Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 9 Подвижность носителей заряда в двухслойных структурах PbTe / PbS й О.А. Александрова, Р.Ц. Бондоков, И.В. Саунин, Ю.М. Таиров Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, 197376 Санкт-Петербург, Россия (Получена 7 апреля 1998 г. Принята к печати 14 апреля 1998 г.) Методом горячей стенки на подложках BaF2 выращены эпитаксиальные гетероструктуры p-PbTe / nPbS. Проанализированы зависимости эффективной подвижности носителей заряда, измеренной с помощью эффекта Холла, от толщины и от температуры в диапазонах 0.12 мкм и 100300 K соответственно.

Обнаружено, что эта подвижность зависит как от толщины образца, так и от толщины составляющих его слоев. Произведен расчет эффективной подвижности в предположении рассеяния носителей заряда на поверхности структуры и на дислокациях, образующихся на гетерогранице.

Введение генов [1]. Концентрация носителей заряда в выращиваемых пленках была постоянной и задавалась путем Многослойные структуры типа сверхрешеток и си- использования загрузки, состав которой соответствовал стем с многократными квантовыми ямами на основе конгруэнтно испаряющемуся составу [5].

халькогенидов свинца изучаются интенсивно в связи с Контакты для измерения эдс Холла изготавливались возможностью их применения для практических целей из индия. Измерения производились в постоянных элекинфракрасной техники [1,2]. Электрофизические свой- трическом и магнитном полях при двух направлениства таких структур во многом определяются качествами ях тока и двух направлениях магнитного поля. Ток гетерограницы. До настоящего времени анализ экспери- через образец пропускался параллельно гетерогранице ментальных результатов, например по эффекту Холла, и составлял 0.5 мА. Магнитное поле прикладывалось проводился на многослойных образцах с буферными перпендикулярно гетерогранице, индукция магнитного слоями [12]. Такой способ измерения дает информацию поля составляла 0.8 Тл. Температурные зависимости снио параметрах структуры в целом, но не позволяет выде- мались в диапазоне температур 100300 K. Измерения лить влияние гетерограницы на электрические характе- проводились как на образцах с равными толщинами ристики. Этому мешают как большое количество слоев, слове PbTe и PbS, различающихся общей толщиной, так так и само наличие буферного слоя. Очевидно, что, чем и на образцах с разным соотношением толщин (разной больше толщина последнего, тем больше его роль при конфигурацией), при одинаковой общей толщине струкопределении концентрации и подвижности носителей туры. Концентрация носителей заряда во всех образцах заряда.

составляла (13) 1018 см-3.

Естественными путями решения данной задачи являются во-первых, снижение количества слоев образца до 2. Результаты и их обсуждение минимума (т. е. до двух) и, во-вторых, отказ от применения буферного слоя. Двухслойные структуры с согласоС целью более полного и корректного анализа двухванными параметрами решеток находят применение при слойных структур предварительно проводилось исслесоздании широкополосных приемников инфракрасного дование зависимости подвижности носителей заряда от излучения [3]. С целью определения роли гетерограницы толщины и от температуры измерения для одиночных как рассивающего фактора в настоящей работе исследопленок PbTe и PbS. При этом такие образцы-свидетели вались двухслойные структуры PbTe / PbS.

выращивались в тех же технологических режимах, при которых впоследствии осуществлялось формирование 1. Техника эксперимента гетероструктур. Полученные зависимости показаны на рис. 1. При анализе данных обычно из холловской Одиночные пленки PbTe, PbS и гетеросруктуры подвижности, полученной экспериментально, по правилу p-PbTe / n-PbS наносились термическим вакуумным на- Маттиссена вычитают вклады в подвижность, обуслопылением по методу Фгорячей стенкиФ [4] на свежеско- вленные рассеянием на тепловых колебаниях решетки и лотые подложки BaF2. Скорость роста слоев выбиралась на ионизованных примесях. Подобным образом, с учетом в диапазоне 12 мкм / ч, как наиболее типичная при вклада поверхностного рассеяния для пленок n-PbTe, выращивании сверхрешеток. Толщина пленок PbTe, PbS полученных методом Фгорячей стенкиФ, авторы [6] полуp(d) изменялась за счет варьирования времени напыления. чили: r = dT, где p =-(0.8 + 0.286d). Величина Температура подложки составляла 520570 K. С одной r связывается с рассеянием на границах зерен, на дисстороны, такая температура обеспечивала эпитаксиаль- локациях и на неровностях подложки. Для германиевых ный рост слоев в направлении [111], с другой стороны, пленок [7] рассеяние на дислокациях учитывалось с поуменьшалась вероятность взаимной диффузии халько- мощью формулы Декстера и Зейтца [8] и для остаточной Подвижность носителей заряда в двухслойных структурах PbTe / PbS подвижности найдено выражение 1/r = A lg(b/d), где A и b Ч параметры, зависящие от условий выращивания и структуры пленки. Если аппроксимировать кривые на рис. 1 в виде полинома 4-й степени = a0x4 + a1x3 + a2x2 + a3x + a4, где a0a4 Ч размерные коэффициенты, а x соответствует по размерности толщине d, мкм, то справедливы будут следующие эмпирические выражения:

1 = -90.7d4 + 294.6d3 - 127.1d2 + 56.2d + 0.3, Рис. 1. Зависимость холловской подвижности носителей 0.1 < d < 2, (1) заряда () от толщины пленок (d) для материалов: 1 Ч PbTe, 2 Ч PbS.

2 = -0.7d4 + 6.6d3 + 18.9d2 + 15.3d + 2.5, 0.1 < d < 2, (2) Здесь и далее индексы 1 и 2 соответствуют PbTe и PbS.

Температурную зависимость подвижности можно -p представить в виде [9] = AT, где A Ч постоянная, определяемая параметрами материала, а p Ч коэффициент, зависящий от конкретного механизма рассеяния.

Значения p для различных образцов PbTe и PbS представлены в таблице. Они коррелируют со значениями p, полученными в работе [6].

В принципе для тонких пленок возможно наличие размерных эффектов: по средней длине свободного пробега носителей заряда и по дебаевской длине экранирования. Максимальные значения для обеРис. 2. Эффективная подвижность в гетероструктурах их длин, рассчитанные по формулам из работ [9,10], PbTe / PbS в зависимости от толщины (d1 = d2): 1 эксперимент, составили 40 и 25 нм соответственно. Следователь2 Ч расчет в представлении гетероструктур в виде образцов но, при данных минимальных толщинах теллурида и со слоистыми неоднородностями (формула (3)).

сульфида свинца (100 нм) в температурном диапазоне 100300 K появление размерных эффектов маловероятно. Известно [11], что для достаточно однородных пленок халькогенидов свинца p 2.5, что обыч- 12 мкм, выращенных на подложках KCl, наблюдалась = но объясняется рассеянием на длинноволновых аку- зависимость подвижности от температуры с показателем стических колебаниях с учетом температурной зави- p = 0.8, что связывалось с рассеянием на дефектах роста. С рассеянием на дислокациях связывают значения симости эффективной массы. При поверхностном же -0.рассеянии в PbTe T. В ряде работ [10] 1.5 < p < 2.0. Критическая толщина пленок, посообщается о рассеянии на дислокациях, на поверх- сле которой образуется сетка дислокаций, рассчитанная ности и на границах зерен для поликристаллических по методике [12], составляет 12 нм. Таким образом, пленок. Так, на пленках теллурида свинца толщиной можно считать, что для пленок PbTe, PbS толщиной 1 d1,2 2 мкм подвижность носителей обусловлена рассеянием на дислокациях несоответствия. При толщинах менее 1 мкм начинает сказываться рассеяние на Образец d, мкм d1/d2 p поверхности и на дефектах роста, так как отсутствует PbTe 0.5 - 1.буферный слой.

Ф 1.1 - 1.На рис. 2 (кривая 1) представлена экспериментальная Ф 1.6 - 1.зависимость эффективной подвижности для гетерострукPbS 0.5 - 1.тур p-PbTe / n-PbS от общей толщины слоев d (d1 = d2).

Ф 1.1 - 1.Ф 1.6 - 1.81 В общем случае многослойные гетероструктуры можно PbTe / PbS 0.5 1 0.рассматривать как образцы со слоистыми неоднородноФ 1.0 1 1.стями, включающими изменения концентрации n(z) и Ф 1.6 1 2.подвижности (z) носителей заряда, и, соответственно, Ф 1.6 0.45 1.проводимостью (z), где z Ч направление, перпендикуФ 1.6 2.2 1.лярное плоскости слоев. В частности, для двухслойных Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 1066 О.А. Александрова, Р.Ц. Бондоков, И.В. Саунин, Ю.М. Таиров толщины гетероструктуры d, чем для отдельных пленок PbTe и PbS. Кроме того, наблюдается зависимость коэффициента p от отношения толщин слоев d1/d2.

Наличие границы раздела может порождать в основном два фактора, дающие вклад в кинетические коэффициенты. Это, во-первых, образование твердого раствора в результате взаимной диффузии и, как следствие, возникновение неупорядоченности. Однако, как было отмечено выше, при данных температурах роста и в соответствии с данными авторов [1] образование метастабильной фазы PbS1-xTex маловероятно. Во-вторых, это образование дислокаций несоответствия в силу разницы периодов решетки теллурида и сульфида свинца: критическая Рис. 3. Эффективная подвижность для структур PbTe / PbS толщина образования сетки дислокаций, определенная (d = d1 + d2 = 1.6мкм) в зависимости от отношения экспериментально, составляет 23нм [1].

d1/d2: 1 Ч эксперимент, 2 Ч расчет в представлении гетеДля случая d1 = d2 необходимо учитывать также роструктур в виде образцов со слоистыми неоднородностями рассеяние на поверхности в результате уменьшения (формула (3)), 3 Ч расчет при рассеянии на дислокациях общей толщины гетероструктуры. Расчет подвижности (формула (7)).

носителей заряда в этом случае можно производить с помощью формулы [6,10] V S =, (4) структур выражение для эффективной подвижности но1 + l/d сителей заряда (2B2 1) имеет вид [9] где l Ч средняя длина свободного пробега, d Чтол eff = 1(1 + )-1 + 2 1 + -1 -1, (3) щина структуры, V Ч подвижность в объеме пленки.

Кривая 2, показанная на рис. 4 штриховой линией, где = 2d2/1d1. Кривая 2, показанная пунктиром получена с использованием уравнения (4). При этом на рис. 2, получена путем подстановки (1) и (2) в значение l принималось равным 50 нм, а в качестве равенство (3). Видно, что расчетные значения подвижобъемной подвижности использовалось значение eff, ностей носителей заряда по формуле (3) всегда больше рассчитанное по формуле (3) для d = 2 мкм. Из риэкспериментальных. Отсюда можно предположить, что сунка видно хорошее совпадение экспериментальной и при рассматриваемых толщинах пленок существуют дорасчетной кривых вплоть до значений d = 0.5мкм. Этот полнительные механизмы рассеяния носителей заряда, факт вместе со значением p = 1.2 для гетероструктуры не связанные с рассеянием внутри слоев.

с общей толщиной 0.5 мкм действительно указывает на Экспериментальные точки, отражающие зависимость возрастающую роль поверхностного рассеяния в резульэффективной подвижности носителй заряда в структутате уменьшения толщины образцов PbTe / PbS в целом.

рах PbTe / PbS от соотношения толщин, составляющих Дислокации несоответствия можно рассматривать как гетероструктуру слоев (d1/d2) при постоянной ее общей рассеиватели и как заряженные включения, модулируютолщине d = 1.6 мкм, представлены на рис. 3 (крищие потенциал [9]. К рассеивателям относится дефорвая 1). Наблюдающийся минимум объясняется различием в скоростях уменьшения подвижности для слоя PbTe и увеличения последней для слоя PbS с уменьшением отношения d1/d2. Кривой 2 на этом рисунке показана зависимость eff = f (d1/d2), рассчитанная с использованием выражения (3). Видно, что, так же, как и в предыдущем случае, экспериментальные значения эффективной подвижности меньше, чем расчетные.

Полученный результат свидетельствует о появлении и в этом случае дополнительных механизмов рассеяния носителей заряда, природу которых необходимо выяснить.

Изучение характера рассеяния носителей заряда, как и для одиночных пленок, проводилось на основе анализа температурных зависимостей эффективной подвижности носителей заряда в гетероструктурах различной тол- Рис. 4. Эффективная подвижность носителей заряда для щины и конфигурации (отношения d1/d2). Значения структур PbTe / PbS (d1 = d2): 1 Ч эксперимент, 2 Ч расчет для поверхностного рассеяния (формула (4)), 3 Чрасчет при коэффициента p представлены в таблице. Из таблицы рассеянии на дислокациях (формула (7)).

видно более сильное изменение p с увеличением общей Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Подвижность носителей заряда в двухслойных структурах PbTe / PbS мационный потенциал искажения решетки, вызванный Подставляя (6) в равенство (5), получаем зависимость дислокациями [8]. Однако дальнейшие исследования эффективной подвижности носителей заряда от толщины показали, что следует рассматривать влияние дисло- образца при рассеянии на дислокациях каций с точки зрения крупномасштабных флуктуаций потенциала. Иными словами, электростатическое поле Rd = V 1 - Ns. (7) дислокаций в большей степени способствует уменьшеd нию подвижности, чем деформционный потенциал дислокаций [13,14].

Подвижность, рассчитанная по формуле (7), показана На оси дислокации имеются локализованные уровни, на рис. 4 кривой 3 (штрихпунктирная линия). Расчет которые захватывают основные носители и образуют проводился в предположении, что при = 0.01 включения противоположного типа проводимости. Так, d V, при этом объемное значение подвижности дислокация в кристалле n-типа ведет себя подобно лидостигается только при d = 26 мкм. В качестве объемной нейному отрицательному заряду и создает вокруг себя подвижности V, как и в случае поверхностного расположительный пространственный заряд. Движущиеся сеяния, использовалась величина eff(d), рассчитанная к дислокации электроны испытывают с ее стороны отиз равенства (3). Из рисунка видно, что формула (7) талкивание, приводящее к их рассеянию. Для расчета дает хорошее согласие с экспериментальными данными, этого рассеяния каждую отдельную дислокацию можно начиная с d 0.7мкм.

рассматривать как заряженный цилиндр. Эффективная Выражение (7) использовалось и при расчете d в проводимость в таком случае дается формулой [15]:

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам