Особенности примесных метастабильных состояний в теллуридах свинца и олова, легированных In и Ga Иванчик, Иван Игоревич

Введение к работе

. ктуальность темы. Современная оптоэлектроника уделяет значительное нимание дальнейшему освоению инфракрасного (ИК) диапазона іектромагнитньгх волн. Интенсивно совершенствуются приемы и методы пользования оптических сигналов ИК —диапазона для активного и пассивного эпровождения объектов, земной и космической связи, дистанционного змерения температуры, медицинской диагностики, контроля за уровнем ігрязнения атмосферы, исследования земных и водных ресурсов, климата амли и во многих других областях науки и техники.

В качестве базовых материалов для создания оптоэлектронных систем ^временная технология, как правило, использует полупроводниковые эединения, причем спектральный диапазон этих устройств в данном случае тределяется шириной запрещенной зоны материала. Устройства, работающие в шжней ИК —области создаются на базе классических полупроводников, в 1СТНОСТИ, германия, кремния и арсенида галлия, технология обработки которых настоящий момент близка к соверешенству, для средней и дальней ИК — эластей применяют полупроводники с узкой запрещенной зоной. Одними из іиболее часто используемых узкощелевых полупроводников являются !ллуриды свинца и олова. Это связано, прежде всего, с возможностью плавно зменять в достаточно широких пределах ширину запрещенной зоны эединений, как варьируя их состав, так и при помощи внешних воздействий, го позволяет перестраивать спектральный диапазон прибора.

Однако применение нелегированных сплавов Pb]__xSn_xTe для создания гальных оптоэлетронных приборов ограничивается высокой (~10^ш) фоновой шцентрацией свободных носителей заряда, обязанной возникающему гзависимо от способа роста монокристалов отклонению от стехиометрии, рименение длительных отжигов позволяет снизить величину п,р до ~ 10'⁶ см^-3, э степень однородности, как правило, невелика, и не позволяет создать ногоэлементные матрицы фотоприемников большой плотности.

Управлять концентрацией свободных носителей заряда в полупроводниках ожно вводя в объем материала различные донорные и акцепторные примеси, кзалось, однако, что легирование рассматриваемых соединений элементами III (уппы не только позволяет снизить фоновую концентрацию носителей, но и

приводит к качественному изменению свойств исходного материала. На ш взгляд, наиболее интересными и необычными свойствами обладают сплаї Pb;i~_xSn_xTe(In) и PbTe(Ga).

Наиболее важными свойствами, во многом определяющими интерес этому классу веществ, являются стабилизация уровня Ферми и задержанн фотопроводимость.

Следствием первого из этих эффектов — независимости положеа уровня Ферми от количества введенной примеси и концентрации собственні дефектов — является черезвычайно высокая пространственная однородное электрофизических свойств материала. Более того, уровень Ферми мож оказаться стабилизированным внутри запрещенной зоны, и тогда реализует диэлектрическое состояние, когда фоновая концентрация свободных носителя заряда определяется термической активацией и при гелиевых температурах і превышает 10^е см^-3. Таким образом, создается совершенно необычн; ситуация, когда "грязный" узкозонный полупроводник обладает чрезвыч&ш высокой пространственной однородностью электрофизических параметров имеет крайне низкую фоновую концентрацию носителей заряда. Такі уникальное сочетание уже делает рассматриваемые материалы весы перспективными с точки зрения их использования в ИК — фотоприемнь системах.

Крме того, сам эффект фотопроводимости в рассматриваемых материал; очень специфичен. При низких температурах Т < Т_с составляющей Т_с ~ 25 К д/ Pb[__xSn_xTe(In) и Т_с ~ 80 К для PbTe(Ga) времена жизни фотовозбужденнь носителей заряда становятся очень велики х ~ 10⁴ с, и фактически пр фотогенерации происходит накопление неравновесных электронов (или дыро: в разрешенной зоне. Таким образом, полупроводник работает как счетчь квантов излучения.

Описанный выше эффект задержанной фотопроводимости явилс объектом многочисленных экспериментальных и теоретических исследований, к моменту начала выполнения настоящей работы в общих чертах бы; построена теория, объясняющая основные особенности наблюдаемых явлени на основе модели автолокализации носителей заряда в результате ян-теллеровской неустойчивости. В то же время целый ряд экспериментальны

рактов не получил адекватного объяснения. В частности, остался неясным один « основных вопросов: почему задержанная фотопроводимость появляется при температуре ниже Т_с, и соответствует ли данная температура каким—либо особенностям энергетического спектра.

В рамках указанной модели предсказывалась возможность существования іримесішх электронных метастабильных состояний, отделенных барьерами в конфигурационном пространстве как от зонных, так и от основных примесных :остояний. К моменту начала выполнения настоящей диссертации, однако, факт существования метастабильных примесных состояний в Pb]__xSn_xTe(In) был юдтвержден экспериментально лишь в небольшом количестве работ а для ^DbTe(Ga) таких подтверждений не было вовсе.

Вообще говоря, физика явлений, наблюдающихся в PbTe(Ga), изучена в 'ораздо меньшей степени, чем для Pbj__xSn_xTe(In), и остаются неясными многие зопросы, уже решенные для сплавов, легированных индием. Так, в литературе іет единого мнения о характере изменения энергетического спектра материала при изменении степени легирования, о природе задержанной ротопроводимости, о том, насколько модель, разработанная для Pbi__xSn_xTe(In), применима в случае PbTe(Ga). Совершенно не разработана проблема примесных метастабильных состояний в PbTe(Ga).

Как указывалось выше, рассматриваемые материалы представляют также золыпой интерес с точки зрения практических приложений. Существование >ффекта задержанной фотопроводимости позволяет выделить сплавы ³b!__xSn_xTe, легированные индием и галлием, в новый класс полупроводниковых ротоприемных материалоп. Дело в том, что, как правило, выходной сигнал ротоприемников на основе узкозонных полупроводников, пропорционалеп інтенсивносте падающего излучения. Известно, что интегрирование сигнала во іремени приводит к увеличению отношения сигнал—шум и, таким образом, к Улучшению параметров фогоприемников. Такое интегрирование обычно производится либо во внешних электрических цепях, либо с помощью ПЗС-ггруктур, создание которых представляет существенные технические сложности. Рассматриваемые фотоприемные материалы уже сами по себе являются інтеграторами светового потока, что обеспечивает им значительные іреимущества по сравнению с традиционными.

Однако при попытках построения фотоприемных систем на базі Pbi__xSn_xTe(In) возникает существенная проблема, связанная с необходимость» периодического возобновления накопленной информации, т.е. возможность* быстрого сброса фотосигнала. К моменту начала выполнения настоящей работі было предложена эффективное решение указанной проблемы методом СВЧ-гашения, однако не было исследовано влияние характеристик СВЧ —поля а процессы сброса и последующего накопления фотосигнала.

Большой практический и еще больший научный интерес, которьн представляет описанный круг задач, незаконченность теоретически: представлений и известная дискуссионность проблемы явились основоі постановки настоящей работы.

По нашему мнению, только комплексное исследование объекта помощью разнообразных методик может дать достаточно полную і всестороннюю информацию о природе и характере протекающих физически: процессов, и позволит построить адекватную теоретическую модель. Кроме тоге именно такое исследование может создать прочную основу для практическое использования наблюдаемых эффектов в реальных приборах.

Цель работы состояла в комплексном экспериментальном исследовани! теллуридов свинца и олова, легированных In и Ga, с целью получения наиболе. полной информации о структуре примесных состояний, обнаружения ] детального исследования новых физических эффектов, обусловлецны: особенностями этой структуры; и для разработки на данной основе новы: принципов работы фотоприемных устройств ИК—диапазона.

В качестве объектов исследования в настоящей работе в основної* использовались материалы, в которых наблюдается эффект задержание] фотопроводимости и темповая концентрация свободных носителей заряда мала Такой выбор обусловлен тем обстоятельством, что в этой ситуации наиболе' ярко проявляются эффекты, связанные с особенностями примесных состоянші а также кристаллической решетки полупроводника, что позволяет получит максимум информации о природе наблюдаемых явлений.

Конкретные задачи работы включали:

— Исследование гальваномагнитных и фотоэлектрических эффектов сплавах Pbt-xSn^Tepn) и PbTe(Ga) в широком диапазоне температур (1.4 — ЗОС К, электрических полей Е < 10 В/см, в постоянных магнитных полях до 5 Т>

ри воздейстізии ИК — подсветки, а также в импульсных магнитных полях до 40 л, при различной степени легирования материала.

— Исследование спектров ИК—отражения PbTe(Ga) в области температур
5—300) К и волновых чисел (50 — 500) см~^!.

— Исследование спектров фотопроводимости сплавов PbTe(Ga) в
иапазоне температур (5—300) К и волновых чисел (10—10⁴) см^-1.

— Исследование методов управления фотопамятью в Pb₁__xSn_xTe(In).

Анализ и сопоставление полученных экспериментальных данных с еоретическими представлениями, определение параметров теоретических годелей.

Решение ряда поставленных задач привело к постановке вопроса о оздании специального стенда для определения параметров фотоприемного іатериала.

Научная новизна и положения, выносимые на зашиту. В настоящей >аботе впервые:

1. — Установлено, что если концентрация галлия в сплавах PbTe(Ga) іеньше, чем необходимо для стабилизации уровня Ферми, то появление іадержанной фотопроводимости связано с крупномасштабными флуктуациями готенциалыюго рельефа.

2. — В спектрах отражения высокоомных сплавов PbTe(Ga) обнаружена зеобенность, для описания которой в закон дисперсии необходимо ввести дополнительный осциллятор. Природа осциллятора связывается с оптическими переходами между основными и метастабилышми примесными состояниями.

3. — Обнаружено, что красная граница коротковолновой части спектра ротопроводимости сплавов на основе PbTe(Ga) со стабилизированным уровнем Ферми соответствует ширине запрещенной зоне материала, а примесная ротопроводимость проявляется в виде структуры вблизи красной границы.

4. — Установлено, что в сплавах на основе PbTe(Ga) со стабилизированным >фовнем Ферми наблюдается значительный фотоотклик в дальнем ИК — диапазоне при температурах, близких к азотной. Спектр фотопроводимости представляет собой узкий пик на частоте 130 см^-', которая близка к частоте продольного оптического фонона.

5 — Обнаружен эффект локализации фотовозбуждешшх носителей
заряда в Pbi__xSn_xTe(In) в сверхсильном (до 40 Тл) магнитном поле. Характерное

время локализации экспоненциально зависит от величины магнитного поля і линейно — от температуры. Рассматриваются причины, приводящие ] появлению эффекта.

6. — Исследованы особенности процессов, происходящих при сброо сигнала накопленной фотопроводимости короткими импульсами СВЧ-поля.Установлено, что при определенном режиме гашения задержанное фотопроводимости импульсами СВЧ наблюдается эффект увеличения скорості роста сигнала фотопроводимости после окончания импульса — СВЧ-стимуляция фотопроводимости. Получено, что квантовая эффективное^ фотоприемника на основе Pbi__xSn_xTe(In) в режиме СВЧ—стимуляцш составляет т) ~ 10², в то время как при работе вне данного режима r\ ~ 1 Предложена модель, согласно которой данный режим гашения задержанное фотопроводимости обеспечивает локализацию фотовозбужденных электронов і основном в метастабильное одноэлектронное примесное состояние.

7. — Обнаружен эффект резонансного возрастания фотопроводимости сплавов Pbi__xSn_xTe(In) при воздействии СВЧ—накачки на частоте ~ 280 МГц, Показано, что за возникновение эффекта ответственны электроны, локализованные на метастабильных примесных состояниях.

8. — Разработаны и созданы специальные стенды для определения параметров фотоприемных материалов в низкофоновом и бесфоновом режимах, позволившие определить основные параметры, характеризующие фотоэлектрические свойства исследуемых материалов.

Практическая пенность работы заключается в том, что проведенные в ней исследования показали, что рассматриваемые материалы фактически представляют новый класс фотоприемников ИК—диапазона; созданы уникальные стенды для определения параметров фотоприемников в бесфоновом режиме и определены параметры, характеризующие исследуемые материалы.

Основу настоящей диссертации составили результаты экспериментальных исследований, выполненных в период с 1989 по 1993 г. в соответствии с планом научно — исследовательских работ МГУ, физического факультета и кафедры физики низких температур по теме "Физика конденсированного состояния". per.N 01960130559.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих Всесоюзных и Международных конференциях, совещаниях и симпозиумах: Международная конференция по тройным и многокомпонентным соединениям (Кишинев, 1990), Всесоюзная конференция "Перспективные материалы твердотельной электроники" (Минск, 1990), Всесоюзная конференция "Материаловедение халькогенидных полупроводников" (Черновцы, 1991), Всесоюзный симпозиум "Полупроводники с узкой запрещенной зоной и полуметаллы" (Львов, 1991), Международная конференция по фурье — спектроскопии (ФРГ, Любек — Травемюнде, 1991), Международный симпозиум по исследованиям в сильных магнитных полях (Голландия, Амстердам, 1991), Международная конференция по физике узкозонных полупроводников (Великобритания, Саутгемптон, 1992), 22 Международная конференция по физике полупроводников (Канада, Ванкувер, 1994).

Публикации. По теме диссертации имеется 23 публикации. Основные результаты работы опубликованы в 12 статьях. Список основных работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, девяти глав, основных выводов, заключения и списка цитированной литературы. Диссертация содержит 149 страниц, включая 52 рисунка, оглавление, список цитированной литературы из 123 наименований.