Книги по разным темам Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 12 Энергетический спектр теллурида свинца, имплантированного кислородом, по данным оптического поглощения й А.Н. Вейс Санкт-Петербургский государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия (Получена 18 декабря 1996 г. Принята к печати 22 апреля 1997 г.) Исследованы коэффициент термоэдс и спектры оптического поглощения в монокристаллическом PbTe, имплантированном кислородом и отожженном в вакууме. В валентной зоне PbTe : O+ обнаружен квазилокальный уровень, который может быть связан с кислородом.

Отжиг на воздухе или в атмосфере кислорода (так NTl 0.1ат%) и сверхстехиометрического теллура называемая активация) давно используется при создании Teexc, увеличение Ч при помощи ионного легирования фотоприемников на основе халькогенидов свинца [1Ц4]. аргоном дозами 103 104 мкКл/см2.

Этим объясняется интерес к исследованию особенно- Для введения кислорода в исследуемые образцы был стей легирующего действия кислорода и энергетического использован метод ионной имплантации (энергия иоспектра в активированных слоях. Объектами подобных нов Ч 100 кэВ, ионный ток Ч 0.5 мкА/см2). Этот исследований в большей части были поликристалличе- метод позволяет произвести легирование монокристалские пленки сульфида свинца. При этом было установле- лов с высокой степенью слоевой однородности. Процесс но, что в процессе активации снижается концентрация ионной имплантации осуществлялся через предварительанионных вакансий Vch, а тип проводимости в пленках но подготовленные оптические поверхности образцов.

инвертируется от электронного к дырочному. Эти факты Постимплантационный отжиг образцов производился в легли в основу двух моделей, объясняющих особенности вакуумированных кварцевых ампулах в течение 1 ч при легирующего действия кислорода в халькогенидах свин- T = 300C. После имплантации и отжига толщины эксца. Согласно одной из них, дырочный тип проводимости в периментальных образцов были уменьшены до значений активированных пленках обусловлен вакансиями свинца. d = 3 6 мкм посредством механической шлифовки и Другая концепция связывает инверсию типа проводимо- полировки их обратных (по отношению к имплантации) сти в активированных пленках с акцепторным действием сторон. На всех стадиях легирования и отжига в работе кислорода. были исследованы спектры коэффициента оптического Исследование электрофизических и фотоэлектриче- поглощения и коэффициент термоэдс S зондовым ских свойств позволило предполагать, что в запрещенной методом. Эксперименты выполнены при температурах зоне активированных пленок существуют два энергети- и 300 K.

ческих уровня Ч рекомбинации и прилипания (см. [1Ц4] Некоторые экспериментальные результаты показаны и цитированные там работы). По-видимому, наиболее на рис. 1. Оптические данные, полученные в исходных обоснованным является предположение [5] о том, что образцах, характерны для теллурида свинца в отсутствие оба этих уровня связаны с межкристаллитными про- сильной самокомпенсации. Среди исходных образцов слойками, по которым и осуществляется токоперенос наибольшей сложностью обладали спектры ( ) в в активированных пленках. Если же оба упомянутых p-PbTe : Tl,Teexc. В них (см. зависимость 1 на рис. 1), уровня связывать с действием кислорода в матрице наряду с составляющими L, связанными с оптическисульфида свинца [1Ц4], трудно понять причину столь ми переходами электронов между экстермумами L+ и сильной зависимости энергетических характеристик этих 5 валентной зоны, наблюдались колоколообразные осоглубоких уровней от технологии изготовления пленок и бенности 0, обусловленные оптической перезарядкой методов их активации. примесных центров таллия [6] (на рис. 1 указанные полоТаким образом, многочисленные эксперименталь- сы дополнительного поглощения отмечены стрелками).

ные исследования активированных поликристаллических Энергетическая схема PbTe : Tl,Teexc показана на рис. 2.

пленок не позволили установить ни механизм легирую- Энергетическим уровням Ei (i = 0, 1... 4) на схеме щего действия кислорода, ни энергетический спектр этой отвечают полосы i в спектрах оптического поглощения.

примеси в халькогенидах свинца. В настоящей работе Спектральные зависимости коэффициента оптического продолжено изучение этих вопросов. Однако в качестве поглощения в PbTe : Ar+ были изучены ранее и привеобъекта исследования в настоящей работе был выбран дены в [7]. В спектрах ( ) остальных образцов какихмонокристаллический теллурид свинца с варьируемой либо полос заметной интенсивности, свидетельствующих концентрацией анионных вакансий. Уменьшение кон- о существовании в них локальных или квазилокальных центрации Vch достигалось либо посредством введения состояний, не наблюдалось.

собственных дефектов, либо при помощи введения в Имплантация примеси кислорода сопровождается иншихту акцепторной примеси таллия (в концентрации версией типа проводимости p n. На это указывает 1420 А.Н. Вейс Отжиг имплантированных кислородом образцов сопровождается обратной инверсией типа проводимости от электронного к дырочному. На это указывает изменение знака S и появление новых полос (3, 4) в спектрах оптического поглощения (рис. 1, зависимости 3, 4). Первая из упомянутых полос наблюдалась и ранее [6] в сильно компенсированном PbTe, легированном Na или Tl и сверхстехиометрическим свинцом, и была приписана собственным дефектам донорного типа, предположительно Vch. Вторая (4) Ч не находит аналогов в литературных данных и указывает на существование в ионнолегированных кислородом и отожженных образцах нового квазилокального уровня, который можно связать с действием кислорода.

Энергии оптической перезарядки различных центров, обусловливающих появление колоколообразных особенРис. 1. Спектральные зависимости коэффициента поглощения в p-PbTe : Tl,Teexc (1, 2, 4, 5) и n-PbTe, легированном за счет отклонения от стехиометрии, (3). T = 300 K. 1 Чисходный образец; (2Ц5) Ч ионно-имплантированные образцы. Внедренные примеси: 2, 3 ЧO+; 4 ЧAr+ и O+; 5 ЧAr+. Доза имплантированного кислорода DO+, 103 мкКл/см2: 1, 5 Ч0;

2, 3 Ч 3; 4 Ч 2. Доза имплантированного аргона DAr+, 103 мкКл/см2: (1Ц3) Ч0; 4 Ч 10; 5 Ч 3. Отжиг: 2 Чне выполнен, (3Ц5) Ч выполнен.

не только изменение знака коэффициента термоэдс, но и результаты исследования спектров оптического поглощения. Как видно из рис. 1 (зависимость 2), в этих спекРис. 2. Энергетические схемы: (a, b) Ч p-PnTe : Tl,Teexc в трах появляются характерные колоколообразные полосы исходном состоянии (a) и после имплантации O+ (b); c Ч дополнительного поглощения 1 и 2, связанные с синn-PbTe, легированный за счет отклонения от стехиометрии, поглетным и дублетным термами вакансии халькогена [7,8].

сле имплантанци O+ и отжига в вакууме. Стрелками показаны Вклад неимплантированной части образцов проявляется оптические переходы электронов, обусловливающие появление в виде полос 0, связанных с таллием.

полос дополнительного поглощения в спектрах ( ).

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Энергетический спектр теллурида свинца, имплантированного кислородом, по данным... ностей в спектрах ( ), были определены посред- Список литературы ством расчета частотных зависимостей коэффициента [1] Р. Бьюб. Фотопроводимость твердых тел (М., ИЛ, дополнительного поглощения. При этом были исполь1962).

зованы методики выделения колоколообразных соста[2] Л.Н. Неустроев, В.В. Осипов. ФТП, 18, 359 (1984).

вляющих из спектров оптического поглощения и рас[3] Л.Н. Неустроев, В.В. Осипов. ФТП, 20, 59 (1986).

чета их спектральных зависимостей, подробно изло[4] Л.Н. Неустроев, В.В. Осипов. ФТП, 20, 66 (1986).

женные в [8]. Оказалось, что при T = 300 K энер[5] В.В. Тетеркин, Ф.Ф. Сизов, Н.О. Таштанбаев, В.Б. Орлецгия оптической перезарядки примесного центра таллия кий, В.Д. Фотий. Тез. докл. III Всес. конф. ФМатериаловедеE0 составляет 0.285 0.007 эВ, вакансии халькогена ние халькогенидных полупроводниковФ (Черновцы, ЧГУ, E3 = 0.245 0.010 эВ, а центра, связанного с кислоро1991) ч. 1, с. 88.

дом, E4 = 0.180 0.015 эВ. Указанные значения E0, E3 [6] А.Н. Вейс, В.И. Кайданов, Р.Ю. Крупицкая. ФТП, 22, (1988).

и E4 получены в результате усреднения данных для семи [7] А.Н. Вейс. ФТП, 30, 1144 (1996).

образцов, выполненного методами математической ста[8] А.Н. Вейс, А.Ю. Рыданов, Н.А. Суворова. ФТП, 27, тистики с использованием распределения Стьюдента [9] (1993).

с надежностью tS(n) = 0.95. При понижении темпе[9] О.Н. Кассандрова, В.В. Лебедев. Обработка результатов ратуры до 96 K величины E0, E3 и E4 уменьшаются до наблюдений (М., Наука, 1970).

0.220.02, 0.1750.020 и 0.140.02 эВ соответственно.

[10] L. Palmetshofer. Appl. Phys. A, 34, 139 (1984).

Отметим, что значения E0 и E3, определенные для Редактор Л.В. Шаронова PbTe : O+, соответствуют данным для теллурида свинца, легированного натрием или таллием и сверхстехиомеOxygen implanted lead telluride energy трическим свинцом [6].

В заключение кратко обсудим некоторые особенности spectrum deduced from optical absorption полученных экспериментальных данных. Во-первых, окаdata залось, что интенсивность полос 4 возрастает не только A.N. Veis при увеличении дозы имплантированных ионов, но и при повышении концентрации анионных вакансий в исходных State Technical University, образцах. Этот результат не противоречит существую195251 St. Petersdurg, Russia щей концепции, согласно которой кислород занимает места в подрешетке халькогена, залечивая вакансии. Во

Abstract

The thermoelectric power and the spectral dependenвторых, в оптических спектрах отожженного в вакууме cies of optical absorption of a PbTe single crystal implanted with PbTe : O+ присутствуют полосы 3, приписываемые ваoxygen and annealed in vacuum were investigated. A quasi-local кансиям халькогена. Как известно [10], отжиг ионноlevel which might be connected with oxygen was found in the имплантированных халькогенидов свинца в существенно valence band of PbTe : O+.

менее жестких условиях (25 мин при T = 250C) обычно приводит к устранению всех радиационных дефектов, в том числе и вакансий. Это подтверждается и данными настоящей работы. Как видно из рис. 1 (зависимость 4), в спектре ( ) p-PbTe : Tl,Teexc, имплантированного аргоном дозой 104 мкКл/см2 и отожженого в вакууме в течение 1 ч при T = 300C, полоса 3 отсутствует. Невозможность полностью устранить собственные дефекты в процессе отжига свидетельствуют о том, что кислород в PbTe обладает акцепторным действием, которое компенсируется вакансиями халькогена.

Таким образом, выполненные исследования показывают, что в результате ионной имплантации и отжига кислород занимает места вакансий халькогена и обладает в PbTe акцепторным действием. С примесью кислорода связан квазилокальный уровень E4, расположенный в глубине валентной зоны. Никаких других локальных или квазилокальных состояний, которые могли были бы быть связаны с кислородом или с ассоциатами, включающими кислород, в монокристаллическом PbTe : O+ не обнаружено.

Автор признателен И.О. Усову, выполнившему ионное легирование теллурида свинца.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, №    Книги по разным темам