Оптические явления в соединениях Pb1-xSnxTe обусловленные свободными носителями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Зонная структура соединений Pb,xShxTe

1.2. Эффекты непараболичности

1.3. Структура валентной зоны

1.4. Влияние сильного легирования на свойства свободных носителей в полупроводниках

ГЛАВА II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА

2.1. Блок-схема экспериментальной установки

2.2. Обработка экспериментальных спектров

2.3. Характеристики образцов

ГЛАВА III. ЗАКОН ДИСПЕРСИЙ СОЕДИНЕНИЙ Pb^SnJe

3.1. Получение зависимости £(к) по спектрам поглощения

3.2. Сравнение закона дисперсии, полученного по экспериментальным спектрам с шестизонной моделью

3.3. Применимость шестизонной модели к описанию закона дисперсии соединений Pb(xSnx"fe ••••

ГЛАВА 1У. СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ В ОБЛАСТИ ФУНДАМЕНТАЛЬНОГО КРАЯ ВЫРОЖДЕННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

4.1. Эффект Мосса-Бурштейна в сильно-легированных полупроводниках

4.2. Спектры поглощения соединений PbhxSnxJe в условиях вырождения газа свободных носителей

4.3. Форма края поглощения сильно-легированных полупроводников

4.3.1. Влияние электронного рассеяния на форму края поглощения вырожденных полупроводников Pb,.xSnxTe

4.3.2. Роль обменного взаимодействия в формировании края поглощения вырожденных полупроводников

4.4. Сдвиг края поглощения в сильно-легированных полупроводниках

4.4.1. Сдвиг края поглощения вырожденных полупроводников Pb,.xSnxTe

4.4.2. Сужение запрещенной зоны в многодолинных сильно-легированных полупроводниках

4.5. Особенности рассеяния носителей тока в соединениях Pb,xSnxTe

ГЛАВА У. ПЛАЗМЕННОЕ ОТРАЖЕНИЕ СОЕДИНЕНИЙ

РЬ,-х Snpje

5.1. Описание спектров плазменного отражения с помощью теории Друде

5.2. Определение эффективной массы тяжелых дырок

5.3. ИК - прозрачность газа свободных носителей

ВЫВОДЫ

Узкозонные соединения Pbtx SnxTe находят широкое применение в качестве материала для приготовления инфракрасных фотоприемников и полупроводниковых лазеров. Это связано с тем, что изменяя состав соединения можно в широких пределах менять область чувствительности оптоэлектронных приборов. Кроме того, соединения РЬ 1-х$>пхТе обладают рядом свойств, которые делают этот материал интересным для физических исследований: сильное изменение ширины запрещенной зоны с составом, температурой и давлением, чрезвычайно высокое значение диэлектрической проницаемости, большие подвижности носителей тока. Из-за малой величины ширины запрещенной зоны упомянутые соединения обладают, даже при сравнительно низких температурах, значительной концентрацией собственных носителей /и вдобавок к этому, как правило, ещё и примесных, обусловленных собственными дефектами/, которые играют первостепенную роль в определении всех свойств кристалла. Следует упомянуть, что большинство оптоэлектронных приборов выполнены на базе сильно-легированных полупроводников /СЖ1/. Это в ряде случаев /например в полупроводниковых лазерах/ позволяет добиться высокой эффективности прибора. На свойства свободных носителей в СЛП оказывает влияние рассеяние несовершенствами кристалла, которое необходимо учитывать при изучении свойств СЛП оптическими методами, а также при проектировании оптоэлектронных приборов.

В сплавах, к которым относятся и соединения PlDl)(SfnxTe f наряду с механизмами рассеяния, характерными для обычных полупроводников, есть дополнительное рассеяние, обусловленное флуктуациями локальной мольной доли /так называемое сплавное рассеяние/. Таким образом, неупорядоченности в соединениях Pbh)(Snx7e создаются как донорами и акцепторами, так и различием атомов сплава. Изучение влияния несовершенств кристаллической структуры, возникающих при изготовлении соединений Pb,xSnxTe q высокой концентрацией свободных носителей, на их оптические свойства является чрезвычайно интересной задачей,имеющей научное и прикладное значение. Эти свойства соединений Pb,.x Snxle в настоящее время недостаточно хорошо изучены.

Диссертация посвящена исследованию влияния неупорядоченности кристаллической структуры и обусловленной ею высокой концентрации носителей на оптические свойства соединений Pbt-xShxle . Ввиду того, что СЛП обладают во многом схожими особенностями /например,такими как неупорядоченность структуры, влияние многоэлектронных эффектов на свойства СЛП и др./ значительная часть результатов, полученных в диссертации может быть применена ко всему классу СЛП.

Первая глава является обзорной. В ней кратко излагается современное состояние экспериментальных исследований соединений Pbj Sh* Те , а также теории СЛП. Рассмотрены зонная структура соединений Pb,-xSnxle t эффекты непараб о личности. Как и все узкозонные полупроводники, соединения Pb,-xSnxJe характеризуются малыми величинами эффективной массы. Малостью эффективной массы обусловлен также целый ряд эффектов /например эффект Мосса-Бурштейна/, неучет которых может привести к существенным погрешностям. Поэтому, значительная часть обзора посвящена эффектам, связанным с зонным заполнением, в том числе влиянию свободных носителей на такую фундаментальную характеристику полупроводников, как ширина запрещенной зоны.

Во второй главе содержится описание экспериментальной установки и методики обработки спектров пропускания и отражения. Приводятся параметры исследованных образцов. Кратко изложена методика расчета и особенности вычисления концентрации свободных носителей в соединениях Pb^xSioxle по данным холлов-ских измерений.

В третьей главе, с помощью спектров поглощения выполнено исследование закона дисперсии носителей в соединениях Pb xS^7e с концентрацией близкой к собственной. Результаты используются при анализе свойств упомянутых соединений с высокой концентрацией свободных носителей.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния сильного легирования на оптические свойства полупроводников. Решена задача о поглощении света в прямо зонных полупроводниках с учетом рассеяния электронов и дырок. Результаты используются для объяснения формы спектров поглощения соединений РУ,.Х S^Te Выполнен анализ сдвига края поглощения в условиях зонного заполнения в образцах Pb^S^*^ с высокой концентрацией носителей. Рассмотрено влияние электрон-электронного взаимодействия с учетом переброса носителей в эквивалентные долины на величину сужения запрещенной зоны в СЛП. С помощью спектров поглощения изучено рассеяние носителей в соединениях PbhX Snx Те

В пятой главе представлены результаты исследования свойств газа свободных носителей в соединениях ShxTe по спектрам плазменного отражения. Установлено, что классическая теория Друде не позволяет описать температурную зависимость формы спектров. Обнаружена инфракрасная /ИК/ прозрачность газа свободных носителей. Измерена эффективная масса тяжелых дырок в соединениях РЬ,У Sh^le .

Практическая ценность. Новые технологические методы полупроводниковой оптоэлектроники позволяют создавать высокоэффективные приборы на основе сильно-легированных материалов. На протяжении последних лет, как размеры самих приборов, так и минимальные топологические размеры уменьшились на порядки. В этих условиях резко возросли требования к пониманию физики работы приборов малых размеров изготовленных из СЛП. Результаты, полученные в диссертации могут быть полезны при расчете свойств таких полупроводниковых приборов, а также приборов, выполненных на основе соединений Pb(ySnxTe /например ИК-фотоприемников, полупроводниковых лазеров/.

Апробация диссертации. Основные результаты диссертации доложены на III Республиканском коллоквиуме по модуляционной спектроскопии полупроводников и диэлектриков /г. Сухуми, 1979/, Международном совещании по физике узкозонных полупроводников /г.Москва, ФИАН СССР, 1981/, У Сухумском коллоквиуме по оптике и спектроскопии полупроводников /г.Сухуми,1984/.

ВЫВОДЫ:

I • Исследована зависимость o((fico) соединений Pb,xSnx~Je при температурах ЗООК, 82К и I8K. По спектрам поглощения образцов с концентрацией носителей близкой к собственной рассчитан закон дисперсии. Показано, что шестизонная модель, используемая для расчета закона дисперсии в узкозонных полупроводниках, хорошо объясняет экспериментальные спектры поглощения.

2. Установлено, что изменение закона дисперсии с составом (х) и температурой (Т) можно описать в рамках шестизон-ного приближения изменением только одного параметра -ширины запрещенной зоны, которая при этом не должна меняться более чем в два раза»

3. Предложена теория, позволяющая объяснить размытие края поглощения, наблюдаемое при низких температурах в сильно-легированных полупроводниках в условиях вырождения газа свободных носителей. Рассмотренная теория объясняет экспериментальные спектры поглощения соединений Pb;,xSnx7e . h. Решена задача о сужении запрещенной зоны сильно-легированных полупроводников, обусловленном электрон-электронным взаимодействием с перебросом в эквивалентные долины. Показано, что это приводит к линейной зависимости величины сужения запрещенной зоны от концентрации носителей.

5. G помощью теории межзонных оптических переходов, представленной в настоящей работе, по спектрам поглощения оказалось возможным исследовать сплавное рассеяние. Определена разность электронного и дырочного потенциалов сплавного рассеяния равная Uj ~ U2 =1*06х10~'^эВ. см^.

6. По спектрам плазменного отражения определена эффективная масса тяжелых дырок в соединениях PbfxSy7xТе, равная 0.144 hn0.

7. Обнаружена ИК-прозрачность газа свободных носителей в соединениях Pbfx S/7A*Te - отсутствие поглощения свободными носителями в условиях сильного рассеяния»

В заключение выражаю благодарность зав. лаб.№ 3, профессору И.Г.Неизвестному и своему научному руководителю М.П.Синюкову за предложенную тему, многочисленные обсуждения возникающих вопросов, внимание к работе и всестороннюю подцержку; благодарю своих товарищей по работе Ф.С.Миронова и Н.Н.Овсюка за дискуссии, помогавшие лучше понять суть исследуемого предмета и О.А.Макарова-за помощь, оказанную при решении задач с помощью ЭШ; я признателен Ю.Е.Лозовику за полезные обсуждения теории и эксперимента и Э.Г.Батыеву, подробные и продолжительные обсуждения с которым теории исследуемых явлений помогли при написании ряда последних работ, особенно-касающихся поглощения света в СЛП; благодарю В.Н.Шумского за полезные обсуждения и его сотрудников за изготовление образцов, А.М.Палкина - за выполнение холловских измерений, Ю.О.Кантера - за проведение измерений на рентгеновском микроанализаторе, а также сотрудников лаб.№ 3, оказавших содействие при, выполнении данной работы.

Благодарю также Э.М.Скока, прочитавшего рукопись и сделавшего ряд полезных замечаний.

1. Dimmock J.О.,Wright G.B., Band Energy Structure of PbS, PbSe and PbTe - Proc.1.t.Conf.Phys.Semicond.,Paris,Dunod, 1964,P,77.

2. Dimmock J.0.,Melngailis I.,Strauss A.J.,Band Structure and Laser Action in Pb1 Sn Те Phys.Rev.Lett.,1966,v.16,1126, 1193-1196.

3. Dimmock J.0. (K*p) theory for the Conduction and Valence

4. Bands of Pb Sn Те and Pb1 Sn Se Alloys Semimetals and 1-х x i-x xnarrow-Gap Semicond.,ed.by D.L.Carter,Я.Т.Bate,Oxford, Perganion Press, 1971, pp.319-330.

5. Ksaki 1., Stiles P.J. ,blew Type of ilegutive Resistance in Barrier Tunneling Pliys.Rev.Lett., 1966, v. 16,K24,1108-1111.

6. С о 21k li 11 J. В., Johns on L.E.,Pratt C-.W., Energy Bands in PbTe -Phys.Rev.,1965,v.137,E4A,A1282-A1297.

7. Johnson L.E., Conklin d.В.,Pratt G. V/. ,Helativistic Effects in the Band Structure of PbTe Phys.Rev.Lett., 19t>3, v. 11, 1112,538-541.

8. Rabii S.,Investigation of Energy Band Structures and Electronic Properties of PbS and PbSe Phys.Rev.,1968, v. 167,113,801-808.

9. Tung Y.W.,Cohen M.L. ,The Fundamental Energy Gap in SnTe and PbTe Phys.Lett.,1969,v.29A,N5,236-237.

10. Lin P* J.,KLeinman L.,Energy Bands of PbTe,PbSe and PbS -Phys.Rev.,1966,v.142,N2,478-489.

11. Rabii S.,Energy Band Structure and Electronic Properties of SnTe Phys.Rev.,1969,v.182,^3,821-828.13»Cardona I!., Greenaway D.L., Optical Properties and Band

12. Structures of Group IV-VI and Group V Materials Phys.Rev., 1964,v.133,ИбА,А1685-A1697.

13. Драбкин И.А. ,Морговский Л.Я.,Нельсон И.В. ,Равич Ю.И. Собственное поглощение света в области непараболичности в РЬТё и твердых растворах Р№-SfiTe Ш1,1972,т.6,в.7,1323-1326.

14. Anderson W.w. Gain-Frequency-Current Relation for Pb^^Sn^Te Double Hetегоstructure Lasers IEEE Journal of Quantum Electronics, 1977,v.QE-13, N7,532-543.

15. Черник И.А. ,Кайданов В.й. Виноградова M.H. ,Коломоец Н.В.Иссле-дование валентной зоны теллурида свинца с помощью явлений переноса ФГП,1968,т.2,в.6,773-781.

16. Житинская М.К. ,Кайданов В.И. ,Черник И.А. О непараболичности зоны проводимости теллурида свинца Ш1,1966,т.8,в. 1,295-297.

17. Дубровская И.Н. ,Равич Ю.И. ,Грязнов О.С. О непараболичности зон в халькогенццах свинца Ш1,1969,т.3,в. 12,1770-1773.

18. Dionne G. ,Woolley J.С» Optical Properties of Some РЪ.| fita^Te Alloys Determined from Infrared Plasma Reflectivity Measurements Phys.Rev.B,1972,v.6,H10,3898-3913.

19. Dionne G.,Woolley J.C. Optical and Electrical Properties of Some Pb^Sn^Te Alloys J.Nonmetals, 1973,v.1,239-249.

20. Kane E.O. Band Structure of Indium Antimonide J.Phys.Chem. Solids,1957,v.1,N4,249-261.

21. Cohen Ш.Н. Energy Bands in the Bismuth Structure.I.Nonellip-soidal Model for Electrons in Bi Phys.Rev.,196l,v.121,N2, 387-395.

22. Overhof H.,Rossler U. Electronic Structure of PbS,PbSe, and PbTe Phys.St.Sol.,1970,v.37,N2,691-698.

23. Ziep 0.,Genzow D. Calculation of the Interband Absorption in Lead Chalcogenides Using a Maltiband Model Phys.St.Sol. (b),1979,v.96,N1,359-368.

24. Ellis В.,Moss T.S. Cyclotron Resonans in Pb1 Sn Те Phys.1.""X X

25. St.Sol.,1970,V.41,K2,531-534.

26. О ^ х £ 0,23) из спектров фотолюминесценции в магнитном поле ФТП,1978#т.12,в.4,705-713.

27. Сизов Ф.§.,Лашкарев Г.В.,Орлецкий В»Б,tГригорович Е.Т.# Эффект Фарадея в твердом растворе Pb Sf)x7e п-типа -ФТП,1974,т.8II,2074-2079.

28. Акимов Б*А; «Дмитриев А.И. ,Лашкарев Г.В.,Орлецкий В.Б., Товстюк К.Д.Чудинов С.М.,Эффект Шубникова-де-Гааза в узкощелевом твердом растворе Pi>o#82^0.I8^ п*»типа -ФТТ, 1977, тЛ9 ,в. 2,40 2-408.

29. Melngailis J. ,Hannan Ф.С. ,Liavrodies J.G.,Diiranock <3.0., Shubnikov-de-IIaas Measurements in Pb., Sixjfe Phys.Rev. B,1971,V.3,N2,370-375.

30. Burke J.K., Houston B.,Savage II. 1*. ,Anisotropy ox the Fermi Surface of p-Type PbTe Phys.Rev., 1970, v.2,Mo, 1977-1988.

31. Gibson A.P.,The Absorption Spectra of Single Crystals of Lead Sulphide, Selenide and Telluride Proc.Phys.Зое.,1952,v.B65,N5,378-388.

32. Андреев A.A. ,Радионов B.H. О зонной структуре теллурида свинца из измерений эффекта Холла при высоких температурах ФТП,1967,т.1,в.2,183-189.

33. Algaier R.S.,Houston В.В.,Hall Coefficient Behavior and the Second Valence Band in Lead Telluride J.Appl.Phys., 1966,v.37,H1,302-309.

34. Cuff K.F.,Ellett M.R.,Kugl±n C.D. Oscillatory Magnetore-sistance in the Conduction Band, of РЪТе J.Appl.Phys. Suppl.,1961,v.32,N10,2179-2185.

35. Stiles P.J.,Burstein Б.,Langenberg D.N. de-Haas van-Alphen Effect in p-Type PbTe and n-Type PbSe - J.Appl. Phys.Suppl.,1961,v.32,N10,2174-2178.

36. Лашкарев Г.В. ,Кикодзе P.O. ,Бродовой A.B. Магнитная восприимчивость и зонный спектр узкощелевых твердых растворов Pk>,xSnxle /х=0.18/ <Ш1,1978,т.12, в. 6,1066-1073.

37. Орлецкий В.Б.,Лашкарев Г.В. ,Товстюк К.Д. Определение некоторых параметров зонной структуры твердого раствора

38. Pbo.82Sn0.I8~fe ~ ШТП,1975,т.9,в.2,269-275. 45» Sitter Н. ,Lischlca К. ,Heinrich Н. Structure of the Second

39. Valence Band in PbTe Phys.Rev.B,1977,v.16,N2,680-687.

40. Tung Y.W.,Cohen M.L. Relativistic Band Structure and Electronic Properties of SnTe, GeTe, and PbTe Phys.Rev,, 1969,v.180,N3,823-826.

41. Mott N.P. The Metal-Insulator Transition in Extrinsic Semiconductors Adv.Phys.,1972,v.21,N94,785-823.

42. Шкловский В.И.,Эфрос А.Л, Электронные свойства легированных полупроводников 1979,М.,Наука,- 416с.

43. Пайнс Д. Проблема многих тел 1963, М., ИЛ,- 189с.

44. Wolff P.A. Theory of the Band Structure of Very Degenerate Semiconductors Phys.Rev.,1962,v.126,N2,405-412.

45. Вонч-Бруевич В.Л. Вопросы электронной теории сильно-легированных полупроводников в кн.ФТТ,М.,ИНИ,- 127с.

46. Kane Е.О. Thomas-Fermi Approach to Impure Semiconductor Band Structure Phys.Rev.,1963,v.131,N1,79-88.

47. Kane E.O. Electron Scattering by Pair Production in Silicon Phys.Rev.,1967,v.159,N3,624-631.54» Kane E.O. Comparison of Screened Exchange with the Slater Approximation for Silicon Phys.Rev.B, 1972,v.5,N4, 14931499.

48. Halperin B.J.,Lax M. Impurity-Band Tails in the High-Density Liinit. I. Minimum Counting Methods Phys.Rev. , l966f'v.148,N2, 722-740.

49. Hwang C.J.,Calculation of Fermi Energy and Band Tail Parameters in Heavily Doped and Degenerate n-Type GaAs J.Appl. Phys.,1970,v.41,N6,2668-2674.

50. Hwang C.J. Properties of Spontaneous and Stimulated Emission in GaAs Junction Lasers.I.Density of States in Active Regions Phys.Rev.B,1970,v.2,N10,4117-4125.

51. Mahan G.D. Energy Gap in Si and Ge: Impurity Dependence -J.Appl.Phys.,19 80,v.51,W5,26 34-26 46.

52. Horsch S.,Horsch P.,Fulde P. Electronic Exitations in Semiconductors. General Theory Phys.Rev.B,1983,v.28,N10,5977-5991.

53. Уханов Ю.И. Оптические свойства полупроводников 1977 ,М. / Наука, - 366с.

54. Колежук К.В. ,Кудыкина Т.А.,Самойлова И.А. ,3>едорус Г.А. Исследование жеформирующего действия подложек на оптические свойства пленок Pb(xSnxle УШ, 1983, т. 28, в. 11,1681-1684.

55. Ocio М. Hall Coefficient and Mobility in РЪ. Sn Те withi x

56. High Carrier Densities Phys.Rev.B,1974,v.10,N10,4274-4283.

57. Parada N. J.,Pratt G.W. New Model for Vacancy States in PbTe Phys.Rev.Lett.,1969,v.22,N5,180-182.

58. Parada U.J. Localized Defects in РЪТе Phys.Rev.B,1971, v.3,N6,2042-2055.

59. Lanir M.,Lockwood A.H.,Levinstein H. Absorption Edge Shift in Lead-Tin Telluride Sol.St.Comm.,1978,v.27,N3,313-316.

60. Сизов Ф.Ф.Детеркин B.B. Край поглощения в /х 0.23/ ЖПС, 1982,т.ХХШ,в.2,291-294.

61. Gobeli G.W.,Pan H.Y. Infrared Absorption and Valence Band in Indium Antimonide Phys.Rev.,1960,v.119,N2,613-620.

62. Абрикосов А. А., Горько в Л.П. ,Дзялошинский И.Е. Методы квантовой теории поля в статистической физике 1962,М.,§изматгиз,

63. Abram R.A.,Rees G.J.,Wilson B.L.H. Heavily Doped Semicon

64. Berggren K.F.,Sernelius B.E. Band-Gap Narrowing in Heavily-Doped Many-Valley Semiconductors Phys.Rev.B,1981,v.42, N4,1971-1986.

65. Гельмонт Б.Л. ,Кисин M.B. Свободные носители заряда и многочастичные эффекты в энергетическом спектре узкощелевых полупроводников ФГП,1984,т.18,в.5,812-817•

66. Balkanski M.,Aziza A.,Amzallag Е. Infrared Absorption in Heavily Doped n-Type Si Phys. St. Sol., 1969, v.31 ,FI, 323330.

67. Sood A.K.,Cardona M. Brillouin Study of Acoustic Phonon Softening and Optical Absorption Coefficients of Ultra-heavily Doped n-Si Sol.St.Comm.,1984,v.49,N4,299-301.

68. Багаев B.C. ,Берозашвили Ю.Н. ,Вул Б.М. ,3аварицкая Э.Й.,Келдыш Л.В.,Шотов А.П.Об энергетическом спектре сильно-легированного арсенида галлия ФТТ,1964,т.6,в.5,1399-1405.

69. Ferreira L.G. Deformation Potentials of Lead Telluride -Phys.Rev.,1965,v.137,N5A,A1601-A1609.

70. Schumann P.A.,Phillips R.P. Comparison of Classical Approximations to Free Carrier Absorption in Semiconductors -Solid State Electronics,1967,v.10,N9,943-948.

71. Wolff P.A. Effects of Electron-Correlation on the Optical Properties of Metals Phys.Rev.,1959,v.116,N3,544-554.

72. Винецкий В.Л. ,Ицковский М.А. ,Кукущкин Л.С., Взаимодействие электрона проводимости с поперечными оптическими колебаниями в ионных кристаллах ШТ,1971,т.13,в.1,76-86.

73. Шнеерсон В.Л., Сверхпроводимость в полупроводниках -ЖЭТШ,1972,т.62,в.6,23II-23I7.

74. Kim M.E.,Das А., Senturia S.D., Electron scattering interaction with coupled plasma-polar-phonon modes in degenerate semiconductors Phys.Rev.B.,1978,v.18,F.2,6890-6899.