Электрофизические свойства и дефектообразование в узкощелевых полупроводниках с примесью In Абайдулина, Татьяна Григорьевна

Введение к работе

Актуальность темы исследования.

Халькогениды свинца, особенно РЬТе, до сих пор являются лучшими материалами для изготовления полупроводниковых термогенераторе», работающих в интервале средних температур (600 + 1000 К). Однако в области более низких температур (200 + 600 К) эффективнее использовать материалы типа ВігТез и твердые растворы на его основе. Тем не менее в настоящее время создание термоэлектрических охладителей для работы при низких температурах сдерживается отсутствием высокоэффективных материалов для р —ветви термоэлементов, при наличии эффективной п —ветви из сплавов Bi~Sb.

Известно, что повышение коэффициента полезного действия
термоэлектрических преобразователей связано с повышением

термоэлектрической эффективности Z = jo " используемых материалов, где S

— коэффициент термоэдс, о — удельная электропроводность, а; — коэффициент теплопроводности.

В свою очередь получение высокоэффективных материалов связано с исследованиями явлений переноса, зонной структуры, а также изучением влияния легирующего действия примесей на структуру и свойства материалов типа A₂^VB₃^VI и A^IVB^V'.

Особое затруднение вызывает выращивание однородных монокристаллов удовлетворительных размеров, в то время как металлокерамическая технология позволяет изготавливать достаточно однородные полякристаллические образцы, к тому же это достаточно мобильный, простой и более экономичный метод. Однако в поликрясталлических образцах ниже электропроводность, а, следовательно, и термоэлектрическая эффективность Z.

Фотоприемники на основе A^,VB^VI характеризуются большей фоточувствительностью и быстродействием относительно приемников с примесной проводимостью ІД1.Л2). Твердые растворы Pbj__xSn_xTe используются в оптоэлектронике как материалы для изготовления фотоприемников, лазеров, работающих в области 4 + 12 мкм, включая диапазоны, где практически отсутствует поглощение атмосферой Земли. Тот факт, что ширина запрещенной зоны в данных соединениях существенным образом зависит от состава,

температуры и давления, позволяет создавать перестраиваемые по частоте (по спектральным характеристикам) источники излучения.

Введение различных примесей позволяет как варьировать в широких пределах концентрацию носителей, так и управлять электрофизическими свойствами и тем самым подбирать оптимальные составы материалов с к ксимальной термоэлектрической эффективностью или с заданными фотоэлектрическими параметрами Поэтому проблема легирования теллурида висмута, теллурида свинца и твердых растворов на его основе представляет интерес как с научной, так и с практической точек зрения.

В диссертационной работе проведены исследования электрофизических свойств узкощелевых полупроводников ВІ2ТЄ3, РЬТе и , легированные примесью In.

В Bi₂Te₃ изучались особенности электрофизических свойств на предмет поиска примесных уровней методом дополнительного легирования, а также исследовано влияние In на дефектообразование.

В РЬТе индий создает амфотерний двухэлектронный уровень. В диссертационной работе изучено влияние In на явление самокомпенсации.

В твердом растворе ' ^е> легированном 3 ат% In, исследованы особенности явлений переноса в режиме прыжковой проводимости.

Учитывая вышеизложенное тему диссертационной работы следует признать актуальной.

Основные задачи диссертационной работы состояли н следующем:

1. Проведение исследований с целью поиска примесных состояний In и lVi/I'ej методом дополнительного легирования моктросіктивной примесью.

2. Исследование влияния примеси In на картину образовании собственных дефектов в ВІ2Т03. -

3. Изучение роли двухэлектронных примесных состояний в явлении самокомпенсации на примере примеси In и РЬТе. Определение характера зависимости концентрации вакансий от энергетического положения примесного уровня при температуре отжига.

4. Изучение особенностей основных кинетических коэффициентов: удельной электропроводности, теомоэдс. Холла и поперечного эффекта Нернста — Эттингсгауэена в твердом растворе РЬо78$^п0 22'¹'. легированном 3 ат% In и

3 .

дополнительной примесью, в области прыжковой проводимости. Определение вида функции плотности состояний д(с) вблизи уровня In.

Научная новизна полученных результатов состоит п следующем

1. Легирование теллурида висмута индием приводит к изменениям в
. электроактивном действии избытков основных компонентов: как избыточное

содержание Те, так и Bi вызывает образование донорних дефектов. Кроме того, присутствие примеси tn вызывает появление глубокого минимума на концентрационной зависимости коэ<{>фициента термоэде при низких температурах от (Т * 100 К), связанного с усилением межзонного рассеяния дырок.

2. Исследовано влияние частично заполненных двухэлектронных примесных
состояний In на явление самокомпенсации в РЬТе, определена зависимость
концентрации вакансий n_v от содержания введенной примеси N,_m|1, уточнены
скорость смещения примесного ' уровня . In с температурой

( _i = -(2 + 2.5)-10 ' эВ/К) и эффективная масса плотности состояний дырок

во второй валентной.зоне (м,_;, = 2/м„), где т„ — масса свободного электрона

Установлено, что характер зависимости n_v от N,,,,,, определяется энергетическим положением двухзлектрошюго уровня при температуре отжига, возможен как рост n_v, так и уменьшение при увеличении N,_mp.

3. Получены' экспериментальные данные по температурным зависимостям
коэффициентов Холла, удельной "электропроводности, термоэде и
поперечного эффекта Периста — Эттингсгаузена в твердом растворе
(Pl)_()/,|Sn|)22)oa/Te с'примесью In, дополнительно легированном донорной (С1)
или акцепторной (ТІ) примесью, уточнен механизм проводимости.
Обнаруженные особенности в кинетических коэффициентах, включая
аномальный знак коэффициента Нернста —Эттингсгаузена, объяснены в
рамках теории прыжковой проводимости. Из данных по термоэде получен"
вид функции плотности состояний, который имеет вид протяженного в
запрещенную зону «хвоста». Предложена полуколичественная интерпретация
температурной зависимости коэффициента Нернста — Эттингсгаузена,
основанная на представлениях о прыжковом механизме проводимости.

Практическая значимость

Полученные в диссертации экспериментальные результаты по влиянию примеси In на электрофизические свойства и дефектообразование в узкощелевых полупроводниках позволяют управлять концентрацией носителей тока и электрофизическими свойствами кристаллов узкощелевых п \упроводников ВігТез. РЬТе и Pb₀.7eSno,22Te и техническими характеристиками полупроводниковых приборов на их основе. .

Положения, выносимые на зашиту.

5. Легирование ВігТез примесью In приводит к появлению глубокого минимума на концентрационной зависимости коэффициента термоэдс при низких температурах (Т * 100 + 200 ' К), связанного с усилением межзонного рассеяния дырок в присутствии примеси In. Эксперименты по дополнительному легированию донорной примесью хлора ВІ2Тез:Іп стабилизации химпотенциала не выявили, что свидетельствует об отсутствии в исследуемой области энергий (выше потолка второй валентной зоны) примесных состояний In.

6. Легированных примесью индия ВІ2ТЄ3 существенным образом изменяет процесс дефектообразования. Введение как избытков Те, так и Bi уменьшает концентрацию дырок, причем при введении избытка Ві донорное действие выражено значительно сильнее нежели при введении избытка Те.

7. Особенности явления самокомненсации в РЬТе, легированном In, связаны с существованием частично заполненных двухэлектронных примесных состояний. На примере РЬТе, показано, что подобные индию амфотернис примеси оказывают существенное влияние на процесс дефектооГфазоиания. Причем установлено, что характер зависимости концентрации вакансий n_v от количества введенной примеси N_ln,_p определяется энергетическим положением двухэлектронного уровня при температуре отжига.

4. Наблюдаемые особенности в температурных зависимостях коэффициентов удельной электропроводности, термоэдс и Холла в твердом растворе , легированном 3 ат% In я дополнительной примесью, обусловлены прыжковым характером проводимости и наличием протяженного «хвоста» плотности состояний в запрещенной зоне.

....-5

5. Обнаруженный на эксперименте положительный знак коэффициента поперечного эффекта Нернста - Эттингсгаузена и экспоненциально? падение абсолютной величины коэффициента с температурой в твердом растворе Pb₀.7oSno.22Te:ln связаны с прыжковым механизмом проводимости и характером зависимости парциальной удельной электропроводности о(б) от энергии вблизи порога подвижности.

Лпробапия работы

Результаты диссертационных исследований докладывались на XIV Международной конференции по термоэлектрикам (Санкт-Петербург, 1995 г.), на V межгосударственном семинаре «Термоэлектрики и их применение» (Санкт-Петербург, 1996 г.), на научном семинаре на кафедре физики полупроводников и наноэлектроннки СПбГТУ.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 153 страниц, в том числе: 6 таблиц, 40 рисунков и список литературы из 103 наименований.