Электронный транспорт и фотопроводимость в нанокристаллических пленках PbTe(In) (1105304), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Рассматриваются основныесвойства полупроводников с модуляцией зонного рельефа.Теллурид свинца является узкощелевым полупроводником с прямой за6прещенной зоной Eg = 190 мэВ (при Т = 0 К), величина которой возрастает приувеличении температуры. При легировании PbTe индием свойства примесныхцентров определяются корреляционными процессами в системе примесныйцентр – ближайшее кристаллическое окружение. Стабилизированный уровеньФерми в PbTe(In) при низких температурах расположен на 70 мэВ выше дназоны проводимости, задержанная фотопроводимость наблюдается при температурах T < 25 К и обусловлена особенностями примесных состояний индия.В полупроводниках с модуляцией зонного рельефапротекание тока ивозникновение задержанной фотопроводимости связаны с наличием вэнергетическомспектререкомбинационного.пространственногоЗадержаннаядвухтиповРекомбинационныеразделенияфотопроводимостьбарьеров:барьерынеравновесныхвдрейфовоговозникаютэлектроновнеоднородныхивследствиеидырок.структурахможетнаблюдаться при относительно высоких температурах.Во второй главе приводится описание исследованных образцов, методовисследования и экспериментальных установок.Пленки PbTe(In) были получены физическим осаждением из паровой фазына стеклянную подложку.
Для этого монокристаллический образец PbTe, легированный 0.5 ат.% In, распылялся с помощью электронной пушки [7]. Температура Ts подложки при осаждении варьировалась в широком диапазоне от -120до 250 оС. Полученные пленки имели столбиковую структуру с ориентациейстолбиков в направлении, близком к перпендикулярному подложке. Высотастолбиков равнялась толщине полученных пленок и составляла ~ 1 мкм. Диаметр столбиков рассматривается как характерный размер кристаллитов d.
Дляпленок, осажденных при низкой температуре подложки Ts (-120 ÷ -70 oC), размер нанокристаллита составляет ~ 60-70 нм. Увеличение температуры подложки приводит к росту размера зерна, при температуре осаждения Ts = 250 оС dдостигает 300 нм.7Анализ данных рентгеновской дифракции показал, что исследуемые образцы являются однофазными с ГЦК структурой, характерной для теллуридасвинца. Увеличение температуры подложки при осаждения пленок приводит кпоявлению преимущественной кристаллографической ориентации столбиков внаправлении(200)(рис.1). Для пленок,полученных при Ts =250 оС, наблюдаетсяформированиетек-стуры в этом направлении.Изуче-ние профиля содержания элементов поглубине,проведен-ноепомощьюсОже-спектроскопии,показалоноеоднород-распределениеРис.1.
Спектры рентгеновской дифракции пленок PbTe(In) с размерами кристаллитов 60, 170 и 300 нм. Цифры рядом с кривыми- размер зерна в пленке и температура подложки при осаждении.Пики от золота и хрома связаны с нанесенными на пленки контактами.индия по всей толщине пленки.Несмотря на то, что объем зерен из-за легирования индием должен иметьпроводимость n-типа, знаки коэффициентов Зеебека и Холла для пленок, полученных осаждением на подложку с достаточно низкой температурой Ts < 40 оС,положительны.
Основными носителями заряда в образцах являются дырки. Дляпленок, осажденных при Ts = 250 оС, знаки коэффициентов Зеебека и Холлаотрицательны, а концентрация электронов достигает значений n = 6·1018 см-3,что близко по значению к концентрации носителей в монокристаллах PbTe(In).На рис.2 представлен типичный спектр поглощения нанокристаллическойпленки PbTe(In), рассчитанный из данных по спектральной зависимости коэффициента пропускания образца. В случае собственного поглощения коэффициент поглощения описывается соотношением α ~ (hω − Eg )1 / 2 , где hω - энергия8падающего фотона, Eg - оптическая ширина запрещенной зоны.
Рассчитанная изданного соотношения величина Eg составила 350 мэВ. Полученное значениепревышает ширину запрещенной зоны монокристалла PbTe, которая при комнатной температуре достигает 310 мэВ. Наиболее вероятной причиной такогорасхожденияэффектявляетсяБурштейна-Мосса, связанный сосдвигом края собственного поглощения светавсторонуменьшихдлин волн при заполнении электронами зоныпроводимости.Кроме того, в случаенеоднородныхпроводниковполумодуля-ция зонного рельефаРис.2.
Коэффициент поглощения α для пленки PbTe(In) сразмером кристаллита 70 нм как функция энергии падающего фотона. На вставке к рисунку показан график зависимости α 2 от энергии фотона. Т = 300 К.также может приводить к сдвигу края собственного поглощения.Одним из возможных способов модификации свойств нанокристаллических пленок является их окисление. Для исследования влияния окисления насвойства пленок PbTe(In) некоторые из полученных образцов дополнительноотжигались в атмосфере кислорода.
Пленки с размером кристаллита 300 нм отжигались при температуре Tann = 400 oC в течение 60 и 180 минут. Пленки сразмером зерна 70 нм отжигалась в кислороде в двух различных режимах: притемпературе Tann = 300 оС в течение 400 минут и при Tann = 350 оС в течение 180минут.Окисление является сложным процессом, который, с одной стороны, может приводить к появлению оксидных фаз на межкристаллитных границах, сдругой – к хемосорбции кислорода, диффундирующего вдоль межкристаллитных границ и формированию дополнительных акцепторных состояний на по9верхности зерен. В зависимости от температуры Tann и времени отжига состав ираспределение оксидных фаз изменяется.
На спектрах рентгеновской дифракции отожженных образцов PbTe(In) помимо линий, соответствующих оксидным фазам Pb2O3 и TeO2, появляется линия, связанная с образованием фазы металлического индия.Для измерения электрофизичеких характеристик были изготовлены образцы с двумя контактными конфигурациями: в холловской геометрии для измерений на постоянном токе и в двухконтактной геометрии для измерений в переменных электрических полях (наносились две контактные пластины с большой площадью и меньшим расстоянием между ними, что лучше соответствуеттребованиям корректного измерения импеданса). На пленки с проводимостьюp-типа контакты были нанесены методом термического испарения золота наподслой хрома (для лучшей адгезии золота на поверхности пленки).
К образцамс n-типом проводимости изготавливались никелевые контакты. Оба типа контактов являлись омическими во всем исследуемом температурном интервале,вольт-амперные характеристики образцов были линейны в диапазоне напряжений U < 0.5 В.При отжиге в атмосфере кислорода нанокристаллических пленок со средним размером зерна 60-170 нм контакты остаются омическими во всем исследуемом диапазоне температур и не вносят существенного вклада в измеряемоесопротивление. В случае пленок с размером кристаллитов 300 нм, окислениеоказывает существенное влияние на состояние приконтактной области. Это затрудняет интерпретацию результатов измерения импеданса этих пленок.Измерения на постоянном токе проводились с помощью автоматизированной установки, позволяющей регистрировать температурные и временные зависимости сопротивления образцов, а также вольт-амперные характеристики вдиапазоне температур 4.2÷300 K в темновых условиях и при подсветке.
Для исследования проводимости образцов в переменных электрических полях использовалась специально созданная установка, которая позволяла проводить измерение температурных и частотных зависимостей компонент полного импеданса10Z = Z '− jZ ' ' в области частот от 20 Гц до 1 МГц, в температурном диапазоне4.2÷300 K, в темновых условиях и при подсветке.В качестве измеряемыхсигналов регистрировались модуль импеданса |Z| и фаза ϕ , которыепересчитывались в действительную Z ' и мнимую Z ' ' компоненты импеданса ипроводимости σ ' , σ ' ' . Поскольку в исследуемых материалах наблюдается явление задержанной фотопроводимости, конструкция всех измерительных камер обеспечивала практически полное экранирование образца от фонового излучения нагретых деталей.В третьей главе представлены результаты исследования транспортныхсвойств и фотопроводимости пленок PbTe(In) с различным размером кристаллита.Температурные зависимости удельного сопротивления пленок с различным размером кристаллитов в условиях экранирования и при подсветке представлены на рис.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
