Введение к работе
Актуальность работы, наряду с классическими широкоэоншми полупроводниками, которые являются базовыми материалами для создания большого числа приборов, в. современной электронной технике все шире используются узкошелевые полупроводники- малая, соответствующая оптическим переходам е средней и дальнем инфракрасном диапазонах, и при этом легко изменяемая варьированием состава или с помощью внешних воздействия, величина запрещенной зоны делает их незаменимыми при создании ИК-приемников и лазеров- важность этой области спектра определяется наличием окон прозрачности в атносвере при длинах волн излучения ли = 3 - 5 мкм и ли - 8 ^ 12 мкм, что позволяет использовать этот диапазон для связи, ИК-астрономии, систем глобального экологического мониторинга, а также ген обстоятельством, что максимум теплового излучения ПРИ температуре т = 300 К приходится на *и = 10 * 11 мкм, к диапазон оказывается наиболее подходящим для пассивного обнаружения и сопровождения обьектсв при контроле за-состоянием окружающей среды в геофизике, для ИК-диагностики в медицине и т- п-
Узкотелевые полупроводники являются также общепризнанными модельными объектами для научных исследовании. Это обусловлено в немалой степени тем, что относительная простота энергетического спектра делает возможной теоретическую интерпретацию их основных свойств, а наличие узкой щели и малость эффективных масс носителей заряда порядка Ю"2-*10~3 от массы свободного электрона дает возможность с помощью легко достижимых в лабораторных условиях внешних воздействии таких, как магнитные и электрические поля, давления и одноосные деформации, температуры, легирование, либо плавно управляя параметрами узкощелевых полупроводников, либо качественно изменяя их свойства, реализовывать оптимальные условия для наблюдения новых зФФектов и явлений- Так именно на узкошелевых полупроводниках были открыты или детально изучены бесшелевое состояние, переход полупроводник-полуметалл под действием давления, одноосных деформация и магнитного поля, аномалии кинетических коэффициентов при топологических электронных переходах, неравновесное металлическое состояние, резонансы оже-. оптоФононнои и плазмокной рекомбинации в квантующем магнитном поле-
Изучение узкоаелевнх полупроводников имеет, таким образом, значительный практический и научный интерес, что стимулирует быстрое развитие Физики узкощелевых полупроводников, среди основных задач которой в настоящее время, как и у физики полупроводников в целом, является исследование процессов, происходящих в состояниях далеких от термодинамического.,равновесия- Интерес к подобным явлениям обусловлен прежде, вдогр^тем, что б существенно неравновесных условиях нередко удается получить недоступную при исследовании равновесной системы информацию об электрофизических свойствах материала, механизмах генерации и рекомбинации носителей, роли и природе примесных центров, механизмах рассеяния и их смене, свойствах электронно-дырочной плазмы, то есть выявить весьма тонкие свойства электронной и Фононнсй подсистем, а также детали механизмов их взаимодействия. Кроме того, повышенный интерес к неравновесным процессам в полупроводниках связан с необходимостью получения данных о предельных значениях параметров как самих полупроводниковых материалов, так и приборов на их основе и с возможностью технического применения возникающих эффектов. Наряду с инжекпией носителей из контактов и Фотовозбуждением эффективным методом создания неравновесной ситуации, который и использовался в настоящей работе, является приложение к полупроводнику сильного электрического поля, увеличивавшего энергию электронной полсистемы. ПРИ этом возникают так называемые эффекты "горячих" электронов, на основе которых созданы принципиально новые твердотельные приемники,- усилители, генераторы и другие эл-ектронные ПРИбОРЫ.
следует отметить, что благодаря исключительно высоким, нередко составляющим при низких температурах ю6мо7 см2/(В с), значениям подвижности носителей заряда в узкощелевых полупроводниках эффекты "разогрева" носителей наблюдаются в электрических полях порядка единиц fl/см и даже менее, а узость запрещенных зон и соответственно малость пороговых энергий ударной ионизации делают эти материалы наиболее подходящими объектами для исследования межзонного пробоя и получаемой в результате его развития электронно-дырочной плазмы (ЭДШ- Неудивительно поэтому, что именно на узкоше-левых полупроводниках впервые наблюдался эффект, поперечного пробоя, были детально исследованы неустойчивости (z - ііинч, э -пинч. магнитоконцентрационныи зффєкт) элекгронно-лырочной плазмы-Вместе с тем в настоящее время данные о поведении узкошєлєеьіх полупроводников в сильных электрических полях за исключением.
вероятно, лишь относящегося к материалам класса л3в5 сплава inSb носят Фрагментарный характер, а-нередко и противоречивы. По-видимому, значительные экспериментальные трудности: во-первых, необходимо создать в полупроводнике достаточно сильное электрическое поле и избежать при этом разогрева образца, то есть .электрическое поле должно подаваться короткими импульсами, во-вторых, в случае задачи изучения динамики развития процессов ударной ионизации и неусгоичивостеи ЭДП во времени длительность ФРОНТОВ импульсов должна быть намного меньше их характерных времен, составляющих всего 10"9 * Ю-8 с, и, в-трєтьих, поскольку значительного разогрева подсистемы носителей заряда можно достичь только при достаточно малой их концентрации, то измерения необходимо производить при низких температурах, в заметной степени отвечают за немногочисленность исследования в сильных электрических полях на узкошєлєенх полупроводниках, в том числе и на изученных в настоящей работе полупроводниковых сплавах Bij-xStx, Неі-хСахТе и PbTe:Ga.
Актуальность, большой практический и научный интерес, который представляет описанный круг задач, а также недостаток экспериментальных данных при наличии ошибочных работ и неоднозначности теоретической интерпретации ряда результатов явились основой для постановки настоящей работы и выбора объектов исследования-
Цель работы состояла в экспериментальном исследовании электропроводности, динамики процессов генерации неравновесных носителей заряда и неустойчивостей в сильных электрических полях на узкошелевых полупроводниках с различной зонной структурой при низких температурах с задачей обнаружения и изучения новых эффектов, а также получения и уточнения информации, необходимой при разработке и создании электронных приборов на оснозе этих материалов.
В качестве объектов исследования в настоящей работе использовались монокристаллы сплавов Bii-xSbx, H8]-xCdxTe и РьТе:6а. В случаге сплавов Bij-xSbx измерения выполнялись на материалах п- и р-типа проводимости с отвечающим области реализации Полупроводниковой зонной структуры содержанием сурьмы 0-085 і X і 0- 17, при этом основное внимание уделялось высококачественным образцам с низкой концентрацией примесных носителей, которые обеспечивают как наилучшие условия проявления эффектов, так и в наибольшей степени удовлетворяют требованиям практических приложении.- Наряду с имею-
шини важное практическое значение полупроводниковыми сплавами Hgi-xC
Конкретные задачи работы включали:
і) исследование в широком интервале электрических полей электропроводности МНОГОДОЛИННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ Elj-xSbx (0-085 і X і 0- 17) п- и р-типа проводимости, полупроводниковых сплавов Нві-зеС<ахТе (0- 18 і X ! 0-25) электронного и смешанного типа проводимости и рьТе с примесью О- 14-о ат- ч. Ga при низких температурах. Выявление при этом особенностей характерных для многодолинных полупроводников, а также отражающих изменение зонной структуры при варьировании состава твердых растворов и внешних воздействиях и. наконец, связанных с наличием примесей и дефектов;
2) изучение явления межзонного пробоя узкошелевых ПОЛУПРОВОДНИКОВ Bij-xSbx и сплавов Hgj-xC
3) исследование явления лелокализапии примесных носителей сильным электрическим полем в полупроводниках НЄі-хС<іхТе электронного типа проводимости и в образцах сплавов Pt>Te:6a. обладающих эффектом задержанной фотопроводимости;
4) изучение пинч-эффекта, магнитоконнентранионногс эффекта и других нєустойчивостєй в созданной в результате мекзонного пробоя полупроводниковых сплавов Bii-xSbK и Hgi-xCdxTe электронно-дырочной плазме;
5) анализ и сопоставление полученных экспериментальных данных с известными теоретическими моделями-
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:
і) благодаря разработанной методике изучения динамики межзонного пробоя и определения скорости ударной ионизации g и времени т жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках с высокой (до 100 ом"'см"1) проводимостью впервые проведены экспериментальные исследования величин е и т в сплавах Bii-xSbx п- и р-типа в широкой области составов (0-09 * X і 0-17), магнитных полей їло 60 кэ), температур 12 * 30 К), а также при сильных одноосных деформациях сжатия (величиной до - 0-3'/-). На образцах полупроводников Ві]-Хзьк с низкой проводимостью и в магнитном поле ПРОВОДИЛИСЬ также измерения традиционными методами в режиме заданного поля- Кроме того, в сильных -электрических и магнитных полях изучались стационарные ВАХ и проводимость сплавов Bii-xSbx при сильном одноосном сжатии и под давлением до 8 кбар;
2) использованная наносекунлная импульсная методика позволила впервые провести измерения БАХ, электсополевых зависимостей стационарной и динамической проводимости и коэффициента холла, а также исследовать неустойчивости в электронно-дырочной плазме полупроводниковых сплавов Н8і-хСахТє (0.18 і X і 0.25) при гелиевой и азотной температурах в широкой области электрических (до 800 в/см) и магнитных (И s 10 кЗ при 77 К и н і 70 кэ при 4- 2 К) полей, насяду с этим изучены ВАХ и сопротивление в сильных электрических ПОЛЯХ беСИеЛЄВЬІХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ Н8}-хС<1хТе (X = 0- 135 и
0. 145) при гелиевых температурах в продольных и поперечных магнитных полях и под давлением до іо кбар;
- 3) впервые выполнены исследования ВАХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
сплавов РьТе с примесью о- і М- О ат. '/ ба в широкой области электри
ческих полей (до 2000 В/см), температур (4.2 * 150 К) и давлений
(до 16 кбар).
Основные положения, выносимые на, зашиту- В результате проведенных экспериментальных исследовании в работе;
і! обнаружено появление под действием сильного электрического поля анизотропии проводимости сплавов Bii-xSbx в бинарно-бис-секторнои (базисной) плоскости. Основные особенности.явления находят объяснение в рамках теории эФФекта Сасаки-Шибуя;
2) установлено, что скорость ударной ионизации полупроводников Bij-2Sbx падает с ростом энергетической шели. сложным'образом зависит от температуры и анизотропных деформаций сжатия, ее изменение в продольной магнитной поле носит анизотропный и немонотонный характер;
3) в области квантующих магнитных полей в сплавах Bii-xSbs наблюдались резонансы скорости ударной ионизации, особенности поведения которых, в частности, при варьировании состава, под давлением и при одноосной сжатии объясняются-качественно и количественно теорией„оже-перехолов в полупроводнике с кваэиреляти-вистскии спектром,в квантушем магнитном поле;
4) обнаружеяоГ'чт'Ь "время жизни носителей заряда в сплавах Bij-xSbx (0.09 і X і 0-15) в магнитном поле увеличивается- при этом рост величины г в 2^3 раза происходит, за исключением случая ориентации поля вдоль тригональиой оси для материалов р-типа, в магнитных полях 1^3 кэ, а затем наступает насыщение- в целом, совокупность полученных в работе данных о времени жизни носителей заряда, прежде всего характер зависимости от концентрации примесных носителей и возрастание с температурой, свидетельствует об определяющей роли рекомбинации шокли-Рида в полупроводниковых сплавах Bii-xSbx при малой накачке в области гелиевых температур;
5) установленные магнитополевые зависимости времени жизни носителей и скорости ударной ионизации позволяют связать известный зФФект гигантского отриаательного продольного магнитосопротивления полупроводников Bii-xSbx в области пробойных электрических и сильных магнитных полей, направленных вдоль тригональиой кристаллографической оси, прежде всего, с ростом стационарной концентрации носителей заряда в магнитном поле. Реет стационарной концентрации носителей при резонансах скорости ударной ионизации объясняет, по-видимому, и наблюдаемые на этих полупроводниках при измерениях проводимости или сопротивления в области пробойных электрических и квантующих магнитных полей максимумы или минимумы соответственно;
6) изучена динамика линчевания элп в полупроводниковых сплавах Bii-xSbx. В частности, измерены зависимости времени пинче-вакия от величины протекавшего тока, внешнего продольного магнитного поля и размеров образца, а также зависимость критических токов, пинчевания от магнитного поля- обнаруженная зависимость времени линчевания и критического тока от ориентации образца относи-
.-тельно кристаллографических осей связывается с анизотропией энергетического спектра носителей заряда в сплавах Bii-.xSbx;
- 7): на снятых при больших, отвечающих области межзонного
пробоя, плотностях измерительного тока магнитополевых зависимостях
сопротивления бесжелевых полупроводников Hgj-xCaj/re наблюдались
осниллянии, появление которых связано с падением времени жизни неравновесных носителей в условиях магнитоФоионного резонанса;
8) установлено, что скорость ударной ионизации в полупроводниках НЕ]-хСахТе вследствие перестройки энергетического спектра падает при росте температуры и при увеличении содержания кадмия в сплаве:
9) найдено, что изменение скорости ударной ионизации в полупроводниках Hej-xC
10) при изучении электрополевых зависимостей коэффициента Холла наряду с его монотонным уменьшением в сплавах Hgj-jjCdxTe с электронным типом проводимости наблюдалось прохождение .через максимум в пробивных электрических полях в материалах со смешанной проводимостью, что может быть использовано при контроле качества кристаллов:
П) на основе анализа температурных зависимостей магнито-сопротивления показано, что наблюдаемая в допробсяной области электрических полей (Е і 100 в/см)' в ультраквантовых магнитных полях супєрлинєйность ВАХ образцов Hgi-xCdxTe с электронной проводимостью обусловлена активацией электронов, локализованных магнитным полем в ямах крупномасштабного потенциального рельефа;
12) изученная динамика установления сопротивления при протекании через образны большого тока свидетельствует о пинчевании электронно-дырочной плазмы в полупроводниках Hgi-xCdxTe- Время линчевания уменьшается при увеличении тока и при понижении температуры. Процесс подавления пинча продольным магнитным полем связан с замагничиванием носителей заряда;
13) показано, что экспериментально наблюдавшиеся на Нві-хС<іхТе особенности кинетики развития межзонного пробоя в скрещенных электрическом и магнитном полях и магнитополевых зависимое-
тел стационарной проводимости в пробойных электрических полях обусловлены магнитоконцеитраїшсшшм эффектом;
U) установлено, что темновые ВАХ обладающих эффектом задержанной Фотопроводимости образцов PbTe:Ga являются при температурах 4. 2 * 120 к суперликейными в широком интервале электрических полей, начиная уже с 'лолей.: } 1 В/см. Это качественно отличается от присущих нелегированному РЫе ВАХ и объясняется в рамках теории нелинейной прыжковой проводимости;
13) в области гелиевых и азотных температур обнаружен и изучен эФФект переключения обладающих задержанной фотопроводимостью образцов РьТе:ба в низкоомное состояние сильным электрическим полем Е і 300*1000 В/см- При гелиевых температурах время релаксации стимулированной электрическим полем проводимости превышает ю4 * Ю5 с, а рост проводимости в наиболее высокоомных образцах достигает семи-восьми порядков. Данные о характере изменения времени релаксации стимулированной электрическим полем проводимости и динамики переключения с температурой указывают на связь эффекта с процессами активации носителей, локализованных на примесных состояниях.
Практическая ценность работы определяется, прежде всего, возможностью использования полученных экспериментальных данных при создании электронных устройств и оптических приборов на основе
ИССЛеЛОВаННЫХ УЭКОШеЛеВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ Bii-xSbx, Hgi-xCdxTe и
PbTe:Ga. Так, данные о зависимостях скорости ударной ионизации от напряженности электрического и магнитного полей, температуры и состава сплава могут.оказаться полезными при разработке и совершенствовании Фотоприемников с лавинным умножением, в том числе управляемых магнитным полем, на основе Bij-xSbx и Hgj-xCdxTe-
Установленные закономерности поведения эффектов поперечного пробоя и резонансной ударной ионизации при варьировании состава сплавов и внешних воздействиях свидетельствуют о возможности применения' этих явлении для создания методов измерения энергетической шели узкошелевых ПОЛУПРОВОДНИКОВ-
Разработанные в настоящей работе методы определения скорости ударной ионизации и времени жизни неравновесных носителей заряда на основе данных измерений в режиме заданного тока могут найти применение при изучении свойств полупроводниковых материалов с высокой проводимостью в сильных электрических полях-
Апробация работы и публикации- материалы диссертации докладывались на IV. V, VI Всесоюзных симпозиумах "Плазма и неустойчивости в полупроводниках" (Вильнюс. 1980, 1983, 1986), V, VI, VII, VI11 Всесоюзных симпозиумах "Полупроводники с узкой запрещенной зоной и полуметаллы" (Львов, 1980. 1983, 1986, 1991), IX, X Всесоюзных конференциях по Физике полупроводников (Баку.-1982; Минск, 1985), V Всесоюзном совещании "Физика и техническое применение полупроводников а2в6" (Вильнюс, 1983), IX научном семинаре "Влияние высоких давлений на вешество" (Киев. 1984). III школе по актуальным вопросам Физики полуметаллов и уэкозонных полупроводников (Тирасполь, 1987). XI международной конференции МАРИВЛ "Высокие давления в науке и технике" (СССР. Киев, 1987), III Всесоюзной кон«ерешши "Материаловедение халькогенилных полупроводников" (Черновцы, 1991), Первой национальной конференции "Дефекты в полупроводниках" (Санкт-Петербург, 1992), Международной конференции "Узкощелевые полупроводники" (Великобритания, Саутхзмптон, 1992)
По теме диссертации опубликовано 52 печатных работы, список основных публикации приведен в коние автореферата-
Структура диссертации- Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы из 4 73 пунктов-Диссертация содержит 258 стр. текста, 191 рисунок и 3 таблицы.
