книги / Материаловедение узкощелевых и слоистых полупроводников

УДК 5 3 5 .3 7 2 .2

В .К .К и ва, Я.Д.Ш епетгак

ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА АМОРФНЫХ ПЛЕШК СЕЛЕНИДА ИНДИЯ

Б л аго д ар я вы сокой ф оточувстви тельн ости

в видимой и ближней ИК-об-

л асти с п е к тр а , радиационной стой кости ,

тен зочувстви тельн ости

сло­

истые полупроводники группы А^В® давно привлекают повышенный

э к с ­

периментальный и н те р е с . Однако их п рактическое использование

с в я ­

существующих к о н т а к т о в ,

невоспроизводим ость

параметров

монокрис-

талли чески х образц ов после

их терм ической,

механической

обработки

Л / .

Определенные

надежды в

решении эти х зад ач

/2 - 4 7 связаны

с

во ­

зможностью получения полупроводниковых пленок А^д .

Пленки

селен и д а

ш щ и я‘ были получены методом конденсации в

в а ­

куум е, при

этом

в к а ч ес тв е

исходной шихты

исп ользовался

In S e

син­

тезированны й

в

стехиом етрическом соотношении. Толщина полученных

пленок с о с т а в л я л а

2000 -2500

А. В к ач еств е

подложки

использовались

пирексовое

с те к л о

и оксидированный монокристаллический

кремний. В

к а ч еств е к о н так тн о го

м атери ала использовались металлический индий

и е г о

сплавы

с

серебром .

Проведены

и сслед о ван и я

структурны х, оптических, ф отоэлектри­

ч ески х сво й ств

пленок

1 л Se

в зависим ости

от технологических

р е ­

жимов. Р ен тген оструктурн ы е

и сследования полученных пленок при тем ­

пературе

отж ига

менее

650 К свидетельствую т

об

образовании аморф­

ной структуры ,

не

вы явлено

также зер н и стости

н а

снимках

структуры

п лен ок, полученных с помощью электронного микроскопа "ISM -T 20".Ис­

следования

оптических

и ф отоэлектрических

свойств пленок 1лSe

ц р о -

ведены с

помощью у стан о вк и

на

базе модернизированного спектром ет­

р а ИКС-1

при

комнатной

тем п ер ату р е.

На р и с Л

п р е д ста в л е н а

сп ектральн ая зависим ость

оптической

п лотн ости полученных

при различны х тем пературах

отжига

пленок 1 л Se.

П редставленные

спектры

хорошо

согласую тся

с.известны м и

спектрами

аморфных

и

неупорядоченных

полупроводников

[ $ ] .

Как

и в

известной

модели К оннелла

/ 5 / ,

край оптического поглощения в

исследованных

пленках

ф ормируется оптическими переходами

между локализованными

(о б л а с ть

А)

состояниям и

щели

подвижности,

"хвостам и" зо н и п ерехо ­

дами

между квазинепрерывными

(о б л а с ть Б) зонами

полупроводника.И з

рис Л

ви дн о,

ч то в к л а д

оптических переходов

между локализованными

состояниям и

ум еньш ается

при

увеличении температуры

(д л и тельн ости )

отж ига. Одновременно

с

увеличением Тот.к происходит

смещение

к р ая

51

Р и с.2 . Спектр

поглощения пленок

fffS e

при

тем п ер ату р ах

отж и га

от

553

К до

673

К: 1

-

673 К;

2 -

653 К;

3 - 623

К; 4

-

593

К ;

5

-

553

К

фундаментального

поглощения в

коротковолновую

сто р о н у

с п е к т р а ,у в е ­

личение щели подвижности. Подобные результаты

были получены

в р а ­

ботах / 2 ,

37

и интерпретированы

в рамках зонной м одели н еу п о р яд о ­

ченных полупроводников Мотта -

Д евиса. Термический

отж иг

п л ен о к

способствует

устранению дефектов

и реконструкции аморфной с е т к и

атомов, что, естественно, сопровождается уменьшением

" х в о с т о в "

л о ­

кализованных

состояний вблизи

экстремумов

зо н .

При увеличении

температуры

термического отж ига п л ен о к

д о 6 5 0 -

670 К наблюдается резкое уменьшение ширины щели подвиж ности

(р и с .

2) до значений, примерно равных

ширине запрещ енной зоны в

моно­

кристаллах I rr S e .

Этот скачок

в значении

f ç

и

х а р а к т е р е

с п е к -,

тральной

зависимости

оптической

плотности

с в я за н ,

п о -ви ди м ом у,

со

структурным переходом от аморфного к

п о л ж р и стал л и че ском у с о с т о я ­

нию при

Тотж

- 650

К, ч то

подтверж дается рентген оструктурн ы м и

ис­

следованиями. Обнаруженные

авторами / 2 / изменения

в э л е к т р о к и н е т и -

52

чески х

св о й ств ах

пленок I n S e при сравнительно высоких

тем пера­

турах

отж ига такж е, по-видимому, обусловлены структурным

перехо ­

дом от

аморфного

к п олш ри сталли че скому состоянию .

д егр ад ац и я

со врем енем

определяю т возможность их

использования

в

тех н и ке,

проведены и сследован и я старен и я

пленок

I n Se

, а

также

их терм оциклирование

в

интервале

от

-6 0

- +100 С . Эксперименты

п о к азал и ,

ч т о

дрейф

эл ек тр и ч еско го сопротивления

пленок наблюдал­

ся лишь в

течен и е

80 -100 ч асо в после

приготовления,, прогрев н а

в о ­

здухе д о

тем пературы

80 -100 С в

течении

нескольких

часов

способст­

в у ет

стаби ли зац и и

х ар актер и сти к

пленок .

Проведены

и сследован и я тензоэф ф екта

н а

пленках

I n Se

.выращен­

ных

н а подложках из

оксидированного

кремния

(упругий

элемент

-

крем ниевая

к о н со л ьн ая

б а л к а ). Коэффициент тензочувствительности

Кг х.

300

+

500

(при

относительны х

деформациях

до

1 0 “ ^ ) прак­

тически

не

у сту п ает

значению

Кг

в монокристаляических

образ­

цах

i n se

Эксперименты

п о к а за л и , ч то

пленки

I n Se

, полученные

при Тотжя

= '650 обладают ф оточувствительностью с

максимумом фотопроводимос­

ти ,

совпадающим с

Тд . У становлено,

ч то

при

термическом отжиге по­

турах 4 50 -550

С в

обычной

атмосфере

ф оточувствительность

пленок

у вел и ч и вается

в д е с я т к и

р а з

подобно

тому,

к ак это

имеет место

при

отжиге в

атм осф ере

пленок

халькогенидов

свинца / | 7 .

1 . Ковалюк З . Д . ,

С ередок

А .И .,

Товстюк

К .Д . Ф отоэлектрические

с во й -

ства^и н те^кал и р о ван н о го

T nS e

/ /

У кр.

ф из. яурн . - 2 2 ,

№ 7 .

- 65432

2 .

K rish n a D .V .,

Jav aram a

P . E l e k t r i сa l

c o n d u c tiv ity ,

s tr u k tu r e

and

H a ll e f f e c t

m easu rem en ts

o f Iv S e

f ilm s

/ / Thin

S o lid F ilm s .

-

3 .

1 9 8 3 . - 1 0 £ , N 2 . - P . 1 3 9 -1 4 7 .

o f

o p t ic a l

a b s o rp tio n

o f

C h au d u ri

S . , B isw as

S.K .

Dependence

am orphous

JnS â

f ilm s

an

te m p e ra tu re

o f

h e a t tre a tm e n t

/ / S o lid

4 .

S ta te

Commune.

-

1985»

-

53»

N 3*

-

P» 273 -276 .

edge

i n

am orphous

An-Ani

S .K . J . ,

H o g a rth

0 .1 7

O p tic a l

A b so rp tio n

Iiï* o S e7A

f ilm s

/ / P h y s.

S t a t .

S o l. -

1985» -

§ 2 , N

4 .

-

5 .

P . 1 6 4 -1 6 8 .

/ Под р е д . М .Бродски;

-

М«: Мир ,1 9 8 2 ,-

Аморфные

полупроводники

6 .

419 с .

Ю .А .,

Полоник

Ю.В.

0

природе

ф оточувствительности

в

Зариф ьянц

ф изических

слоях

P b S

/ /

Физика и техника полупроводников.

-

Î9 7 6 . - » 3 . - С . 4 5 8 -4 5 9 .

Успешное решение проблемы создания омических

к о н так то в

н а то р ц е ­

вой чаоти

слоев монокристаллов

1 л Se

при

гелиевы х

тем п е р ат у р ах

позволило впервые выполнить исследования

ки н ети ч ески х,

г а л ь в а н и -

иагнитных и осцилляционных свойств указан н ого полупроводника

х о л -

ловским методом. Уоловия нашего эксперимента

отличаю тся

от

у с л о ­

вий работы

Д 7 »

в ко то р о й

и з у ­

чение ф изических

с в о й с тв

I n Se

осущ ествлялось

м етодом

В а н - д е р -

По. В последнем

сл у ч ае

ом ичес­

кие

контакты

были

нанесены

не

на

торцевые

п о вер х н о сти

о б р а з ­

ц а,

как

это

д е л а е т с я

в х о л л о в с -

ком м етоде,

а

н а

сколотую

п о в е ­

рхность

вер х н его

с л о я .

Учитывая в е с ь м а

малую

про ­

водимость

1 л Se

п о п ер ек

сл о ев

Р и о Л . Типичная вольт-амперная

при Т =

4 ,3

К (п о р я д к а

ГСГ^См),

ее

резкую

зави си м о сть

от

тем п е ­

характеристика исследуемых обра­

зцов I n Se

с

индиевыми контак­

ратуры,

а

также

возм ож н ость и з ­

тами при

температуре 4,3 К

менения

р азм ер н о сти

эл ек тр о н н о ­

го

г а з а

в гел и ево й

о б л а с т и

тем ­

ператур,

можно ставить

под сомнение соответстви е

р е з у л ь т а т о в

Д / ,

полученных

практически для поверхностного

слоя

I n Se

,

е г о

объем ­

ным свойствам .

Исследования проводились на монокристаллах

I n S e

у в -п о л и ти -

п а, выращенных методом Бриджмена. Образцы

разм ерам и

1x2x6

мм3 в ы -

резаЛиоь алмазным диском. Большая плоокость образцов

п ер п ен д и к у ­

лярна оси

С

и формировалась окалыванием в

жидком

а з о т е .

И ссле­

дования проводились в диапазоне температур

4 ,3 - 5 0

К

и

м агнитны х

полях до 4 Т.Омичеокие контакты получали

методом диффузии и н ди я в

вакууме .Вид образца и

расположение контактов

п о казан о

на

в с т а в к е

р и о Л . Характеристики

образцов

представлены 'в табли ц е .В ид

в о л ь т - а м -

перной характеристики (БАХ) образцов приведен на

рио Л

.И сследования

проводились в

области

линейности ВАХ при

IQ^p

с

5*f50

мкА .Н елиней­

ный характер

зависимости ВАХ объясняется

особенностям и

зо н н о го

спектра

I n S e

при Т < 77 К и

будет

обсужден

в

дальнейш ем .

54

На р и с .2

п р ед став л ен а

типичная

зави си м о сть

м агн и то -

»

о б -

л/

Р а с

Л

сопротивления

(МС)

образцов

разЦ а

Ю "13см"3

Ом-см

о

О

T nS e

от

тем пературы . О три -

-

цательн ое

м агн и то со п р о ти вл е -

1

I

61

970

Л

ние (ОМС)

д о с т и г а е т

~ 3 0

%

2

3

119

1630

п

при' 4 ,3

К

и с

ростом

тем пера­

3

и

19

3000

4

22

36

780

туры н ачи н ает

р е з к о уб ы вать,

5

120

22

240

стан о вясь

положительным

при

Т > 9 К . При

T

=

I I

К МС дос­

ти га е т м аксим ального

зн ачен и я

~ 1 0 0 %,

не

обнаруж ивая тен ­

денции

к

насыщению в

м агнит­

ных полях

напряженностью

до

3 Т, а дальнейш ий

р о ст

тем ­

пературы

вы зы вает

уменьше­

ние МС.

Т ем пературн ая

зависим ость

удельного электросоп роти влен и я

образцов

п р е д ст а в л е н а

н а

р и с .З

и х а р а к т е р и зу е т с я

нескольким и

особенностям и . Можно

вы делить

£ и с .2 . Температурная

зависимость

д в а линейных у ч а с т к а

в

коор ­

магнитосопротивления

I n Se

»

об­

р а з е ц 3

ди н атах

l n p - f

( i n l )

;

п е р -

вый - в

о б л асти

4 ,3 + 1 0

К,

второй -

12+30

К. Наклон п ервого

у ч аст­

к а за в и с и т

от

концентрации

носителей

то ка

Af ,

он

минимален

д ля

образцов

с малой их концентрацией ( образны I ,

2) и

в о зр а с та е т

по

мере увел и ч ен и я

Л/ (образцы

3 ,

4 ) . Оценки энергии

активации

из

со ­

отношения

/> =/>0 êxp(£E/tf)

дают

значения

АЕ = 0 ,1 4 0 ,8

мэВ. Оценка

значений

J E

по

зависим ости

/ ( Т ) приводит

к

тем

же

р езу л ьтатам .

Наклон

в т о р о го

у ч а с т к а

не

зави си т

от

концентрации

носителей

то к а .

О цененная

эн ер ги я активации

Ел

со ставл яет

« 6 ,3

мэВ.

Н есмотря

н а

в е с ь м а малые

подвижности

носителей то к а

j v ~

~ ТО3 см'Т'В -с

н а

об р азц ах

I

и

2

наблюдались

осцилляции МС

в

маг­

нитных п о лях

д о

4 Т ,

т о гд а

к а к

при

таких

полях, вообще

го в о р я ,

не

вы полняется

даже

услови е

сильного

поля / // % » 0 ,4 . Осцклляционные

явл ен и я

в

I n S e

р ан ее наблю дались

в

/ 2 ,

3_/ на

образцах

с

концент­

рацией

см "3 . Оцененная

нами

эффективная м асоа

носителей

то ка о к а за л а с ь

р авн ой 0 ,2 Ï ± 0 ,0 4 т 0

(в Д 7

обнаружено

три

группы

н оси телей

т о к а

с

массами 0 ,1 5 ;

0 ,2 5 ;

0 ,3 0

/я0

) J

Полученные р езу л ьтаты можно

об ъясн и ть,

используя

идею

зонной

модели сл о и сто го

I n S e

,

предложенную в

/Ъ ]

(р и с .

4 ) .

Неконтролируемые

примеси группируются в облаоти в а н - д е р - в а -

альсовой

щели /В /,

где

находится

энергетический

б ар ьер

Е7

. На

границе

щели и слоя

S e -In -Ip -S e

образуется п о тен ц и альн ая

я м а ,к у ­

да

при

понижении

температуры

"окатываются"

электроны

и з

зоны

проводимости.

Р и с .4 . Схема зонной

структуры

T n S e

при

Т

= 4 ,3 К ,

г д е

Ес - энергия дна зоны проводимости,

Ер

-

э н е р ги я

Ферми,

/*

-

высота барьера,

л Е

-

глубина

за л е га н и я

у р о вн ей

в

потенциальной яме,

Eq - -

энергия донорного у р о вн я

При температурах

4 ,3 -îO

К

проводимость

вд о л ь

с л о е в

о б у с л о в ­

ливается

носителями

тока,

находящимися

в

потенциальны х

я м ах ,

т . е .

в

плоскости

параллельной

слою.

Таким

о б р азо м ,

э л е к т р о н ­

ный га з

становится двумерным. Экспериментально

двумерный

х а р а к т е р

электронного г а з а

проявляется в

следующем: I )

в

наличии

л о гар и ф ­

мических участков

ОШ,

пропорциональных 1л(Н ~1)

в

слабы х

и

1 п Н р

сильных ш гн и тш х

полях,

что

соответствует

теори и

f î j ;

2 ) вы соким

значением коэффициента анизотропии проводимости

при 4 ,3

К

л 7 0 0 ); 3 )

возможностью наблюдения квантовых

осцилляций

МС в

от­

носительно

слабых магнитных полях

КрН/е я

0 , 4 ) ,

п о ск о л ь к у

л о к а л ь - 1

■йая подвижнооть электронов в энергетической яме

может

бы ть

зн а ч и ­

тельно

больше холловской;

4)

особенностями

у гл о во й

за в и с и м о ст и

ч а ­

стоты

осцилляций МС Д 7 ;

5 )

нелинейностью $АX,

т а к

к а к

в

р еал ь н о м

криоталле всегд а имеется туннельная составляю щ ая тока,

о п р ед ел яем ая

вероятностью туннелирования электронов

ч ер е з

б а р ь е р Е1

;

6 )

и с ч е з ­

новением ОШ при

И l e

,

что

также с о о тв етс тв у е т тео р и и

/ 7 / .

56

С ледует

более

подробйо

о стан о ви ться

н а

те х

особенностях

ос­

цилляций: МС,

которые

должны

п р о яви ться

в

случае

реализации

двум ер -

ного со сто ян и я

эл ектр о н о в

в

1 л S e

. В

этом

случае

у гл о вая

зави си ­

м ость

п ери ода

осцилляций

б у д ет

оп ред еляться

компонентой ш г н и т н о -

го

п о л я,

перпендикулярной

к

оси

с ,

т . е .

поверхность Ферми

пред­

с та в л я е т

собой

цилиндр

с

осью,

параллельной

оси

с

. Осцилляции

будут

наблю даться

в

у зко м

ди ап азон е

у гл о в , так

к ак

при отклонении

Н

от

о си

в в о зн и к ае т

сильное

р ассеян и е

электронов от гран и ц

двум ерного

с л о я ,

ч то

в

конце

концов

не

позволит

наблюдать

осцилля­

ции МС после превышения некоторы х граничных

у гл о в . Ч астота

осцил­

ляций

и

эф ф ективная

м асса

электр о н о в,

по-видимому,

будет

опреде­

л я т ь с я

не

то л ьк о

законом

дисперсии

1 л Se

,

но

и энергетическим и

парам етрам и

ямы

-

ее

шириной

и

глубиной .

Это

об стоятельство

может

объяснить

сущ ествование

нескольких

групп

носителей

тока

с разли ч ­

ными эффективными

м ассам и, х о тя

известны й

полнтипизм

TnSe

также

может в ы зв а ть

аналогичны й

эф ф ект. Все

перечисленные

особенности

осцилляций

МС

наблю дались

эксперим ентально в

/ 2 - 4 / ,

а

также

нами

на

о б р азц ах

Ï

и

2 .

При

повышении

температуры

электроны

возбуждаются из

потенци­

альной

ямы

в

зо н у

проводим ости,

обладая

энергией

активации

J f , по­

этом у

при

Т > Î 0

К

электронны й

г а з

п е р е ст а ет

быть

двумерным,

что

приводит

к

исчезновению

ОМС

и

появлению

положительного МС

(см .р и с .

3 ) .

П роводимооть по

о си

е ,

однако,

еще

ограничена

барьером

£; , и

в тем пературном

и н тер вал е

Д Е / ^ Т< Е /^

состояние

электронного

г а з а можно

н а з в а т ь

квазидвум ерннм . Такой

зонный

спектр

может

быть

описан

известны м

выражением

/ ё /

£ ( t ) =

2 т * ) + 1 cos (

) }

гд е

I = (1х> ^у );

7п* -

эфф ективная

м асса

в

плоскости

сл о ев;

I

- ин­

т е г р а л меж слойного

перемеш ивания;

d -

параметр

решетки

вдоль

оси с .

В

это й

же

тем пературной

области

стан о ви тся

сущ ественной

ге н е ­

р ац и я эл ек тр о н о в

с у р о вн я

£#

донорного

ти п а (о м . р и с .4 ),к о т о р ы й ,

очевидно,

о б р азо ван

избытком

атом ов

индия

/ ё / .

Дальнейш ее

повышение

температуры

д е л а е т

менее

зам етной

ро л ь

б а р ь е р а

£у ,

и

I n S e

п р и об ретает

сво й ства трехм ерного полупровод­

никового

м ат е р и ал а .

Таким образом , наблюдаемые нами особенности ОШ , осцилляцион -

ных

явл ен и й ,

тем пературны х зависим остей

/> (Т )

и

R ( Т ) ,

х а р а к те р ­

ные

д л я объемных

сво й ств сл ои стого

м оноселенцда

индия,

не

были об­

наружены

в

р а б о те

Д

/ . По-видимому

и спользование

методов В а н -д ер -

По и ко л ьц а Карбино

не применимо д л я

и сслед ован и я объемных

свой ств

слоистых

м атери алов

с

сильной

анизотропией п арам етров .

Это свидетельствует о многоступенчатом

х ар актер е

и зм ен ен и й ,

про ­

исходящих в примесной подсистеме.

Измерения оптического пропускания

образцов

н е п о ср ед ств ен н о

после облучения показали его уменьшение во всем

и сследуем ом

д и а ­

пазоне и последующую релаксацию к новому значению .

Зн ачен и е

изм е­

нения пропускания и время релаксации

в

различны х

у ч а с т к а х

и зм ер я ­

емого диапазона отличались. Наиболее

сильное изм енение п р о п у ск а ­

ния проявилось в

области

1 ,1 8 -1 ,4 8

эВ. В ди ап азон е

О Д - 1 Д 8

эВ

оно только в 1 ,5 - 2 р а з а

превышало

погрешность и зм ер ен и я,

в с в я з и

с чем анализ динамики его изменения во времени в

этом

д и а п азо н е

не проводился. На р и с .2 представлены

типичные изм енения разн и ц ы

пропускания образцов до и после облучения в

об л асти э н е р ги й

1 , 1 2 -

1 ,5 5 эВ

оо временем.

Анализ временной зависимости пропускания н а

оп ределен н ой

дли ­

не волны позволил определить оптические диапазоны ,

и зм ен ен и я

в

к о ­

торых описываются одинаковыми характеристическими

врем ен ам и

или

их набором. Так,

в области 1 ,1 2 -1 ,2 4

эВ после облучения

проявляю ­

тся д ва противоположно направленных

проц есса. В

теч ен и е

ч а с а

п о с ­

ле облучения преобладает

увеличение

пропускания

с х а р а к т е р и с т и ч е ­

ским временем 1 2 ,5 мин. Последующее

н езначительное ухудш ение

п ро ­

пускания в этом диапазоне характери зуется постоянной вр ем ен и

30,5 мин. Характерно, что релаксационный процесс

с п о сто ян н о й

в р е ­

мени 30,5 мин по разному проявляется в

данном д и а п азо н е .

Е сл и

при

значении энергии фотонов 1 Д 2 эВ он максимальный,

то

при 1 , 2 4

эВ

его влияние минимально. Для области 1 ,3 7 - 1 ,5 0 эВ

преобладающ ими

являются процессы с характеристическими временами 15

ч .

О собен ­

ностью данной области является т о ,

что

после облучения и

последую ­

щих процессов релаксации пропускание

увел и ч и вается по

сравнению с

необлучеиными образцами.

Полученные результаты можно объяснить н а основе

те о р и и

в з а и ­

модействующих примесей,

разработанной

К .Д .Товстю ксм ^ . Х а р а к т е р ­

ное для

C d Те

наличие

примесей,

структурных д еф ек то в ,

а

такж е

их ассоциатов определяется условиями получения м о н о к р и стал л о в ,

в

частности величиной давления паров кадмия в

проц ессе

вы ращ ивания.

ЛИ из области прозрачности, избирательно д е й ст в у я н а

прим ес­

ную подсистему, переводит ее в возбужденное

со сто я н и е,

с о з д а в а я

условия для перевода примзсей из метастабильных

со сто ян и й

в

с т а ­

бильные. Подтверждением этого служит стабилизация

э л е к т р и ч е с к и х

и оптических свойств после первого облучения и н еи зм ен н о сть

и х

свойств при повторных облучениях.

Экспериментально полученное уменьшение

пропускания

в о б л а с ­

ти 1 ,3 7 -1 ,5 0 эВ

с максимумом в районе

1 ,4 4

эВ ( в

теч ен и и

8 0 -9 0 ч

60