Энергетические спектры и неравновесные состояния в твердых растворах на основе теллурида свинца

На главную | Контакты | Карта сайта

| Система Грант-Экспресс

| Новости РФФИ
| Объявления
| Подписка на новости

| Общие сведения о РФФИ
| Кто есть кто в РФФИ
| Состав совета Фонда
| Адрес и телефон для справок

| Устав РФФИ
| Указы Президента
| Постановления и распоряжения Правительства

| Нормативные документы

| Решения совета Фонда

| Конкурсы РФФИ
| Региональные конкурсы
| Международные конкурсы
| Программы РФФИ
| Финансовое обеспечение проектов

| Вестник РФФИ
| Газета Поиск
| Публикации в СМИ
| Книги, изданные при поддержке РФФИ
| Информационный бюллетень РФФИ
| Издания РФФИ

| Использование результатов
| Контроль использования финансовых средств

| Международная деятельность
| Научные фонды
| Ведомства и академии
| Библиотеки и информационные центры
| Полезные ссылки

| Издательство Wiley
| Издательство «The American Mathematical Society»
| Издательство Elsevier
| Американское физическое общество (APS)
| Издательство IOP Publishing Limited
| Издательство The Royal Society of Chemistry
| Издательство Springer

| Введение
| 2009 год
| 2010 год
| 2011 год

| WIN-1251
| KOI8-R
| English

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СПЕКТРЫ И НЕРАВНОВЕСНЫЕ СОСТОЯНИЯ В ТВЕРДЫХ РАСТВОРАХ НА ОСНОВЕ ТЕЛЛУРИДА СВИНЦА

1. Общий анализ проблематики исследований по заданному направлению

2. Совокупность исследований МСХС, проведенных при поддержке РФФИ Стабилизация положения уровня Ферми

Долговременные релаксационные процессы

Кинетика фотопроводимости

Явления в сильных электрических полях

Оптическое поглощение

Спектры фотопроводимости

Магнитные свойства

Термостимулированные токи

Электротермические неустойчивости

Диодные структуры

Теоретические модели

Прикладные аспекты

Заключительные замечания

3. Проблематика проектов РФФИ

Литература

1. ОБЩИЙ АНАЛИЗ ПРОБЛЕМАТИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ЗАДАННОМУ НАПРАВЛЕНИЮ

Характерные энергии спектра полупроводников требуется изменять так, чтобы излучатели и фотоприемники на их основе могли работать в интервалах длин волн от сотен нанометров до миллиметров. Одно какое-либо соединение не может обладать всеми требуемыми свойствами. Поэтому усилия фундаментальной физики направлены на изучение самых разнообразных объектов. Более того, в современной оптоэлектронике требуется разрабатывать интегральные системы с использованием высоких технологий. Создание подобных систем предусматривает не только синтез и исследование собственно полупроводниковых материалов, но и технологию подготовки подложек для пленок, разработку физических принципов считывания информации и многое другое. Важность проблематики может быть оценена и тем, что задействованные средства измеряются десятками миллиардов долларов в год.

В настоящее время в развитии полупроводникового материаловедения наблюдаются две основные тенденции. Первая тяготеет к исследованию традиционных полупроводниковых материалов (Si, Ge, AsGa), для которых уже разработаны технологии получения совершенных монокристаллов и пленок. Эта тенденция отчасти связана с определенным консерватизмом микроэлектронной промышленности, перестройка которой на широкое производство приборов на базе новых материалов потребовала бы существенных финансовых вложений. С другой стороны, использование узкого круга базовых материалов позволяет решить и многие фундаментальные физические проблемы, возникающие при изучении низкоразмерных систем, многослойных структур, квантовых ям и квантовых точек. Естественно, создавать перечисленные выше объекты можно на базе материалов с высоким структурным совершенством, которое могут обеспечить лишь развитые технологии. Вторая тенденция – это синтез новых, в том числе многокомпонентных систем сложного состава. Базой для этих поисковых работ является кристаллохимический дизайн, а свойства новых соединений, получаемых в основном в виде порошков, поликристаллов и керамик, прогнозировать достаточно сложно. Таким образом, с определенной долей условности можно полагать, что первая тенденция обеспечивает развитие материальной базы современной микроэлектроники, а вторая тенденция создает основу для будущего прогресса.

Предлагаемый читателям обзор описывает свойства не слишком сложных с точки зрения синтеза соединений на базе легированных твердых растворов теллурида свинца. Тем не менее, качественно новые свойства этих материалов позволяют отнести их к новому классу полупроводников, обладающих уникальным набором свойств. Основным из них является самоорганизация подсистем, включающих состояния электронов на примесном центре и ближайшее кристаллическое окружение примесного атома.

В существующей классификации полупроводниковых соединений особое место занимают полупроводники с узкой запрещенной зоной, менее 0.2 эВ. Перечень их не так велик и включает две основные группы соединений, базирующихся на твердых растворах халькогенидов свинца-олова (А4В6) и твердых растворах теллуридов (селенидов) кадмия-ртути (А2В6). Бинарные соединения в обеих группах твердых растворов обладают взаимноинверсными спектрами. Замещение атомов в металлической подрешетке позволяет варьировать ширину запрещенной зоны, вплоть до нулевой.

С позиций фундаментальной физики эти свойства оказываются чрезвычайно важными. Малая ширина запрещенной зоны позволяет варьировать спектр и изменять состояние объекта, используя реально достижимые пределы физических параметров (давление, магнитное и электрическое поле и т.д.). Но самым существенным является то, что красная граница собственной фоточувствительности этих полупроводников лежит в инфракрасной области спектра.

Одной из отличительных особенностей теллурида свинца является сочетание малых эффективных масс с большой (до 1000) статической диэлектрической проницаемостью. Известно, что в халькогенидах свинца и твердых растворах на их основе электрически активные точечные собственные дефекты (вакансии и атомы в междоузлиях) создают энергетические состояния, расположенные по энергии выше дна зоны проводимости в случае дефектов донорного типа и ниже потолка валентной зоны для акцепторов [1-4]. Это приводит к тому, что в нелегированных кристаллах из-за отклонения их состава от стехиометрического не удается воспроизводимо получать кристаллы со стабильными значениями концентраций носителей ниже 1016 см-3. Вымораживание носителей заряда не наблюдается ни с понижением температуры, ни в магнитных полях [5].

Глубокие примесные состояния формируются как следствие сильно локализованного потенциала дефекта и не описываются в рамках водородоподобного приближения [6]. Указанные энергетические уровни генетически не связаны с краями разрешенных зон, следовательно, под действием внешних факторов (состав сплава, температура, внешнее давление, магнитное поле) энергетический спектр может существенно модифицироваться. В случае уровней собственных дефектов концентрация свободных носителей заряда полностью определяется концентрацией этих дефектов, поскольку их энергетические уровни лежат на фоне разрешенных энергий достаточно далеко от краев разрешенных зон, существенно выше (для дырок ниже) уровня Ферми.

Первые экспериментальные данные, указывающие на возможность формирования глубоких уровней, стабилизирующих положение уровня Ферми (УФ), были получены при легировании теллурида свинца элементами III-б подгруппы таблицы Менделеева: In, Ga, Tl [7]. Полученные результаты оказались весьма необычными для узкощелевых полупроводников. Для твердых растворов на основе теллурида свинца, легированных In и Ga, были обнаружены долговременные релаксационные процессы при выведении электронной системы из равновесия, реализация полуизолирующего состояния, переходы типа металл-диэлектрик, индуцированные давлением и магнитным полем. При легировании теллурида свинца таллием долговременных релаксаций не наблюдалось. Уровень Tl, расположенный в непосредственной близости к второй валентной подзоне, приводил к резонансному рассеянию дырок и появлению сверхпроводимости при высокой для полупроводников температуре до 2К [8,9].

Число примесей, приводящих к стабилизации УФ в теллуриде свинца, постепенно пополняется. В настоящее время известно, что к таким примесям также относятся Cr, Yb, Gd. К сожалению, расширению этого ряда способствовал не осмысленный теоретический прогноз, а усилия экспериментаторов, действующих методом проб и ошибок. В немалой степени это обусловлено тем, что доказать наличие стабилизации можно лишь в случае, если УФ расположен или в запрещенной зоне или на фоне разрешенных энергий не слишком далеко (*100 мэВ) от соответствующих экстремумов разрешенных зон. Если примесный уровень располагается достаточно высоко на фоне разрешенных энергий, стабилизация может быть просто недостижима из-за ограниченной растворимости соответствующей примеси.

Все последующее изложение материала будет связано с обсуждением данных, касающихся наиболее изученной группы примесей: In, Ga, Cr, Yb. Именно эти легирующие добавки исследовались авторами в рамках проектов РФФИ.

При написании работы мы учли, что по рассматриваемой проблеме ранее был опубликован ряд обзоров [7-12]. В частности, достаточно полно и подробно были проанализированы данные, касающиеся теллурида свинца, легированного таллием. Отметим также обширные общие сведения, приведенные в недавно вышедших изданиях [13-16]. Однако, чтобы облегчить восприятие материала широкому кругу читателей и дать почувствовать специфику выбранных объектов исследования, те ключевые положения проблемы, которые обсуждались подробно в более ранних обзорах, а также составляют «научный задел» реферируемых проектов РФФИ, включены в виде краткого резюме.

Методические подходы к решению проблем являются комплексными и описываются ниже, конкретно к каждому разделу.

Для удобства чтения приводим список использованных в тексте сокращений.

- ВАХ – вольтамперные характеристики;
- ДРП – долговременные релаксационные процессы;
- ИК – инфракрасный;
- МСХС – модифицированные сплавы халькогенидов свинца;
- ТСТ – термостимулированные токи;
- УКП – ультраквантовый предел магнитных полей;
- УФ – уровень Ферми;
- ФП – фотопроводимость.

Copyright © 1997-2007 РФФИ | Дизайн и программирование: Intra-Center