Исследование электронных свойств бесщелевых CdxHg1-xTe, HgTe, HgSe и узкощелевых (TlBiS2)x - (TlBiSe2)1-x полупроводников методом эффекта поля в системе полупроводник - электролит тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ШЕВЧЕНКО Ольга Юрьевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ СВОЙСТВ БЕСЩЕЛЕВЫХ С(1хНд^хТе, НдТе, НдБе И УЗКОЩЕЛЕВЫХ (Т/Вг52)х - (ГШгЯегЬ-х ПОЛУПРОВОДНИКОВ МЕТОДОМ ЭФФЕКТА ПОЛЯ В СИСТЕМЕ ПОЛУПРОВОДНИК -

ЭЛЕКТРОЛИТ.

специальность 01.04.10 — физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург

2005

Работа выполнена в отделе электроники твердого тела НИИ физики имени В.А.Фока Санкт-Петербургского Государственного Университета.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

доктор физико-математических наук, профессор Яфясов Адиль Маликович

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор физико-математических наук

ведущий научный сотрудник Сресели Ольга Михайловна

доктор физико-математических наук

профессор Лисаченко Андрей Андреевич

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Российский Госуцарственный Педагогический Университет имени А.И.Герцена.

Защита состоится . 200.^года в .

// . часов

на заседании диссертационного совета Д 212.23/.33 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Санкт-Петербургском Государственном Университете по адресу: 198504, Санкт-Петербург, Ульяновская 1, НИИФ СПбГУ, конференцзал НИИФ СПбГУ.

Отзывы просим отправлять по адресу: 198504, Санкт-Петербург, Ульяновская 1, НИИФ СПбГУ, диссертационный СоЬет Д 212.232 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им. М.Горького Санкт-Петербургского Государственного Университета.

Автореферат разослан "..."............ 200... года.

1

Ученый секретарь диссертационного совета д.ф.-м.н., профессор

'Лезов Андрей Владимирович

аоос А

Общая характеристика работы.

Разнообразие свойств бесщелевых соединений позволяет получать зна-

ния о релятивистских эффектах, спинорбитальном взаимодействии в рамках фундаментальной науки и использовать эти материалы для создания быстродействующих приборов в микро-, нал о- и оптоалектро-нике. Определение таких электронных параметров как характер законов дисперсии разрешенных зон, матричный элемент оператора Эсваэи-импульса Р и эффективные массы электронов т* и дырок т^,, значение энергии Ферми Ер, плотность встроенного заряда Л^, потенциал плоских зон <£>/(,, собственная концентрация носителей заряда п,, концентрация легирующей примеси Л^ в них становится особенно важным для повышения подвижности носителей и быстродействия приборов. При этом вызывает интерес исследование как объемных, так и поверхностных свойств этих соединений.

Для бесщелевых полупроводников С<1хНд\-хТе, НдТе и Ндве мало исследованы такие параметры валентной зоны, как характер закона дисперсии тяжелых дырок и величины эффективных масс тяжелых дырок Слоистые структуры (ТШгБг)! - (Т1 ВгЗе2)1-х перспективны для создания инфракрасных фотоприемников и акустоэлектронных преобразователей. Электронные свойства поверхности полупроводниковых соединений (Т1ВгБ2)х - (ТШ1'5е2)1-1 к настоящему времени практически не исследованы.

Настоящая работа посвящена экспериментальным исследованиям электронных характеристик перечисленных материалов, которые проводились методом эффекта подя в системе полупроводник - электролит (ЭП-

Целыо диссертационной работы являлось исследование электронных свойств узкощелевых (Т/Яг.^)* - (ТШ»5е2) 1-х и бесщелевых С(1хНд\-хТе, НдТе, НдБе полупроводников с использованием метода эффекта поля в системе полупроводник - электролит. Для этого предполагалось решить •следующие задачи:

1. Определить условия, при которых измеренные в эффекте поля вольт-фарадные характеристики (ВФХ) межфазной границы (МФГ) полупроводник - электролит определялись бы электронными свойствами исследуемых материалов (выбор состава электролита, диапазона поляризующих

ПЭ).

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

напряжений, характера предобработки поверхности кристаллов).

2. Получить сведения об электронных свойствах соединений (TlBiSi)x -(TlBiSe2)\-x и CdxHg\~xTe, НдТе, HgSe при комнатных температурах.

3. Разработать методику определения величины матричного элемента оператора квазиимпульса и эффективной массы электронов из экспериментальных ВФХ для бесщелевых полупроводников и проанализировать критерий ее применимости.

Научная новизна. t

В настоящей работе впервые реализован метод ЭППЭ для исследования электронных свойств бесщелевого полупроводника HgSe и узкощелевых полупроводников {TlBiS2)x — (TIBiSe2)1-1.

Предложен и обоснован механизм формирования диэлектрического слоя на поверхности HgSe в условиях реализации метода ЭППЭ. Получено выражение для зависимости дифференциальной емкости от поверхностного потенциала вырожденной системы электронов в ОПЗ бесщелевого полупроводника. Проведена оценка точности использования методики анализа экспериментальных ВФХ в классическом приближении для описания ОПЗ бесщелевых полупроводников. По разработанной методике проведена оценка величины матричного элемента оператора квазиимпульса и эффективной массы электронов для Нд$е при комнатной температуре.

Показано, что при интерпретации электронных свойств соединений (TlBiSz)x - {TlBiSe2)i-x могут быть привлечены представления теории области пространственного заряда на поверхности полупроводников. Получены значения фундаментальных электр^ных параметров - матричного элемента оператора квазиимпульса, эффективной массы электронов и дырок, собственной концентраци носителей, энергии Ферми для бесщелевых полупроводников CdxHg\.xTe, НдТе, HgSe и соединений (TlBiSi)x - (TlBiSei)\-x с (0 < х < 1) при комнатной температуре. Практическая ценность работы.

1.- Предложен и обоснован механизм формирования диэлектрического слоя на поверхности бесщелевых полупроводников CdxHg\.xTe, НдТе и HgSe при их поляризации методом ЭППЭ в насыщенном растворе KCl.

2.Впервые продемонстрирована возможность создания МДП-структуры на основе HgSe, при этом достигается изменение емкости в 20 раз при

изменении поверхностного потенциала в диапазоне (—0.20 В < Vg < +0.25 Б) при комнатной температуре. Стабильность электрофизических свойств МДП сохранялась в течение года. „

3. Разработана и реализована методика для изучения электронных свойств поверхности бесщелевого HgSe и узкощелевых (Tißtft)» — (TlBiSei)i-x полупроводников.

4. Получены данные о законе дисперсии зоны проводимости и зоны тяжелых дырок и значение эффективной массы электронов и тяжелых дырок для HgSe.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика определения величины матричного элемента оператора квазиимпульса бесщелевых полупроводниках и критерии ее применимости.

2. Оценка величины матричного»элемента оператора квазиимпульса и величины эффективной массы тяжелых дырок в HgSe.

3. Закон дисперсии и значение эффективных масс электронов для соединений (TlBiS2)x - {TIBiSe2)i-x (0 < х < 1).

4. Принципиальная возможность формирования МДП-структур на основе HgSe с глубиной модуляции емкости более чем на порядок при комнатной температуре.

Апробация работы.

Основные результаты, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались на 5 конференциях: The 9th International Conference on Narrow Gap Semiconductors, Berlin, Germany, September 26 - October 1, 1999; the Conference "Applied Nonlinear dinamics Technologies". Thessaloniki, Greece, 27-30. August, 2001; Simposium "Materials in microtechnologies and Microsystems" of E-MRS, Meeting 2001, Strasbourg, France, 5-8 June, 2001; Международная научная школа - конференция "Тонкие пленки и наноструктуры." Москва, 7-10 сентября, 2004; XXXIV научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО. 2-4 февраля, 2005. Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 4 печатных работы [1, 2, 3,4].

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет ... страниц, в тексте содержится ... рисунков.

Содержание работы.

Во введении кратко обоснована научная и практическая актуальность исследования электронных свойств ОПЗ бесщелевых полупроводников НдЭе, С(1хНд1-хТе, НдТе и узкощелевых полупроводниковых структур {ТЧВгБ^х - (Т1В13е2)1-х- Сформулированы цели и решаемые в работе задачи. Представлены основные защищаемые положения, научная н практическая значимость работы.

Первая глава представляет собой обзор современных представлений об объемных и поверхностных свойствах исследуемых материалов. В первом параграфе представлены и проанализированы имеющиеся в литературе значения основных электрофизических параметров для всех исследуемых соединений, характеризующие их объемные свойства. £о втором параграфе приведены известные из литературы результаты исследования поверхности бесщелевых соединений С<1хНд\-хТе и НдТе. Отмечено, что поверхностные свойства полупроводниковых соединений НдБе и {Т1Вх5г)х - (ТШ15е2)1-х не изучались.

В третьем параграфе рассматривается классическое и квантовое описание ОПЗ полупроводников в одночастичном приближении Хартри. Приведены основные уравнения, описывающие зависимость дифференциальной емкости ОПЗ бесщелевых полупроводников от поверхностного потенциала.

Вторая глава посвящена методу ЭППЭ и состоит из четырех параграфов. •

В первом параграфе кратко изложены современные представления о строении границы раздела полупроводник - электрс^ит и теоретические основы метода ЭППЭ. Приведены обоснования использования метода и условия реализации квазиравновесного эффекта поля. Введено понятие об условиях идеальной поляризуемости полупроводникового электрода в ЭППЭ, выполнение которых означает, что измеряемая емкость целиком определяется емкостью ОПЗ, и для определения электронных парат метров полупроводника применим формализм теории ОПЗ. Представлена эквивалентная схема, описывающая дифференциальную емкость межфазовой границы, являющаяся основой для анализа экспериментальных данных.

Во втором параграфе описан двухимпульсный метод измерения дифференциальной емкости, представлена схема экспериментальной уста-

новки и характеристики измерительных блоков. Приведена методика определения электрофизических параметров приповерхностной области полупроводников. «

Третья глава посвящена результатам изучения электронных свойств соединений НдБе, Св.хНд\-хТе и НдТе.

В первом параграфе представлен анализ зависимости дифференциальной емкости ОПЗ бесщелевых полупроводников от поверхностного потенциала в случае сильного вырождения электронного газа для" зоны проводимости в классическом приближении. Показано, что дифференциальная емкость ОПЗ линейно зависит от поверхностного потенциала

д2ео£.с

(1)

(2/3)1/%2рз-

а ее производная на участке электронной ветви ВФХ, соответствующем сильному вырождению электронов в ОПЗ, определяется выражением

(2/3)1/27Г2рз' (2)

¿V. * ^

Соотношение (2) позволяет оценить величину матричного элемента оператора квазиимпульса Р, если известна диэлектрическая проницаемость £,е материала. Проанализирована точность полученного выражения. Найдены значения V, ип„ при которых оно корректно описывает ОПЗ бесщелевого полупроводника. Получено, при каких значениях V, и п, описание должно быть квантовым.

Во втором параграфе представлены результаты исследования электронных свойств НдБе. Обсуждаются условия предобработки поверхности образцов, выбор электролита и воспроизводимость экспериментальных результатов. Проанализировано выполнение условий идеальной поляризуемости НдБе при измерениях. Получено, что зона проводимости НдБе описывается ультрарелятивистским законом дисперсии, а валентная зона - параболическим. Определены электронные параметры ОПЗ Ндве (см.таблицу 1). Из таблицы 1 видно, что полученные из эксперимента величины эффективных масс электронов и тяжелых дырок НдБе ниже известных из литературы значений. Это может указывать на возможность проявления эффектов размерного квантования как электронов, так и тяжелых дырок в ОПЗ НдБе уже при комнатных температурах. "

С , F/»m'

V., (V)

45 -0 4 -0Л -О2 •

полупроводника HgSe имеет парат болический характер, это позволяет, расчитать дырочную ветвь ВФХ для HgSe в квантовом приближении, используя методику работы [3].

Следует отметить, что при аккумуляции дырок в ОПЗ они могут находиться в состояниях с той же энергией, что и электроны зоны проводимости в объеме бесщелевого полупроводника. В действительности это обстоятельство может сказаться только на размытии уровней энергии при очень малых волновых векторах (вблизи дна квантовых подзон), но практи- Рис. 1. ВФХ для HgSe: 1,2 - измерен-

чески не влияет на заселенность под- ?ые методом ЭППЭ » KCl

(разброс для разных эксперимеиталь-зон (а потому и на распределение объ- ных образцов); 3, 4, 5 и 6 - рас-емного заряда и потенциала, а значит считанные в квантовом приближение

и на ВФХ) даже при небольших изги- = °-75?°- = а50,Пв'

' в mlK = 0.40тпо и тп^д = 0.25гло соответ-

бах зон, а тем более в области сильной ственно

инверсии, для которой, собственно, и

проводился квантовый расчет. Для определения величины в HgSe был проведен квантовый расчет С,с(У,)-зависимостей для m*htt = 0.75тпо, т£л = 0.50то, т^д = 0.40то и т^, = 0.25то (рис.1 (кривые 3, 4, 5 и 6 соответственно). Хорошее согласие экспериментальных (1,2) и теоретической при mj^ = 0.4Qmo кривых позволило сделать заключение, что размерное квантование тяжелых дырок в валентной зоне HgSe проявляется уже при комнатных температурах, а величина m"hh составляет 0.40шо.

В третьем параграфе главы представлены результаты исследования переходного слоя, формирующегося на поверхности HgSe при поляризации ее методом ЭППЭ в растворе KCl. Одновременное самосогласованное измерение ВФХ и ВАХ позволило предположить следующую модель физико-химического процесса. При анодной поляризации атомы ртути выходят на поверхность из приповерхностного объема полупроводника (HgSe) и, связываясь с ионами хлора из раствора, образуют соедине-

б

ние НдгС12, которое по своим свойствам представляет собой идеально

параметр значение ссылка

25.6 [1]

РэВсм (7.2 - 8.2) • 10"8 из электронной ветви ВФХ

РэВсм (7.7 - 8.0) • КГ8 [1,2]

те/тпо 0.0050-0.0065 из дырочной ветви ВФХ

me/mQ 0.015-0.095 И

mhh/mo 0.25 из дырочной ветви ВФХ в классич.прибл.

mhh/mo 0.40 го дырочной ветви ВФХ в квант.прибл.

mhh/mо 0.31-0.84 [1,2]

n,-, CM~3 (1.8 - 2.3) • 1017 расчет

П{, см~ъ (1.1-1.3)-10" по минимуму ВФХ

n<, см~л литература

Ер — Ее, эВ 0.120-0.140 из электронной ветви ВФХ

Ер — Ее, эВ 0.180 из дырочной ветви ВФХ

Ер — Ес,эВ 0.067-0.073 расчет, ИА = N0 — 0

Ef — Ес,эВ 0.100-0.118 расчет, N0 = 4.1 ■ 1017

Таблица 1. Полученные в работе и известные из литературы данные для HgSe при Т = 300К.

Под слоем Нд2С1г формируется обедненный ртутью приповерхностный слой монокристалла, проявляющий диэлектрические свойства Этот слой, по нашему мнению, состоит из элементного селена Se с остатками положительно заряженной ртути Нд+, которая и играет роль встроенного заряда Кроме того, анализ литературных данных [6] показал, что при потенциале ip ~ 0.12В в наших экспериментальных условиях возможно образование НдО. Таким образом, можно предположить, что при анодной поляризации исследуемого полупроводникового электрода HgSe в растворе KCl формируется МДП-структура, в которой роль полевого электрода выполняет слой Hg^Ch, диэлектрической прослойкой является селен (с незначительным содержанием НдО или без него), а полупроводниковой подложкой - HgSe. При анодной поляризации вплоть до 0.4 — 0.55 в диэлектрическом слое присутствует НдО, а при потенциалах порядка 0.7 — 0.8В протекание больших дырочных токов через

МФГ способствует удалению НдО с поверхности полупроводника

Для подтверждения предложенной модели проведен дополнительный анализ ВФХ и ВАХ и приведены следующие результаты' -наличие слабого гистерезиса на ВФХ измеренных в диапазоне изменения электродного потенциала (-0.20 В <Уд< 0.5 В), указывает на формирование тонкого диэлектрического слоя, при этом ВФХ _ имеют вид, характерный для наличия анодного окисла;

- нарастание гистерезиса на ВФХ ■ при циклической катодной поляризации (и фиксированном потенциале в аноде) и появление пика на ВАХ связано с формированием рис. 2. ВФХ и ВАХ для НдБе: 1 - иэме-

встроенного в переходный слой за- Ренные методом ЭП МДП, 2 - измеренные

методом ЭППЭ в растворе КС1

ряда ловушечного типа;

- при значении электродного потенциала <р я 0.12В на ВАХ наблюдались пики, которые могут указывать на образование НдО;

-на ВФХ и ВАХ, соответствующие катод-анодному направлению изменения электродного потенциала (при катодной поляризации (р — <рт,п < —0 ЗВ и вплоть до —0.6В), также имеются характерные пики, положение которых по оси электродных потенциалов совпадает, что свидетельствует о наличии тонкого диэлектрического переходного слоя с локализован- ^ ными на его внешней границе дискретными центрами захвата донорного типа;

-из динамики изменения ВФХ вплоть до потенцалов (0.4-0.5В) с уче- *

том величины диэлектрической проницаемости анодного окисла е</ = (14.8 — 21) толщина диэлектрического слоя составляет й « (15 — 20)А; -сравнительный анализ наблюдаемых в эксперименте и теоретически рассчитанных в рамках теории электронной эмиссии токов показал, что зависимость туннельного тока от электродного потенциала при комнат-

■0 5 -0 4 0 3 -0,2 -0.1 0.0 01 0.2 0Э 0 4 0 5

90x10 ' • 0x10* 70x10* «Ох tO*

С . F/cm2

ной температуре хорошо описывается уравнением Фаулера-Нордгейма в предположении, что высота потенциального барьера рассчитывается с учетом ширины запрещенной зоны Se и НдО при толщине диэлектрического слоя d > 1бА;

-при анодных потенциалах порядка Vs = 0.7 - 0.8В гистерезис на ВФХ исчезает, что показывает отсутствие окисла на поверхности HgSe, при этом вольт-фарадная зависимость полностью воспроизводима, имеет максимум;

-из динамики ВФХ вплоть до анодных потенциалов V, = 0.7 - 0.8В толщина диэлектрического слоя Se составляет (4 - 5)А; -туннельные токи, рассчитанные из уравнения ФаулератНордгейма, превышают величину токов электрохимической реакции образования НдъС1г (порядка 1 А/см2), и, по-видимому, при этих потенциалах носят надбарьерный характер.

Еще одно экспериментальное а 4 подтверждение того, что при анод-

ной поляризации HgSe в водном растворе KCl формируется МДП-структура, приведено в четвертом параграфе. После поляризации HgSe в водном растворе KCl были измерены ВФХ и ВАХ методом эфекта поля в МДП-структуре, когда на исследуемой "сухой" поверхности образцов создавался оловянный точечный прижимной контакт (рис.2). Из рисунка видно, что ВФХ имеет U-образный вид, то есть присутствуют электронная и дырочная ком-Рис. 3. ВФХ для CdxHgi-xTe: 1,2 - измерен- поненты ПОДВИЖНОГО заряда ОПЗ ные методом ЭППЭ в растворе KCl (раз- ВАХ „ диапазоне потенци.

брос для разных образцов и измерении); 3,

4 и 5 - рассчитанные в квантовом прибли- алов —0.20 В < Vg < +0.25 В при жении для m'hh = 0.75mo, mJA = 0.50mo и многократной циклической поля-т'кк = 0.25тл соответственно , _ »

** ризации была стабильнои и имела

слабый гистерезис. Это позволило

V, (V)

09 04 -03 -ог -О» 00 01 О* 03 04 о»

V,.(V)

утверждать, что на поверхности HgSe сформирован качественный диэлектрический слой.

Таким образом, мы действительно имеем дело с М ДП-структу- 3 рой, сформированной на HgSe. "*"'] с_. F/W Следует отметить, что до сих пор •• не удавалось реализовать МДП- •• структуры на HgSe, емкость ко- '» торых столь сильно модулирова- ••> лась внешним электрическим по- >» лем (примерно в 20 раз) в достаточно широком диапазоне изме-.нений поверхностного потенциала (-0.20 В <Vg< +0.25 В) при ком- ,„ натной температуре. Сформированная МДП-структура сохраняла ' " - °

свои электрофизические свойства „

__Рис. 4. ВФХ для НдТе: 1,2 - измеренные ме-

как минимум на протяжении не- тодом ЭППЭ в растворе KCl (разброс для скольких месяцев после ее изгото- разных образцов и измерений); 3,4 и 5 - рас____□ ____________. _ „«„.. считанные в квантовом приближении для

вления. В пятом параграфе обсу- . „ . „.. . . „,

'«!* = 0.75mo, m'kh = O.SOmo и m)^ = 0.25mo

ждаются результаты исследований соответственно

ВФХ и ВАХ, измеренных методом

ЭППЭ для межфазовой границы Яр5е-насьпцчнные водные растворы KI и КВг Показано, что в данных растворах практически невозможно подобрать условия эксперимента, при которых бы достигалась идеальная поляризуемость HgSe в широком диапазоне изменения поверхностных потенциалов Результаты подтверждают наличие соединения Hg^Ch на поверхности HgSe при измерениях в растворе KCl и,таким образом, являются доводом в пользу предложенной модели МФГ.

Шестой параграф посвящен исследованию электронных свойств CdxHg\.xTe (х = 0.03 - 0.05) и НдТе. Ранее в работе [4] расхождение дырочных ветвей экспериментальных и теоретических (рассчитанных в классическом приближении) ВФХ позволило предположить, что для этих соединений уже при комнатной температуре возможно проявление эффектов размерного квантования тяжелых дырок. Для проверки этого предположения для соединений CdxHg\-zTe (х — 0.03 — 0.05) и НдТе

были:

- рассчитаны дырочные ветви ВФХ в квантовом приближении для ту, = 0.75то, тдд = 0.50то и = 0.25то (см.рис.З для С^Ндх-хТе и ррс.4 для НдТе, кривые 3,4 и 5 соответственно);

- с помощью метода ЭППЭ получены экспериментальные ВФХ (кривые 1,2 на тех же рисунках);

- проделан сравнительный анализ дырочных ветвей экспериментальных и теоретических вольт-фарадных характеристик для Сё.хНд\-хТе. (х = 0.03 - 0.05) и НдТе.

Из рисунков 3 и 4 видно, что в области анодных потенциалов от 0.15В до 0.35В для Нд\-хТе и от 0.2В до 0.35В для НдТе соответственно экспериментальные и теоретические зависимости (расчет для значения ,тМ = 0.50то) совпадают в пределах экспериментального разброса измерений. Расхождение экспериментальных и теоретических (рассчитанных в классическом приближении) ВФХ С<1хНд1~хТе (х = 0.03 - 0.05) и НдТе в минимуме зависимости также отмечалось в работе [4]. Это может быть связано с наличием высокой плотности поверхностных состояний на межфазовой границе полупроводник - электролит. Для исследуемых соединений оценка плотности ПС по дисперсии ВФХ в диапазоне длительности тестирующего импульса 2 мкс < Тщ,„ < 200л<кс в минимуме вольт-фарадной зависимости составляет 6 • Ю10«<~2 для обоих соединений. Плотность ПС уменьшается по мере удаления от краев вглубь разрешенных зон. Это дает возможность утверждать, что

только в интервалах изменения анодного потенциала (0.15--0.35В)

и (0.2--0.35В) для СЛхНд\^хТе и НдТе, соответственно, выполняются

условия идеальной поляризуемости, что позволило определить значение эффективной массы тяжелых дырок для этих соединений = 0.50то в указанной области потенциалов. Авторами работы [4] также отмечалось, что экспериментальные ВФХ для С<1хНд\-хТе (х = 0.03 — 0.05) и НдТе лежат выше теоретически рассчитанных в классическом приближении. Так как характерно, что минимальная емкость квантовой ВФХ меньше, чем рассчитанная в классическом приближении, это позволило грубо оценить плотность ПС вблизи минимума экспериментальной ВФХ. Такая оценка плотности ПС составляет N,1 >1.3- 1011ст-5 для СйхНд\-хТе (х = 0.03 - 0.05) и N.. > 1.8 • 10пст"2 для НдТе.

Кроме того, по аналогии с моделью формирования МДП-структуры

для HgSe мы ожидали, что нам удастся сформировать МДП-структуру и на соединениях CdxHg\-xTe, НдТе. В этом случае, формирующийся под слоем Нд2С12 при поляризации методом ЭППЭ в растворенКС1 диэлектрический слой представляет собой сложную окисную структуру (на начальной стадии анодной поляризации наиболее вероятно наличие НдО). Результаты проверки этого предположения для обоих соединений следующие:

-толщина диэлектрической прослойки, определенная по динамике изменения ВФХ, составила d = (10 — 20)Л для разных экспериментальных данных и с учетом разброса значений диэлектрической проницаемости и неопределенности фазового состава диэлектрической прослойки на меж-фаэовой границе;

-сравнительный анализ экспериментальных и рассчитанных из уравнения Фаулера-Нордгейма токов показал их хорошее совпадение для величины потенциального барьера, рассчитанной с учетом ширины запрещенной зоны НдО. При этом толщина диэлектрического слоя составила

d > 10А.

Формирование окисла, по нашему мнению, и приводит к возникновению поверхностных состояний. Окисная природа диэлектрического слоя на поверхности этих соединений делает его структуру достаточно динамичной вследствие обратимости окислительно-восстановительных реакций при потенциалах вблизи минимума ВФХ. Отсутствие качественного (такого как 5е) диэлектрического слоя неокисного происхождения (ширина запрещенной зоны CdTe составляет Ед = 1,53 эВ [1], для Те Ед = 0.32aß [1]), по всей вероятности, не позволяет создать на бесщелевых полупроводниках CdfHg\-xTe и НдТе при их поляризации методом ЭППЭ в растворе KCl воспроизводимую структуру, аналогичную МДП-структуре на HgSe. Подтверждением этому, по-видимому, может служить попытка измерить ВФХ и ВАХ для этих соединений методом эффекта поля в МДП-структуре, как в случае HgSe. Эксперимент на точечном прижимном контакте для CdxHg\-xTe и НдТе не позволил получить для этих соединений воспроизводимые ВФХ и ВАХ, характерные для МДП-структур.

Четвертая глава посвящена результатам исследования электронных свойств (TlBiS2)x - {TlBiSe2)i-x-

Обсуждаются экспериментальные условия подготовки образцов к измерениям, выбор электролита и воспроизводимость экспериментальных результатов. Экспериментальные С(<^)-эависимости для всех исследованных составов (х = 0; 0.25; 0.50; 0.75; 1) имеют вид, характерный для полупроводников п-типа, с гистерезисом и "полкой" в катодной области электродных потенциалов. Экспериментально подобран диапазон электродных потенциалов (—0.6 В < < +0.6 В), в котором выполнялись условия идеальной поляризуемости. Это позволило нам определить параметры структуры (Т1В{32)Х - (Т/Вг5е2)1-1 (см".таблицу 2).

X 0 0.25 0.50 0.75 1

^ШМКЦ) 5.0- 3.8- 2.2- 1.4- 1.0-

■10 ~6Ф/смг 7.2 8.0 5.2 3.0 2.1

1.2- 1.1- 1.7- 3.0- 4.2-

•Ю-8, см 1.8 2.3 4.0 6.3 8.9

ЛГ», 1.5- 1.2- 0.8- 0.4- 0.6-

Ю13ЫГ2 3.2 2.9 1.8 0.9 3.9

Л* 0.70- 0.50- 0.17- 0.27- 0.26-

■Ю18««"3 2.30 8.00 0.83 5.50 0.35

Ер — Ее, -0.050+ 0.025+ -0.020+ 0.050+ -0.150+

эВ 0.030 0.070 -0.080 0.200 -0.160

тЦтщ 0.085- 0.050- 0.035- 0.021- 0.015-

0.150 0.100 0.125 0.045 0.045

Таблица 2. Экспериментальные параметры для {TlBiS2)x - (ТШхБе2)1-1-Были проведены теоретические расчеты С,с(У,)-зависимостей в рамках классического и квантового приближений. В качестве исходных параметров для расчетов были взяты экспериментальные значения т'е и Л^, величины Е, и ек - из литературы [5], а эффективная масса дырки предполагалась равной тпдд = 0.40то. Показано, что при потенциалах, соответствующих аккумуляции электронов в ОПЗ полупроводников (при которых еще не должны проявляться квантовые эффекты), экспериментальные С(У",)-зависимости достаточно хорошо согласуются с теоретическими С,с(^-зависимостями, рассчитанными ках в квантовом, так и в классическом приближении, для ТШгйег и (Т1В182)о.2& - [Т1В18е2)ол&, и удовлетворительно для (Т1В{32)о.ь- (ТШг5е2)о.5, (Г/В^о.75- (ТШ^км и ТШгБг- При больших потенциалах, при которых должны проявляться квантовые эффекты, емкость ОПЗ маскируется емкостью диэлектриче-

ского слоя.

Основные выводы работы:

1. Предложена методика анализа экспериментальных ВФХ для^ес-щеяевых полупроводников, позволяющая оценить величины Р и mj при Г = ЗООА".

2. Подобраны условия эксперимента, при которых измеренные в эффекте поля вольт-фарадные характеристики межфазной границы HgSe -раствор KCl определяются электронными свойствами полупроводника в диапазоне поверхностных потенциалов (—0.30 В <Vg< +0.35 В).

3. Для HgSe получена оценка величин Р, mj, m*hh, n,-, Ер — Ес при Т = 300К.

4. Для CdxHg\-TTe и НдТе в интервалах изменения анодного потенциала (0.15--0.35В) и (0 2 --0 35В) соответственно получена оценка

величины эффективной массы тяжелых дырок при Т = ЗООА".

5. Подобраны условия эксперимента, при которых измеренные в эффекте поля вольт-фарадные характеристики межфазной границы (TlBiSi)z - (TlBiSei)i-x - KCl в диапазоне поверхностных потенциалов (—0.60 В < Vg < +0.60 В) определяются электронными свойствами исследуемого полупроводника для пяти стехиометрических составов (х = 0; 0.25; 0.50; 0.75; 1).

6. Показано, что при интерпретации электронных свойств соединений (TlBiSi)z - (TlBiSei)\-x могут быть привлечены представления теории области пространственного заряда в полупроводниках.

7. Для соединений (TlBiS2)x - (TlBiSe2)\~x определен характер закона дисперсии зоны проводимости, и получены значения параметров Ер—Ес, m*/mо, Nd, ifi}b, Nb, ,

8. Предложен и обоснован механизм формирования диэлектрического слоя на поверхности бесщелевых полупроводников CdxHg\-xTe, НдТе и HgSe при их поляризации методом ЭППЭ в насыщенном растворе KCl

9. Впервые создана МДП-структура на основе соединения HgSe, в которой роль полевого электрода выполняет слой HgiCli, диэлектрической прослойкой является селен (с незначительным содержанием НдО или без него), а полупроводниковой подложкой - HgSe. В полученной МДП-структуре достигнуто изменение емкости в 20 раз при изменении поверхностного потенциала в диапазоне (—0.20 В < Vg < +0.25 В) при комнатной температуре

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. О.Ю. Шевченко, В.Ф. Раданцев, А М. Яфясов, В.Б. Божеволвнов, И.М.Иванкив, А.Д.Перепелкин Определение матричного элемента оператора квазиимпульса в бесщелевом полупроводнике HgSe методом эффекта поля в электролите // ФТП, 2002, т.36, в.4, с.412-415.

2. О.Ю. Шевченко, A.M. Яфясов, В.Б Божевольнов, И.М. Иванкив, А.Д. Перепелкин. Эффект поля в системе электролит - твердый рас-

^ твор (TlBiSe2)i-x - (TlBiS2)x.// ФТП, 2002, т.36, в.4, с 443^446.

3. A. Anagnostopoulos, V.B. Bogevolnov, I.M. Ivankiv, O.Yu. Shevchenko,

►J A.D. Perepelkin, A.M.Yafyasov. The Electrophisical Properties of the

Surface Layer of the Semiconductor TlBiSe2 // Phys.stat.sol.(b), 2002, v.231, n.2, p.451-456.

4. A. Anagnostopoulos, V Bogevolnov, I Ivankiv, О Shevchenko, A Perepelkin, A.Yafyasov The electrophysical properties of the surface layer of the (TIBiSe2)1-^ - (TlBiS2)x mixed crystals // Chaos, Solitons and Fractals, v.17, Issues 2-3, July 2003, p 225-229

5. A.M. Yafyasov, I.M. Ivankiv, V.B. Bogevolnov, O.Yu. Shevchenko. Peculiarities of electron effectiv mass in inversion layers of Kein semicon-

. ductors at room temperature.// The 9th International Conference on Narrow Gap Semiconductors, Berlin, Germany, September 26 - October 1, 1999.

6. A.Anagnostopoulos, V Bogevolnov, I Ivankiv, O.Shevchenko A.Perepelkin, A.Yafyasov. The electrophysical properties of the surface layer of the (TlBiSe2)\-x - ('TlBiS2)x mixed crystals // Applied Nonlinear dinamics Technologies. Thessaloniki, Greece, 27-30 August, 2001.

%

J 7. A. Anagnostopoulos, V. Bogevolnov, I Ivankiv, O. Shevchenko, A.Pe-

repelkin, A.Yafyasov. The surface layer properties of the TlBiSe2 and TlBiS2 semiconductors. Abstract - 104, Simposium "Materials in microtechnologies and Microsystems" of E^MRS Meeting 2001, Strasbourg, Prance, 5-8 June, 2001.

8. V. Bogevolnov, I. Ivankiv, O. Shevchenko, A. Perepelkin, V.Radantsev, A.Yafyasov. Parameters of the zero-gap semiconductor HgSe at room

-d

temperature.// Applied Non-Linear Dinamics Technologies, Thessaloniki, Greece, 27-30. August, 2001.

9. О.Ю.Шевченко, А Д Перепелкин, А М.Яфясов, В.Б.Божевольнов. Эффективная масса тяжелых дырок в бесщелевом полупроводнике HgSe. Международная научная школа - конференция "Тонкие пленки и наноструктуры " Москва, 7-10 сентября, 2004.

10. О.Ю.Шевченко, А.Д Перепелкин, А.М.Яфясов, В.Б.Божевольнов. Эффективная масса тяжелых дырок в бесщелевых полупроводниках CdxHg\-xTe, НдТе и HgSe при комнатной температуре.// XXXIV научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО. 2-4 февраля, 2005.

Цитируемая литература

1. Таблицы физических величин Справочник. Под редакцией акад. И.К.Кикоина М Атомиздат, 1976, 1008 с.

2 S. Einfeldt, F Goschenhofer, C.R. Becker, G. Landwehr. Optical properties of HgSe.// Phys Rev B, 1995, v.51, n.8,

3. A.M. Yafyasov, I.M. Ivankiv, V.B. Bogevolnov. Quantization of the free charge carriers on InSb at room temperature.// Applied Surface Science,

. 1999, 142, c.629-632

4. A.M. Яфясов, А.Д. Перепелкин, В Б. Божевольнов. Исследование параметров зонной структуры приповерхностных^лоев беаЦелевых полупроводников (CdHg)Te и НдТе методом эффекта поля в электролитах // ФТП, 1992', Т 26 В 4 С 636-643. р.4915-4925.

5. C.L. Mitsas and D I Siapkas Phonort and electronic properties of TIBiSti thin films.// Solid State Communications, 1992, v.83, n.ll, p.857-861

6. О.В.Романов, В.Б Божевольнов, М С Грилихес, М.А.Соколов. Потен-циодинамические измерения на полупроводниковом электроде. Тройное соединение Кадмий - ртуть - теллур.// Электрохимия, 1985, т.21, в.4, с.493-498.

Ответственный за выпуск О.Ю. Шевченко

Подписано в печать 30.12.2005 г. Формат 60x84 1/16. Объем 2 п.л.

Тираж 80. Заказ № 732

Отпечатано в ООО «Типография «Техмаркет» 197349, г. Санкт-Петербург, наб. Обводного канала, 80

2,00 £ А

Z0&0

Список обозначений и сокращений.

Введение

1. Объемные и поверхностные свойства бесщелевых полупроводников CdxHg\-xTe, НдТе, HgSe и узкощелевых полупроводниковых структур (TlBiS2)x — (TlBiSe2) 1-х- 17 1.1. Объемные свойства бесщелевых полупроводников CdxHg\^xTe, НдТе, HgSe и узкощелевых полупроводниковых структур

TlBiS2)x - (TlBiSe2)i-x.

1.1.1. Зонная структура и объемные электронные свойства бесщелевых полупроводников CdxHд\хТе и НдТе.

1.1.2. Зонная структура и объемные электронные свойства селенида ртути HgSe.

1.1.3. Кристаллическая структура и объемные электронные свойства слоистых полупроводниковых тройных TIBiSe2, TlBiS2 и четверных (TlBiS2)x —

TlBiSe2) i-z соединений.

1.2. Поверхностные электронные свойства бесщелевых полупроводников CdxHg\-xTe, НдТе, HgSe и узкощелевых полупроводниковых структур

TlBiS2)x-{TlBiSe2)1-x.

1.2.1. Поверхностные свойства бесщелевых полупроводников

CdxHgi-xTe и НдТе.

1.2.2. Поверхностные свойства селенида ртути HgSe.

1.2.3. Поверхностные свойства узкощелевых полупроводниковых структур (TlBiS2)x — (TIBiSe2)i-x- ■ ■

1.3. Теоретическое описание области пространственного заряда полупроводников.

1.3.1. Классическое описание ОПЗ полупроводников с квадратичным законом дисперсии разрешенных зон и изотропными эффективными массами.

1.3.2. Классическое описание ОПЗ узкощелевых полупроводников со структурой цинковой обманки.

1.3.3. Квантовое описание ОПЗ полупроводников.

Методика и техника экспериментальных исследований поверхности и ОПЗ узкощелевых и бесщелевых полупроводников.

2.1. Строение межфазной границы полупроводник - электролит. Эффект поля в электролите.

2.2. Техника эксперимента.

2.2.1. Двухимпульсный метод измерения дифференциальной емкости

2.2.2. Измеритель ВАХ и система задания и контроля электродного потенциала в ЭПЭ.

2.2.3. Схема экспериментальной установки метода эффекта поля.

2.2.4. Управление экспериментом.

2.2.5. Условия измерений.

2.3. Методика определения электрофизических параметров поверхности и ОПЗ полупроводников.

3. Исследование поверхности и области пространственного заряда бесщелевых полупроводников HgSe, CdxHg\^xTe и НдТе.

3.1. Анализ зависимости дифференциальной емкости ОПЗ бесщелевого полупроводника от поверхностного потенциала.

3.2. Электрофизические и зонные параметры ОПЗ бесщелевого полупроводника HgSe.

3.2.1. Эффект поля в системе бесщелевой полупроводник HgSe - водный электролит КС1 в области идеальной поляризуемости МФГ HgSe - KCl.

3.2.2. Определение электрофизических и зонных параметров бесщелевого полупроводника HgSe из ВФХ, измеренных методом ЭППЭ.

3.3. Структура переходного слоя, формирующегося на МФГ бесщелевой полупроводник HgSe - водный электролит КС1 при поляризации методом ЭППЭ.

3.4. Аналог МДП-структуры на основе бесщелевого полупроводника HgSe.

3.5. Эффект поля в системе бесщелевой полупроводник HgSe

- водные электролиты КВг и KI.

3.6. Эффект поля в системе бесщелевой полупроводник (CdxHд\^хТе, НдТе) - водный электролит КС1.

4. Эффект поля в системе электролит — узкощелевые полупроводниковые структуры (TlBiS2)x — (TlBiSe2)\-x•

Интерес к исследованию бесщелевых полупроводников CdxHgixTe, НдТе, HgSe (объема, приповерхностного объема, поверхности и границ раздела с их участием) обусловлен возможностью использования этих материалов для создания инфракрасных приборов в области прозрачности земной атмосферы [1], транзисторов с высоким быстродействием [1], гетер о структур [2], квантовых интерференционных структур для наноэлектроники и спинтроники [3, 4, 5, 6, 7]. Кроме того, разнообразие свойств бесщелевых соединений позволяет получать знания о релятивистских эффектах, спинорбитальном взаимодействии в рамках фундаментальной науки.

Узкощелевые полупроводниковые структуры (TlBiS2)x—(TlBiSe2)\-представляют интерес в связи с простотой их использования (расслаивания по плоскостям спайности, где не требуется сложный процесс распиливания и шлифовки поверхности) а также в связи с принципиальной возможностью создания на их основе опто-акустических и инфракрасных детекторов и термоэлектрических генераторов [8].

Во всех перечисленных областях успех применения указанных материалов в значительной степени зависит от технологий, позволяющих получать поверхность и гетероструктуры с низкой плотностью поверхностных состояний и с воспроизводимыми электрофизическими параметрами поверхности и ОПЗ.

Для бесщелевых полупроводников CdxHg\-xTe и НдТе к настоящему времени получена достаточно обширная и надежная информация об их поверхностных и объемных электрофизических свойствах и параметрах зонной структуры. Однако к настоящему моменту все-таки нет единого мнения о характере закона дисперсии валентной зоны тяжелых дырок и о величине эффективной массы тяжелых дырок этих соединений. Считается (см. обзор [1]), что закон дисперсии валентной зоны тяжелых дырок бесщелевых полупроводников CdxHgixTe и НдТе квадратичный, а величина эффективной массы тяжелых дырок (m*hh) этих соединений лежит в интервале 0.40-0.70 то. Однако в работе [9] показано, что у бесщелевых полупроводников со структурой алмаза и цинковой обманки закон дисперсии валентной зоны тяжелых дырок становится все более неквадратичным при увеличении энергетического расстояния между зоной проводимости и зоной легких дырок, а в работах [9, 10, 11] высказывается предположение, что величина эффективной массы тяжелых дырок m*hh бесщелевых полупроводников CdxHgi-xTe и НдТе должна быть значительно меньше общепринятых на сегодняшний день значений (как в объеме [9], так и в приповерхностном слое [10, 11]).

Для соединения HgSe вопросы о характере закона дисперсии валентной зоны тяжелых дырок и о величине эффективной массы тяжелых дырок также остаются открытыми. Более того, в сравнительно недавней экспериментальной работе [12] был подвергнут сомнению бесщелевой характер зонной структуры этого соединения, однако последующие работы [13, 14], посвященные исследованию объемных зонных параметров HgSe, подтверждают, что HgSe все же является бесщелевым полупроводником. В литературе имеется крайне мало работ, посвященных исследованию поверхностных свойств HgSe. По-видимому это связано с методическими трудностями формирования на поверхности этого материала стабильных диэлектрических и пассивирующих покрытий, что в свою очередь не позволяет в полной мере применить для исследования электрофизических свойств поверхности HgSe большинство высокоинформативных традиционных методов, основанных на исследовании структур металл - диэлектрик -полупроводник или барьеров Шоттки.

Объемных электрофизические свойства и параметры зонной структуры полупроводниковых соединений (TlBiS^x — (TIBiSe2)1-1 к настоящему времени практически не исследованы. Имеющиеся в литературе работы посвящены в основном исследованиям кристаллической структуры и концентрации носителей заряда этих соединений, причем электронные свойства исследовались лишь для гелиевых и азотных температур, и практически ничего не указано, как ведут себя такие соединения при комнатной температуре. Встречаются также немногочисленные данные о ширине запрещенной зоны и величине эффективной массы электронов. Поверхностные свойства полупроводниковых соединений {TlBiS^x — ('TlBiSe2)i-x до настоящего момента, по-видимому, не исследовались вообще.

В настоящей работе экспериментальные исследования поверхности и ОПЗ перечисленных выше материалов проводились методом эффекта поля в электролите (ЭППЭ). Этот метод, ранее апробированный на многих полупроводниках [15], включая двойные и тройные соединения на основе теллуридов ртути [16,10,17], зарекомендовал себя как эффективный способ контроля и формирования сверхтонких диэлектрических покрытий, обеспечивающих исследования поверхности полупроводников в широком диапазоне изменений поверхностных потенциалов, включая области изгибов зон, соответствующих вырождению электронов и дырок на поверхности. Метод ЭППЭ позволяет анализировать величину и характер распределения поверхностных состояний в запрещенной и разрешенных зонах на поверхности полупроводников. В рамках такого метода может быть также получена информация и о ряде зонных параметров полупроводника при комнатных температурах [18], измерение которых зачастую невозможно при использовании традиционных методов. Относительная простота метода эффекта поля в электролите, не требующего изготовления МДП структур или (и) использования низкотемпературной техники, делает его весьма перспективным для неразрушающего экспресс-контроля параметров поверхности и слоев ОПЗ полупроводников.

Целью диссертационной работы являлось исследование электронных свойств узкощелевых (TlBiS2)x - (TIBiSe2)1-3; и бесщелевых CdxHg\-xTe, НдТе, HgSe полупроводников с использованием метода эффекта поля в системе полупроводник - электролит. Для этого предполагалось решить следующие задачи:

1. Определить условия, при которых измеренные в эффекте поля вольт-фарадные характеристики (ВФХ) межфазной границы (МФГ) полупроводник - электролит определялись бы электронными свойствами исследуемых материалов (выбор состава электролита, диапазона поляризующих напряжений, характера предобработки поверхности кристаллов) .

2. Получить сведения об электронных свойствах соединений (TlBiS2)x - {TIBiSe2)i-x и CdxHgi-xTe, НдТе, HgSe при комнатных температурах.

3. Разработать методику определения величины матричного элемента оператора квазиимпульса и эффективной массы электронов из экспериментальных ВФХ для бесщелевых полупроводников и проанализировать критерий ее применимости. Научная новизна.

В настоящей работе впервые реализован метод ЭППЭ для исследования электронных свойств бесщелевого полупроводника HgSe и узкощелевых полупроводников (TlBiS2)x — (TlBiSe2)i-x• Предложен и обоснован механизм формирования диэлектрического слоя на поверхности HgSe в условиях реализации метода ЭППЭ. Получено выражение для зависимости дифференциальной емкости от поверхностного потенциала вырожденной системы электронов в ОПЗ бесщелевого полупроводника. Проведена оценка точности использования методики анализа экспериментальных ВФХ в классическом приближении для описания ОПЗ бесщелевых полупроводников. По разработанной методике проведена оценка величины матричного элемента оператора квазиимпульса и эффективной массы электронов для HgSe при комнатной температуре.

Показано, что при интерпретации электронных свойств соединений (!TlBiS<2)x - (TIBiSe2)1-^ могут быть привлечены представления теории области пространственного заряда на поверхности полупроводников.

Получены значения фундаментальных электронных параметров - матричного элемента оператора квазиимпульса, эффективной массы электронов и дырок, собственной концентраци носителей, энергии Ферми для бесщелевых полупроводников CdxHg\-xTe, НдТе, HgSe и соединений (TlBiSo)x - {TIBiSe2)1-1 с (0 < х < 1) при комнатной температуре.

Практическая ценность работы.

1. Предложен и обоснован механизм формирования диэлектрического слоя на поверхности бесщелевых полупроводников CdxHg\-xTe, НдТе и HgSe при их поляризации методом ЭППЭ в насыщенном растворе КС1.

2.Впервые продемонстрирована возможность создания МДП-структу-ры на основе HgSe, при этом достигается изменение емкости в 20 раз при изменении поверхностного потенциала в диапазоне (—0.20 Б < Vg < +0.25 В) при комнатной температуре. Стабильность электрофизических свойств МДП сохранялась в течение года.

3. Разработана и реализована методика для изучения электронных свойств поверхности бесщелевого HgSe и узкощелевых (TlBiS2)x — (TIBiSe2) 1-х полупроводников.

4. Получены данные о законе дисперсии зоны проводимости и зоны тяжелых дырок и значение эффективной массы электронов и тяжелых дырок для HgSe.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика определения величины матричного элемента оператора квазиимпульса бесщелевых полупроводниках и критерий ее применимости.

2. Оценка величины матричного элемента оператора квазиимпульса и величины эффективной массы тяжелых дырок в HgSe.

3. Закон дисперсии и значение эффективных масс электронов для соединений (TlBiS2)x - (TlBiSe2)i-x (0 < х < 1).

4. Принципиальная возможность формирования МДП-структур на основе HgSe с глубиной модуляции емкости более чем на порядок при комнатной температуре.

По материалам диссертации опубликовано четыре печатных работы [19, 20, 21, 22]. Результаты, приведенные в диссертации, докладывались на 4-х конференциях [23, 24, 25, 26, 27]. щ

Основные выводы работы:

1. Предложена методика анализа экспериментальных ВФХ для бесщелевых полупроводников, позволяющая оценить величины Рит* при Т = 300К.

2.Подобраны условия эксперимента, при которых измеренные в эффекте поля вольт-фарадные характеристики межфазной границы HgSe - раствор КС1 определяются электронными свойствами полупроводника в диапазоне поверхностных потенциалов (—0.30 В < Vg < +0.35 В).

3. Для HgSe получена оценка величин матричного элемента оператора квазиимпульса Р, эффективной массы электронов га* и тяжелых дырок m*hh, собственной концентрации щ, энергии Ферми Ер — Ес при Т = 300Я".

4. Для CdxHg\-xTe и НдТе в интервалах изменения анодного потенциала (0.15--0.35В) и (0.2--0.35В) соответственно получена оценка величины эффективной массы тяжелых дырок при Т = 300К.

5. Подобраны условия эксперимента, при которых измеренные в эффекте поля вольт-фарадные характеристики межфазной границы СTlBiS2) х - {TlBiSe<2)\-x - КС1 в диапазоне поверхностных потенциалов (—0.60 В <Vg < +0.60 В определяются электронными свойствами исследуемого полупроводника для пяти стехиометрических составов (ж = 0; 0.25; 0.50; 0.75; 1).

6. Показано, что при интерпретации электронных свойств соединений (TlBiS2)x - (TlBiSe2)\-x могут быть привлечены представления теории области пространственного заряда в полупроводниках.

7. Для соединений (TlBiS2)x - {TlBiSe2)\-x определен характер закона дисперсии зоны проводимости, и получены значения параметров энергии Ферми Ер — Ес, эффективной массы электронов m*/mо, концентрации ионизованной примеси Nj, потенциала плоских зон <fifb, плотности встроенного зарада Nb, толщины диэлектрического слоя (с точностью до диэлектрической проницаемости) di/si.

8. Предложен и обоснован механизм формирования диэлектрического Слоя на поверхности бесщелевых полупроводников CdxHg\-xTe, НдТе и HgSe при их поляризации методом ЭППЭ в насыщенном растворе КС1.

9. Впервые создана МДП-структура на основе соединения HgSe, в которой роль полевого электрода выполняет слой Hg2Cl2, диэлектрической прослойкой является селен, а полупроводниковой подложкой - HgSe. В полученной МДП-структуре достигнуто изменение емкости в 20 раз при изменении поверхностного потенциала в диапазоне (—0.20 В <Vg < -f 0.25 В) при комнатной температуре.

Заключение

В настоящей работе проводилось экспериментальное исследование электрофизических свойств поверхности и приповерхностного объема бесщелевых полупроводников CdxHgi-xTe, НдТе, HgSe и ряда узкощелевых полупроводниковых структур (TlBiS2)x — {TlBiSe2)\-x с использованием метода эффекта поля в электролитах. Основными результатами диссертационной работы являются следующие.

1. R. Dornhaus, G. Nimtz. Narrow-Gap semiconductors. //Springer -Tracts in Mod.Phys., 1983, v.98, n.l, p.309.

2. S. Perkowitz, R. Sudharsanan, K.A. Harris, J.W. Cook, J.F. Schet-zina, J.N. Schulman. Effective mass in an n-type HgTe — CdTe su-perlattice.// Phys.Rev.B, 1987, v.36, n.17, p.9290-9292.

3. G.Weisbuch and B.Vinter. Quantum semiconductor structures. Fundamental and Aplications. Academic Press, inc N.Y. 1991.

4. M.J. Kelly Low-dimensional semiconductors. Materials, Physics, Technology, Devices. Clarendon Press Oxford, 1995.

5. J.H. Davies The physics of low-dimensional semiconductors. An Introduction. Cambridge University Press 1998.

6. T. Ando, Y. Arakawa, K. Furuya, S. Komiyama and H. Nakashima. Mesoscopic Physics and Electronics. Springer Verlag Berlin Heidelberg 1998.

7. V.F. Radantsev, A.M. Yafyasov, V.B. Bogevolnov, I.M. Ivankiv, O.Yu.Shevchenko. Zero-field spin splitting in HgTe surface quantum well.// Surface Science, 2001, v.482-485, p.989-993.

8. R.S.Fiegelson // Japan J.Appl.Phys., 1980, v.19, suppl.19-3, p.371.

9. Б.JI. Гельмондт. Влияние нелокальности потенциала на спектр дырок в полупроводниках с малой шириной запрещенной зоны.// ФТП, 1975, т.9, в.10, с.1912-1914.

10. A.M. Яфясов, А.Д. Перепелкин, В.Б. Божевольнов. Исследование параметров зонной структуры приповерхностных слоев бесщелевых полупроводников (CdHg)Te и НдТе методом эффекта поля в электролитах.// ФТП, 1992, Т.26. В.4. С.636-643.

11. A.Yafyasov, V.Bogevolnov, A.Perepelkin. Parameters of Band Structure in Surface Layers of Zero-Gap Semiconductors (CdHg)Te.// Phys.Stat.Sol.(b), 1994, v.183, p.419.

12. K.-U. Gawlik, L. Kipp, M. Skibowski, N. Orlowski, and R. Manzke. HgSe: Metal or Semiconductor? //Phys.Rev.Lett., 1997, v.78, n.16, p.3165-3170.

13. D. Eich, D. Huebner, R. Fink, E.Umbach, K. Ortner, C.R.Becker, G.Landwehr, A.Fleszar. Electronic structure of HgSe (001) investigated by direct and inverse photoemission.// Phys.Rev.B., 2000, v.61, p.12666-12669.

14. M. von TYuchsess, A. Pfeuffer-Jeschke, C. R. Becker, G.Landwehr, E. Batke. Electronic band structure of HgSe from Fourier transform spectroscopy.// Phys. Rev В., 2000, v.61, p. 1666-1669.

15. B.A. Мямлин, Ю.В. Плесков. Электрохимия полупроводников. М.: Наука, 1965, 338с.

16. A.M. Яфясов, В.Б. Божевольнов, А.Д. Перепелкин. Эффект поля на бесщелевом полупроводнике.// ФТП, 1987, т.21, в.6, с. 11441147.

17. A.M. Яфясов, В.Б. Божевольнов, А.Д. Перепелкин. Электрофизические свойства слоистой структуры на основе (CdHg)Te в системе полупроводник электролит. // ФТП, 1991, т.25, в.8, с.1339-1343.

18. A.M. Яфясов, В.В. Монахов, О.В.Романов. Спектроскопия плотности состояний методом эффекта поля в электролитах.// Вестник ЛГУ, Сер.4, 1986, вып.1, с. 104-107.

19. О.Ю. Шевченко, В.Ф. Раданцев, A.M. Яфясов, В.Б. Божевольнов, И.М.Иванкив, А.Д.Перепелкин. Определение матричного элемента оператора квазиимпульса в бесщелевом полупроводнике HgSe методом эффекта поля в электролите.// ФТП, 2002, т.36, в.4, с.412-415.

20. О.Ю. Шевченко, A.M. Яфясов, В.Б. Божевольнов, И.М. Иванкив, А.Д. Перепелкин. Эффект поля в системе электролит твердый раствор (TlBiSe2)i-x - (TlBiS2)x.// ФТП, 2002, т.36, в.4, с.443-446.

21. A. Anagnostopoulos, V.B. Bogevolnov, I.M. Ivankiv, O.Yu. Shev-chenko, A.D. Perepelkin, A.M.Yafyasov. The Electrophisical Properties of the Surface Layer of the Semiconductor TlBiSe2.J/ Phys.stat.sol.(b), 2002, v.231, n.2, p.451-456.

22. V. Bogevolnov, I. Ivankiv, O. Shevchenko, A. Perepelkin, V.Radantsev, A.Yafyasov. Parameters of the zero-gap semiconductor HgSe at room temperature.// Applied Non-Linear Dinamics Technologies, Thessaloniki, Greece, 27-30. August, 2001.

23. О.Ю.Шевченко, В.Б.Божевольнов, А.Д.Перепелкин, А.М.Яфясов Эффективная масса тяжелых дырок в бесщелевых полупроводниках CdxHgi-xTe, НдТе и HgSe. // XXIV научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО, 2-4 февраля 2005.

24. Н.Н. Берченко, М.В. Пашковский. Теллурид ртути полупроводник с нулевой запрещенной зоной. // УФН, 1976, т.119, вып.2, с.223.

25. И.М. Цидильковский. Зонная структура полупроводников. М.: Наука, 1978, 328с.

26. E.O. Kane. Band structure of indium antimonide. // J.Phys.Chem. Solids, 1957, v.l, n.4, p.249-261.

27. И.М. Цидильковский. Концепция эффективной массы. Екатеринбург: УрОРАН, 1999, 383с.

28. Б.М. Аскеров. Электронные явления переноса в полупроводниках. М.: Наука, 1985, 320с.

29. J.D. Wiley, R.N. Dexter. Helicons and nonresonant cyclotron obsorp-tion in semiconductors Hg\-xCdxTe.// Phys.Rev, 1969, v.181, n.3, p.1181-1190.

30. J. Chu, S. Xu, D. Tang. Energy gap versus alloy composition and temperature in Hg\-xCdxTe.// Appl.Phys.Lett, 1983, v.43, n.ll, p.1064-1066.

31. Y. Nemirovski, E. Finkman. Intrinsic carrier concentration of Hgi-xCdxTe.// J.Appl.Phys., 1979, v.50, n.12, p.8107-8111.

32. E. Finkman. Determination of band-gap parameters of Hg\^xCdxTe. //J.Appl.Phys., 1983, v.54, n.4, p.1883-1886.

33. G.L. Hansen, J.L. Schmit, T.N. Gasselman. Energy gap versus alloy composition and temperature in Hg\-xCdxTe.J/ J.Appl.Phys., 1982, v.53, n.10, p.7089-7101.40