Диссертация (1105343)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВАФизический факультетНа правах рукописиАртамкин Алексей ИгоревичЭнергетический спектр и примесные состоянияванадия в узкощелевых полупроводниках на основетеллурида свинцаСпециальность 01.04.09физика низких температурДиссертацияна соискание ученой степеникандидата физико-математических наукнаучные руководители:доктор физико-математических наук,чл.-корр. РАН Д. Р. Хохлов,доктор физико-математических наук,Л.
И. РябоваМосква – 20162ОглавлениеВведение ...................................................................................................................................3Глава I. Энергетический спектр и примесные состояния в PbTe (обзор литературы) ...19Глава II. Методика эксперимента ........................................................................................33Глава III.
Транспортные и магнитные свойства Pb1 − xMnxTe ...........................................44Глава IV. Энергетический спектр и транспортные свойства монокристаллическоготеллурида свинца, легированного ванадием.......................................................................49Глава V.
Энергетический спектр и транспортные свойства твердых растворовPb1 − xMnxTe, легированных ванадием .................................................................................73Глава VI. Фотопроводимость теллурида свинца, легированного ванадием, втерагерцовом спектральном диапазоне...............................................................................92Основные результаты и выводы ........................................................................................101Заключение...........................................................................................................................103Литература ...........................................................................................................................1043ВведениеУзкощелевые полупроводниковые твердые растворы на основе теллуридасвинца являются важным базовым материалом современной инфракрасной итерагерцовой оптоэлектроники.
Это связано с уникальной комбинацией свойствданногоклассапрямозонными,рекомбинации.материалов.чтоРассматриваемыеобеспечиваетНемаловажнымвысокуюполупроводникиэффективностьобстоятельствомявляютсяизлучательнойявляетсязеркальностьэнергетического спектра зоны проводимости и валентной зоны, в отличие отполупроводников А3В5 и А2В6. Эта особенность приводит к существенномуподавлению Оже-рекомбинации. Высокая статическая диэлектрическая проницаемостьималаяэффективнаяэкранированиемассапотенциаланосителейзаряженныхзарядапримесейобеспечиваютиприводятэффективноекповышениюподвижности носителей заряда при прочих равных условиях.
Ширина запрещеннойзоны Eg может очень плавно по сравнению, например, с материалами группы А2В6,варьироваться при изменении состава сплава, результатом чего является высокаяпространственная стабильность свойств полупроводниковых твердых растворов.Важным обстоятельством является возможность изменять ширину запрещенной зонысплавов вплоть до нуля, что потенциально позволяет создавать оптоэлектронныеприборы дальнего инфракрасного и терагерцового спектрального диапазонов на основеданных материалов. Более того, в некоторых твердых растворах, в частности,Pb1 − xSnxTe, возможен переход по составу от прямого к инверсному спектру, чтообеспечивает возможность реализации состояния топологического изолятора.Основные проблемы при использовании полупроводников класса А4В6 связаны свысокой дефектностью данных материалов.
Они синтезируются со значительнымколичеством дефектов роста, таких как вакансии или атомы в междоузлиях, и все такие4ростовые дефекты являются электроактивными. Поэтому концентрация носителейзаряда, например, в теллуриде свинца, как правило, не ниже 1018 – 1019 см−3.Применение долговременных гомогенизирующих отжигов позволяет снизить этуконцентрацию на один-два порядка величины, но не более. Именно это обстоятельствоявляется основным ограничителем к более интенсивному использованию данногокласса материалов в инфракрасной оптоэлектронике.Одним из эффективных подходов к решению задачи изменения концентрацииносителей заряда в полупроводнике является его легирование различными донорнымиили акцепторными примесями.
В твердых растворах на основе халькогенидов свинцаприменение данного метода позволяет не только эффективно решать вышеуказаннуюзадачу, но и приводит к появлению новых эффектов, не характерных длянелегированного материала. Так, в сплавах Pb1 − xSnxTe(In), PbTe(Ga) наблюдаетсяэффект стабилизации уровня Ферми EF в энергетическом спектре полупроводника,когда расположение EF не зависит от количества введенной примеси, а определяетсятолько составом твердого раствора.
В частности, в некоторых случаях возможнастабилизация уровня Ферми внутри запрещенной зоны. В такой ситуации реализуетсяполуизолирующее состояние материала при низких температурах при сохраненииузкощелевого характера энергетического спектра. Вторым эффектом, определяющимсвойства сплавов Pb1 − xSnxTe(In) и PbTe(Ga), является задержанная фотопроводимостьпод действием инфракрасного и терагерцового излучения, наблюдающаяся при низкихтемпературах.
Этот эффект позволяет создать высокочувствительные терагерцовые иинфракрасные сенсоры на основе данных полупроводников.С другой стороны, эффект задержанной фотопроводимости в некоторых случаяхявляется нежелательным. Дело в том, что, поскольку характерные энергииэнергетического спектра полупроводника невелики, даже фоновое излучение от5нагретых частей криостата приводит к генерации долгоживущих свободныхнеравновесныхносителейзаряда.Врезультатеприизучениисвойствполуизолирующего состояния материала требуется очень тщательная экранировка отфонового излучения, что в ряде случаев представляет большую проблему.
Кроме того,высокая фоточувствительность является проблемой, если использовать легированныйматериал как согласованную по параметру решетки и по ее температурномукоэффициенту высокоомную подложку для пленок или гетероструктур материаловкласса А4В6.СтабилизацияуровняФермиприотсутствиифоточувствительностинаблюдалась в сплавах Pb1 − xSnxTe, легированных некоторыми переходными (Cr, Fe, Ti)и редкоземельными (Yb) элементами. Такая стабилизация, тем не менее, не приводилак реализации полуизолирующего состояния материала, поскольку уровень Фермистабилизировался в одной из разрешенных зон. Дополнительное введение марганца всостав твердого раствора Pb1 − xMnxTe является одним из способов увеличения ширинызапрещенной зоны. В некоторых случаях, как, например, в Pb1 − xMnxTe(Cr), этопозволяло сместить стабилизированный уровень Ферми внутрь запрещенной зоны приотсутствии задержанной фотопроводимости.Такимобразом,легированиепереходнымиметалламипредставляетсяперспективным для стабилизации уровня Ферми в сплавах на основе PbTe, а вариацияэнергетического спектра материала с помощью введения марганца в состав твердогораствора является эффективным методом модификации взаимного расположенияразрешенных зон и стабилизированного уровня Ферми.
К моменту начала выполнениянастоящей работы в литературе отсутствовали данные о свойствах сплавов на основетеллурида свинца, легированных другим переходным элементом – ванадием.6Цель диссертационной работы заключалась в изучении характера влияниялегирования ванадием на энергетический спектр, гальваномагнитные, магнитные итерагерцовые фотоэлектрические свойства твердых растворов Pb1 − xMnxTe.Основные задачи работы1.Исследованиехарактераиопределениемеханизмовизменениягальваномагнитных (на постоянном и переменном токе) и магнитных свойствмонокристалловтеллуридасвинца,легированныхванадием,приизменениисодержания примеси ванадия.2.Изучение характера перестройки энергетического спектра, а такжепричины изменения гальваномагнитных (на постоянном и переменном токе) имагнитных свойств монокристаллов твердых растворов Pb1 − xMnxTe, легированныхванадием, при изменении состава сплава.3.Исследованиекинетикитерагерцовойфотопроводимостивмонокристаллах PbTe(V) под действием мощного лазерного терагерцового излучения.Основные положения, выносимые на защиту1.Ванадий в PbTe проявляет донорные свойства и формирует примесныйуровень в запрещенной зоне, расположенный на ~ 20 мэВ ниже дна зоныпроводимости.
При низких температурах концентрация электронов уменьшается до 108см−3, образцы переходят в полуизолирующее состояние.2.Эффективный магнитный момент, рассчитанный на атом ванадия,уменьшается с увеличением концентрации V в PbTe. Значение эффективногомагнитного момента не соответствует ни одному известному зарядовому состоянию7атома ванадия, что можно рассматривать как подтверждение проявления переменнойвалентности примеси ванадия в теллуриде свинца.3.В Pb1 − xMnxTe ванадий является донорной примесью и формируетпримесный уровень, стабилизирующий положение уровня Ферми внутри запрещеннойзоны. При низких температурах основным механизмом электронного переноса вPb1 − xMnxTe(V) является прыжковая проводимость, как в образцах p-типа так и n-типа.4.В сплавах Pb1 − xMnxTe(V) отсутствует задержанная фотопроводимость.5.Обнаруженаположительнаяиотрицательнаятерагерцоваяфотопроводимость в PbTe(V) при воздействии лазерными импульсами с длинами волн90, 148 и 280 мкм.
Положительная фотопроводимость доминирует при всех длинахволн лазера и во всем диапазоне температур (4.2 – 300) К, однако в начале лазерногоимпульса на длинах волн 90 и 148 мкм при температурах выше 80 К наблюдаетсяотрицательнаяфотопроводимость.Показано,чтоположительныйфотооткликобусловлен возбуждением электронов с примесных состояний в зону проводимости,отрицательный сигнал связан с разогревом электронного газа при прохождениилазерного импульса.Научная новизна полученных результатовПроанализированмонокристалловPbTe(V)характерприизмененияизменениигальваномагнитныхсодержаниялегирующейсвойствпримеси.Определено влияние межпримесной корреляции на величину подвижности носителейзаряда и вид годографа импеданса.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
