Книги по разным темам
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 4 Определение матричного элемента оператора квазиимпульса в бесщелевом полупроводнике HgSe методом эффекта поля в электролите й О.Ю. Шевченко, В.Ф. Раданцев, А.М. Яфясов, В.Б. Божевольнов, И.М. Иванкив, А.Д. Перепелкин Научно-исследовательский институт физики Санкт-Петербургского государственного университета, 198504 Санкт-Петербург, Россия Уральский государственный университет, 620083 Екатеринбург, Россия (Получена 30 мая 2001 г. Принята к печати 27 сентября 2001 г.) Методом эффекта поля в электролите (измерялись вольт-фарадные и вольт-амперные характеристики) исследована система бесщелевой полупроводник HgSeЦэлектролит (насыщенный раствор KCl). Предложен метод оценки величины матричного элемента оператора квазиимпульса P из ВФХ и найдено его значение при T = 295 K для HgSe.Интерес к исследованию границ раздела в системах T = 300 K. В работе [10] представлены данные для узкощелевых и бесщелевых полупроводников на основе тройного соединения HgSx Se(1-x) при T = 300 K:
двойных и тройных соединений теллуридов и селенидов Eg = -0.18 эВ, m = 0.007m0(x = 0.05), Eg = -0.2эВ, e ртути обусловлен, с одной стороны, использованием m = 0.008m0(x = 0.1). Значение матричного элеe этих материалов для создания инфракрасных приборов мента оператора квазиимпульса для HgSe по данным в области прозрачности земной атмосферы [1], а с работы [11] составляет P = 7.5 10-8 эВ см.
другой Ч при разработке квантовых интерференционных В настоящей работе представлены результаты структур для наноэлектроники [2]. Во всех перечислен- экспериментального исследования электрофизических ных областях успех применения указанных материалов свойств поверхности и приповерхностной области HgSe в значительной степени зависит от технологий, позволя(определенная из Шубниковских осцилляций объемная ющих получать поверхность и гетероструктуры с низкой концентрация электронов в исследованном образце плотностью поверхностных состояний и с воспроизвоn = NA - ND = 4.1 1017 см-3) с использованием метода димыми электрофизическими параметрами поверхности эффекта поля в электролите. Этот метод, ранее апрои приповерхностного слоя. Следует отметить, что если бированный на многих полупроводниках [12], включая в отношении соединений на основе теллурида ртути к двойные и тройные соединения на основе теллуридов настоящему времени получена обширная и достаточно ртути [13,14], зарекомендовал себя как эффективный надежная информация, то в отношении соединений на способ контроля и формирования сверхтонких диэлекоснове селенидов ртути этого сказать нельзя. Весьма трических покрытий, обеспечивающих исследования немногочисленный список исследований поверхностных поверхности полупроводников в широком диапазоне свойств HgSe связан с методическими трудностями форизменений поверхностных потенциалов, включая мирования на поверхности этого материала стабильных область изгибов зон, соответствующих вырождению диэлектрических и пассивирующих покрытий. Это в электронов и дырок на поверхности. В рамках такого свою очередь не позволяет в полной мере применить метода может быть получена информация и о ряде для исследования электрофизических свойств поверхнозонных параметров полупроводника при комнатных сти этих материалов большинство высокоинформативтемпературах [15], измерение которых зачастую ных традиционных методов, основанных на исследовании невозможно при использовании традиционных методов.
МДП структур или барьеров Шоттки.
Простота метода эффекта поля в электролите, не Более того, можно также отметить, что и в литетребующего изготовления МДП структур или (и) ратуре, посвященной исследованию объемных зонных использования низкотемпературной техники, делает его параметров HgSe (как правило, такие данные относятся весьма перспективным для неразрушающего экспресск низкотемпературным измерениям), также нет единого контроля параметров поверхности и приповерхностных мнения (примером этого может служить недавняя дисслоев полупроводников.
куссия о характере зонной структуры HgSe [3Ц5]. Так, Электрофизические и зонные параметры области пропо данным работы [6] эффективная масса электронов странственного заряда (ОПЗ) HgSe определялись из m = 0.05m0 при T = 300 K при величине кейновской e вольт-фарадных характеристик в системе HgSe Ч нащели Eg = -0.2эВ, по [7] m = (0.015-0.019)m0, e сыщенный водный раствор KCl. Одновременно с ВФХ, Eg = -0.2 эВ, согласно [8] m = 0.019m0 при e с целью контроля токов через межфазную границу T = 95 K и Eg = -0.22 эВ при T = 300 K, а полупроводникЦэлектролит, измерялись вольт-амперные по данным [9] m = 0.019m0, Eg = -0.22 эВ при e характеристики (ВАХ). Все измерения проводились в E-mail: yafyasov@desse.phys.spbu.ru термостатированной при T = 295 K электрохимической Определение матричного элемента оператора квазиимпульса в бесщелевом полупроводнике HgSe... Экспериментальная вольт-фарадная характеристика системы HgSeЦнасыщенный раствор KCl.
ячейке. Поверхность образцов HgSe подвергалась меха- Ч ВФХ не изменяли своего вида при многократном нической полировке алмазной пастой и далее химико- циклическом изменении электродного потенциала (в темеханической полировке в 8% растворе брома в мета- чение нескольких часов);
Ч на межфазной границе HgSeЦэлектролит отсутноле, а непосредственно перед измерениями травилась ствуют поверхностные состояния, перезаряжающиеся в в 2-8% растворе брома в метаноле. Измерения диффедиапазоне времен релаксации, превышающих 10-5 с;
ренциальной емкости осуществлялись на прямоугольном Ч не наблюдалось насыщение емкости, которое бы импульсном сигнале с длительностью тестирующего имсвидетельствовало о формировании на поверхности пульса = 1 мкс при циклической развертке электродноHgSe оксида с толщиной, сопоставимой с длиной дего потенциала со скоростью 10-30 мВ/с по методике, баевского радиуса экранирования в HgSe. Если такой изложенной в [16]. Величина электродного потенциала слой и присутствует на поверхности полупроводника, измерялась относительно углеграфитового электрода.
то его толщина сопоставима с толщиной слоя ГельмВсе измерения ВФХ проводились в диапазоне элекгольца (т. е. менее 0.2-0.4нм [12]) и заведомо меньше тродных потенциалов, для которого:
ширины ОПЗ. При соблюдении перечисленных условий Ч ток через межфазную границу пренебрежимо мал, все изменение электродного потенциала при развертт. е. не было сколь-нибудь существенного вклада комке напряжения на ячейке приходится на ОПЗ HgSe поненты тока, обусловленной электрохимическими ре- (|| = |Vs|, где Vs Ч поверхностный потенциал), а акциями, протекающими при поляризации межфазной измеряемая емкость есть непосредственно дифференциграницы полупроводникЦэлектролит в эффекте поля; альная емкость ОПЗ полупроводника.
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 414 О.Ю. Шевченко, В.Ф. Раданцев, А.М. Яфясов, В.Б. Божевольнов, И.М. Иванкив, А.Д. Перепелкин Как видно из рисунка, в области достаточно больших после элементарных вычислений получаем следующую отрицательных электродных потенциалов (электронная формулу:
ветвь ВФХ) на экспериментальной ВФХ отчетливо наблюдается выход на линейный участок. Нетрудно по- (eVs + b + |Eg/2|)C =, казать, что именно такая зависимость удельной емко(eVs + b + |Eg/2|)4 - (b + |Eg/2|)сти ОПЗ полупроводника и должна наблюдаться для кейновских полупроводников в области изгибов зон, где превышающих величину кейновской щели Eg, причем e20sc наклон ВФХ непосредственно определяется величиной =.
(2/3)1/22Pматричного элемента оператора квазиимпульса P. Действительно, для таких сильных изгибов зон закон дисРазлагая последнее выражение для емкости в ряд персии в относительно адекватном для узкощелевых и по малому параметру (b + |Eg/2|)/eVs, приходим к бесщелевых полупроводников двухзонном приближении простому выражению E = 2P2k2/3 + Eg /4 - Eg/ 1 b + |Eg/2| C eVs + b + |Eg/2| 1 +.
для большей части участвующих в экранировании 2 eVs электронов обогащенного слоя близок к линейному E 2/3Pk -|Eg/2| [17], так что плотность состояний Поскольку поправка, связанная с отклонением от квазиультрарелятивистского предела Eg = 0, b = 0 [17], 2 dS D(E) = возникает только в 3-м порядке по (b + |Eg/2|)/eVs, (2)3 kE вклад второго члена в скобках несуществен уже при S относительно небольших изгибах зон и быстро падает в зоне проводимости принимает вид с ростомVs, и мы приходим к искомой линейной зависи(E + |Eg/2|)2 мости D(E) =(3/2)3/2.
2PC (eVs + b + |Eg/2|).
Здесь оставлены члены первого порядка по малому Производная dC/dVs, измеренная в области линейного параметру Eg/2E; dS Ч элемент изоэнергетической участка электронной ветви ВФХ, определяется только поверхности в пространстве квазиволнового вектора. Подвумя материальными параметрами Ч матричным элескольку для рассматриваемого материала практически ментом оператора квазиимпульса P и диэлектрической во всем обогащенном слое соблюдены условия сильного проницаемостью, что в конечном счете является прямым вырождения s b kT (s = eVs + b, и b Ч следствием ультрарелятивистского характера движения энергия Ферми соответственно на поверхности, в ОПЗ электронов в обогащенном слое, дисперсия которых и объеме полупроводника), для локальной концентрации E 2/3 Pk описывается одним параметром P. Исносителей заряда имеем пользуя экспериментальное значение dC/d = dC/dVs для электронной ветви ВФХ (см. рисунок) и величину ( + |Eg/2|)n() = D(E)dE =(3/8)1/2.
диэлектрической проницаемости sc = 25.6 из рабо2Pты [6], находим, что для HgSe матричный элемент оператора квазиимпульса P = 8.2 10-8 эВ см. Эта В рамках такого приближения, адекватного в широкой величина хорошо согласуется с данными, полученными в области экспериментальных условий, для дифференциработе [11] для HgSe при низких температурах, и близка альной емкости ОПЗ к значению P в HgTe.
dQs В предположении, что нулевой электродный потенциC =, dVs ал соответствует условию плоских зон fb = Vs = 0, по потенциалу отсечки C=0 = 0.220 В при экстраполяции где поверхностная плотность заряда в ОПЗ линейного участка ВФХ к C = 0 можно оценить величиdV 0sc d ну b + |Eg/2|. Если использовать значение кейновской Qs = 0sc = щели Eg = -0.220 эВ из работ [8,9], то для энергии dz e dz V =Vs =s Ферми в объеме отсюда получаем b 0.110 эВ, что удо(sc Ч статическая диэлектрическая проницаемость по- влетворительно согласуется со значением b = 0.095 эВ, лупроводника) определяется первым интегралом уравне- даваемым уравнением электронейтральности при исния Пуассона пользовании приведенных выше значений P, Eg и ND-NA.
s 1/2 Работа выполнена при поддержке грантов Министерd 2e= n()d, ства образования РФ № E00-3.4-278 и Университетов dz 0sc =s России № 99-27-32.
b Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Определение матричного элемента оператора квазиимпульса в бесщелевом полупроводнике HgSe... Список литературы Determination of the matrix element of the quasimomentum operator [1] P. Tribolet, J.P. Chatard, P. Costa, A. Manissadjian. J. Cryst.
in the zero-gap semiconductor HgSe Growth, 184Ц185, 1262 (1998).
by field-effect method in electrolyte [2] G. Nimtz, J.X. Huang, J. Lange, L. Mester, H. Spieker.
Semicond. Sci. Technol., 6, C130 (1991).
J.Yu. Shevchenko, V.F. Radantsev, A.M. Yafyasov, [3] K.-U. Gawlik, L. Kipp, M. Skibowski, N. Orlowski, V.B. Bogevolnov, I.M. Ivankiv, A.D. Perepelkin R. Manzke. Phys. Rev. Lett., 78, 3165 (1997).
[4] M. von Truchsess, A. Pfeuffer-Jeschke, C.R. Becker, Institute of Physics, G. Landwehr, E. Batke. Phys. Rev. B, 61, 1666 (2000).
Saint-Petersburg State University, [5] D. Eich, D. Huebner, R. Fink, E. Umbach, K. Ortner, 198504 St. Petersburg, Russia C.K. Becker, G. Landwehr, A. Fleszar. Phys. Rev. B, 61, 12 Ural State University, (2000).
620083 Ekaterinburg, Russia [6] Таблицы физических величин. Справочник, под ред. И.К. Кикоина (М., Энергоиздат, 1991).
[7] П.И. Баранский, В.П. Клочков, И.В. Потыкевич. Полу-
Abstract
By the field-effect in electrolyte method (the проводниковая электроника. Свойства материалов. capacitanceЦvoltage and currentЦvoltage dependencies measured) Справочник (Киев, Наук. думка, 1975).
a zero-gap semiconductor HgSeЦelectrolyte (KCl) system is in[8] И.М. Цидильковский. Зонная структура полупроводниvestigated. A method of the estimation of matrix element of the ков (М., Наука, 1978).
quasimomentum operator via the capacitance-voltage dependencies [9] Б.М. Аскеров. Электронные явления переноса в полуis proposed and this value is found for HgSe at T = 295 K.
проводниках (М., Наука, 1985).
[10] И.И. Берченко, В.Е. Кревс, В.Г. Средин. Полупроводниковые твердые растворы и их применение. Справочные таблицы (М., Воениздат, 1982).
[11] I. Stolpe, O. Portugall, N. Puhlmann, H.-U. Mueller, M. von Ortenberg, M. Von Truchsess, C.R. Becker, A. Pfeuffer-Jeschke, G. Landwehr. Physica B, 294Ц295, (2001).
[12] В.А. Мямлин, Ю.В. Плесков. Электрохимия полупроводников (М., Наука, 1965).
[13] А.М. Яфясов, А.Д. Перепелкин, В.Б. Божевольнов. ФТП, 26, 636 (1992).
[14] А.М. Яфясов, В.Б. Божевольнов, А.Д. Перепелкин. ФТП, 21, 1144 (1987).
[15] А.М. Яфясов, В.В. Монахов, О.В. Романов. Вестн. ЛГУ.
Сер. 4, 1, 104 (1986).
[16] В.Б. Божевольнов, А.М. Яфясов. Вестн. ЛГУ. Сер. 4, 1, (1989).
[17] В.Ф. Раданцев. Письма в ЖЭТФ, 46, 157 (1987).
Книги по разным темам