Особенности примесных метастабильных состояний в теллуридах свинца и олова, легированных In и Ga тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ М.В.ЛОМОНОСОВА Р Г Б ОД На правах рукописи

7 * СЕН 1995

ИВАНЧИК Иван Игоревич

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕСНЫХ МЕТАСТАБИЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ В ТЕЛЛУРИДАХ СВИНЦА И ОЛОВА, ЛЕГИРОВАННЫХ 1п И Са

специальность 01.04.09 —"физика низких температур и криогенная техника"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико — математических наук

Москва 1995

Работа выполнена на кафедере физики низких температур физическс факультета МГУ им. М. В. Ломоносова

Официальные оппоненты:

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Д. Р. Хохлов

доктор физико-математических на Б. А. Волков

кандидат физико — математических наук В. В. Снегирев

Ведущая организация :

ГосНИИ физических проблем им В. Ф. Лукина

П

Защита состоится

[1995 года в

часов на заседай

Специализированного Совета N 2 (К053.05.20) Отделения физики твердого те в МГУ им. М. В. Ломоносова по адресу 119899 ГСП, Москва, Ленинские гор МГУ, Физический Факультет, криогенный корпус, ауд 2 — 05

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физическ< Факультета МГУ.

Автореферат разослан

453^1995 г.

Ученый секретарь

Специализированного совета N2 ОФТТ (К053.05.20) МГУ им. М. В. Ломоносова доктор физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. ктуальность темы. Современная оптоэлектроника уделяет значительное пдаание дальнейшему освоению инфракрасного (ИК) диапазона игктромагнитных волн. Интенсивно совершенствуются приемы и методы пользования оптических сигналов ИК —диапазона для активного и пассивного шровождения объектов, земной и космической связи, дистанционного змерения температуры, медицинской диагностики, контроля за уровнем прязнения атмосферы, исследования земных и водных ресурсов, климата амли и во многих других областях науки и техники.

В качестве базовых материалов для создания оптоэлектронных систем ^временная технология, как правило, использует полупроводниковые эединения, причем спектральный диапазон этих устройств в данном случае 1ределяется шириной запрещенной зоны материала. Устройства, работающие в шжней ИК —области создаются на базе классических полупроводников, в ютности, германия, кремния и арсенида галлия, технология обработки которых настоящий момент близка к соверешенству, для средней и дальней ИК — эластей применяют полупроводники с узкой запрещенной зоной. Одними из зиболее часто используемых узкощелевых полупроводников являются ¡ллуриды свинца и олова. Это связано, прежде всего, с возможностью плавно зменять в достаточно широких пределах ширину запрещенной зоны эединений, как варьируя их состав, так и при помощи внешних воздействий, го позволяет перестраивать спектральный диапазон прибора.

Однако применение нелегированных сплавов РЬ]_х5пхТе для создания гальных оптоэлетронных приборов ограничивается высокой (~10ш) фоновой энцентрацией свободных носителей заряда, обязанной возникающему гзависимо от способа роста монокристалов отклонению от стехиометрии, рименение длительных отжигов позволяет снизить величину п,р до ~ 10'6 см-3, э степень однородности, как правило, невелика, и не позволяет создать иогоэлементные матрицы фотоприемников большой плотности.

Управлять концентрацией свободных носителей заряда в полупроводниках ожно вводя в объем материала различные донорные и акцепторные примеси, кзалось, однако, что легирование рассматриваемых соединений элементами III >уппы не только позволяет снизить фоновую концентрацию носителей, но и

приводит к качественному изменению свойств исходного материала. На и; взгляд, наиболее интересными и необычными свойствами обладают оши РЬ,_х5пхТе(1п) и РЬТе(Са).

Наиболее важными свойствами, во многом определяющими интерес этому классу веществ, являются стабилизация уровня Ферми и задержаны фотопроводимость.

Следствием первого из этих эффектов — независимости положен; уровня Ферми от количества введенной примеси и концентрации собственш дефектов — является черезвычайно высокая пространственная однородное электрофизических свойств материала. Более того, уровень Ферми мож оказаться стабилизированным внутри запрещенной зоны, и тогда реализует диэлектрическое состояние, когда фоновая концентрация свободных носителя заряда определяется термической активацией и при гелиевых температурах 1 превышает 10е смТаким образом, создается совершенно необычн; ситуация, когда "грязный" узкозонный полупроводник обладает чрезвыч&ш высокой пространственной однородностью электрофизических параметров имеет крайне низкую фоновую концентрацию носителей заряда. Так< уникальное сочетание уже делает рассматриваемые материалы весы перспективными с точки зрения их использования в ИК — фотоприемнь системах.

Крме того, сам эффект фотопроводимости в рассматриваемых материал; очень специфичен. При низких температурах Т < Тс составляющей Тс - 25 К д> РЬ[_х5пхТе(1п) и Тс ~ 80 К для РЬТе(Са) времена жизни фотовозбужденнь носителей заряда становятся очень велики х ~ 104 с, и фактически пр фотогенерации происходит накопление неравновесных электронов (или дыро: в разрешенной зоне. Таким образом, полупроводник работает как счетчь квантов излучения.

Описанный выше эффект задержанной фотопроводимости явилс объектом многочисленных экспериментальных и теоретических исследований, к моменту начала выполнения настоящей работы в общих чертах бы; построена теория, объясняющая основные особенности наблюдаемых явлени на основе модели автолокализации носителей заряда в результате ян-теллеровской неустойчивости. В то же время целый ряд экспериментальны

фактов не получил адекватного объяснения. В частности, остался неясным один 13 основных вопросов: почему задержанная фотопроводимость появляется при температуре ниже Тс, и соответствует ли данная температура каким—либо особенностям энергетического спектра.

В рамках указанной модели предсказывалась возможность существования зримесных электронных метастабильных состояний, отделенных барьерами в конфигурационном пространстве как от зонных, так и от основных примесных юстояний. К моменту начала выполнения настоящей диссертации, однако, факт гуществования метастабильных примесных состояний в РЬ, _х8пхТе(1п) был юдтвержден экспериментально лишь в небольшом количестве работ а для 3ЬТе(Са) таких подтверждений не было вовсе.

Вообще говоря, физика явлений, наблюдающихся в РЬТе(Са), изучена в 'ораздо меньшей степени, чем для РЬ)_х5пхТе(1п), и остаются неясными многие зопросы, уже решенные для сплавов, легированных индием. Так, в литературе ют единого мнения о характере изменения энергетического спектра материала три изменении степени легирования, о природе задержанной фотопроводимости, о том, насколько модель, разработанная для РЬ] _х5пхТе(1п), трименима в случае РЬТе(Са). Совершенно не разработана проблема примесных метастабильных состояний в РЬТе(Са).

Как указывалось выше, рассматриваемые материалы представляют также золыпой интерес с точки зрения практических приложений. Существование >ффекта задержанной фотопроводимости позволяет выделить сплавы 3Ь1 _хБпхТе, легированные индием и галлием, в новый класс полупроводниковых {ютоприемных материалоп. Дело в том, что, как правило, выходной сигнал ротоприемников на основе узкозонных полупроводников, пропорционален гатенсивности падающего излучения. Известно, что интегрирование сигнала во >ремени приводит к увеличению отношения сигнал—шум и, таким образом, к улучшению параметров фотоприемников. Такое интегрирование обычно фоизводится либо по внешних электрических цепях, либо с помощью ПЗС — ггруктур, создание которых представляет существенные технические сложности. Рассматриваемые фотоприемные материалы уже сами по себе являются штеграторами светового потока, что обеспечивает им значительные феимущества по сравнению с традиционными.

Однако при попытках построения фотоприемных систем на ба31 РЬ ] _к5пхТе(1п) возникает существенная проблема, связанная с необходимость» периодического возобновления накопленной информации, т.е. возможность* быстрого сброса фотосигнала. К моменту начала выполнения настоящей работ! было предложена эффективное решение указанной проблемы методом СВЧ-гашения, однако не было исследовано влияние характеристик СВЧ —поля н процессы сброса и последующего накопления фотосигнала.

Большой практический и еще больший научный интерес, которьн представляет описанный круг задач, незаконченность теоретически: представлений и известная дискуссионность проблемы явились основой постановки настоящей работы.

По нашему мнению, только комплексное исследование объекта помощью разнообразных методик может дать достаточно полную ] всестороннюю информацию о природе и характере протекающих физически: процессов, и позволит построить адекватную теоретическую модель. Кроме тоге именно такое исследование может создать прочную основу для практическое использования наблюдаемых эффектов в реальных приборах.

Цель работы состояла в комплексном экспериментальном исследовани] теллуридов свинца и олова, легированных 1п и Са, с целью получения наиболе. полной информации о структуре примесных состояний, обнаружения ] детального исследования новых физических эффектов, обусловлецны: особенностями этой структуры; и для разработки на данной основе новы: принципов работы фотоприемных устройств ИК—диапазона.

В качестве объектов исследования в настоящей работе в основно? использовались материалы, в которых наблюдается эффект задержанио] фотопроводимости и темновая концентрация свободных носителей заряда мала Такой выбор обусловлен тем обстоятельством, что в этой ситуации наиболе' ярко проявляются эффекты, связанные с особенностями примесных состоянш" а также кристаллической решетки полупроводника, что позволяет получит максимум информации о природе наблюдаемых явлений.

Конкретные задачи работы включали:

— Исследование гальваномагнитных и фотоэлектрических эффектов сплавах 1'Ь) _ х5пкТе(1п) и РЬТе(Са) в широком диапазоне температур (1.4 — ЗОС К, электрических полей Е < 10 В/см, в постоянных магнитных полях до 5 Т;

ри воздействии ИК — подсветки, а также в импульсных магнитных полях до 40 'л, при различной степени легирования материала.

— Исследование спектров ИК—отражения РЬТе(Са) в области температур 5—300) К и волновых чисел (50 — 500) см ~1.

— Исследование спектров фотопроводимости сплавов РЬТе(Са} в иапазоне температур (5 — 300) К и волновых чисел (10—104) см-1.

— Исследование методов управления фотопамятью в РЬ1_хЗпхТе(1п).

— Анализ и сопоставление полученных экспериментальных данных с еоретическими представлениями, определение параметров теоретических юделей.

— Решение ряда поставленных задач привело к постановке вопроса о оздании специального стенда для определения параметров фотоприемного итериала.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту. В настоящей >аботе впервые:

1 — Установлено, что если концентрация галлия в сплавах РЬТе(Са) 1еньше, чем необходимо для стабилизации уровня Ферми, то появление одержанной фотопроводимости связано с крупномасштабными флуктуациями готенциального рельефа.

2 — В спектрах отражения высокоомных сплавов РЬТе(Са) обнаружена особенность, для описания которой в закон дисперсии необходимо ввести дополнительный осциллятор. Природа осциллятора связывается с оптическими переходами между основными и метастабилышми примесными состояниями.

3 — Обнаружено, что красная граница коротковолновой части спектра фотопроводимости сплавов на основе РЬТе(Са) со стабилизированным уровнем Ферми соответствует ширине запрещенной зоне материала, а примесная фотопроводимость проявляется в виде структуры вблизи красной границы.

4 — Установлено, что в сплавах на основе РЪТе(Са) со стабилизированным /ровнем Ферми наблюдается значительный фотоотклик в дальнем ИК — диапазоне при температурах, близких к азотной. Спектр фотопроводимости представляет собой узкий пик на частоте 130 см-', которая близка к частоте продольного оптического фонона.

5 — Обнаружен эффект локализации фотовозбуждешшх носителей заряда в РЬ) _хБпкТе(1п) в сверхсильном (до 40 Тл) магнитном поле. Характерное

время локализации экспоненциально зависит от величины магнитного поля 1 линейно — от температуры. Рассматриваются причины, приводящие ] появлению эффекта.

6 — Исследованы особенности процессов, происходящих при сброс-сигнала накопленной фотопроводимости короткими импульсами СВЧ-поля.Установлено, что при определенном режиме гашения задержанное фотопроводимости импульсами СВЧ наблюдается эффект увеличения скоросп роста сигнала фотопроводимости после окончания импульса — СВЧ-стимуляция фотопроводимости. Получено, что квантовая эффективное« фотоприемника на основе РЬ1_х5пхТе(1п) в режиме СВЧ—стимгуляцш составляет т) ~ 102, в то время как при работе вне данного режима г) ~ 1 Предложена модель, согласно которой данный режим гашения задержанное фотопроводимости обеспечивает локализацию фотовозбужденных электронов I основном в метастабильное однозлектрокное примесное состояние.

7 — Обнаружен эффект резонансного возрастания фотопроводимости сплавов РЬ( _х5пхТе(1п) при воздействии СВЧ—накачки на частоте ~ 280 МГц, Показано, что за возникновение эффекта ответственны электроны, локализованные на метастабилышх примесных состояниях.

8 — Разработаны и созданы специальные стенды для определения параметров фотоприемных материалов в низкофоновом и бесфоновом режимах, позволившие определить основные параметры, характеризующие фотоэлектрические свойства исследуемых материалов.

Практическая пенность работы заключается в том, что проведенные в ней исследования показали, что рассматриваемые материалы фактически представляют новый класс фотоприемников ИК—диапазона; созданы уникальные стенды для определения параметров фотоприемников в бесфоновом режиме и определены параметры, характеризующие исследуемые материалы.

Основу настоящей диссертации составили результаты экспериментальных исследований, выполненных в период с 1989 по 1993 г. в соответствии с планом научно-исследовательских работ МГУ, физического факультета и кафедры физики низких температур по теме "Физика конденсированного состояния", рег.Ы 01960130559.

Апробапия работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих Всесоюзных и Международных конференциях, совещаниях и симпозиумах: Международная конференция по тройным и многокомпонентным соединениям (Кишинев, 1990), Всесоюзная конференция "Перспективные материалы твердотельной электроники" (Минск, 1990), Всесоюзная конференция "Материаловедение халькогенидных полупроводников" (Черновцы, 1991), Всесоюзный симпозиум "Полупроводники с узкой запрещенной зоной и полуметаллы" (Львов, 1991), Международная конференция по фурье — спектроскопии (ФРГ, Любек — Травемюнде, 1991), Международный симпозиум по исследованиям в сильных магнитных полях (Голландия, Амстердам, 1991), Международная конференция по физике узкозонных полупроводников (Великобритания, Саутгемптон, 1992), 22 Международная конференция по физике полупроводников (Канада, Ванкувер, 1994).

Публикации. По теме диссертации имеется 23 публикации. Основные результаты работы опубликованы в 12 статьях. Список основных работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, девяти глав, основных выводов, заключения и списка цитированной литературы. Диссертация содержит 149 страниц, включая 52 рисунка, оглавление, список цитированной литературы из 123 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении (гл.1) обосновывается актуальность темы диссертационной работы И выбор объектов исследования, формулируются цели и задачи работы, ее научная новизна, практическая ценность.

Вторая глава представляет собой литературный обзор, в котором освещаются известные к настоящему времени данные о свойствах теллуридов свинца и олова, легированных элементами III группы. Рассмотрены общие особенности, характерные для данного класса соединений: стабилизация уровня Ферми, долговременные релаксационные процессы электронных распределений. Изложены основные феноменологические и микроскопические теоретические модели привлекаемые для объяснения совокупности имеющегося экспериментального материала, природы глубокого квазилокального уровня,

стабилизирующего уровень Ферми и причин появления долговременныз релаксационных процессов электронных распределений. В завершающей част! обзора обсуждаются специфические гальваномагнитные, фотоэлектрические I оптические свойства конкретных полупроводниковых систем на базе теллуридо! свинца и олова, легированных 1п и Оа.

Третья глава посвящена методике и технике эксперимента. Описань методы выращивания и контроля параметров исследованных образцов, способы их обработки и монтажа. Обоснован выбор методов исследования.

Эффект задержанной фотопроводимости, наблюдающийся в исследуемы? материалах, определяет необходимость в большинстве случаев полного экранирования образцов от фоновой подсветки для проведения корректные измерений. Данное обстоятельство предъявляет весьма жесткие требования к конструкции низкотемпературных камер, используемых при исследованиях фотоэлектрических и гальваномагнитных эффектов. В работе представлены различные модификации конструкции камер: для экспресс — измерений при гелиевой (азотной) температуре, для измерений при температурах выше гелиевой, для работы с внешним источником излучения.

Приводятся блок—схемы и параметры измерительных установок Описываются способы сопряжения измерительных блоков с ЭВМ.

Четвертая глава посвящена исследованию гальваномагнитных характеристик монокристаллов и тонких пленок РЬТе(Са). Исследован характер изменения гальвано магнитных и фотоэлектрических свойств сплавов РЬТе(Са) при изменении степени легирования. Показано, что по мере увеличения концентрации ввдеденного Са происходит переход от р —типа проводимости к состоянию в котором уровень Ферми оказывается стабилизированным в запрещенной зоне, обладающему п—типом проводимости (высокоомное (ВО) состояние). Температура появления задержанной фотопроводимости Тс в ВО состоянии составляет ~80 К, в то время как в кристаллах р—типа этот параметр значительно изменяется от образца к образцу и не коррелирует с количеством введенной примеси. Кроме того, в ВО образцах ИК подсветка приводит к уменьшению эффективной холловской подвижности в отличие от образцов р — типа, где наблюдается рост эффективной холловской подвижности с увеличением концентрации неравновесных носителей заряда. На основании

полученных данных сделан вывод о том, что эффект задержанной фотопроводимости в ВО образцах п—типа связан с процессами автолокализации на примесный уровень, стабилизирующий уровень Ферми, в то время как в образцах р—типа он обязан существованию крупномасштабных флуктуации потенциального рельефа. При некоторой концентрации легирующей примеси уровень Ферми стабилизируется примесным уровнем на ~ 70 мэВ ниже дна зоны проводимости и по мере увеличения степени легирования возрастает лишь объемная доля образца, находящаяся уже в ВО состоянии, в то время как остальной объем является тгедокомпенсированным, а ситуация, когда уровень Ферми располагается в нижней части запрещенной зоны не реализуется.

Рассмотрена специфика тонкопленочных образцов РЬТе(Са), полученных методом лазерного напыления. Показано, что данный метод позволяет получить пленки, близкие по свойствам к ВО монокристаллам РЬТе(Са). В то же время структурные несовершенства тонких пленок оказывают весьма значительное влияние на их параметры, что не позволяет в настоящий момент в полной мере воспроизвести ВО РЬТе(Са) в пленочном варианте.

В пятой главе представлены результаты исследования спектров ИК — отражения и фотопроводимости сплавов РЪТе(Са). Показано, что в сплавах РЬТе(Са) в спектрах отражения в районе плазмон — фононного минимума появляется особенность, которую не удается описать в рамках стандартного подхода, учитывающего взаимодействие света с электронами проводимости и оптическими фононамн. Для получения согласия с экспериментом в стандартное дисперсионное соотношение необходимо ввести дополнительный осциллятор. Приводятся температурные зависимости параметров осциллятора. Показано, что при понижении температуры ниже температуры появления задержанной фотопроводимости Тс сила осциллятора резко возрастает, в то вермя как его частота меняется слабо. Предполагается, что наиболее вероятной причиной появления особенности являются оптические переходы между основными и метастабильными примесными состояниями. Выдвигается гипотеза о том, что природа эффекта задержанной фотопроводимости в рассматриваемых полупроводниках связана с исчезновением барьера между метастабильными и основными примесными состояниями при Т = Тс. Причина сохранения

особенности в спектрах отражения при Т > Тс, возможно, обусловлена значительной дисперсией параметров метастабильного состояния.

Описывается специфика измерений спектров фотопроводимости с помощью фурье —спектрометра у материала с задержанной фотопроводимостью. В коротковолновой области спектра фотопроводимости присутствует полоса, соответствующая по энергии ширине запрещенной зоны материала. Вблизи красной границы фотопроводимости присутсвует резкий максимум, который сдвигается с изменением темпераутры так же, как ширина запрещенной зоны. В то же время не наблюдается сколько-нибудь заметного сигнала примесной фотопроводимости при энергии излучения, сооответствующей термической энергии активации, несмотря на то, что данные гальваномагнитных измерений явно указывают на существование примесного уровня в запрещенной зоне. Этот результат является следствием сильного электрон — фононного взаимодействия в материале, в результате чего энергия прямых переходов в конфигурационном пространстве без изменения конфигурации кристаллического окружения может не совпадать с энергией термической активации и даже оказаться выше ширины запрещенной зоны.

Обнаружен новый эффект — селективный фотоотклик в дальнем ИК — диапазоне. Спектр фотопроводимости представляет из себя узкий пик на частоте со = 130 см-1 имеющий максимальную амплитуду при температуре 60 К. Частота, на которой регистрируется фотопроводимость, близка к энергии продольного оптического фонона. Высказывается предположение, что наблюдаемая фотопроводимость обусловлена "раскачкой" кристаллической решетки материала, в результате чего электроны, находящиеся в метастабильном состоянии, могут преодолеть барьер в конфигурационном пространстве, и принять участие в проводимости.

В шестой главе приводятся результаты исследования гальваномагнитных свойств сплавов РЬо758п025Те(1п), находящихся в диэлектрическом состоянии, I сильных (до 40 Тл) импульсных и слабых ( до 5 Тл) постоянных магнитных поля? при воздействии контроллируемой ИК — подсветки.

Обнаружен эффект возрастания сопротивления исследуемых сплавов вс времени в сверхсильных магнитных полях — до 40 Тл. Измерения эффект. Холла показали, что данное явление связано с локализацией неравновесны:

носителей заряда в магнитном поле. Установлено, что характерное время локализации экспоненциально зависит от магнитного поля и линейно — от температуры образца:

т= то (1 - Т/Г0) ехр(Н/Но) Параметр Но ~ 4.5 Т практически не зависит ни от степени фотовозбуждения образца, ни от его температуры, ни от содержания индия в сплаве. Величина То не зависит от магнитного поля и уменьшается по мере роста концентрации фотовозбужденных электронов. Проанализирован ряд причин, которые могли бы обусловить появление эффекта: локализация на глубокий уровень в магнитном поле, влияние крупномасштабных флуктуации потенциального рельефа, магнитное вымораживание на мелкие уровни. Показано, что наиболее вероятной причиной, обуславливающей этот эффект, является движение в магнитном поле глубокого квазилокального уровня на фоне разрешенного спектра энергий. Природа уровня, скорее всего, связана с метастабильным примесным состоянием в РЬ[ _х5пхТе(1п), проявляющем себя и в целом ряде других эффектов.

В седьмой главе рассматриваются эффекты, возникающие при СВЧ — гашении сигнала накопленной фотопроводимости в сплавах РЬ, _х5пхТе(1п). Обнаружен эффект СВЧ—стимуляции задержанной фотопроводимости, заключающийся в том, что при гашении задержанной фотопроводимости импульсами СВЧ, обладающими минимально необходимым для полного гашения соотношением длительности и мощности происходит резкое увеличение скорости нарастания фотопроводимости после окончания гашения. Накопление фотосигнала с увеличенной скоростью длится некоторое время, после чего скорость изменения проводимости возвращается к значению, которое она имеет после подачи более длительных или более мощных гасящих СВЧ — импульсов. ¿\ля интерпретации эффекта привлекается модель, согласно которой при подаче коротких импульсов гашения фотовозбужденные электроны локализуются не в эсновное, а в метастабильное примесное состояние, откуда возможно их лавинное возбуждение.

Обнаружен эффект СВЧ—резонанса задержанной фотопроводимости в РЬ( _х5пкТе(1п). Суть эффекта состоит в следующем: при подаче на образец СВЧ яакачки с пилообразно меняющейся частотой а одновременно регистрировалась

его проводимость по постоянному току в присутствии контролируемой ИК — подсветки. По мере увеличения экспозиции ИК —подсветки помимо общего возрастания проводимости на кривой а(ш) появляется резкий пик. После выключения подсветки проводимость вне резонанса релаксирует к темновому значению существенно быстрее, чем в области резонанса, и может быть достигнуто состояние, при котором проводимость образца отсутствует во всем диапазоне частот, кроме узкой области вблизи резонанса. Данное состояние сохраняется при длительном выключении СВЧ —накачки и ее последующем включении. Амплитуда и частота подводимой СВЧ —накачки существенно влияют на скорость релаксации. Так, остановка сканирования СВЧ в области пика приводит к быстрой релаксации к исходному состоянию, также скорость релаксации возрастает при увеличении амплитуды СВЧ—накачки. Положение пика не зависит от величины приложенного постоянного электрического поля, однако пик смещается в область меньших частот по мере роста магнитного поля. Чувствительность проводимости образца к ИК —излучению в области резонанса значительно выше, чем для исходного темнового состояния. Наблюдаемые эффекты также интерпретируются в рамках модели, учитывающей существование метастабильных примесных состояний.

Восьмая глава посвящена выяснению возможностей построения ИК — фотоприемных систем на базе исследуемых материалов. Приводятся основные ограничения на параметры фотоприемных систем, работающих в низкофоновом режиме. Обосновываюся преимущества интегрирующих фогоприемников пс сравнению с традиционными.

Описываются разработанные в работе стенды для определения параметров фотоприемников в бесфоновом режиме позволяющие освещат! образец калиброванным потоком излучения точно известного спектральногс состава при исключении паразитной засветки, что достигается полны!» отсутствием в системе нагреваемых частей и непосредственным гелиевыь охлажением всех деталей стенда, попадающих в поле зрения образца. Также ] системе имеется охлаждаемый механический прерыватель потока излученш который позволяет отключать освещение образца на время установление равновесной температуры теплового источника излучения.

Применение описанных стендов позволило определить один из основных мраметров, характеризующих собственно фотоприемный материал, а не |ютоприемную ситсему в целом —квантовую эффективность фотоприемника на эснове Pb!_xSnxTe(In). Оказалось, что в режиме СВЧ—стимуляции, величина r| ~ I02, в то время как пне этого режима -q ~ 1.

Проведены оценки возможности реализации режима ограничения фоном у\я PbTe(Ga) и Pbj_xSnxTe(In). Показано, что фотоприемник на основе PbTe(Ga) при быстродействии 1 мс может работать в режиме ограничения фоном 300 К уже при линейном апертурном угле Ю-3 рад. Фотоприемник на основе РЬ| _ xSnxTe(In), работающий в режиме периодического накопления и сброса фотосигаала при апертурном угле 2к будет работать в режиме ограничения фоном уже при температуре последнего 15 К.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Проведены комплексные исследования гальваномагнитных и фотоэлектрических явлений, спектров ИК —отражения и фотопроводимости, эффектов под воздействием СВЧ —поля в монокристаллах твердых растворов Pbo.75Sno.25Te(In), а также в монокристаллах и тонких пленках PbTe(Ga), в диапазоне температур (1.4 — 300) К, в магнитных полях до 40 Тл, как в условиях варьируемой ИК —подсветки образца, так и при полном экранировании от фонового излучения — с целью получения новой информации о примесных метастабильных состояниях в теллуридах свинца и олова с примесями III группы, проявляющих эффект задержанной фотопроводимости при низких температурах, а также для обнаружения и детального исследования новых физических эффектов, выработки рекомендаций по практическому использованию исследуемых материалов.

2. Разработаны и созданы низкотемпературные камеры для проведения измерения фотоэлектрических и вольтамперных характеристик образцов с задержанной фотопроводимостью. Конструкция камер обеспечивает полную экранировку образцов от фонового излучения, возможность ИК —подсветки кристаллов внутренним и внешним источником излучения с прерыванием освещения, контролируемый теплоотвод. Разработаны и созданы специальные

стенды для определения параметров фотоприемных материалов в низкофоново; и бесфоновом режимах.

3. Показано, *5то при легировании РЬТе галлием в запрещенной зон( материала образуется глубокий уровень Е.^, практически не меняющий своеп положения при изменении степени легирования. В определенном диапазон« концентрации примеси уровень Ферми стабилизирован уровнем Е(. Вне этогс диапазона уровень Ферми находится в одной из разрешенных зон. Установлено что если концентрация галлия в материале меньше, чем необходимо дл? стабилизации уровня Ферми, то появление задержанной фотопроводимости связано с крупномасштабными флуктуациями потенциального рельефа.

4. Получено, что метод лазерного напыления в вакууме позволяет получит] тонкие пленки РЬТе(Са) со свойствами, близкими к свойствам объемны? высокоомных монокристаллов РЬТе(Са). В то же время на свойства плено( значительное влияние оказывают флуктуации потенциального рельефа зон.

5. В спектрах отражения сплавов РЬТе(Са) обнаружена особенность, дм описания которой в закон дисперсии необходимо ввести дополнительны! осциллятор. Вычислены температурные зависимости параметров осциллятора Природа осциллятора связывается с оптическими переходами между основным и метастабильным примесными состояниями, причем барьер между этими состояниями появляется в спектре материала лишь при Т < Тс.

6. Обнаружено, что красная граница коротковолновой части спектра фотопроводимости сплавов на основе РЬТе(Са) со стабилизированным уровнем Ферми соответствует ширине запрещенной зоне материала, причем примесная фотопроводимость проявляется в виде структуры вблизи красной границы.

7. Установлено, что сплавы на основе РЬТе (С а) со стабилизированным уровнем Ферми обладают значительной фоточувствительностью в дальнем ИК — диапазоне при температурах, близких к азотной. Спектр фотопроводимости представляет собой узкий пик на частоте 130 см-1, которая близка к частоте продольного оптического фонона.

8. Проведены измерения магнитосопротивления и коэффициента Холла РЬо.755по.25Те(1п) в сверхсильных магнитных полях до 40 Тл при температурах (1.4 — 4.2) К. При относительно низкой концентрации неравновесных электронов п наблюдается рост магнитосопротивления во времени в постоянном магнитном поле (локализация). Показано, что наиболее вероятной причиной,

обуславливающей этот эффект является движение в магнитном поле глубокого квазилокального уровня на фоне разрешенного спектра энергий.

9. Установлено, что при определенном режиме гашения задержанной фотопроводимости импульсами СВЧ наблюдается эффект увеличения скорости роста сигнала фотопроводимости после окончания импульса — СВЧ — стимуляция фотопроводимости. Получено, что квантовая эффективность фотоприемника на основе Pbi_xSnxTe(In) в режиме СВЧ — стимуляции составляет г] ~ 102, в то время как при работе вне данного режима т| ~ 1. Предложена модель, согласно которой указанный режим гашения задержанной фотопроводимости обеспечивает локализацию фотовозбужденных электронов в основном в метастабильное одноэлсктронное примесное состояние.

10. Обнаружен эффект резонансного возрастания задержанной фотопроводимости сплавов Pbj_xSnxTe(In) при воздействии СВЧ—накачки на частоте ~ 280 МГц., Показано, что за возникновение эффекта ответственны электроны, локализованные на метастабильных примесных состояниях.

11. Сформулированы фундаментальные ограничения на параметры фотоприемников, работающих в режиме периодического внутреннего накопления и сброса сигнала. Созданы стенды, позволившие получить достоверные оценки параметров исследуемых фотоприемников в бесфоновом режиме. Проведены оценки некоторых параметров фотоприемных систем, необходимых для обеспечения работы фотоприемников на основе PbTe(Ga) и

Pb( _ xSnxTe(In) в режиме ограничения фоном. j

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Belogorokhov A.I., Ivanchik I.I., Khokhlov D.R., Popovich Z.V., Romchevich N. Peculiarities of the far —infrared reflection spectra of the doped lead —tin tellurides revealing the persistent photoconductivity effect. — Materials Research Society Symposia Proceedings, 1991, V.216, P.403-407.

2. Белоконь С.Л., Верещагина Л.Н., Иванчик И.И., Рябова Л.И., Хохлов Д.Р. Характер изменения свойств PbTe(Ga) при изменении степени легирования. - ФТП, 1992, Т.26, В.2, С.264-269.

3. Khokhlov D.R., de Yisser A., Ivanchik I.I., Nikorich A.V. (De)localization of nonequilibrium elections in Pbj_xSnxTe(In) in high magnetic field. — Phyzika B, 1991 V.177, P.491 — 494.

4. Belogorokhov A.I., Ivanchik I.I., Khokhlov D.R. Photoconductivity spectra of the new infrared selective photodetector. - Proc SPIE, 1991, V.1575, P.3476-3477.

5. де Виссер А., Иванчик И.И., Никорич A.B., Хохлов Д.Р. Локализация и делокализация в Pb[_xSnxTe(In), индуцированные сверхсилышм магнитным полем и ИК- подсветкой. - ФТП, 1992, Т.26, В.6, С.1034-1040.

6. Долженко Д.Е., Иванчик И.И., Никорич А.В., Хохлов Д.Р., Чесноков С.Н. СВЧ—резонанс задержанной фотопроводимости в Pbi _xSnxTe(In). — Письма в ЖЭТФ, 1992, Т.55, В.2, С.125-128.

7. Белогорохов А.И., Белоконь С.А., Иванчик И.И., Хохлов Д.Р. Особенности спектров ИК-отражения в PbTe(Ga). - ФТТ., 1992, Т.34, В.9, С.2966-2968.

8. Khokhlov D.R., Ivanchik I.I., de Visser A, Nikorich A.V. Magnetic field induced localization in Pb^Sn^Tefln). -Sem. Sci Teen , 1993, V.8, N.15, P.s352 —s355.

9. Vereshagina L.N., Bagratashvili V.A., Ivanchik I.I., Khokhlov D.R. PbTe(Ga) thin films produced by laser deposition. - J.Phys.C, 1992, V.37, N.3, P.587-589.

10. Акимов Б.А., Албул A.B., Иванчик И.И., Рябова Л.И. Слынько Е.И., Хохлов Д.Р. Влияние легирования галлием на свойства твердых растворов Pbj_xGexTe. - ФТП, 1993, Т.27, В.2, С.351-354.

11. Акимов Б.А., Иванчик И.И., Чесноков С.Н. Прецезионное поворотное устройство для исследования осцилляций Шубникова—де Гааза. — ПТЭ, 1990, в.4, с.234 — 236.

12. Akimov В.А., Gaskov А.М., Glonty V.N., Ivanchik I.I., Putilin F.N., Ryabova L.I. The laser deposited PbTe(Ga) films. - phys.stat.sol.(a), 1994, V.2, N 6, P.312-319 .