширини заборонених зон (Ей < 0.4 еВ) і сильно відрізняючися енергії спорідненості до електрону, що дає потенційну можливість формувати з пар цих сполук надгратки як І так і II типу.

Як правило, досліджені до сьогодні надгратки на основі халькогенидів свинцю та олова, а рівно інших сполук, є надгратками І типу, за винятком надграток РЬТе/БиТе, які тим не менш не можуть бути використані для цілей інфрачервоної фотоелектроніки внаслідок великої концентрації дірок, що з’являються в шарах БпТе при їх вирощуванні через значне відхилення від стехіометричного складу в бік надлишку халькогена.

Метою роботи було комплексне дослідження надграток на основі матеріалів IV-VI РЬТе/РЬБ, включаючи завдання визначення їх типу, величини розриву зон, деяких оптичних та електричних характеристик, попередній аналіз властивостей яких показав можливість існування надгратки II типу. Зазначимо, що ці структури добре вивчені з точки зору присутності в них надпровідності , однак зонна структура цих надграток до цих пір не обговорювалась.

Наукова новизна.

• На основі аналізу залежностей коефіцієнту Хола та магнетоопору від магнітного поля зроблено висновок, що надгратки РЬТе/РЬБ є надгратками II типу і визначено відповідний коефіцієнт розриву зон АЕу=0.32±0.05сУ.

• На основі отриманого значення величини розриву зон обраховано значення термів для електронів та дірок в шарах надгратки РЬТе/РЬБ в залежності від товщин складових компонент.

• В залежності від періоду надгратки на основі отриманого енергетичного спектру носіїв та моделі огинаючих хвильових функцій розраховано значення коефіцієнтів міжзонного і міжпідзонного поглинання для надграток II типу РЬТе/РЬБ, та показано, що їх величина не є достатньою для конструювання на основі таких структур фоточутливих приладів ІЧ-діапазону.

• На основі моделі діелектричного континууму показано, що на відміну від об'ємних вузькощілинних напівпровідників IV-VI, вплив розсіяння носіїв на оптичних фононах для даних надграток не є вирішальним і не дає повного узгодження з відомими експериментальними даними. На основі отриманих результатів зроблено висновок про необхідність врахування нерегулярності інтерфейсних границь, особливо при малих періодах надграток.

На захист виносяться наступні положення:

1. Надгратки РЬТе/РЬБ є надгратками II типу, що встановлено з аналізу залежностей коефіцієнту Хола та поперечного магнетоопору від магнітного поля. Це зумовлено, в основному, іонним характером зв’язку в цих сполуках, в яких розрив зон визначається найбільш чином різницею між значеннями величин електронної спорідненості. Розрив зон є однією з найбільш важливих характеристик для надграток, що визначає їх електронну структуру та область використання.

2. Коефіцієнти міжзонного та міжпідзонного поглинання в надгратках РЬТе/РЬ5 є досить слабкими. Це пов’язано для міжзонних переходів зі слабким проникненням хвильових функцій в бар’єри. Тому на даний час використання цих надграток в якості

з

фоточутливих структур в інфрачервоному діапазоні вважається недоцільним.

3. Врахування лише розсіювання на оптичних фононах дає рухливості носіїв, значно більші ніж ті, що спостерігалися експериментально для подібних структур. При великих періодах надгратки вирішальну роль в обмеженні рухливості носіїв вносить розсіяння на обмежених LO модах, а при малих періодах НГ -поверхневоподібні SO моди.

Отримані результати мають практичну цінність з точки зору можливості використання розробленої комплексної методики дослідження важливих фізичних параметрів низьковимірних структур, а саме: величини розриву зон, коефіцієнтів міжзонного та міжпідзонного поглинання, концентрацій та рухливостей носіїв в шарах для надграток II типу на основі вузькощілинних напівпровідників; а також з точки зору розгляду конкретної надгратки PbTe/PbS і висновків щодо можливостей практичного використання даної структури як фоточутливого приладу 14-діапазона.

Публікації та особистий внесок дисертанта. За матеріалами дисертації опубліковано 7 друкованих робіт в наукових журналах та тези доповідей 12 конференцій, перелік яких наведено в кінці автореферату.

Дисертантом проведено теоретичні та чисельні розрахунки, які описані в роботі, запропоновано використання методу Монте-Карло для аналізу магнітопольових залежностей, разом зі співавторами відповідних наукових праць інтерпретовано отримані результати розрахунків.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідалися на таких конференціях: 1-іиа міжвузівська конференція (Ніжин, 1991), II Українська конференція “Матеріалознавство і фізика напівпровідникових фаз змінного складу” (Ніжин, 1993), XXIII International School on Physics of Semiconducting Compounds

(Jaszowiec, Poland, 1994), 1th International Autumn School-

Conference “Solid State Physics: Fundamentals & Applications"

SSPFA’94 (Ужгород, 1994), 2th International Autumn School-Conference “Solid State Physics: Fundamentals & Applications”

SSPFA’95 (Ужгород, 1995), XXV International School on Physics of Semiconducting Compounds (Jaszowiec, Poland, 1996), семінарах інституту фізики напівпровідників НАНУ.

Структура і об’єм дисертації. Дисертація складається з вступу, трьох глав, висновків і списку цитованої літератури. Робота викладена на 93 сторінках, включає 18 рисунків і список літератури, що містить 85 джерел.

У вступі обговорюється актуальність теми, коротко описано зміст роботи, сформульовано положення, що виносяться на захист, показана новизна, наукова та практична цінність задач, що розв’язуються в дисертації.

У першій главі проаналізовано експериментальні залежності коефіцієнту Холу та магнетоопору від магнітного поля та за допомогою методу Монте-Карло знайдено значення концентрацій та рухливостей електронів і дірок у шарах надграток РЬТе/РЬБ.

Надгратки розглядаються як структури з послідовністю чергуючихся шарів напівпровідників і тоді з аналізу електрорушійної сили та токів в багатошарових структурах для поперечного магнетоопору та коефіцієнту Хола витікає:

Значення ц{Н) та ц?(Н) визначаються виразами (4) та (5), де прийняте гідродинамічне наближення: ц(є) = ц(0) = const, що означає ігнорування залежністю механізмів розсіювання носіїв току від енергії є; при цьому ц(0) означає, що час життя носіїв береться в точці екстремуму зон (є = 0).

Тут і вище (1і - товщини шарів, - концентрації носіїв в шарах, - їх рухливості відповідно, Н - величина магнітного поля і Ро - опір багатошарової структури.

За наявності експериментальних результатів з Холівських залежностей та залежностей магнітопору від магнітного полю, можливо знайти розв’язок системи (6):

I4-AW0)

(1)

де Холівська рухливість визначається наступним виразом:

К-н - Р±(Н)мн’

(2)

I diNinfiH)

Мн ІлЖмю

(3)

(4)

(5)

Щ°г(£,Н,р*,Р) = Ке*?±а

РГг(ії,и,^,Р)= рІхр ±а де /і,,0, Ы, Рр°, Р - невідомі значення рухливостей та концентрацій електронів і дірок відповідно, Я)£хр, роехР - експериментальні дані при деяких магнітних полях. Індекс вказує на різні значення магнітного поля, а а - це задана величина похибки.

Для вирішення системи рівнянь (6) був обраний метод Монте-Карло, так що після набору достатньої статистики стає можливим відновлення шуканих значень середнього та дисперсії для відповідних величин:

В роботі аналізувались дві групи структур. Першим зразком була тришарова РЬЬхБпхТе (х~0.2) структура з р-п-р типом провідності, а другим - надгратки РЬТе/РЬЗ, що були вирощені на діелектричній (100) КС1 підкладці з РЬТе буферним шаром товщиною порядку 1 мкм, причому після проведення необхідних вимірів коефіцієнта Хола та магнетоопору в тришаровій структурі, зовнішні р-шари хімічно стравлювались для порівняння обрахованих значень концентрацій та рухливостей з експериментально виміряними у внутрішньому шарі я-типу, яке показало добру відповідність між ними.

Експериментальні польові залежності коефіцієнта Хола і магнітоопору в надгратках РЬТе/РЬБ, вирощених методом “гарячої стінки” показують сильні залежності від магнітного поля навіть в слабких полях (р„Іі/с«\) (мал. 1). Очевидною є значна різниця в магнітопольових залежностях коефіцієнту Хола та поперечного магнетоопору для різних об’єктів. Для епітаксіальних плівок та гетероструктур залежності II) та р_і(Н) практично не змінюються з магнітним полем. Напроти, сильні для надграток Я,і(Н) та р/Н) залежності вказують на присутність у надгратці носіїв різних типів провідності. Для реалізації такого типу залежності Яі/Н) з тенденцією до зміни знаку при зростанні величини магнітного поля, провідність я-типу в шарах надгратки повинна бути значно більшою за провідність р-типу. Оскільки власна концентрація щ занадто мала для впливу на тил провідності (при температурі експериментів Т=77 К власна концентрація становила значення щ < 2 1013 ст~3), то існує лише можливість, що шарами я-типу повинні бути шари РЬТе, а р-типу відповідно РЬБ, оскільки рухливість носіїв в РЬТе, як правило, в декілька раз перевищує цю величину в шарах РЬБ.

о

\

"є

о

X

я

І-

&>

О

10_ 9 ,

Рис. 1. Залежність коефіцієнту Хола від магнітного поля для РЬТе/РЬБ НГ (експеримент та розрахунок): 1 - 6.0/6.0 нм, 2 -20/50 нм), РЬБ плівок (3) та РЬТе/РЬБ гетероструктур (4 - 1.5 мкм/1.5 мкм). Товщина всіх структур близько 3 мкм.

Результати обчислень показують, що рухливості в шарах п-типу дійсно в два-три рази більші за рухливості в шарах р-типу, як це типово для рухливості носіїв в об’ємних та епітаксіальних шарах РЬТе і РЬБ. Оскільки за використовуваних експериментальних умов окремі шари РЬБ та РЬТе могли бути вирощені тільки з провідністю и-типу, то результати, що засвідчують р-тип провідності в шарах РЬБ, можливо пояснити тільки перетіканням електронів шарів РЬБ до шарів РЬТе. Такий випадок може мати місце тільки для “розривної” надгратки II типу, коли верх валентної зони в шарах РЬБ розташований вище за дно зони провідності в РЬТе. З отриманих в результаті обчислень значень концентрацій носіїв в шарах РЬБ та РЬТе можна розрахувати положення рівня Фермі за допомогою якого можна обрахувати величину розриву зон, що є одним з важливих параметрів для надграток.

У другій главі визначається розрив зон для надграток II типу РЬТе/РЬБ і на основі його значення з використанням двозонної моделі Кейна та моделі огинаючих хвильових функцій розраховується енергетичний спектр надгратки і коефіцієнти міжзонного та міжпідзонного поглинання в цих надгратках.

Було проаналізовано три надгратки РЬТе/РЬБ з різними періодами (12 нм < (і <, 70 нм), та з визначеними в попередній главі значеннями концентрацій та рухливостей носіїв в шарах надграток. З цих значень можна визначити положення рівня Фермі Ер:

де рг{Е) - густина станів, а £; - енергетичні рівні підзол в надгратках, що шляхом самоузгоджених розрахунків пов’язані з визначаємим значенням величини розриву зон ЛЕУ■ Використовуючи формули зв’язку між положенням країв зон в РЬТе та РЬБ, енергетичних рівнів в них та рівня Фермі можна обчислити величини розриву зон для кожної з аналізуємих надграток. Отримане в результаті розрахунків значення розриву зон дорівнює ЛЕу - 0.32 ± 0.05 еВ. Таким чином, зроблено висновок, що надгратки РЬТе/РЬБ є “розривними”, тобто дно зони провідності РЬТе в них знаходиться нижче стелі валентної зони РЬБ. Відмітимо, що хоча розрив зон на гетеромежі РЬТе/РЬБ отриманий шляхом непрямих розрахунків і може потребувати більш детальних досліджень, але одержані дані можуть слугувати відправною точкою для виконання теоретичних розрахунків енергетичної зонної структури надграток.

Розрахунки зонного спектра надграток РЬТе/РЬБ були виконані для кристалографічного напрямку [100] методом огинаючої хвильової функції з урахуванням непараболічності зонного спектра напівпровідникових компонент поблизу екстремумів зони провідності та валентної зони в точці Ь зони Бріллюена в рамках двозонної моделі Кейна. В такому наближенні хвильова функція електронів або дірок в г-му шарі надгратки має наступний вигляд:

де Ґ’іг) - огинаючі хвильові функції, що повільно змінюються на

швидкозмінюючихся блохівських хвильових функцій, що описують стани поблизу точки Ь зони Бріллюена.

При отриманні рівняння для знаходження дозволених значень енергії були використані граничні умови на неперервність та

ЩЕгї^кїЦмЕт

(7)

і 0

(8)

довжинах періоду надгратки, м,х - періодична частка

Ес(г)І стхрхкх + сгу(руку + Рпкг) +аг(рхкх + р^ку)

(9)

ЕЛг)І

НЕ = єТЕ

(10)

в

періодичність огинаючих хвильових функцій, і також на неперервність та періодичність добутку їх похідних на залежну від енергії обернену ефективну масу, причому

щ(Е) є(є+Е*) Р}

цп(Е) (£-А)(є-А Огинаючі хвильові функції електронів та дірок в шарах РЬТе та PbS відповідно можна записати наступним чином:

F{( г)=А{Єхр( і k2h)+B {Єхр(-ik2lz) (12)

Тоді дисперсійне рівняння на власні значення енергії приймає наступний вигляд:

coskd - cos(к(ЬТеа)cos(k™sb) ~ 2(у + 'f)Sin(k[bTea)sin(k£bSb) (13) Розрахунки зонного спектру надгратки РЬТе/PbS були виконані чисельно для різних товщин компонент надгратки та температур Т=77 К і 300 К, При товщині шарів, більших за 70-80 А в надгратці PbTe/PbS (Т=77К) повинен відбуватись перехід до напівметалічної провідності, що обумовлено перекриттям та взаємодією s-станів валентної зони PbS та p-станів зони провідності РЬТе. При більш високих температурах перекриття зон менше, і перехід в стан з напівметалічною провідністю повинен відбуватись при більших товщинах.

За товщин шарів а я Ь < 70+80 А при Т = 77 К надгратки PbTe/PbS повинні переходити в стан із напівпровідниковою провідністю і потенційно можуть бути використані для створення фоточутливих структур інфрачервоного діапазону спектра, причому червона межа фоточугливості яких лежить в більш довгохвильовій області спектра, ніж для кожної з компонент окремо. Відзначимо, що в цьому випадку червона межа фотовідгуку надгратки може визначатись лише товщинами шарів компонент, а не виключно хімічним складом на відміну від вузькощілинних потрійних твердих розчинів PbSnTe або HgCdTe, що широко застосовуються в інфрачервоній фотоелектроніці, але мають невисоку термодинамічну стабільність.

Матричні елементи оптичних переходів для надграток можуть бути представлені в наступній формі:

Р<і ~ (фуіРІф/) я

{ У; (zf¥i(z)dz I (rjp U;(r )dr + I (zm (Z)dz I Vj (r)Ui(r)dr

a a

Це перетворення можливе завдяки швидкій зміні Блохівських функцій Ujjfr) порівняно з огинаючими функціями %■ j(r). Таким чином оптичне поглинання можна поділити на дві частини: перший член звичайно відносять до міжзонного поглинання і другий - до

міжпідзонного. Тому коефіцієнт поглинання в надгратці визначається інтегралом перекриття \'^'j(z)%(z)dz для міжзонних переходів та дипольними матричними елементами l'¥j(z)f№j(z)dz для міжпідзонних переходів.

Міжзонне поглинання в надгратках РЬТе/РЬБ повинне відбуватись в шарах РЬБ між квантованими станами валентної зони та хвостами хвильової функції в зоні провідності, а також в шарах РЬТе між станами зони провідності та хвостами хвильової функції в валентній зоні.

При цьому кінцева формула для коефіцієнта поглинання записується наступним чином:

а = ріРі)1 Ічй.аса - а>„4я^ -/М■ <І5>

де Фпт - інтеграл перекриття між огинаючими хвильовими функціями от-рівня в валентній зоні та я-рівня в зоні провідності і таким чином міжзонний коефіцієнт поглинання визначається перекриттям хвильових функцій, що затухають в бар’єрних шарах надгратки.

Рис. 2. Червона межа фоточутливості та відповідні коефіцієнти поглинання для 1-1 міжзонних (зліва) та 1-2 міжпідзонних (справа) переходів.

При обчисленні коефіцієнту поглинання для міжпідзонних переходів треба взяти до уваги, що 1) інтеграл перекриття визначається Блохівськими функціями (цей інтеграл приблизно дорівнює одиниці), 2) замість матричних елементів міжзонних (валентна зона - зона провідності) переходів, що визначаються експериментально, треба обрахувати дипольний матричний елемент для переходів з основного до першого збудженого стану в зоні провідності (для відомих хвильових функцій), 3) треба прийняти до уваги залежність розташування рівня Фермі від періоду надгратки, якою в даному випадку знехтувати не можна. Обраховані

залежності міжзонного та міжпідзонного коефіцієнта поглинання від періоду над гратки показані на малюнку 2.

Оскільки розраховані коефіцієнти є досить малими, зроблено висновок про недоцільність використання даних структур в якості фоточутливих приладів ІЧ-діапазону.

У третій главі на основі моделі діелектричного континууму розглядається розсіяння електронів на оптичних коливаннях гратки як одного з основних механізмів, що обмежує рухливості носіїв в шарах надграток.

Існує досить велика кількість робот, в яких досліджуються механізми розсіяння носіїв у вузькозонних об’ємних напівпровідниках груп ІУ-УІ. В цих системах механізмами розсіювання, що обмежують рухливості носіїв в практично важливому температурному інтервалі 77-300 К, є наступні механізми: 1) розсіяння на повздовжніх оптичних (Ш) полярних фононах, 2) розсіяння на деформаційному потенціалі акустичних фононів, 3) розсіяння на невпорядкованості сплавного потенціалу, серед яких домінуючим процесом для даної групи напівпровідників є електрон-оптична фононна взаємодія. Тому очікувалось, що найбільш важливим механізмом розсіювання, що обмежує рухливості електронів в низькорозмірних структурах IV-VI, є розсіювання на ЬО полярних фононах.

Розмірне квантування в низькорозмірних структурах впливає як на енергетичний спектр носіїв, так і на спектр мод оптичних коливань гратки. Фононні спектри в низькорозмірних структурах розглядались в межах моделі діелектричного континуума, а енергетичний спектр носіїв току розглядався в рамках двозонної моделі Кейна з урахуванням непараболічності, так як це описано в попередній главі.

В цій роботі проведено аналіз лише електрон-фононної взаємодії, і не брався до уваги вплив явищ на гетерограниці низькорозмірних структур, хоча як здається, цей вплив (наскільки можна судити з порівняння відомих експериментальних даних з результатами обчислень) для низькорозмірних структур IV-VI, повинен бути досить важливим.

Частота розсіювання електрона при випромінюванні або поглинанні одного фонона а-і моди:

1Гл(і,Ґ) = ~-\{/\На[і)\23(єг - є, ± Па,), (16)

а гамільтоніан електрон-фононної взаємодії:

ЇЇе-ф = £ £ X Єід' РГ](4ц,Чг^)(Щ (-% -4г))> <17)

І «І Чг

де ^(д^,дг,і) - функція зв’язку, що описує взаємодію електрона з /-м оптичним коливанням гратки:

‘ ( е2П У1

ЕІ(Щ.Ч,\і) (18)

Беручи до уваги Блохівський характер електричного поля для функції зв’язку після деяких перетворень отримуємо:

Г/ 9|| ’Яг**) = С°ЄаК (19)

де для Ш-мод: Усо = $іпд1т(і ~ псі)

&іо - (аЦ + Ч\тУ^ (20)

а для б, а -мод У! а = ехр(д^(і - псі)) ± ехр(~д1,(г - псі))

0,,а = ехр(ідгпс1)д^Уг (21)

і кінцевий вираз для матричного елементу частоти розсіювання:

(/\Йе-ф\і) = 2^*2' І^И^в^ві^Оа + 2 + + Це + Яі\) (22)

де /а - інтеграли зіткнень:

(]п-)а = і скР(1)Р(ї)Уа (23)

а Р(1) - огинаючі хвильові функції електронів початкового та кінцевого станів, а ()а = (Jl^ )а± та (), = (J|Ґ )!±.

Таким чином, частота розсіювання залежить від значення інтегралу зіткнень, що визначається матричним елементом оптичних коливань гратки на огинаючих хвильових функцій електрону.

Оскільки електрон-фононна взаємодія за використовуваних умов (Т<100К) є непружним процесом, то для отримання рухливості носіїв використовувався варіаційний метод.

На малюнку 3 показано результати чисельних розрахунків залежності рухливості електронів від величини періоду надграток РЬТе/РЬБ, що ілюструють вирішальну роль розсіювання на БО-модах при переході від об’ємних зразків до короткоперіодних надграток. Разом із тим відмітимо, що експериментальні значення рухливостей носіїв в низьковимірних структурах значно менші за обчислені для надграток РЬТе/РЬБ з урахуванням лише розсіювання на оптичних коливаннях гратки. Це пов’язано з існуванням інших механізмів розсіювання, нехарактерних для об’ємних напівпровідників, але стающих важливими при переході до низьковимірних структур. На наш погляд основними серед них може бути розсіяння на нерегулярностях інтерфейсних границь разом з екрануванням електрон-фононної взаємодії біля меж поділу.

к * . 11 .

А.

■® . А

Iй

203 2ГО 4® 503 ЄЮ

Період надгратки, сі (ангстрем)

Рис. 3. Обчислена для РЬТе/РЬБ надграток залежність рухливості носіїв від періоду надгратки та експериментальні дані для надграток РЬТе/ЕиТе (•*■) і РЬТе/РЬо.вЗпо.гТе (■), структур з багатьма квантовими ямами РЬТе/РЬ0878по ізТе (♦) і РЬ'Ге/РЬ0 §5п0 2Те (*,•). ' ' ‘ '

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ.

1. Сильні залежності коефіцієнту Хола навіть в слабких магнітних полях свідчать про наявність в надгратках РЬТе/РЬБ двох типів провідності, що можливо пояснити лише належністю даних структур до “розривних” надграток II типу, коли верх валентної зони в шарах РЬБ розташований вище за дно зони провідності в РЬТе.

2. Аналіз магнітопольових залежностей коефіцієнту Хола та магнетоопору за допомогою методу Монте-Карло дає змогу обчислити концентрації та рухливості носіїв в окремих шарах надгратки, що дозволяє визначити положення рівня Фермі та величину розриву зон АЕу = 0.32 ± 0.05 еВ.

3. Отримане значення розриву зон дає можливість з використанням двозонної моделі Кейна та методу огинаючих хвильових функцій обчислити енергетичну структуру надгратки та коефіцієнти міжзонного та міжпідзонного поглинання в залежності від товщин складових компонент надграток. При періоді надграток, більших за 60-70 А при Т=77К, надгратки повинні переходити в стан із напівметалічною провідністю, що зумовлено перекриттям станів валентної зони та зони провідності. Для надграток з меншим

періодом червона межа фотовідгуку може визначатись лише товщиною складових компонент, але коефіцієнти поглинання досягають незначних величин, і тому зроблено висновок щодо недоцільності використання даних надграток в якості фотоприймачів ІЧ-діапазону.

4. Значення рухливості носіїв, отримані в результаті розгляду розсіяння електронів на оптичних коливаннях гратки, дають змогу зробити висновок, що на відміну від об’ємних матеріалів тієї ж групи, вказаний механізм розсіяння не дає повного узгодження з експериментальними даними, на основі чого зроблено висновок про необхідність врахування розсіяння на нерегулярності інтерфейсних границь.

Основні результати дисертаційної роботи викладено п наступних публікаціях:

1. Ф.Ф.Сизов, Ж.В.Гуменюк-Сичевська, В.В.Забудський. "Зонна структура надграток II типу PbTe/PbS"."// Укр. Фіз. Журнал, т.39, №3 (1994), стор. 349-351.

2. V.V.Golovin, J.V.Gumenjuk-Sichevskaya, V.V.Zabudsky et. al. "Band Structure and Properties of PbTe/PbS Superlattices". //Physics of Low Dimensional Structures, -\'?6 (1994), p.p.19-31.

3. F. F. Sizov, J. V. Gumenjuk-Sichevskaya, V. V. Tetyorkin, V.V.Zabudsky. “Electron Properties of Type II PbTe/PbS Superlattices”.// High Magnetic Fields in the Physics of Semiconductors, (1994), p.p. 220-223.

4. F.F.Sizov, J.V.Gumenjuk-Sichevskaya, V.V.Zabudsky et. al. "Properties of Type II Mismatched PbTe/PbS Super lattices".//Proceeding SPIE, v. 2373 (1995), p.p. 190-197.

5. F.F.Sizov, J.V.Gumenjuk-Sichevskaya, V.V.Zabudsky et. al. "Band-offset and electronic properties of type II PbTe/PbS superlattices". // Acta Physica Polonica, vol. 87, №2 (1995) p.p. 441-444.

6. V.V.Zabudsky, F.F.Sizov, V.V.Tetyorkin. "Semiconductor Multilayer Structure and Type II Superlattices Electrical Characteristics Simulation”. // Modelling and Simulation in Material Science and Engeneering, №3 (1995), p.p. 575-582.

7. F.F.Sizov, J.V.Gumenjuk-Sichevskaya, V.V.Zabudsky. "Band-Offset, Inter- and Intra-Band Absorption in PbTe/PbS Superlattices". Physics of Low Dimensional Structures, №3 (1996), p.p.81-90.

Ключові слова: надгратки, вузькозонні напівпровідники, розрив зон, коефіцієнти поглинання, механізми розсіяння.

Забудский В. В. Энергетическая структура, оптическое поглощение и процессы рассеивания в низкоразмерных системах на основе узкощелевых полупроводников А4В6.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков; Институт физики полупроводников Национальной Академии наук Украины, Киев, 1997.

Защищается 7 научных работ, содержащих исследования зонной структуры, электрических и оптических характеристик низкоразмерных систем. Основным объектом исследований являются сверхрешетки на основе узкозонных полупроводников А4Вб РЬТе/РЬБ. На основе анализа экспериментальных зависимостей коэффициента Холла и поперечного магнитосопротивления от магнитного поля сделан вывод о том, что указанные объекты являются сверхрешетками II типа, а с использованием метода Монте-Карло вычислены концентрации и подвижности носителей заряда в отдельных слоях сверхрешеток, что позволило определить одну из самых важных характеристик для сверхрешеток, которая определяет их зонную структуру и область использования - величину разрыва зон. Вычисленное значение ЛЕУ=0.32 ± 0.05 еУ относит данные сверхрешетки к “разрывному" типу. На основе двузонной модели Кейна и метода огибающих волновых функций рассчитан энергетический спектр сверхрешеток при различных температурах в зависимости от их периода. Показано, что при некоторых толщинах компонент сверхрешетки должны переходить в состояние с полуметаллическим характером проводимости. Для полупроводниковых состояний сверхрешетки вычислены коэффициенты межзонного и межподзонного оптического поглощения в зависимости от периода сверхрешетки и поскольку их величины достаточно малы, сделан вывод о неперспективности использования указанных структур в качестве фоточуствительных элементов инфракрасного диапазона. На основе модели диэлектрического континуума рассмотрено рассеяние электронов на оптических колебаниях решетки, как одного из основных механизмов, ограничивающих подвижность носителей в слоях сверхрешеток. Показано, что в отличие от объемных материалов той же группы учет указанного механизма рассеяния не дает полного согласования с известными экспериментальными данными, из чего сделан вывод о необходимости учета рассеяния на нерегулярностях интерфейсных границ.

Zabudsky V. V. Energy structure, optic absorption, and scattering processes in low-dimensional systems on the base of narrow-gap IV-VI semiconductors.

Thesis on search of a scientific degree of the candidate of physical and mathematical sciences on a speciality 01.04.10 - Physics of Semiconductors and Dielectrics; Institute of Physics of Semiconductors of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 1997.

7 scientific papers containing researches of band structure, electrical and optical characteristics of low-dimensional structures are under discussion. The main object of research are PbS/PbTe superlattices (SL) on the base of IV-VI narrow-gap semiconductors. The conclusion that these structures are the type II SLs was made under the analysis of Hall and magnetoresistivities experimental dependencies on the magnetic field. The concentrations of carriers in the separate layers of the SLs as well as their mobilities were determined using the Monte-Carlo technique. It gave the possibility to determine one of the most important parameters for superlattices, that is band gap AEV=0.32 ± 0.05 eV. The energy spectra of superlattices were calculated using two-band Cane model and envelope wave functions approximation in dependence of its periods at various temperatures. It was shown that the semiconductor-semimetallic phase transition must occur at the some width of SL constituents. The inter-and intraband absorption coefficients were calculated vs period of SL and it was concluded that these structures can hardly be used as the photosensitive structure of IR-region were made due to small values of these coefficients. The electron scattering due to optical vibrations of lattice are described in the frame of dielectric continuum model as the main mechanism limited the carrier mobilities in the SL layers. The conclusions that it is necessary to take into account interface irregularity scattering were made due to inadequate accordance with the known experimental data.