Спектроскопия акцепторов в полупроводниках на основе HgTe и в InSb и GaSb тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

I г

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им.А.Ф.ИОФФЕ

На правах рукописи УДК 621.315.592

Гуцуляк Леонид Михайлович

СПЕКТРОСКОПИЯ АКЦЕПТОРОВ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ . НА ОСНОВЕ НаТе И В ШБЬ И СаБЬ

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 199?

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе РАН.

Научный руководитель: . доктор физико-математических наук,

профе ссор В.И.Иванов-Омский.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Л.Е.Воробьбв,

Ведущая организация:

кандидат физико-математических наук С.А.Обухов.

Санкт-Петербургский Государственный электротехнический университет им.В.И.Ульянова (Ленина).

Защита диссертации состоится " 2-1 " 0-ЯК£11 /199 А г. в /¿часов на заседании специализированного^советами 003.23.02 при Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе РАН по адресу: .

194021, С.-Петербург, ул. Политехническая, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФТИ им.А.Ф.Иоффе РА!1 •

Отзывы на автореферат в двух экземплярах,' заверенных печатью, просим высылать по указанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

Автореферат разослан "2 (■" 1995 г.

Учений секретарь споци- •''ЦГГГ:.!-.'-" . -

гшпшрошшою сопста: кандидат физико-математических наук,

О.М.Бахолдил

I т

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Роль и значение полупроводниковых материалов в современной технике, в частности в радиоэлектронике и автоматике, общеизвестны. Почтя все последние успехи электроники связаны с созданием и использованием новых, солее совершенных кристаллов, а также с получением в Оолее "чистом" виде старых, хорошо известных материалов, обладающих новыми свойствами.

В полупроводниковой инфракрасной фотоэлектронике довольно ширфко используются твёрдые растворы Ссуф., Те, на основе которых разрабатываются и выпускаются промышленные детекторы инфракрасного излучения. Особенностью данного материала является возможность изменения в широких пределах его основных параметров путём варьирования состава раствора. В последнее время в качестве возможной альтернативы этому материалу рассматриваются четверные твёрдые растворы гг^СйуН^ _х_уТе • которые обладают схожими свойствами и предоставляют .дополнительные возможности варьирования параметров. Кроме того, ожидается, что они будут Оолее устойчивы и совершенны в структурном плане.

Тот факт, что лишь очень небольшое число из множества известных полупроводников нашло широкое практическое применение, связан в первую очередь с том, что многие кристаллы не удабтся пока получать в достаточно чистом виде. Например, одним из отличительных признаков ОаЗЬ в ряду других соединений А3В5 является большая концентрация акцепторных центров, природа которых недостаточно ясна. Можно ожидать, что изучение поведения примесей переходных элементов в этом материале будет способствовать прояснению ситуации. Для того, чтобы успешно вести работу по "очистке" материалов, необходимо хметь информацию о параметрах остаточных примесей (их концентрации, химической природы и др.) а также о влиянии на них вариаций технологического процесса. В целях получения такой информации, как известно 11), достаточно перспективно применение фотоэлектрической спектроскопии.

В качестве экспериментален х методов исследования выбранных объектов в данной работе были использованы лазерная фотоэлектрическая мапштосиектроскопия и Фотолюмпнесцонтнпя спектроскопия.

которые позволяют провести комплексные исследования образующихся е полупроводниковых материалах локализованных состояний примесей.

Цель, работы. На основании вышеизложенного, в задачу настоящей роботы входило дальнейшее развитие спектроскопии акцепторов, учитывая важность проблемы, для чего было использовано два подхода: 1 ) фотовозОуждение мелких акцепторов в дальней инфракрасной области спектра во внешних магнитных полях; ¿) использование легирующих примесей, способных образовывать комплексы с природными акцепторами. В качестве обьектов были выбраны полупроводниковые соединения Ой^^Те, 2пх0с1уН81 _х_уТе, 1пБЬ и СаБЬ.

Научная новизна работы состоит в том, что в результате проведённых исследований:

- впервые наблюдалось фотовозбуждение мелких примесей в п-гпхСйу%1_х_уТе и р-Ссу^^Те, в результате чего обнаружены химсдвиги основного состояния трёх акцепторов разной природы;

- впервые в спектрах ФП р-1п£Ь и п-2пхсауН§1_х_уТе в магнитном^ поле наблюдались полосы, сложная структура которых была идентифицирована как оптические переходы с зеемановских подуровней основного состояния мелкого акцептора на зеемановские компоненты его возбувдбнных состояний ЗР5/2Г8 и ЗР5/2Г?, в результате анализа которых была построена эмпирическая схема энергетических состояний мелкого акцептора во внешнем магнитном поло;

- впервые было осуществлено исследование поведения марганца в СаБЬ, в результате чего была подтверждена структура природного акцептора, а также предложена модель акцепторного центра, обрззот ванного марганцем, и оценена его энергия связи. .•' .

Практическое значение работы сотоит в том, что проведенные исследования позволили оценить ряд основных параметров исследуемых объектов, а также их зависимость от внешних воздействий, знание которых важно при использовании данных материалов для разработки фотоэлектрических приборов. Кроме того, результаты исследования мелких акцепторов полезны как в технологических целях, так и для разработки приборов для дальней ИК-области, действие которых основывалось бы на примесном фотовозбуждении.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Расщепление основной полосы фотовозбувдения акцепторов в спектрах С(у^.,_хТе и гг^Ссу^ _х_уТе на три компоненты идентифицировано как фотовозбуждение трёх химически разных акцепторов (химический рдвиг основного состояния).

2. Эмпирическая схема энергетических состояний мелкого акцептора во внешнем магнитном лоле, отработанная на 1п30 как эталонном объекте и примененная к гг^Ссу^ _х_уТе, позволяет наиболее полно интерпретировать полученные в данной работе экспериментальные результаты.

3. Легирование СаБЬ марганцем позволило подтвердить природу собственных акцепторных дефектов как вакансии сурьмы и оценить энергию связи акцептора, образованного марганцем.

Апробация работы. Основные результаты настоящей работы докладывались на 1-й Национальной конференции по дефектам в полупроводниках (Санкт-Петербург, 1992 г.), на 1-й Российской конференции по физике полупроводников (Ншкний-Новгород, 1993 г.), а также на семинарах Лаборатории Фотоэлектрических явлений в полупроводниках ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН.

Публикации. По материалам настоящей диссертации было подготовлено 9 научных публикаций.

Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, четырбх глав, заключения и библиографии из 70 наименований. ОбъСм диссертации составляет 74 страницы печатного текста (включая 7 таблиц) и 31 рисунок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность выбранных направлений исследования, сформулированы цели работы, отмечены научная новизна и практическая значимость её результатов, а тикже представлены положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. В ней проведан анализ достижений в решении задачи о молких акцепторах. Приводятся некоторые теоретические результата но данному попрошу. Кялст-.-нн ос-

новные моменты "сферической модели" мелких акцепторов, которая довольно хорошо описывает большую часть экспериментальных результатов. Особое внимание уделяется работам, рассматривающим влияние внешних магнитных полей на электронный спектр мелких акцепторов.

Перечислены и коротко описаны основные экспериментальные методы исследования примесей. Наиболее эффективным оказался метод фотоэлектрической спектроскопии 11], который основывается на явлении фототермической ионизации примесных центров. Указаны преимущества данного метода перед другими. Новые перспективы открывает разновидность этого метода - фотоэлектрическая магнитоспектро-скопия.

Проанализирован ряд экспериментальных результатов по исследованию мелких акцепторов в соединениях Сс^Н^ _хТе, 1пБЬ и ОаЗЬ. Указана важность данной проблемы в Ссу^^Те и СаБЬ, где содержится большое количество акцепторных центров, связанных с дефектами кристаллической решётки. Обращено внимание на то, что практически отсутствуют данные о возбуждённых состояниях акцепторов в этих материалах:- Что касается соединения йп^СйуНв, _х_уТе, то этот материал ещб почти не исследовался. Выявлено сильное влияние компенсации на энергию связи акцептора в Сс1хН81 Те. Наиболее изучены' мелкие акцепторы в 1пЗЬ, однако в данном случае существует сильный разброс данных о значении энергии связи акцептора.

В конце главы сформулированы основные быводы, исходящие из литературного обзора, и определены задачи настоящей работы.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальных установок, использованных для решения поставленных, задач. -

Для исследования фотовозСуждеииа примесей применялся лазерный магнитный спектрометр. Одним, из основных элементов этого спектрометра является субмиллиметровый лазер с оптической накачкой. Лазер работает в непреывном режиме и генерирует большое количество дискретных длин волн при сравнительно высоком уровне вы-_ ходней мощности. В качестве рабочего вещества использовались пары метилового спирта (СН^ОН) и дейтерий-содоржащего метилового спирта (СН^ОБ). Оптическая накачка осуществлялась излучением от перестраиваемого СОр-лазера, энергия которого находится в диапазоне VМ-1ОСИ) см-1. Си.,-лазер работал в проточном режиме. Скорость

I I

прокачки газов через активный обьбм - 5 л/мин. Рабочая смесь газов С02~лазера с общим давлением 25 Тор (10%-С02; 20%-и^; 70%-Не) возбуждалась электрическим разрядом. В качестве источника питания лазера использовался промышленный высоковольтный блок питания от лазера ЛГ-43, который обеспечивал автоматическую стабилизацию тока разряда. Зыгись спектров фотопроводимости осуществлялась развбрткой магнитного поля при фиксированной частоте излучения, "падающего" на эбразец. Источником излучения служил упомянутый выше субмиллиметровый лазер. Для создания магнитных полей до 6.5 Тл в спектрометре применялся сверхпроводящий соленоид. Соленоид и исследуемые образцы, установленные на держателе, помещались в гелиевый криостат. Измерения проводились при температурах 2-4.2 К. Модулированное субмиллиметровое излучение заводилось в оптическую систему. Изменение проводимости образца под действием модулированного субмиллиметрового излучения приводило к изменению тока, проходящего через образец, которое регистрировалось. Конструкция спектрометра позволяла проводить измерения при дополнительном облучении исследуемого образца излучением из области его фундаментального поглощения. "Межзонная подсветка" применялась для оптической перезарядки примеси.

Для исследования спектров фотолюминесценции (ФЛ) исследуемых полупроводниковых материалов использовалась экспериментальная установка, работа которой основывается на стандартной методике. В качестве основного элемента экспериментальной установки был выбран светосильный решбточный монохроматор МДР-2. Регистрация спектров проводилась по традиционной схеме синхронного детектирования. Возбуждение ФЛ осуществлялось с помощью твердотельного лазера М:УАС (длина волны излучения А=1.063 мкм), мощность которого при работе в непрерывном режиме достигала 0.5 Вт. Установка обеспечивала работу в широком диапазоне длин волн (1.1-3.0 мкм), температур (2-200 К), магнитных полей (0-6 Тл), мощностей возбуждающего излучения. Разрешающая способность системы не хуже 0.2 мэП. В качестве детектора рекомбинационного излучения использовался приёмник на основе сульфида сви.-ца (РЬБ), который охлаждался пап тоянно жидким азотом.

Дана характеристика исследуемых обьектов. Исолоцу^ми" п тре

тьей главе образцы Осу^^Те и г^Ссу^,.. ,уТе представляли собой этштаксизльные слои, выращенные методом жидкофазной эпитак-сии. образцу ОаБЬ, исследуемые в четвёртой главе, были получены методом зонной плавки.

В третьей главе приводятся результаты исследования мелких акцепторов в соединениях 1пБЬ, Сйх%1_хТе и гп^Ссу^ _х_„Те с помощью метода фотоэлектрической магкитоспектроскопии.

Кристаллы 1пБЬ были легированы кадмием (Ы ■-Ыл=7-Ю'г см-3).

Л и.

В спектрах фотопроводимости (ФП) образцов ГпБЬ наблюдался ряд ярко выраженных линий. Для идентификации линий была построена зависимость энергии оптических переходов от магнитного поля. Анализ полученных результатов позволил сделать вывод, что часть линий ФП обусловлена переходами из основного состояния мелкого акцептора в его возбуждённые состояния, образующимися под уровнями Ландау лбгких дырок. Расчёт энергии уровней Ландау проводился в рамках трбхзонной модели Пидаена-Брауна 12).

■ Энергию этих переходов можно описать выражением:

Яы= Еа(0) + Ей1а(В) + Е|'ЬШ,В) - Еех(В), (1)

где Е (0)- энергия основного состояния акцептора в: отсутствие магнитного поля; изменение энергии основного состояния

акцептора в магнитном ноле (диамагнитный сдвиг); Щ'Ь(И,В)- энергия уровня Ландау лёгких дырок, под которым образуется возбуждённое состояние, В которое переходит акцептор; Еех(В)- энергия связи данного состояния с соответствующим уровнем Ландау; В- магнитная индукция.

Полученные результаты указывают на то, что Еех(В)иО и что эта величина разная у разных состояний. Зависимости, соответствующие разным состояниям, отсекают на оси энергий разные отрезки а0- С ростом квантового числа (Ы) соответствующего уровня Ландау значение а0 растёт. Можно предположить, что при больших N ЕЙХ(В)-> О, т.е. а0~* Ед(0). Учитывая это, была проведена экстраполяция величины а0 при И-+ «>, в результате которой была получена величина Еа(0) = 10.2-10.3 мэВ.

Другая часть наблюдаемых линий обусловлена переходами в другие состояния. Эти линии имеют сложную структуру. Например, ли1шя

В состояла из 10 компонент Bj. Анализ спектров позволил сделать вывод, что линия В обусловлена оптическим переходом из основного состояния lS3/grg мелкого акцептора в его возбужденное состояние ЗР^/2Г8, а особенности В^^ связаны с переходами между различными зеемановскими компонентами ?~их состояний.

Экспериментальные измерения проводились в геометрии Фарадея ("q"*|| ТГ*, где ~q*~ вектор распространения субмиллиметроього излучения; ТГ\- вектор индукции-внешнего магнитного поля) при следу-щей ориентации полей относительно кристаллографических осей образца: "Er*! ТГ*|| И11 ], где "Е"*- вектор напряжённости электрического поля субмиллиметуового излучения. В данном случае правилами отбора разрешены оптические переходы, в результате которых магнитное квантовое число 'изменяется следующим образом: Am=±1;±2 [3, 4]. Каждая из компонент Bi соответствует определённому переходу. Идентификация этих переходов была осуществлена в ходе анализа вероятностей переходов, степени заполнения соответствующих состояний и относительных интенсивностей сигнала в пиках. В линии В наблюдаются все 10 разрешенных переходов. Этот факт, по-видимому, связан с тем, что зеемзновские компоненты состояния 3?5/2Г8, на которые совершаются эти переходы, расположены вблизи уровней Ландау лёгких дырок -1а и -Ib и вероятность дальнейшей термоионизации возбуждённого акцептора достаточно велика.

Кроме того, другие линии были идентифицированы как оптические перехода в другие возбуждённые состояния: 2PS/2I'7, 3P3/2rQ, ЗР5/2Г7< Для наблюдения некоторых переходов приходилось прибегать к межзонной подсветке.

Энергию этих оптических переходов можно описать выражением:

ftu » Еа(0) + Edla(B) + ДЕ2(В) - Е^Х(В) (2), где Е.,«.(В)- диамагнитный сдвиг энергии, а ДЕ„(В)- зеемановское

ala z

расщепление основного состояния в магнитном поле; ЕдХ(В)- энергия зеемановской компоненты возбуждённого состояния.

Для расчёта значений зеемановского расщепления основного состояния была использована модели, разработанная в (3) (g-фзктора основного состояния g^-0.46 и g¿,=0.10 определялись по схеме, описанной в [4}).

Исходя из полученных экспериментальна: данных была построена эмпирическая диаграмма зависимости энергии зеемановских компонент ряда состояний мелкого акцептора от внешнего магнитного поля. При этом использовалось значение Еа(0)=10.24 мэВ..При построении этой диаграммы мы ориентировались на аналогичную картину, полученную теоретически для Ое [43. Этот шаг оправдан, учитывая схожесть энергетических спектров мелких акцепторов в Се и 1пБЬ.

В спектрах р-С'су^., _хТе наблюдаются несколько полос, которые в отсутствие межзоиной подсветки малоинтенсивны. Полоса 1 состоит из трёх компонент. По мере увеличения мощности (№) подсветки наблюдалось увеличение интенсивности полос. При этом улучшалось разрешение элементов спектра. Полученная картина зависимости энергии оптических переходов от магнитного поля характерна для фотовозбуждения примесей и схожа с аналогичной картиной, полученной для 1г£Ь. Следовательно, можно предположить, что наблюдаемые полосы ФП обусловлены переходами из основного состояния акцептора в его возбуждённые состояния, образующимися под уровнями Ландау лёгких дырок.

Кроме того, обращает на себя внимание тот факт, что зависимости, соответствующие трбм компонентам полосы 1, расположены параллельно друг другу. Такое их поведение позволяет предположить, что структура этой полосы обязана своим происхождением фотовозбуждению трёх химически разных акцепторов с разной энергией связи, поскольку эта энергия зависит от химической природа примеси (так называемый "химический сдвиг"). Утверждение о связи наблюдаемой структуры полосы 1 с присутствием трёх разных акцепторов согласуется также с характером изменен** этой полосы при включении межзонной подсветки. При этом изменяется не только её интенсивность, но и форма.

Измерения спектров эпитаксиальных. слоёв гпхС<1уНз1 _х_уТе проводились при температурах 2.0-4.2 К по той же методике (использовалась межзонная подсветка). Измерения проводились как в геометрии Фарадея, так и в геочетрии Фогта. В спектрах этих образцов наблюдалась ярко выраженная линия А, состоящая из' трёх компонент (А1,А? и Аэ), и слабоинтенсивные'линии. В, С, Б и Е. Следу ет.отме-, тить, что в отсутствие м&жзонной подсветки не наблюдается ни одна-

из этих линий. Картина зависимости энергии оптических переходов от магнитного поля схожа с аналогичной картиной, полученной для 1пБЬ и Ссу!^ Те. Прямые, отражающие эти зависимости, отсекают в нулевом магнитном поле на оси энергий значения, лежащие в интервале Ю-11 мэВ. Данная картина характерна для фотовозСуждения мелких примесей.

Несмотря на то, что дашшй образец имеет п-тип проводимости, есть все основания считать, чго наблюдаемые в спектре линии обусловлены фотовозбуждением акцепторов, а не доноров. Во-первых, энергия срязи доноров еа=0.?5 мэВ намного меньше вышеупомянутой величины 10-11 мэВ. Во-вторых, тот факт, что линии фотопроводимости наблюдаются только при межзонной подсветке, свидетельствует о том, что они принадлежат компенсирующей примеси 111. в качестве которой в данном случае выступают акцепторы. В-третьих, доноры в исследуемых материалах не образуют локализованных состояний, поскольку их концентрация превышает концентрацию Мотта Шм). Зависимости А, В, С, Б и Е от поля расположены почти параллельно определённым уровням Ландау. Это свидетельствует о том, что линии А, В, С, Б и £ обусловлены оптическ' -эд переходами из основного состояния акцептора в его возбуждённые состояния, образующимися соответственно под уровнями Ландау легких дырок Оа, ОЬ, Та, 1Ь и ¿&. Кроме того, зависимости , а2 и А3 расположены параллельно друг другу. По-видимому, как и в случае Сйу!^, Те, они принадлежат трбм химически разным акцепторам. Анализ относительных интен-сивностей компонент полосы А показывает, что три акцептора А1, А2 и А3 содержатся в данном образце в отношении 2:3:3.

В спектре другого образца гп3£С(1у%1 _х_уТе наблюдаются три ярко выраженные полосы: Р, С и 1 (в отсутствие подсветки ни одна из них не наблюдается). Анализ зависимостей энергии переходов соответствующим полосам Р, С и I, от магнитного поля и их сравнение с ходом уровней Ландау лёгких дырок показали, что полоса Ь, которая имеет простую структуру, обусловлена переходом в возбужденное состояние, которое образуется под уровнем Ландау Оа. Поскольку I/ имеет простую структуру, можно сделать вывод, что в этом образце наблюдается фотовозбуждение одного лишь акцептора.

Полосы ¥ и С имеют более сложную структуру (как и некоторый

полосы в случае 1пЗЬ). Анализ полученных наш экспериментальных результатов и их сопоставление с теорией позволил сделать вывод, что линия Р соответствует оптическому переходу из основного состояния 123/2*8 акДептоРа в его возбужденное состояние ЗР5/2Га, а линия 0 - переходу в состояние ЗР^Г^,. д их компоненты IV и С^, как и в случае ГпБЬ, связаны с переходами между различными зеема-новскими подуровнями вышеуказанных состояний.

. В результате анализа полученных данных была построена эмпирическая диаграмма зависимости энергии зеемзновских компонент состояний 1Б3/2Г8, ЗР?/2Г8 и ЗР5/2Г7 от. внешнего магнитного поля, которая позволяет наиболее полно интерпретировать полученные экспериментальные результаты.

Четвёртая глава посвящена результатам исследования фотолюминесценции СаБЬ,. легированного марганцем в широком интервале концентраций (0.005-1.00 ат.Ж), а также марганцем и теллуром. Исследования проводились при температурах 2-77 К с использованием магнитных полей до 6 Тл (в геометрии Фарадея на отражение).

В спектре специально 'нелегированного- СаБЬ выделяются три энергетические полосы: А(777 мэВ), ВЕ4(796 мэВ) и ВЕ3(800 мэВ). Полоса А приписывается природным акцепторам, в качестве которых выступают, скорее всего, вакансии сурьмы (Еа=34 мэВ). Излучатель-ные полосы ВЕ4 и ВЕ^ приписываются связанным на нейтральном акцепторе экситонам. При легировании СаБЪ марганцем спектры ФЛ претерпевают значительные' изменения. Прежде всего, присутствуют только две излучательные полосы. Полоса А сохраняется, а вместо полос ВЕ3 и ВЕ4 появляется новая полоса В(793 мэВ). С увеличением содержания в образцах марганца наблюдается уменьшение интенсив-' ности полосы А,- в то время как интенсивность полосы В растёт. Уменьшение интенсивности полосы А связано, по-видимому, с уменьшением количества собственных дефектов. В то же время рост интенсивности полосы В с увеличением содержания Мп свидетельствует, скорее всего, об образовании новых акцепторных центров. Их появление связано с наличием атомов Мп. В образце с наибольшем содержанием марганца полоса А практически исчезает. С увеличением содержания Мп энергетическое положение полосы В не изменяется, а её полуширина растёт.

В пользу предположения о появлении нового акцепторного уровня, связанного с наличием марганца, свидетельствуют и электрофизические измерения, в результате которых для энергии связи акцептора было получено значение Еа=»16 мэВ. Этот результат находится в неплохом согласии с величиной Е »18 мэВ, определённой по положению полосы В относительно края зоны. Примерно такое же значение Оыло получено в результате анализа температурной зависимости интенсивности ФЛ полосы В.

Б интервале температур 2-50 К происходит смещение полосы В в коротковолновую орласть спектра (при Т=40 К это.смещение достигает 6 мэВ). Качественно аналогичная картина наблюдалась ранее для полосы 800 мэВ в нелегированном СаБЬ, однако смещение в этом случае не превышало 1 мэВ при увеличении температуры до 25 К. Можно предположить, что в данном случае причиной столь значительного температурного сдвига является переход от коррелированного распределения носителей заряда по состояниям в хвостах зоны к хаотическому. При температурах Т>60 К обе полосы ФЛ смещаются в длинноволновую область спектра приблизительно с одинаковой "скоростью", совпадающей с температурным ^гмонением ширины запрещённой зоны Е^(Т). .

Исследование - температурной зависимости полуширины йолосы В показало наличие, двух областей температур, в которых полуширина не изменяется: низкотемпературная (2-25 К) со значением полуширины &0 и высокотемпературная (выше 50 К) с полушириной Ат. А в интервале 30-50 К происходит достаточно резкое увеличение полушири-' ны полосы 8 от &0 до ¿ю. Наблюдаемый характер температурного изменения полуширины также свидетельствует в пользу' перехода от коррелированного распределения носителей заряда по примесям к хаотическому.

В спектрах ФЛ обпазца, в котором в качестве легирующих примесей содержатся Мп и Те, выделяются три полосы: А(777 мэВ), В (790 мзВ) и С(804 мэВ). Полоса А идентична полоса А в спектрах образцов 0а5Ь:Мп и имеет ту же природу. Однако, её интенсивность, в отличие от образцов, легированных только Мп, намного меньше. По интенсивности преобладает полоса В , которая отличается от полосы В образцов ОаБГкМп по энергии и полуширине. Полоса С в спектрах

GaSbrMn не наблюдалась. Известно, что Те в GaSb ведёт себя как донор с энегией ионизации Ed<*3.6 мэВ. По-видимому, при одновременном введении Мп и Те образуется сильно компенсированный материал, тип которого зависит от отношения легирующих примесей. Сравнивая спектры ФЛ образцов GaSb:Mn и GaSb:Mn,Te, можно определить, что полоса В отстоит от полосы В на 3 мэВ. Это может свидетельствовать о том, что полоса В связана с донорно-акцепторной рекомбинацией (в качестве донора выступает Те).

С ростом напряжённости магнитного поля полосы А и В смещаются в коротковолновую область спектраг а полоса С не смещается в используемом интервале полей (0-6 Тл). Полосы ФЛ А и В образцов GaSb:Mn также смещаются с полем в коротковолновую область. Смещение полос А, В, В , ВЕ4 и beэ повторяет ход края зоны проводимости. Этот факт свидетельствует о том, что в соответствующих им переходах участвуют электронные состояния, связанные с основным Г-минимумом зоны проводимости в то же время полоса С практически не смещается. Можно предположить, что в соответствующие ей оптические переходы вовлечены состояния, связанные с побочным L-минимумом зоны проводимости, эффективная масса электронов в котором существенно выше.

В магнитном поле в геометрии Фарадея рекомбинационное излучение образцов GaSb:Mn становится циркулярно поляризованным. С. увеличением поля степень поляризации рс растёт, что обусловлено различием в заселённости'зеемановских подуровней акцептора. В полях, превышающих В=3 Тл, степень поляризации достигает насыщения <р0 aat=0.3). Наблюдаемая картина зависимости р0 может быть объяснена, если предположить, что дырка, локализованная на уровне, созданном марганцем, оказывается поляризованной г результате обменного взаимодействия с Зс15-электронами иона марганца.

Были также проведены исследования электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) образцов GaSb:Mn. Спектр ЭПР сострит из двух линий с g факторами §=4 и g=2. Если предположить, что у марганца в GaSb, как и в других соединениях А3В5, Зс15-оболочка остаётся невозмущённой, то линия с g=4 может быть обусловлена магнитоди-полышми переходами между зеемановскими подуровнями центра с S-5/2 в сильном внутрикристаллическом поле ромбической симметрии.'

Теоретическое значение £-фактора такого центра равно 4.28. Это предположение позволяет объяснить наличие угловой зависимости линий и отчасти их инверсию как результат перемешивания состояний с различными знаками проекций момента. Линия меньшей интенсивности при удвоенном значении резонансного поля (§=2), по-видимому, обусловлена двухквантовым переходом между теми же подуровнями. В предполагаемом приближении может быть построена модель центра марганца. Как известно, основным акцептором в нелегированном ОаБЬ является вакансия сурьмы (Узь). При изъятии атомов БЬ из решётки ОаБЬ изымаются четыре состояния орбитальных и пять электронов (электронная конфигурация БЬ 5з25р3). Таким образом, на оставшиеся четыре орбиты атомов галлия остаются три электрона- (электронная конфигурация Оа 4з24р1), что обусловливает акцепторный характер 7ЗЬ. Неспаренный электрон находится в триплетном состоянии, что, по-видимому, и обусловливает отсутствие спектра ЭЛР вакансии сурьмы в ОаБЬ. При введении марганца в СаЗЬ появляется, как было отмечено выше, новый акцепторный центр, который по данным ЭПР должен тлеть ромбическую симметрию. Простейшим центром такого типа является Удь—Мп. Действительно,' атом Мп (конфигурация Зй54з2), сохраняя невозмущбнной оболочку Зс15, образует насыщенную связь с одним из атомов Са, в то время как другая связь' оказывается заполненной наполовину, что и обусловливает акцепторный характер этого центра и его ромбическую симметрию. Кроме того,анализ данных по М и ЭПР позволил оценить g-<í>aктop дырки, локализованной на центре марганца: ^=0.7.

Таким образом, совокупность полученных экспериментальных данных позволила сделать вывод, что марганец в СаБЬ, в отличие от ОаЛз, образует акцепторный центр типа ^зь+Мп, с энергией

ионизации 18 мэВ.

Основные результаты и выводы

В результате проведенных экспериментальных исследований фотопроводимости в магнитных полях и фотолюминесценции были получены следующие основные результаты:

1. Впервые наблюдалось фотовозбуждение мелких акцепторов в соединении п-Х,пхс'1 Не1 _х_уТе.

2. Наблюдаемое расщепление основной полосы фотовозбувдения акцепторов в спектрах фотопроводимости _х_уТе и Ссу|&| Те на три компоненты идентифицировано как фотовозбуждение трёх химически разных .акцепторов (химический сдвиг основного состояния ).

3. Впервые в спектрах фотовозбувдения акцепторов в р-1пЗЬ и п-2пхСс1уН81_х_уТе в магнитном поле наблюдались полосы, сложная структура которых была идентифицирована как оптические переходы с зеемановских подуровней основного состояния мелкого акцептора на зеемановские компоненты его возбуждённых состояний ЗР5/2Г8 и

ЗР5/2Г7'

4. Была построена эмпирическая схема энергетических состояний мелких акцепторов в 1пБЬ и 2пхСс1уН£1 _х_уТе во внешнем магнитном поле.

5. Впервые было осуществлено комплексное исследование пове- • дения марганца в СаБЬ, в результате которого была подтверждена структура природного акцептора, а также предложена модель акцепторного центра, создаваемого марганцем, и, оценена его энергия связи.

Публикации

1. Е.И.Георгицэ, Л.М.Гуцуляк, В.И.Иванов-Омский, В.А.Смирнов,-Ш.У.Юлдашев. Фотолюминесценция антимонида галлия, легированно,-го марганцем // ФТП.1991-Т.25.В.11.0.1960-1966.

2. Е.И.Георгицэ, Л.М.Гуцуляк, В.И.Иванов-Омский, В.Ф.Мастеров, В.А.Смирнов, Ш.У.Юлдашев. Влияние концентрации марганца на спектр фотолюминесценции СаЗЬ // ФТП.1991.Т.25.В.11.С.2024-2027.

3. Е.И.Георгицэ, Л.М.Гуцуляк, В.И.Иванов-Омский, В.Ф.Мастеров, В.А.Смирнов, К.Ф.Штельмах, Ш.У.Юлдашев. Состояние примеси марганца в антимониде 'галлия. // Матер.Перв.нац.конф."Дефекты в полупроводниках". С.-Петербург.1992.С.32.

4. Е.И.Георгицэ, Л.М.Гуцуляк, В.И.Иванов-Омский, В.Ф.Мастеров, В.А.Смирнов, К.Ф.Штельмах. Структура примесного центра марганца в антимониде галлия // ФТП.1992.Т.26.В.1 .С.89-94.

5. Н.Л.Баженов, Е.И.Георгицэ, Л.М.Гуцуляк, Р.И.Кошкодан, В.А.Смирнов. Механизмы рассеяния носителей заряда в антимониде галлия, легированного марганцем // Изв.ВУЗ СССР.сер."Физ.".1992.Т.35. В.1.С.53-57.

6. Е.И.Георгицэ, Л.М.Гуцуляк, В.И.Иванов-Омский, В.М.Погорлецкий, А.Н.Титков. Мелкий акцепторный уровень марганца в антимониде галлия // Письма в ЖГФ.1991 .Т.17.В.17. С.21-25.

7. В.И.Иванов-Омский, Л.М.Гуцуляк, Д.И.Цыпишка, К.Е.Миронов. ИК-фотоэлектрическая спектроскопия мелких акцепторов в сплавах А2В6 на основе КРТ // Матер. Перв. Российской конф. по физике полупроводников. Н.-Новгород. 1993. Тезисы докладов.Т.1.С.87.

8. Д.И.Цыпишка, В.И.Иванов-Омский, Е.И.Георгицэ, Л.М.Гуцуляк, К.Е.Миронов. Фотовозбуждение мелких акцепторов в Ccyig.,_хТе // ФГП.1993.Т.27.В.4.С.714-717.

9. Л.М.Гуцуляк, В.И.Иванов-Омский, Д.И.Цдпишка. ФотовозОуждение мелкого акцептора в InSb // ФТП.1995.Т.29.В.11.

Цитируемая литература

1. Ш.М.Коган, Т.М.Лифшиц. Фотоэлектрическая спектроскопия - новый метод анализа химического состава примесей в полупроводниках // В сб."Исследования в области радиотехники и электроники в 19541974 гг".М.1975.С.313-355.

2. C.Pldgeon, R.Brown. Interband magnetoabsorbtlon and Faraday rotation in InSb // Phys.Rt-v.1966.V.146.n.2.P.575-583.

3. A.K.BhattacharJee, S.Rodrigues. Group-theoretical study of the Zeemon effect of acceptors In silicon and germanium // Phys. Kev.В.1972.V.Bô.n.10.P.3836-3856.

4. W.O.G.Schmitt, E.Bangert, G.Landwehr. Zeeman levels of shallow acceptors In cubic semiconductors // J.Phys.: Condens.Matter. 1991.V.3.n.35.P.67^9-6815.

Отпечатано в типографии ПШФ

Зак.528, тир.100, уч.-изд.л. 0,8; 15/Х1-1995г.

Бесплатно