Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 6 Подвижность носителей заряда в кристаллах n-CdxHg1-xTe в условиях динамического ультразвукового нагружения й А.И. Власенко, Я.М. Олих, Р.К. Савкина Институт физики полупроводников Национальной академии наук Украины, 03650 Киев, Украина (Получена 9 декабря 1999 г. Принята к печати 23 декабря 1999 г.) Исследовалась холловская подвижность носителей в кристаллах n-CdxHg1-xTe в условиях динамической ультразвуковой нагрузки (WUS 104 Вт/м2, f = 5 7МГц). Обнаружено, что в поле ультразвуковой деформации происходит увеличение подвижности носителей в области примесной проводимости (T < 120 K), причем величина акустостимулированного изменения H тем больше, чем менее структурно совершенным является кристалл, и уменьшение Ч в области собственной проводимости (T > 120 K) для всех исследованных образцов. Проведен анализ возможных механизмов ультразвукового влияния на H с учетом рассеяния на оптических фононах, ионизированных примесях, сплавном потенциале и с учетом условий токопрохождения в кристалле. Показано, что в области примесной проводимости основной причиной акустостимулированного увеличения холловской подвижности носителей является сглаживание макроскопического внутрикристаллического потенциала, обусловленного неоднородностью исследованных кристаллов, а в области собственной проводимости уменьшение подвижности определяется увеличением интенсивности рассеяния на оптических фононах.

1. Введение для структурно совершенных кристаллов (штриховая линия), а в области примесной проводимости значения Ранее установлено, что кинетические коэффициенты подвижности занижены. Причем для образцов 3 и 4 кристаллов CdxHg1-xTe чувствительны к действию ин- при T < 120 K наблюдается изменение знака наклона 0 тенсивной высокочастотной знакопеременной деформа- зависимости H(T ) и подвижность принимает аномально ции, т. е. к действию ультразвука (УЗ), как в режиме низкие значения, что нельзя связать с изменением меУЗ обработок [1,2], так и в процессе динамического ханизма рассеяния, поскольку последнее наблюдается в нагружения [3Ц5]. Были предложены возможные меха- кристаллах CdxHg1-xTe при более низких температурах низмы акустостимулированных (АС) необратимых изме- T < 50 K [6,7]. По-видимому, такие особенности H(T ) нений электрофизических параметров (концентрации и связаны с изменением условий токопрохождения в криподвижности) кристаллов CdxHg1-xTe Ч термоакустиче- сталлах вследствие наличия в них объемных неоднородский отжиг [1], разрушение кластеров дефектов [2] и т. п. ностей, что подтверждается спецификой магнитополевых Процессы динамического УЗ преобразования дефектной зависимостей удельного сопротивления. А именно, в системы кристаллов CdxHg1-xTe изучались в [4,5]. Цель сильных магнитных полях (B 0.2Тл) вместо насыщеданной работы Ч анализ механизмов изменения подвиж- ния наблюдается участок линейного роста /0(B).

ности носителей в кристаллах n-CdxHg1-xTe различного Следует отметить, что для образца 1 упомянутые осоструктурного совершенства в условиях динамического бенности /0(B) выражены слабо, а зависимость УЗ нагружения. H(T ) наиболее близка к соответствующей зависимости для структурно совершенного кристалла. Кроме того, для образца 4 характерна сильная полевая зависимость 2. Результаты эксперимента коэффициента Холла RH(B) (> 20% при B 0.55 Тл).

По-видимому, при более низких температурах (< 77 K) Исследовались температурные зависимости (T = его проводимость становится p-типа.

= 77 300 K) холловской подвижности носителей При УЗ нагружении в области примесной проH(T ) кристаллов n-CdxHg1-xTe (0.2 x 0.22, водимости (T < 120 K) наблюдается увеличение 3 1014 см-3 < n < 1015 см-3) в интенсивном поле УЗ US/H = 1.1 1.8, в области собственной проH деформации (WUS 104 Вт/м2, f = 5 7МГц).

водимости Ч уменьшение холловской подвижности Особенности эксперимента описаны в [5]. US/H = 0.830.93 во всех исследованных кристаллах H Экспериментальные кривые H(T ) для набора образ(рис. 1, кривые 1 -4 ), а зависимости /0(B) стацов, отличающихся значениями H при T = 77 K, новятся классическими Ч в сильных магнитных полях приведены на рис. 1 (кривые 1Ц4). Исходные завипроисходит насыщение магнитосопротивления. Здесь и симости H(T ) в области собственной проводимости далее индекс ФUSФ обозначает, что параметр измерен в (T > 120 K) близки к соответствующей зависимости поле УЗ деформации, индекс Ф0Ф Ч в его отсутствие (кроме 0 Ч удельного сопротивления при B = 0).

Ph: (044) Следует отметить, что все наблюдаемые AC изменения Fax: (044) E-mail: savkina@class.semicond.kiev.ua носили обратимый характер. После выключения УЗ наПодвижность носителей заряда в кристаллах n-CdxHg1-xTe в условиях динамического... Рис. 1. Температурные зависимости холловской подвижности H кристаллов CdxHg1-xTe. 1, 2, 3, 4 Ч без УЗ нагружения;

1, 2, 3, 4 Чв условиях УЗ нагружения (US = 4.8 105 Па, f = 6.5МГц). Штриховая линия Ч зависимость H(T ) для структурно совершенного кристалла [6]. На вставке Ч величина акустостимулированного увеличения холловской подвижности US US 0 0 H,77 =(H - H)/H в зависимости от абсолютной величины H,77 при T = 77 K, US = 4.8 105 Па.

Рис. 2. Спектры комбинационного рассеяния света кристаллов CdxHg1-xTe (1, 1 Ч образец 3, 2, 2 Чобразец 4). 1, 2 Чполучены при УЗ нагружении, T = 300 K, US = 4.8 105 Па.

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 672 А.И. Власенко, Я.М. Олих, Р.К. Савкина изменение условий протекания тока в неоднородном кристалле. Проанализируем эти причины более детально.

Как было выяснено ранее, для корректного анализа зависимости H(T ) для CdxHg1-xTe при T = 4 300 K достаточно учесть три механизма рассеяния: рассеяние на полярных оптических фононах (op), на сплавном потенциале (al) и на ионизированных примесях (ion) [8]. Такие механизмы, как рассеяние на акустических фононах и электрон-электронное рассеяние не дают заметного вклада в общий процесс. Будем считать, что в присутствии УЗ нагружения процесс рассеяния носителей определяется теми же механизмами:

US -1 =(e/m)-1 iUS -H = US + US -1 + US -1. (1) op al ion Рассмотрим отдельно каждый из этих механизмов с Рис. 3. Зависимости подвижности носителей от амлитуды УЗ точки зрения его УЗ модификации.

нагружения кристалла CdxHg1-xTe (образец 3) при различных температурах T, K: 1 Ч 83, 2 Ч 93, 3 Ч 103, 4 Ч 125.

3.1. Рассеяние на ионизированных примесях Механизм рассеяния на ионизированных примесях является доминирующим в кристаллах CdxHg1-xTe при гружения подвижность в области примесной проводимоT < 50 K. Тем не менее его вклад необходимо учитывать сти возвращалась к исходным значениям за то же время, и при более высоких температурах. Выражение для вречто и концентрация (eRH)-1. С уверенностью сказать то мени релаксации данного механизма можно представить же о подвижности в области собственной проводимости в виде [8] не позволили условия эксперимента.

На рис. 2 представлены спектры комбинационного ion = s /2e4Ni (k3/m)(1/Fion), (2) рассеяния света (КРС) для двух образцов (3 и 4), где Fion Ч функция, которая учитывает свойства симдля которых эффект УЗ воздействия на подвижность метрии волновых функций электронов и экранировавыражен наиболее сильно, полученные при комнатной ние потенциала центров рассеяния свободными носитемпературе при УЗ нагружении (кривые 1, 2 ) и в телями, Ni Ч концентрация ионизированных примесей, его отсутствие (кривые 1, 2). Условия, при которых s = L +, L Ч диэлектрическая проницаемость получены спектры, и идентификация полос указаны в подрешеток CdTe и HgTe, Ч высокочастотная диподписи к рисунку.

электрическая проницаемость. Другие обозначения траНа рис. 3 представлены зависимости подвижности диционные.

носителей от интенсивности УЗ нагружения H(US) Известно, что сущность процессов, которые происхопри различных температурах. Как видно, характер амдят в кристаллах CdxHg1-xTe под действием внешних плитудных зависимостей H(US) во многом определяфакторов, таких как лазерное облучение [9], деформается температурой опыта. При T = 83 K (кривая 1) ция [10], -облучение [11], УЗ обработки [1] и др., свопроисходит линейной увеличение H под действием УЗ дится к перераспределению исходных (собственных) или колебаний. При повышении температуры (T = 93 K, новообразовавшихся точечных дефектов между матрикривая 2 и T = 103 K, кривая 3) после небольшого лицей и стоками (дислокациями, малоугловыми границами, нейного участка наблюдается насыщение зависимостей границами субблоков и т.п.), определяется начальным H(US), а при дальнейшем увеличении температуры Ч состоянием дефектной системы и приводит к изменению AC уменьшение H (T = 125 K, кривая 4).

свойств материала. Можно предположить, что подобная ситуация имеет место и при динамическом допороговом УЗ нагружении кристаллов CdxHg1-xTe [4,5]. В соот3. Обсуждение результатов ветствии с общими закономерностями дефектопреобразования в CdxHg1-xTe в поле интенсивной УЗ дефорПереходя к анализу экспериментальных данных, сле- мации возможен временный (на время действия УЗ) дует отметить, что AC изменение холловской подвиж- отрыв точечных дефектов (например, Hg или фоновой ности можно связать прежде всего с модификацией примеси) от дислокаций и малоугловых границ в маусловий рассеяния носителей в кристалле в присутствии трицу в межузельное состояние и(или) захват вакансий УЗ нагружения. Иной возможной причиной является на линейные дефекты. При этом должна увеличиваться Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Подвижность носителей заряда в кристаллах n-CdxHg1-xTe в условиях динамического... 0 US концентрация доноров Nd + Nd и уменьшаться концен- ствие неупорядоченности расположения атомов A и B 0 US трация акцепторов Na - Na. Следовательно, в присут- в узлах кристаллической решетки. Подход к изучению ствии УЗ нагружения должна изменяться концентрация этого механизма базируется на малости возмущения, центров рассеяния Ni. Запишем NiUS без учета кратности которое вносится разностью потенциалов атомов A и B ионизации дефектов:

UAB(r) =UA - UB. Кроме того, свойством потенциала UAB является его локализованность: UAB = E при US US NiUS = Ni0 +Ni = Ni0 + Nd - Na. (3) r < r0 и UAB = 0 при r > r0, где r0 Ч расстояние между ближайшими соседями [13].

При T = 77 K и US = 4.8 105 Па экспериментально Время релаксации для механизма рассеяния на сплавнаблюдается AC изменение концентрации носителей для ном потенциале можно записать в виде [14] образца 1 от n0 = 7.5 1014 см-3 до nUS = 8.5 1014 см-3, для образца 2 от n0 = 3.21014 см-3 до nUS = 41014 см-3, al = N0/ x(1 - x)E2 k-3(d/dk)2, (5) для образца 3 от n0 = 3 1014 см-3 до nUS = 6 1014 см-3, для образца 4 от n0 = 91014 см-3 до nUS = 1.51015 см-3.

где E Ч сплавной потенциал рассеяния, N0 Ч чиИзменению концентрации (nUS - n0) можно поставить в сло атомов в единице объема, x Ч состав. Величину соответствие величину Ni. Значение Ni0 в исследованE в первом приближении принимают равной разных образцах не превышает 5 1015 см-3. С учетом (3) ности запрещенных зон кристаллов AC и BC [15,16].

егко получить соотношение между ion и US:

ion В работе [14] предложено выбирать E как разность -1 -экранированных потенциалов атомов A и B. В этом ion US = ion 0 1 +Ni/Ni0, (4) случае величина сплавного потенциала для CdxHg1-xTe откуда, учитывая приведенные выше оценки Ni и Ni0, составляет E = 9 10-29 эВ см3, E = 1эВ [14,17], получим US/ion = (0.99 0.89), т. е. возрастание ion Ч объем элементарной ячейки. Гораздо меньшее знаинтенсивности рассеяния на ионизированных примесях чение E = 0.23 эВ, полученное из расчетов в приблиза счет AC роста концентрации центров рассеяния.

жении когерентного потенциала [18], успешно использоСледовательно, этот механизм не позволяет объяснить вано в [19] для расчетов температурных зависимостей наблюдаемое экспериментально увеличение подвижноподвижности. Следует отметить, что наиболее часто E сти H.

используют как подгоночный параметр и определяют его Как видно из (2), иной причиной изменения подвижиз сопоставления расчетных данных и экспериментальности при рассеивании на ионизированных примесях ных результатов.

может быть увеличение концентрации свободных носитеКак и в предыдущем случае рассеяния на ионизированлей n в кристалле, которое приводит, во-первых, к более ных примесях, можно предположить несколько механизэффективному экранированию кулоновского потенциала мов УЗ модификации рассеяния на неупорядоченности центров рассеяния, а следовательно, и к уменьшению кристаллической решетки. Во-первых, вследствие завивклада этого механизма, что подтверждается расчетами симости al от энергии электронов (-1/2) [14] AC увезависимости Fion(n) Ч возрастание n от 1014 см-3 до личение концентрации носителей должно приводить к US 1015 см-3 вызывает уменьшение Fion /Fion = 0.95 и, увеличению вклада рассеяния на сплавном потенциале.

как следствие, незначительное увеличение подвижности Так, расчеты при T = 10 K показали повышение вклада US/ion = 1.05. Кроме того, рост концентрации носитеion этого механизма от 5% при n = 4 1014 см-3 до 25% лей приводит к увеличению подвижности ion и за счет при n = 2 1016 см-3 [20]. Аналогичный результат при увеличения средней энергии электронов [12]. Однако, T = 77 K получен в [12]. Таким образом, в результате хотя этот механизм и приводит к росту подвижности, акустостимулированного роста n подвижность, опредеколичественно он не позволяет объяснить результаты ляемая рассеянием на сплавном потенциале, должна для всех исследованных образцов. В частности, зависиуменьшаться, что исключает этот механизм из рассмомость эффекта УЗ увеличения подвижности от величины трения, так как он не соответствует экспериментально H,77, измеренной в отсутствие поля УЗ деформации.

наблюдаемому эффекту.

На вставке к рис. 1 представлена зависимость величины Далее, вполне возможным является деформационный AC увеличения холловской подвижности US77 от абсоH, механизм УЗ влияния на сплавной потенциал в случае лютной величины H,77. Чем больше значение величины выбора последнего как разности запрещенных зон CdTe H,77, тем меньший эффект УЗ влияния (т. е. US77) H, и HgTe. Однако расчеты показывают, что при иснаблюдается при одинаковых значениях интенсивности пользованных интенсивностях УЗ нагружения величина УЗ нагрузки.

некоторого эффективного давления P, создаваемого УЗ волной в кристалле, не превышает 5 105 Па. С уче3.2. Рассеяние на сплавном потенциале том этого сплавной потенциал в поле УЗ деформации 0 EUS = g +(dg/dP)P - g - (dg/dP)P Природа механизма рассеяния на сплавном потенциCdTe HgTe але состоит в нарушении периодичности кристалличе- уменьшается на величину не более 5 10-5 эВ, чем, ского потенциала в твердых растворах AxB1-xC вслед- что вполне понятно, можно принебречь.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам