Особенности переноса заряда в полупроводниках с сильноанизотропной кристаллической структурой TiSe и InSe при низких температурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГб од

1 П "АГ»

АКАДЕМИЯ'НАУК АЗЕРБАЙДЖАНСКОЙ РЕСПУБЛИКИ

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ

На правах рукописи

САРДАРЛЫ АРЗУ ДЖАВАНШИР оглы

УДК 621.315 592

ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕНОСА ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ С СИЛЬНОАНИЗОТРОПНОЙ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ Т18е и 1п£е ПРИ НИЗКИХ Т Е Л\ ПЕР Л ТУРАХ

01.04.10—физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

БАКУ—1993

Работа выполнена в Институте физики Академии Наук Азербайджанской Республики.

Научные руководители: доктор физико-математических наук Сулейманов Р. А. доктор физико-математических наук Гусейнов Р. Р.

Официальные оппоненты: чл.-корр. АН Азерб.Респ.

доктор физ.-мат. наук, профессор Гашимзаде Ф. М. доктор физ.-мат. наук профессор Кязымзаде А. Г.

Ведущее предприятие—Сектор- Радиационных Исследований АН Азербайджана

Защита состоится « » £ОЛ,рС;/(/Ъ 1993 г. в 40°° часов на заседании Специализированного совета Д—004.04.01 по защите диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук при Институте Физики АН Азербайджанской Республики (370143, г. Баку, проспект Азизбекова, 33).

Автореферат разослан

1993 г.

Ученый секретарь Специализированного совета доктор физико-математических наук, профессор

ШАФИЗАДЕ Р. Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность те»н, Интерес к исследованиям электрических н гальЕаноиагнитных свойств полупроводников с сильноани-зотропиой кристаллической структурой в значительной степени, стимулируется перспектива!«! обнаружения в них физических явления, свойственных низкоразцэрныи системам. После того, как многочисленные исследования электронной зонной структуры слоистых полупроводников не оставили сомнений в практической "трехмерности" основных электронных состояний, фораируших край'фундаментального поглощения, возможности наблпдония "низкоразиернкх" эффектез s слоистых или цепочечных кристаллах стали все чаие связывать с наличием дефектов, способстзукзих' образован™ низ-керазиерных структур. Именно предполагая наличие плоских дефектов упаковки слова в слоистых полупроводниках объясняв? многие особенности их кинетнчвеюпе и гальваномагнитных свойств: "двумерный" циклотронный резонанс, квантовый эффект Холла и т.д. Практически во всех работах сообиается о различном характере проводимости вдоль и поперек сдоев в кристачлах со слоистой структурой. Однако, если По.поводу механизма проводимости вдоль слоев имеется общее мнение, то единого мнения о конкретном механизме переноса заряда поперек слоев на сушествует.

Если слоистым полупроводникам в указанном выше аспекте уделялось и уделяется значительное внимание, кристаллы с цепочечной структурой изучены существенно менее подробно. Анализ имевшихся данных но позволяет делать каких-либо определенных вызодоз относительно особенностей электронных свойств селени-да таллил, связанных со спецификой его кристаллического строз-ния. К примеру, не ясен деханиам токопереноса в нем различных

направлениях (вдоль и поперек кристаллической оси "С"), о ряде случаев получены противоречивые данные об анизотропии электропроводности.

Из сказанного ясно, какую вакную роль в явлениях электрон-

■ с .

ного переноса в слоистых и цепочечных кристаллах играет реальная кристаллическая структура. 13 связи с этим ссобув актуальность приобретает исследования специально созданных дефектов ■ нк электрофизические и гальваномчгнитныо свойства слоистых и цепочечных кристаллов. Возыоино, что именно из-за практического отсутствия таких исследований до сих пор остаптся открытыми вопросы, связанные с:возникновением.металлической прсводимос-ти и областей двумерного электронного газа в слоистых полупроводниках. -

Определявшая роль дефектов в явлениях переноса в слоистых и цепочечных полупроводниках делает их весьма перспективными и с точки зрения изучения локализационных эффектов.

Все вышеперечисленное позволяет сФотаудивовать основную ^¡ель_ предпринятых в диссертации исследований: установить механизм переноса зарядь. в различных направлениях в слоистых и цепочечных кристаллах.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд задач, наиболее важными из которых представляются следующие: изучить анизотропию электрической проводимости в.широком . температурном интервале в слоистых и цепочечных кристаллах, полученных разными технологическими методами, содержащих разную концентрацию примесей и искусственно созданных дефектов; изучить влияние магнитного поля на механизмы токопереноса в разных направлениях в указанных кристаллах.

Научная новизна проведешшх исследований. . '■' •

1.Низко температурная проводимость в направлении параллельном ц перпендикулярном иепям селеница галлия пожег иметь единую природу, а ее анизотропия завис и г от реальной кристаллической с грунту ри (в частности, возможен случай, когда ).

2.Маптгссопрогивяеииё з селёнаде .галлия в области низких температур зависит случайним образом ог' взаимной ориентации электрического и магнитного пояе.5.. . ■'

3.Ыежцу зпракгером провоякмосм(пршц;овый,металлический) а коииснграшсй прикбсей в ееленкде таллия не существует однозначной корреляции - металлическая проводимость мо2гт существовать ъ образца с- меньайй концентрацией примесей.-'''

4.Величина сопротивления в ие таляической. об лас тй • прово джос г;: сеяеиица галлия оказывав гея выше, чем допустимые и рамках концепции-кшикальной металлической проводимости значения'для трехмерного и

. дьумериого случаев, .

6,Маг»шгосопрогивление .в образцах селенида галлия с пршковоЗ проводимость» является, положительным и становится огриттошид; с больший (до 707о) ио а&сояютноа-величине -значениями в образцах с :;о-талличиски! проводимостью. ■ ■'■'..

1>.П{ш ^ -облучении селенида галлия .проводаыоегь вдоль направления, перпендикулярного цепям, резко растет и приобретает металлически.; характер в широкой .облао.ги температур (270-1,310.

7. V- -облучение слоистых кристаллов селенида индия приводит к ецшюю?. кеханнзку проводимости вдоль направления параллельного

и перпендикулярного слоям и установлений ее металлического характера а широкой обяасги температур.

Шшшескап ценность .диссертации состоит в том, что ре-

зультати исследований открывают перспекгиьи создания структур с различной степень» анизотропна проводимости, управляемой с покс;иьь внешнего магнагного поля и ^ -обучения.

На защиту выносятся еле душке основные положения:

1.Низкохемпературная проводаость в цепочечном крисгаялс селе-ница галлия осуществляется по случайным образом ориентированным в образце кластерам, что приводи!: а)к различной величине, аннзотро:пш сопротивления вплоть цо"обратной" ^ц^! в различных образцах; б)к отсухсхвизо закономерности в зависимости ¡.'лгнетосопротивленпя ог взаимной оркенхашл■магнитного и электрического пояеЛ; в)к отсут-сшш корреляция ыевду." характером низкохемперахурной прокодимосги (П|шковы0-ыегаяадческий) и концеахраиявй примесей в кристалле.

2.Нйзкотемпературная металлическая проводимоегь селении» гая-лия имеет низкоразыернып характер, поскольку величина сопротивления в .металлической области .сущебгвенно превышех максикаяько допустимую в рамках концепции минимальной металлической проводимости величину, характерную для трехмерного, а в ряде случаев .двумерного проводника.

3.Определенные дозы . ^ -облучения приводя! к резкому росту анизотропии проводимости за счет ее увеличения в направлении, перпендикулярном цепочкам в Ше- . .

4.0блуче:ше слокогхы кристаллов се лента икция сверх определенной дога (40 Ырад) приводах к установлений единого механизма проводимости.в направлении, параллельном и перпендикулярном слоя:,: кз-за роста числа дефектов стыковки слоев и -'"хрехмеризашш" структура.

Апробация работ. Полученные" в :диссертационной работе результата докладывались на: ' I Всесоюзной .• конференции " Химия

и физика соединения внедрения" (Ростов-на-Дону, 1990), I региональной конференции республик Средней Азви и Казахстана "Радиационная физика твердого тела", (Самарканд,1991), III Всессвзной конференции "Материаловедение халькогенидных полупроводников" (Черновцы, 1991), Сателлитиой XXX встречи конференции Европейских исследовательских групп по высоким давлениям "Физика многокомпонентных полупроводников" (Баку, 1992) и на семинарах Института физики АН Азербайджанской Республики.

Публикация. Основное содергшние диссертации изложено в 8 печатных работах, опубликованных в зарубежных (6) и республиканских (2) издал11ях.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, основных выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 151 страницах, содержит ЗЦ рисунков, и список цитируемой литературы из 114 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАЕО'Щ ;

Во введении обоснованы цель и задачи, исследования, отмечена новизна и научная значимость работы, сформулированы положения, выносимые на защиту и кратко изложено содержание диссертации. "

В первой главе диссертации содержится обзор литературных данных, касавшихся особенностей кристаллического строения, феноиного и электронного спектров, электрон-фононного взаимодействия, явлений, переноса в селенидо индия и селенида таллия.

Из обзора следует, что достаточно хорошо изучены фонсн-ный спектр и электронная зонная структура кристаллов селенида индия и селенида таллия. Анизотропия кристаллического

отроения отражается в фононных спектрах селенида индия в виде низкочастотных мскслоевых мод, соответствующих колебаниям слоев как целого друг относительно друга. Слоистость структуры видна и из соотношений между "внутри-" и "иежслоевти" ,, упругими константами, отличавшимися примерно в три раза. Несмотря на очевидное проявление анизотропии структуры в фононных спектрах электронные состояния," определявшие основные полупроводниковые свойства селенида индия и его аналогов (селенида галлия, сульфида галлия) практически "трехмерны". 1'ленно поэтому наблюдающуюся на опыте сильную анизотропию проводимости вдоль и поперек слоев в селениде индия невозможно объяснить не принимая во внимание наличие плоских дефектов, мешавших дви-хению носителей в направлении, перпендикулярном слоям.

Еше более неординарная ситуация характерна для цепочечного селенида таллия. Имеющиеся данные указывают на практическую "трехмерность" не только электронных, но и фононных состояний. Упругие постоянные селенида таллия практически мало отличаются от таковых для кубических кристаллов. Неудивительна, поэто;^у, противоречивость данных даже об анизотропии проводимости - в одних работах • в других возможен случай . ( 1/II - перпендикулярно и параллельно цепям).

Сбзор литературных данных не оставляет сомнений в определяете й роли структурных дефектов в особенностях механизмов переноса заряда в слоистых и цепочечных кристаллах и необходимости их. дзтального изучения.

Во второй главе приведены результаты проведенных экспериментов по исследованию электрической проводимости в специально необлученных и облученных ^-квантами в различных дозах образцов селенида таллия и селенида индия. Обоснован выбор ис~

лольэовшшых с этой целью мегодик Ионтгомери и Лнаболя» которые позволяют определить удельное электрическое сопротивление, в кристаллах, соответственно, с цепочечной и слоистой структурами. Приведена схема экспериментальной установки, предназначенной для измерения удельного электрического сопротивления селенида таллия и селенида индия по вышеназван- ' ным методикам.

Температурная зависимость электрического сопротивления криоталлоа селенида таллия и селенида индия изучена а области температур от 1,3 до 300 К, Поведение температурной зависимости удельного сопротивления селенида таллия и селенида индия позволило разбить эту зависимость на три семпоратурнь'е области, з которых проводимость от.ела качественно различний характер. . '. '

Анализ температурных зависимостей образцов селенида тал-л:<л и селонидо, индия, лзготозленкизс из резцах слитков показали, что в области "высоких"- температур концентрация носителей практически на меняется с температурой, и температурная зависимость удельного электрического сопротивления определяется те!шоратурноЙ завяскиойтыэ подвижности носителей, которая обусловливается рассеиванием носителей на фоноиах. Следует отметить, что подобное поведение'температурной-зависимости сопротивления характерно как для специально необлученных, так и ^ -облученных образцов селенида таллия и селенида • индия.

В области "средних" температур электрическая проводимость специально необдученных образцов селенида таллия обусловливается активацией носителей вз примесных уровней, у-облучение в слабых дозах не влияет на механизм:&5ект$ической

- 1и -

проводимости селенида таллия. При высоких ко дозах у -облучения (> 10 Мрад), в то время как проводимость вдоль кристаллической оси "С" остается практически неизменной, величина проводимости поперек цепочкам сильно растет, становясь металлической по характеру.

В кристаллах селенида индия в области "средних" температур вдоль слоев проводимость осуществляется активацией электронов из уровней мелких примесей в зону проводимости. Поперек слоев 'имеет место прыжковая проводимость по примесным уровням с переменной длиной прыжка. Различие механизмов электрической проводимоеги вдоль и поперек слоев связано, как и в других слоистых кристаллах с наличием протяженных дефектов упаковки, располокенных вдоль слоев. Поскольку сопротивление розупорг.до-ченной области имеет большую величину, при переносе носителей вдоль кристаллической оси "С" сопротивление образца определяется сопротивлением разупорядоченной области. При переносе же вдоль слоев сопротивление разупорядоченной области пунтируется остальной частью образца.

Большие дгзы ^ -облучения приводят к тому, что в обоих вышеуказанных направлениях проводшость становится металлической. Подобная проводимость наблюдается и в специально необлу-ченных образцах селенида таллия в области "низких" температур. Предположение о низкоразмерном характере металлической проводимости обосновано на основе концепции минимальной металлической проводимости, согласно которой величина сопротивления проводника не может превышать определенного характерного значения при трехмерной и двумерной проводимости. Величина г..ч удельного сопротивления кристаллов селенида таллия и селенида индия в области металлической проводимости превышает значение, харак-

терное для трехмерного случая, что говорит, на каш взгляд, о низкоразмерном характере металлической проводимости в специально нсоблученных кристаллах селенида таллия и ^-облученных кристаллах сслснида индия.

Для объяснения этого явления выдвигается предположение о наличии ниэкоразмерных "металлических" каналов в кристаллах селенида таллия и селенида индия, что согласуется о теоретическими и экспериментальными работами ряда авторов, утверждавшими, что в полупроводниковых материалах имеется возможность существования металлических каналов.

Согласно общепринятым представлениям, проводимость по примесным состояниям мокет стать металлической, когда концентрация примеси станет выше критического значения. Однако сравнение величин концентраций носителей в образцах селенида таллия с металлической и активациснной проводимостью в области низких температур показало, что концентрация примесей в образцах с металлической проводимостью иногда оказывается меныле, чем в образцах о активациснной проводимостью. Этот $акт свидетельствует о важной роли способа распределения примесей в установлении механизма проводимости и указывает на возможность образования низкоразмерных металлических кластеров.

В третьей главе приведены результаты экспериментов, проведенных для изучения особенностей магкетосопротивления специально необлученных и сОлученных -квантами образцов селенида таллия и селенида индия. Изложена методика измерения и приведена схема экспериментальной установки, предназначенной для измерения магнетосопротивления и эффекта Холла слоистых и цепочечных кристаллов.

Измерения проводились в области температур от 1,3 до 4(2 К. При гальваномагнитных измерениях исследовалось лишь одно направление пропускания тока - вдоль кристаллической оси "С" в кристаллах седенида таллия и поперек оси "С" в кристаллах селенида индия. Как правило-,: магнитное поле направлялось перпендикулярно цепочкам в селенида таллия и слоям се-'ленида индия.

Во всех случаях измерения ыагнетосопротивления параллельно проведеад измерения эффекта Холла. На основа холловых измерений и измерений, по определенна удильного электрического сопротивления оценены концентрации,и подвижности-носителей в исследуемых образцах.

Сравнение температурных зависимостей сопротивления в перпендикулярном и параллельном кристаллической оси "С" направлениях с магнетополевыми зависимостями магнетосопротивле-'ния одних' к тех ке образцов .'-выявляет четкую корреляция .мекду их поведениями. Она '.заключается в следующем:

а) в образцах, где проводимость имеет прыжкопцй характер, маг-нетооопротивлениа является положительным,' во всем исследованном интервале..температур-и 'магнитных яслей;

б) образцы, характеризующиеся "металлическим" типом проводимости, обладают отрицательным-кагнетосопрстивлением с большой абсолютной-величиной ( ) в области "металличнбс-ти" и положительным магнстосопротйвлением при более высоких температурах, где проводимость является активациошой}

в) температура инверсии знака магнетосопротивления меняется от образца к образцу и совпадает с температурой перехода в''"металлическую"''-область.

, .Поскольку, анизотропия проводи!гссти. исследуемых нами образцов имела случайный характер вызвало особый'интерес изучение-

полевой зависимости магнетосопротивления при различных ориен-тациях магнитного и электрического полей. Результаты экспериментов показали, что величина положительного магнетосопро-тивления слабо зависит от ориентации вышеуказанных осой. В случае отрицательного магнетосопротивления наблюдается качественно иная картина: величина отрицательного магнетосопротивления меняется весьма существенно с изменением ориентации магнитного поля даже тогда, когда оно остается перпендикулярным электрическому полю, причем ориентационная зависимость отрицательного могнетосопротивления носит не регулярный, а совершенно случайный характер и меняется от образца к образцу.

Наличие положительного магнетосопротивления в проводяиих веиествах понятно и хорошо исследовано, в том числе в области прыжковой проводимости и объясняется деформацией волновых функций при приложенного магнитного поля.

В последние годы температурные исследования выявили поперечное отрицательное магнетосопротивление у большого количества полупроводников, а также в металлических и диэлектрических пленках. В полупроводниках при низких температурах отрицательное магнетосопротивление:наблодается.как при проводимости по примесной зоне, так и в режиме прыжковой проводимости. Однако поскольку в нашем' случае отрицательное магнетосопротивление наблюдается именно п режиме "металлической" проводимости, причину такого аномального поведения магнетосопротивления следует анализировать на основе теоретических моделей, разработанных для металлических систем.

Однако в рамках ■ тих моделей объяснить причину набладения отрицательного магнетосопротивления величиной -70% можно только с привлечением предположения о низкоразмзрноети проводимости.

Таким образом, на наш взгляд, вышеуказанные особенности мапктосопротивления в исследуемых нами кристаллах можно объяснить основываясь на предложенной во П главе модели проводящего кластера. Описанная модель, представляющая кристалл как перколяционнув систему с произвольными "металлическими" траекториями позволяет объяснить экспериментальные результаты, описанные выше; а именно: нехарактерную для трехмерных проводников большую.величину "металлического" сопротивления, "обратную".анизотропии, большую абсолютную величину отрицательного магнетосопротивления, случайный характер "орионтацион-ной" зависимости отрицательного магнетосопротивления,

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1.Исследованиями анизотропии электрической проводимости монокристаллов при низких температурах установлено, что в силу реальной кристаллической структуры проводимость вдоль цепей и перпендикулярно может определяться как единым механизмом (прыжковым или металлическим), так и различными механизмами, в том числе прыжковым - вдоль цепей

и металличеоким - в перпендикулярном направлении. Соответственно, анизотропия проводимости может отличаться в разных

кристаллах ( ^х^^И или 5L ^-9ц

2. В результате исследований влияния магнитного поля на проводимость ЧЗДе, при различных взаимных ориентациях электрического и магнитного полей установлено, что проводимость осуществляется по случайно ориентированным в кристалле кластерам.

3. Установлено отсутствие однозначной корреляции мекду характером проводимости (прыжковый-ызталлический) и концентрацией примесей в кристаллах Т¿¿t- -металлическая прово-

и'.мость шлет наблюдаться п образцах с г.сзньией концентрацией примесей, что свидетельствует, о важно!) рост способа распределения примесей в установлении механизма проводимос-. га.

4.Показано, что величина удельного сопротивления а области металлической проводимости кристаллов ТЕбв- . существенно превышает максимально допустимую в рамках концепции мшга-кальной металлической проводимости величину, характерную для трехмерной, а в ряде случаев п двумерной проводимости, что указывает на низкоразмэрный характер металлической проводимости в ТУ е. .

5.Показано наличие корреляция между характером низкотемпературной проводимости и магнитосопрог-вленгем: в образцах с прутковой проводимостью магнитосопропшдение положительно,

. а нагнетосопротивление соответствующее металлической проводимости отрицательно п могет быть объяснено с учетом шшго-,вых йигерфере.шион1шх о^ектов иизкоразкернах структурах.

6.Установлено, что определенные дозы ^ -облучения суцеег-веш'ю изменяв! анизотропию проводимости крпо галлов

1Тив .приводя' к резкому росту проводимости в направлении перпендикулярном цепям, которые становятся металлическим в длропом интервале температур (270-1,ЗК).

7.Показано, что ^ -облучение кристаллов со слопсго^ структурой приводит к тому, что проводимость р-напрардешш слоев, гак и в перпендикулярном направлении приобретает металлический характер в широкой области' температур

( Т^ООК),а мапптосопрогивяение в юи яе области гшаера тур становится отрицательным.

Основные результаты работы опубликованы в сдедуших

статьях:

1. N. A. Abciu-iisuiv, Л}, Л. Mz-amtidinov*-, A.D.Saxcb.x.Ly,

and RA.äuhymanovLouf {троха-Ыхе- tn^ialCic. conchy

t^iiy i«. Ilm $enuconclu.ctoz. Тё&а hat/in^ a thcun ifuuüuc Pjiys.: Canditus, fiitrfbi, №2, V'4, issue SO, pp, Ю5С1- 1036g.

2. Абдулльов H.A., Сардарлы А.Д., Сулойманов P.A. Влияние

^ -облучения на механизм низкотемпературной проводимости в слоистых кристаллах 1иSc . &ГГ, 1993, т.ЗЬ, вып.4, с. ;' '

3. Абдуллоэв H.A., Низометдинова М.Л., Сардарлы А.Д., Сулой-манов P.A. Низкотемпературная,металлическая проводимость в полупроводниках Т^й^ с цепочечной структурой, ИТ, IS93, т.35, вып.I», с.77-02.; i

4. Абдуллаов H.A., Низаматдинова U.A., Сардарлы А.Д., Сулей-мйнов P.A. Особенности механизма электрической проводимости Тср£. , Тезисы докладов Третьей Бсесовзной конференции "Материаловедение халькогенидных полупроводников". ч.П, Черновцы, 1991, с.4.

5. hf./{Abdv.iZo&v, /5.О. ,S'cn.da-c£^ cud 0,>SV&2ipicuu3i/

sltuei u.xc_ cuvd. wxetkawUm oß efec-tov-JjxctU'itu i\JLuiv€u avuscrfxopix (Avails „TUe awd 1кЗеMedals у Ысвйй^ Сепсисе с' (ht /XX AmuwxS Mealing Су Vis ZcJzopc-an Hialt Rescaxc.^ GuJ^f. РЦ?.^ oß hwÜ^Cjornpa-mii samienn-ckc-io-us — -{Q32., ßoJCu.; ОсЛоЬеь iZ-i^.

6.. Сардарлы А.Д., Сардарлы P.M., Расулов ,А.Г. Механизм и • анизотропия электрической проводимости слоистого монокристаллического . Тезисы докладов .Пзрзой Всесокз--uoi; конференции "Химия и физика соединений внедрения",

- Г7

Focтов-на-Дону, с.IC/7. 7. Сардарлы Р.И., Сардарлы А.Д., Расулов А.Г. Влияние ^-облучения на олектрическул проводимость слоистых кристаллов Тезисы докладов Первой Региональной конференции республики Средней Азии и Казахстана "Радиационная физика твердого тела", т.П, Самарканд,. 1991, с.191. 3. Абдуллаев H.A., Ниэаметдинова H.A., Сардарлы А.Д., Сулей-ианов P.A. Механизм электрической проводимости монокристаллов селенида таллия.

Препринт Института физики АН Азербайджанской ССР, № 394, Баку, IS9I, 26 с.