Самокомпенсация и явления переноса в полупроводниках типа AIV BVI с большой концентрацией примеси Прошин, Владимир Иванович

Введение к работе

Диссертация посвящена исследованию явления самокомпенсации легирующего действия примесей собственными электроакгивными дефектами в.ряде бинарных и тройных узкощелевых полупроводников типа A^IVB^VI и влияния сильного легирования примесями, образующими квазилокальные уровни, на электрофизические свойства таких материалов.

Актуальность теми. Полупроводники -типа А¹^¹ давно привлекают, внимание исследователей благодаря их интересным физическим свойствам и практическим применениям '(ПК-техника, термоэлектричество, тензометрия). Материалы А В * интенсивно изучаются уке не одно десятилетие. Многое известно о зонных спектрах, механизмах рассеяния носителей заряда, фонснных спектрах халькогенидов свинца (PbTe, PbSe,- PbS) и твердых растворов PbTe-SnTe, PbSe-SnSe. Однако указанные материалы исследованы к настоящему времени далеко не полностью, в частности* при больших концентрациях легирующих примесей.

Особую вашюсть узкощелевыэ материалы А В представляют для современной техники инфракрасного диапазона. В настоящее время на их основе уке созданы и разрабатываются источники и приемники КК-излучения, перекрывающие атмосферные окна в диапазоне 4-14 мкм. Подобные применения остро ставят проблему получения образцов узкозонных материалов A^IVB^VI с низкой концентрацией носителей, в то время

j TV VT

как для соединений А В характерны высокие концентрации электроактивных собственных дефектов (до ~ 10²¹ см"³) вследствие отклонения от стехиометрии.

Введение в халькогениды свинца и их аналоги в больших концентрациях доноров (I, С1, Вт, In) или акцепторов (ТІ, Na) позволяет, использовать такие новые метода управления свойствами A^IVB^VI как явление глубокой самокомпенсации и легирование примесями, образующими 'квазилокальные, или резонансные уровни. Парадокс состоит в том, что сильное легирование при определенных условиях позволяет получать образцы с весьма низкой концентрацией носителей, близкой к собственной, при ее высокой пространственной однородности и слабой чувствительности к влиянию неконтролируемых примесей и дефектов. Отмеченные, особенности подобных систем обусловливают возможность применения сравнительно простых технологических методов для изготовления узкозонных полупроводников А^В⁷¹ с высоким удельным сопротивлением и низкими концентрациями носителей тока. При этом электрофизические

параметры образцов оказываются в ряде случаев слабо зависящими от флуктуации состава материала и изменений технологических параметров,

В настоящее время актуальна проблема дальнейшего експериментального и теоретического изучения особенностей явления самокомпенсации в узкозонных материалах с чрезвычайно высокими концентрациями собственных дефектов, а также сильно локализованных примесных состояний, обусловленных короткодействующей частью потенциала.

Цель диссертационное работы:

- экспериментальное и теоретическое изучение явления самоком
пенсации в халькогенидах свинца в уэкощалоБах твердых растворах на
их основе PWe-SnTe и PbSe-SnSe при введенкии в вти материалы
различных донорннх и акцепторных примесей, в том числе образующих
кзазилокальные уровни; .

- исследование явлений переноса в узкозонном материале
^Pbo,78^Sno 2?.^Te:In' ^ПР^И вхстремальво высоких концентрациях пршеси
In,'образующей сильно локализованные состояния.

Научная новизни работа.

К новым научным результатам, полученным в процессе исследования, относится следующее.

1. Показано, что в РЬВв, легированном донорной примесью, возможна глубокая самокомпвнсащи. При легировании PbSe хлором и избытком селена глубокая самокомпевсацхя донорного действия примеси осуществляется вследствие образования наряду с одиночными вакансиям! свинца комплексов типа вакансия - примесный атом.

2. Показано, что глубокая самокомгансация в РЬТе, легированно» висмутом, может быть объяснена вхождением части ионов примеси і нейтральные комплексе, состоящие хз двух однократно .заряженных при месных ионов я двукратно наряженной вакансия свинца.

3. Теоретичеси показано, что в увкоаонных твердых раствора халькогенидов свннца-олова при легировании донорными примесям;: в ус ловиях максимальной самокошхшоациж должна наблюдаться перекомпенса ция донорного действия принеся.В то же время при легировании акцеп торными примесями должна наблюдатьсялинь незначительная самокомпен сация акцепторного действия примеси. Экспериментами по легировани РЪр^дБПр^Те примесями 01, на я ТІ я R>₀ 93 07^{Se п}Р^имвсью ^ У" занше вывода подтверждены.

Показано, что при легировании твердого'раствора РЪ₀ ^ ₂1 индием при избытке халькогена низкая концентрация носителей дості

lit t . :

Гавтся благодаря цинниш'у химического потенциала примесным Уровнем In, расположенным вблизи два зоны проводимости, в сочетании со слабой самокомпенсацией доноров вакансиями. .

5. .. Впервые исследованы кинетические явления в (Pb₀₍₇₈SnQ 22).,,JnJTe при содержании индия до 20 атЯ. Наблюдалась смена знака термояде при понижении температуры в твердых растворах, содержащих более б ат* in. Предложено' качественное объяснение наб-лвдавшихся закономерностей с привлечением представления о прыжковой проводимости и модели электронного энергетического спектра с псевдощелью между зонными состояниями и локализованными состояниями In. Получена оценка радиуса примесных волновых функций.

Практическая значимость.

Полученные в работе данные могут быть использованы для синтеза материалов А^В⁷¹ и твердых растворов на их основе с предельно низкими концентрациями носителей тока без применения прецизионных технологий, дорогостояадго оборудования и высокочистых исходных компонентов. Такие материалы могут использоваться в качестве шихты для приготовления эффективна шюючвых фоточувствительных элементов с высокой пространственной однородностью я воспроизводимостью свойств.

Основные положения, выносимые ва завиту.

1. В PbSe:01,Se_exo имеет место ярко выраженное явление самоком
пенсации. В максимально компенсированных образцах типичные значения

.концентраций носителей тока n, р * (2-б)«1Сг⁷ см"³. Компенсация до-норного действия хлора осуществляется не только двукратно заряженными вакансиями свинца, но и комплексами типа ион примеси. - вакансия свинца с энергией связи 0.35 еВ.

2. В РМегВі.Те^з наблвдается глубокая самокомпенсация. При компенсации донорного действия висмута часть ионов примеси связывается в нейтральные комплексы, состоящие из двух примесных однократно заряженных ионов и двукратно заряженной вакансии свинца. -

3. При легировании узкозонного твердого раствора Pb_{0 93}^Sno 07^Se примесью in в условиях максимальной' оамокомпенсации наблвдается перекомпенсация легирующего действия донорной . примеси акцепторными дефектами (р '« 10 см""³).

4. В узкозонном твердом растворе РЬ₀ gSn^jTe при введении донорной примеси хлора при избытке' теллура наблвдается" значительная перекомпенсация (р > 1 «Ю¹⁹ см"³). При легировании Pbg^gSng^Te акцепторами Na или ТІ имеет место лишь незначительная самокомпенсация.

- б -

Даже при минимальных содержаниях акцепторных примесей образцы обладают дырочной проводимостью.

.5. Для узкозонного твердого раствора Pb_{Q 8}Sn_{0 г}Те, легированного индием и избытком теллура, возможно получение образцов, п- и р-типа с весьма низкой концентрацией носителей (~ 10 см"-' при 77 К). Наблюдаемая экспериментальная зависимость разности концентраций электронов и дырок (n-р) от содерзшния примеси индия в максимально коптенсированных образцах объясняется пиннингом уровня химического потенциала узкой примесной полосой In в сочетании со слабой самокомдансацдей донорного действия In вакансиями металла.

6. В твердых растворах (Pb_{Q 7}s^Sno 2гЬ-у^1пу^Те "Р^{11 Оо}-^{Пьших кон}~ центрациях In (5 ат% и более) имеет место смена знака термоэдс на положительный при.понижении температуры, в то время как коэффициент Холла остается отрицательным. Температурная зависимость электропроводности и холлов'ской концентрации электронов имеет активационный характер. Наблюдаемые особенности явлений переноса объясняются моделью электронного энергетического спектра с псевдощелью между состояниями зоны проводимости и примесными состояниями индия и предполагают прыжковый механизм электропроводности по сильно локализованным состояниям примеси индия. Оценка эффективного радиуса примесных

волновых функций дает значение а « 6.А.

Апробация работы. Результаты проведенных исследований докладывались и обсувдались на Первой национальной конференции "Дефекты в полупроводниках" (СПб, 1992), III Межгосударственном семинаре (СПб, 1992), 1-й Российской конференции по физике полупроводников (Н.-Новгород, 1993-), на семинарах по проблеме "Примеси, дефекты и дегра-дационные явления в полупроводниковых приборах" в Доме ученых в Лесном (С-Петербург), а также на научных семинарах в ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН и кафедры физики полупроводников и наноалектроники СГОГТУ..

Публикации. Основные результаты.диссертации опубликованы'' в 10 печатных трудах, список которых приводен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных быводов и списка цитированной литературы..Работа сЪдержит 144 страницы машинописного текста, в тем числе 2 таблицы, 36 рисунков и список литературы, содержащий 89 наименований.