Модификация энергетического спектра теллурия свинца при введении индия, марганца и хрома тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

п т о л ( '

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИИ им. л. Ф. ВЕРЕЩАГИНА

На правах рукописи

ЛЬВОВА-НАТАЛЬЯ АНАТОЛЬЕВНА

• МОДИФИКАЦИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА ТЕЛЛУРИ1А СВИНПА ПРИ ВВЕДЕНИИ ИНДИЯ, МАРГАНПА И ХРОМА

специальность 01- 04.09' - Физика низких температур и криогенная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата Физико-математических наук

Троипк, 1994 г-

Работа выполнена на каФедре Физики низких температур и сверхпроводимости Физического Факультета МГУ им. М- В. Ломоносова и в Институте Физики высоких давлений им. Л-Ф-Верешагина РАН . .....

Научные руководители: доктор Физико-математических наук, профессор Е- С- Ипкевич; кандидат Физико-математических наук . Л. И- Рябова.

ОФипиальные оппоненты; доктор Физико-математических наук А- Э. Юнович-

кандидат- Физико-математических наук с. В. Кувшинников.

Ведущая организация: Московский Институт стали и сплавов •

' зашита состоится " " ^^¿г-с'/ьЛ года

в и часов на заседании специализированного совета

N 2 (КО53• 05- 20) Отделения Физики твердого тела в МГУ им. М-В.'ЛомоносоВа. по'адсёсу: "1Г9899 ГСП," "Москва, Ленинские горы, МГУ, Физический Факультет, криогенный корпус, аул. 2-05.

С диссертацией мокно ознакомиться в' библиотеке Физического Факультета МГУ.

/л'/! я о А-?

Автореферат разослан " 1 и " <с<у / 1994 г.

Ученый секретарь специализированного сове.та N 2 .0ФТТ (К053- 05- 20) МГУ им. М- В- Ломоносова доктор Физико-математических наук ,

Г. С. Плотников

I. СБИАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ.

Твердые растворы на основе телэтрила свинца являются одними из наиболее важных материалов твердотельной ИК-опгозлектроники. Это связано с ¡шогоФУккшюнгльносгью приборов на основе о тих соединений, которые могут применяться • для изготовления как сотодиодоз к Ооторезисторов, таг. и твердотельных ПК-лазеров в диапазоне длин волн от 3 до 40 ккм. Вместе с тем в Физике соединений на основе Р.ъТе особое место зазгагает проблема приносиих состояние- Лсгировгние зтих соединений рядом примесей приводит к Формированию ь их энергетическом спектре локальных и квазилокалъных примесных уровнен, положение которых относительно разрешенных зон определяет величину кояпентралии носителей заряда. Среди целого ряда самых разнообразных зФФектов и явления, характеризующих рассматриваемые материалы, могло выделить два основных: стабилизация - уровня Ферми (У31 при введении достаточного количества принеси и существование долговременных процессов релаксании электронных распределения при выведении системы из "состояния равновесия с помошыо различных Физических воздействия. В частности, в твердых растворах РЬ).хЗпкТе(1п) иРь'ГеЮа) наблюдается явление задержанной Фотопроводимости (ФП) при низких температурах Т < Тс ~ 20 К для ТЬ1-хБпу.Те11п) и Т < Тс ~ 80 К для РьТеШа). В тех случаях, когда стабилизация УФ происходит в запрещенной зоне и реализуется диэлектрическое состояние, отношение световой проводимости к темновой при освещении монокристаллов монет достигать в порядков. Времена релаясапии неразновесных носителей заряда т достигают )05 с при 4. 2 К- Последнее обстоятельство позволяет использовать эти материалы как счетчики ИК-Фотонов. Наличие долговременных ' ' релаксанионных процессов обуславливает существенное повышение Фоточувствительности материала, что

лает возможность рассматривать их как базовые для создания Фотоприешшх устройств- • Модификация -свойств- полупроводниковых тверди 'растворов посредством вариации их состава и легирования позволяет расширить диапазон спектральной чувствительности и улучшить параметры Фотоприемных устройств на базе этих материалов.

фунданентальньш аспект исследования легированных соединенна на основе А4В6 представляет интерес с точки зрения углубления теоретических представления о Физических процессах в полупроводниках с глубокими лримесными центрами-

ЦЕЛЬ РАБОТЫ состояла в комплексном экспериментальном исследовании твердых растворов на основе теллурида свинца при введении индия, марганца и хрома, направленном на выявление особенностей их энергетического спектса.

Объектами исследования настоящей работы являлись:"

1. Монокристаллы твердых растворов РЪ1_хНпхТе(1п) с О 1 X 5 о.11. выраженные из раствор-расплавов в институте Физических проблем АН Молдовы.

2- Монокристаллы РьТе с примесью Сг до 0.3 ат. 'А, полученные методами Бриджмена и пар-кидкость-кристалл на Химическом Факультете МГУ.

Конкретные задачи исследования включали в себя

1- Исследование гальваномагнитных и оспилляпионных явления в твердых растворах РьТе(Сг), направленные '.на обнаружение квазллокальных уровней. В связи с обнаружением таких уровней дополнительными задачами являлись применение спектроскопии с помощью давления и описание свойств РьТе(Сг) как полунагнитного полупроводника.

2. Изучение характера перестройки энергетического-спектра и кинетики Фотопроводимости (ФП) в твердых растворах рь{_хнпхте (1п) при изменении их состава.

В настоящей работе изучались гальванонагнитн"? зФФекты и осиилляшга . .ЫУбникова-ле Гааза з диапазоне температур (2-200Ж, в магнитных полях до 50 кЭ, пол язвлением до 26 кбас, Фотоэлектрические явления при подсветке образпов различными источниками излучения-

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в том, что в ней

впервые;

1- Получены диаграммы -перестройки энергетического спектра рьТе(Сг) при изменении температуры"«" пол действием давления- Показано, что введение Сг г, рьТе приводит к стзбллизгпЕИ ■ УФ на « 100 мэВ вше д;:а зоны проводимости. Установлено, что рь'Ге(Сг) является полупагзштнкм полупроводником.

2- Построена диаграмма перестройки энергетического спектра твердых растворов Pbj_xHnxTe(!n) при изменении состава X. Обнаружен переход металл-диэлектрик при x 0.05, соответствУЕКШ смешению УФ кз зоны проводимости в запрешенную зону- Показано, что кинетика СП существенно изменяется при вариации состава, однако температура появления задерганной фп Tq остается неизменной 20 К-

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

Полученные в диссертационной работе результаты позволяют расширить ряд твердых растворов на основе теллурйда езинпа, характеризующихся наличием пиннинга УФ- эти материалы являются одними из базовых для создания Фотоприенных устропств, работают в резме периодического накопления (интегрирования) и быстрого сброса полезного сигнала. Результата исследования узкоиелевых полумагнитных полупроводников (ГЕШШ, проведенные в работе, также имеют практическую ценность, поскольку ПКШ1 ^ группы А^В6 могут быть использованы при создании твердотельных лазеров ИК-диапазона, перестраиваемых магнитным полем.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ

Основные результаты диссертационной работы докладывались , на. научных конференциях: "XI ■ Всесоюзная конференция по Физике полупроводников" (Кишинев, 1988); "Примеси к дефекты4 чв узкозонных полупроводниках" (Павлодар, 1989); "Int. Conf.'* on Narrow Gap Semiconductors and Related Materials" (Gaithers-burg, Maryland, USA, 1989).

По результатам диссертации опубликовано шесть печатных работ.

СТРУКТУРА И ОБ*ЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 139 странип машинописного текста, включая 42 рисунка, 3 таблицы и список литературы, из 95 наименовании.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ' ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность теш диссертационной работы, сформулированы основные . пели исследования,, кратко, изложено распределение материала по главам.

ПЕРВАЯ ГЛАВА представляет собой литературный обзор, в котором рассматривается эффект стабилизации УФ в твердых растворах . на основе теллурида • свинпа- Описываются долговременные релаксационные процессы, наблюдавшиеся при легировании некоторых твердых растворов на основе РЫе. Обсуждаются Феноменологические модели энергетического .спектра и примесных состояний в сплавах Pbi-sSnxTe(In). Приводятся литературные данные о принесши состояниях переходных элементов в теллуриде свинца.

ВТОРАЯ ГЛАВА .посвящена методике проведения эксперимента. . Рассматриваются техника приготовления и монтажа образцов, конструкция низкотемпературных канер для изнереюш, блок-схемы экспериментальных установок. Отдельный параграф

посвящен нетолике коррекции ориентации образпоз по осгилляшшм Нубнккоза* - де Гааза. Описываются методики расчета параметров энергетического спектра в' ранках лбухзонной модели- Приводятся оценки ошибок измерений.

Б ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ работы приведены характеристики образцов рьТе(Сг) с различным содержанием хрома, Енргшенных различными методами: пар-гзышость-кристалл ШШ и направленной кристаллизацией расплава (ПК) - Исследованные обоазпы, полученные методом ГШ, обладают проводимостью р- -■-типа. Кристаллы, сш» тезированные по методу IIS, имеют проводимость n-типа., причем концентрация электронов п с ростом содеркания урона возрастает до значения ~ 4 Ь 2*Ю19см~3 и далее не увеличивается. Приводятся результаты исследования температурных и барических зависимостей гальваномагнитных коэффициентов в рьТе(Сг) с различным содержанием хрома. Из экспериментальных данных следует, что коэффициент Холла для образцов с концентрацией электронов п - ь2*!019см_3 характеризуется сильной температурной л барической зависимостью, . в отличие от кристаллов с низкой п-и -дырочным типом проводимости- Это связано с изменением полозения УФ относительно краев разрешенных зон в кристаллах с а ~ 1-2* 1019сн-3 при изменении температуры и в условиях применения гидростатического скатил-

Расчет энергии Ферми, произведенный в рамках двухзонной модели Кеина, показал, что в твердых растворах рьТе(Сг) с концентрацией электронов ~ 1.2*1019см"3 энергия Е -= Ер + Eg/2 остается близкой к постоянной величине как при изменении температуры, так и под действием гидростатического скатия. Это свидетельствует о налети:! эффекта стабилизации полегания УФ.

В целом диаграммы перестройки энергетического спектра для РьТе(Сг) аналогичны полученным ранее для PbTe(ln), Pbj_jrSnsTe(In) ЧЛ- Разница состоит лишь в энергетическом

положения стабилизированного УФ- В РйТсИп) при Т - 4- 2К Ер - Ес ~ 70 МЗВ.- в РЬТе(Сг) - 100 нзв-Наблюдаете ' аналогии в перестройке' энергетического спектра ллл - РьТеИп) и РЫе(Сг) наводят на мысль об общей, природе примесных уровней в этих соединениях. ' Формирование этих уровней ножет быть связано с образованием комплексов, включавших наряду с атомом примеси собственные дефекты кристаллической решетки.

В заключение проводится сравнительный анализ температурных зависимостей подвижности носителей заряда м-(Т) в твердых растворах РьТе(Сг) и и(Т) в НеЭе^е), поскольку в кристаллах НгЭе(Ре) такяе наблюдается эФФект стабилизации УФ- Показано, что вид зависимостей и(Т) при низких температурах в кристаллах РьТе(Сг) не позволяет сделать заключение о том, возможно ли пространственное упорядочение заряженных примесей в соединениях на основе теллурида свинца-

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА посвяиена исследованию оспилляпйй ШУбникова ■ - де Гааза -(ИНГ)' в--РьТе(Сг). Показано, • что в-образцах со стабилизированным УФ зависимость удельного сопротивления р от магнитного поля Н имеет участок насыщения, на всех осшшяпионных кривых проявляется отчетливое спиновое расщепление уровней Ландау. Характерной особенностью оспилляпионных кривых (Др/рд)(1/Н) является полное удвоение частоты в сравнительно узком диапазоне магнитных полей. Количественно данную особенность можно охарактеризовать некоторым полем Н^ в котором пересекаются огибающие основных и дополнительных, связанных со спиновым расшепленизн, зксгренумоз осцилляция (рис.1). Найдено, что значения Нх уменьшаются с повышением температуры и существенно различаются для разных образцов с почти одинаковыми значениями концентрации электронов, но..разным содержанием хрома-

0,08 ОЦЗб ЩН 1/ЦкЭ"1 ~

Рис. Ь Вил записи сспплллпии лр/рд в масштабе 1/Н длп

образца РъТ«1 (Сг)--при разных температурах- Н!1<100>-

Принципиальное различие влияний примесей 1п и Сг на энергетический спектр электронов в РЬ'Ге состоит в том," что Сг практически во ■всех . зарядозых состояниях является капштоактпвкьм- Обнаругекные особенности в есшадяинях

Шубникова-де Гааза в РьТе(Сг) на связываем со свойствами, характерными едя полумагнитных полупроводников. Обменное взаимодействие ' в. э.тих системах приводит к ' перенормировке эффективных е-Факторов зонных электронов: ,

: е0 + Г(Н.Т), ' . (1)

где добавка к й-Фактору становится Функцией магнитного поля и температуры. Анализ оспилляпип в РьТе(Сг) проводился с использованием методики, предложенной авторами работы [21 для поимагнитного полупроводника' НвЗе(Ге). Для проведения такого анализа вначале, по методу наименьших квадратов, был выделен вклад отдельных гармоник в общую осшмляшюнную картину. Таким образом были определены зависимости амплитуд первой и второй гармоник от магнитного поля и температуры-После этого, при вариации таких параметров, как температура Лингла, зонный 0-фактор, а также добавка, связанная с обменным взаимодействием, производилась подгонка к теоретической Формуле. Результат подгонки иллюстрирует рис. 2.

Для оценки эффективности обменного взаимодействия между зонными электр9нами и локализованными магнитными моментами было использовано обшее выражение:

в* <Н,Т) = ^ВзШ.И/Н , (2)

где- в} является функцией константы обменного взаимодействия зонных электронов с локализованными магнитными моментами, эффективного магнитного момента отдельного атома Сг и концентрации локальных моментов Сш, Вэ СН. Т) - Функция Бриллюэна. Возможное присутствие Сг в РьТе в разных зарядовых состояниях и неопределенность в распределении хрона по состояниям с ' разным магнитным моментом не позволило • оценить значение обменного интеграла; был определен лишь параметр Полученные экспериментальные данные .дают возможность однозначно установить, что РЫе(Сг) является полумагнитным полупроводником-

т=зд к'

\ \ x;,

V1

V

0,02 0,04 0,06 0,08

1/Н^Э"1

Рис. 2. Зависимости амплитуд первой (А]-) и второй (А2> гармоник от магнитного поля, полученные с помощью расчета для экспериментальных осшыляпионных кривых, приведенных на рис. 1.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ приводятся результаты исследования гальваномагнитных, Фотоэлектрических и оспилляпионных эффектов в РЬ1-хНпхТе(1п) (0 $ X $ 0-11). Все, исследованные кристаллы обладали проводимостью п-типа- Исследование температурных зависимостей удельного сопротивления сплавов разного состава позволило установить, что при увеличении X стабилизированный уровень Ферми смешается к дну зоны

т

I.Jillfi

о t

a

2 t.MLiH

Z t,jm

Рис- 3. Кинетика Фотопроводимости в образцах сплава Pbl-xHnxTe(ln) с X - 0-07 (а) и с X = 0.085 (б), снятая ь режиме заданного напряжения при Т - 4. 2 К- Ток через образец пропорционален его проводимости. Стрелками показаны моменты включения (t) и выключения (I) источника подсветки.

проводимости к пересекает его вблизи состава X ~ 0-05: наблюдается переход металл - диэлектрик.

Представлены результаты исследования кинетики ОП в сплавах разного состава- Показано, что увеличение

и

содержания НпТе в твердом растворе приводит к качественному изменению характера кинетических процессов при подсветке образцов, однако температура появления задерганной- ФП Т^ ■ существенно не изменяется.

В сплавах с X < 0-07 после выключения источника подсветки наблюдается полная задерганная ФП. с ростом x в сплавах РЬ]-2НпхТе(1п) наблюдается тенденция к снижению интегральных времен-., релаксации. Это проявляется прежде всего в том, что на кривых спала ФП появляется, участок относительно быстрого изменения Фототока (рис.3). При дальнейшем увеличении х доля быстро релаксируюпшх неравновесных носителей заряда растет.

Для объяснения закономерностей в изменении кинетики ФП ч при вариации состава X сплавов РЬ{_хНпхТе(1п) представляется наиболее оправданным привлечь,, модель, предполагающую наличие иетастабильного состояния примесного центра наряду с основным- Анализ ситуации существенно упрощается з связи с тем, что авторы работы [3] с помощью экспериментов по использованию туннельной спектроскопии определили параметры для модели одно- и - двухэлектронных состояний примесного центра в рьТеПп). На рис-4а приведена конфигурационная диаграмма из этой работы- Здесь ч - это обобщенная конфигурационная координата, 0 и к -соответственно деФогнашгонныя потенциал и жесткость решетки при локальной деформации; энергия центра, на котором находится один электрон, записывается в виде

Е) = (Е0 - Оч! ♦ Кч2/2 ; (3)

энергия двух центров, из которых на одном находится два электрона, а второй пустой:

Е2 = 2(Е0 - Оч) + КЧ2/2 + и , (4)

где и - энергия кулоновского отталкивания двух электронов.

Минимальная энергия- одноэлектронного - квазилокального . состояния находится выше _ энергии Ферми на величину д = (Е0 - Ер)/2 - и/4- Согласно численным опенкам авторов

Рис. 4- Конфигурационные диаграммы для модели двухзлект-ронного квазилокального состояния для РьТеПп) (а) и РЬ;-хНп2Те(1п) (6,в). (См. текст).

работы [31. величина составляет ■ ~ -40 мзВ. -Если предположить, .что введение Нп в РъТе не приводит к существенному изменению 0 и ц, изменение конфигурационной диаграммы при увеличении X мояно качественно представить рисунками 46 и 4в. Таким образом, одноэлектронныи уровень долкен попадать в запрещенную зону в сплавах, для которых выполняется условие Еа > ^ (Еа - энергия активации примесной проводимости). Как следует из экспериментальных данных по исследованию кинетики ФП, именно в этих твердых растворах наблюдается появление сравнительно быстрых релаксация наряду с участком задерганной ФП. По-видимому, участие одноэлектронвых метастабильных состояний примесных центров в процессе релаксации приводит к увеличению темпа перезарядки примесных центров.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОЛЫ:

1- Проведены комплексные исследования гальванонагнитных, осцилляпионяых . и Фотоэлектрических явлений в твердых растворах РьТе(Сг) и Pb}-xMnxTe(In). Измерения проводились в диапазоне температур Ь 1 * 200 К, в магнитных полях до 60 кЭ, под давлением до 25 кбар, в условиях подсветки различными источниками излучения.

2. Обнаружено, что в твердых растворах РЫе(Сг) наблюдается эффект пиннинга уровня Ферми на - 100 мзВ выше дна зоны проводимости, что сооответствует концентрации электронов n ~ 1.2 * 1019 см"3- Построены диагранмы перестройки энергетического спектра РьТе(Сг) при изменении температуры и под действием давления. Вид диаграмм ' качественно аналогичен полученному ранее для Pbj.xSnxTe(In): положение Ер" при изменении температуры и под давлением остается Фиксированным относительно середины запрещенной зоны.

.3- Анализ осцилляция Шубникова - де Гааза в PbTe(Cr) со стабилизированным положением __ уровня Ферни позволил установить, что РьТе(Сг) является полумагнитным полупроводником- Описание оспилляпионных кривых проводится в предположении, что эффективный geff - Фактор электронов зависит от температуры и напряженности магнитного поля Н .

4- Обнаружен эФФект пиннинга уровня Ферми в твердых растворах Ръ^МпхТеПп) (0 í X < 0-12). Определен характер перестройки энергетического спектра указанных соединений , при изменении состава твердого раствора X. Показано, что увеличение X приводит к смешению стабилизированного уровня Ферми вниз по шкале энергия относительно дна зоны проводимости ¡ при X ~ 0-05 обнаружен переход неталл -диэлектрик.

5. Обнаружено, что явление задержанной Фотопроводимости наблюдается в Pbi-xMnxTe(In) при Т í Тс ~ 20 К- Величина Тс практически не зависит от состава твердых растворов Х- В то же время кинетика ФП претерпевает существенные изменения

при увеличении X. Сравнение кинетических зависимостей ФП от времени о ( t ) в твердых растворах- 'с различным X показывает, что- они как правило характеризуются наличием по крайней мере двух участков: первоначального быстрого спала и последующей остаточной ФП. Соотношение долей этих процессов по сути определяет как интегральную скорость релаксации, так и Фоточувствительность материала.

6- Для интерпретации полученных данных предлагается модель, учитывавшая существование в энергетическом спектре твердых растворов Pbj.xHnxTe(In) наряду с основным состоянием примеси, отвечающим за пиннкнг УФ, метаста-билького уровня. Кинетические процессы определяются взаимным расположением этих уровней относительно- краев разрешенных зон, а также процессом оптической перезарядки примесных состояний при подсветке.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1- АкимовБ. А., Веэтелецкий П- В-, Зломанов В. П., Рябова Л.К-j . Тананаева О...И-., Широкова H.A. РьТе(Сг) полумагнитный полупроводник. // Тез- докл- XI Всес. конф. по Физике полупроводников- Кишинев, 1988, Т. 2, С-160-161-2. Акимов Б-А., Рябова Л-И--, Широкова H.A. Перестройка энергетического спектра твердых растворов РЬ]_~*пхТе(1п) при изменении состава. //В кн. "II Всесоюзный семинар "Примеси и дефекты в узкозонных полупроводниках"", 1989, Павлодар, т- 2, с- 11 — 143- Акимов Б. А., Вертелепкий П. В., Зломанов В. П., Рябова-Л. И., Тананаева 0. И., Широкова Н. А. Осцилляции Шубникова-де Гааза в РьТе(Сг).// ФТП, 1989. В. 2, С.244-249-

4- Акимов Б. А., Никорич А. В.. Рябова Л- К.. Широкова Н. А-Переход • металл-диэлектрик • • в твердых - растворах Pbj-xHn2Te(In).// ФТП, 1989, Т. 23, В. 6, С. 1019-1024. .

5- Akimov В-А- VerteletsKiy Р. V-, ßraiiova L-I-• ShiroKova N-A- РЬТеСг) - Nevi SeminaEnetic Semconductor- //

Abstracts Int. Conf. on Narrow Gap Semiconductors and Related Materials. Gaithersburg, Maryland,■ USA, 1989, P-E6-6. Каширская Л. И-, Рябова Л. И., Тананаева О. И., Широкова -Н. А. Гальваномагнитные характеристики твердых растворов РьТе(Сг) при изменении температуры и под давлением. // ФТП, 1990. Т. 24, В. 8, С. 1349- 1353-

Цитируемая литература:

1- Кайдансз В. И-, Равич Ю-И- Глубокие и резонансные состояния в полупроводниках А4Вб- // УМ, 1985, Т. 145, В. 1, С. 51-86.

2- Vaziri Н. Reifenberger R. SPin-dependent scattering of .. conduction electrons in diluted magnetic semiconductors: Hgi-sFexSe. // Pbys. Rev-B, 1935, v-32, N6, p.3921-3929-

3. Каяланов В- И., Рыков С. А-, Рыкова И. А-, Сюрис О. В-Исследование метастабильных квазилскальных состояния индия' в теллуриде свинца методом туннельной спектроскопии. // ФТП,

1990, Т. 24," В- 1," С. 144-151-