CC BY
57
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _____________________________________2008, том 51, №7_________________________________
ФИЗИКА
УДК 621.315.592
Х.А.Тошходжаев , член-корреспондент АН Республики Таджикистан С.Н.Каримов АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ТОКОПЕРЕНОСА В ГЕТЕРОСТРУКТУРЕ НА ОСНОВЕ НЕУПОРЯДОЧЕННОГО СЕЛЕНИДА ЦИНКА
Широкозонные полупроводниковые соединения типа А2В6 являются перспективным материалом для оптоэлектроники. Одним из типичных представителей соединений А2В6 является селенид цинка, который может быть использован в качестве активной среды лазеров в экранах цветных телевизоров, в оптических модуляторах света и других оптоэлектронных приборах. Однако до сих пор многие свойства гетероструктур на основе селенида цинка остаются не изученными.
Настоящая статья посвящена исследованию свойств гетероструктур In2O3 -ZnSe-In и In2O3-ZnSe-CdTe-In на основе электрофизических измерений.
Выбор модельного объекта определялся практической важностью системы. Именно на ее основе созданы широко применяемые сегодня приборы, в частности телевизионные светочувствительные структуры типа «ньювикон»[1-3].
Методика эксперимента и исследованные образцы
Исследовались гетероструктуры, приготовленные путем послойного роста на стеклянной подложке слоев оксида индия, селенида цинка и индия, и гетероструктуры, содержащие слои оксида индия, селенида цинка, теллурида кадмия и индия.
Толщина слоя оксида индия, наносимого методом катодного распыления, составляла величину ~ 0.01 мкм. Удельное сопротивление ~ 5.0-10- Ом-см. Все остальные слои наносились методом термического напыления в вакууме при давлении 10- Па. Слои специально не легировались. Толщина слоя селенида цинка варьировалась в интервале 0.05^0.1мкм. Структура слоя представляла собой текстуру, ориентированную плоскостью [111] параллельно подложке. Угол разориентации отдельных кристаллитов относительно друг друга составлял 3^5°. Слои оксида индия и селенида цинка обладали электронной проводимостью, а теллу-рида кадмия -дырочной. Тип проводимости определялся по закону термо-эдс. Толщина слоя теллурида кадмия не превышала долей микрона. Оценка толщины проводилась на микроинтерферометре МИИ-4. Исследовались полевые зависимости тока.
Результаты эксперимента
На рис.1. демонстрируется типичная вольтоамперная характеристика (ВАХ) гетероструктуры (кривая 1), которая состоит из трёх участков: первый, где связь между током и напряжением близка к линейной; второй, где имеет место ослабление полевой зависимости между током и напряжением и, наконец, третий, где имеет место относительно резкое воз-
растание тока с напряжением. Удельное сопротивление структуры, оцененное в области линейной зависимости между током и напряжением (I 0), составляло величину порядка 1015 Ом-см. Кривая 2 на рис.1 демонстрирует ВАХ гетероструктуры ІпгОз^пБе-СдТе-Іп. Из рисунка видно, что включение в состав гетероструктуры слоя СёТе приводит к некоторому уменьшению проводимости и на ВАХ - к сужению 2-го участка.
и, в
Рис.1. Типичная ВАХ гетероструктуры Іп2О3-2п8е-Іп и Іп2О3-2п8е-С^е- Іп до и после отжига. Кривые 1,4 - для гетероструктуры Іп2О3-2п8е-Іп и кривые 2,3 - для Іп2О3-2п8е-С^е- Іп; кривые 1,2 - до
отжига и кривые 3,4 - после отжига. Катод - Іп2О3.
Обсуждение результатов
Представленные данные позволяют утверждать, что в результате отжига электрические свойства гетероструктуры Іп2О3-2пБе-СдТе-Іп практически не изменяются, а в гетероструктуре Іп2О3-2пБе-Іп почти на два порядка уменьшается проводимость.
Согласно теории [4], проводимость гетероструктуры на основе субмикронного слоя полупроводника определяется эффективной концентрацией носителей заряда п^
Пед- ~ Ысехр{(х-ус У кТ}* ехр{(ееЕгДсУ £СкТ}, (1)
Е0~1/Ь*( I//; с’ - I//. - с).
где Nc - эффективная плотность состояний в зоне проводимости; х - электронное сродство; Ус , Щ - работа выхода соответственно из катода и анода; s - диэлектрическая проницаемость полупроводника; sC - диэлектрическая проницаемость прикатодного зазора; ED - напряженность диффузионного поля в структуре; Т - абсолютная температура; к - постоянная Больцмана; е - заряд электрона; L - толщина слоя полупроводника; de - толщина прикатодного зазора, имеющего место между катодом и слоем полупроводника.
Из выражения (1) следует, что отжиг не должен влиять на проводимость структуры In2O3-ZnSe-In, если пренебречь его влиянием на дрейфовую подвижность носителей. Действительно, величина ус , входящая в (1), изменяться не может, так как слой индия наносится после отжига; de , как следует из расчетов, проведенных на основе экспериментальных вольт-амперных характеристик (ВАХ) по методике [4], остается практически неизменной. Диффузионное поле Ed при отжиге существенных изменений также не претерпевает, поскольку в противном случае проводимость структуры должна была бы уменьшиться только при одном направлении сквозного тока, в то время как при противоположном — возрасти. Однако такого факта экспериментально не наблюдалось. Остается электронное сродство селенида цинка х, изменение которого в процессе отжига трудно предположить. Тем не менее результаты эксперимента указывают на уменьшение проводимости гетероструктуры In2O3-ZnSe-In после отжига почти на два порядка, что и видно из рис.1.
Несоответствия эксперимента и теории можно избежать, если полагать, что слой селенида цинка является неупорядоченной системой, то есть пленкой, внутри которой существует случайное электрическое поле, "модулирующее" энергетические зоны. Процессы токо-переноса в таких пленках, в зависимости от масштаба неоднородностей, определяются концентрацией носителей либо на уровне протекания, либо на краю подвижности [4-6]. Если характерные размеры неоднородностей значительно превосходят дебаевский радиус, де-бройлевскую длину волны и длину свободного пробега носителей, то потенциальный рельеф зон считается крупномасштабным и проводимость определяется концентрацией носителей на уровне протекания. Если же указанные условия нарушаются, то имеют место квантовые процессы и проводимость оценивают по концентрации носителей на краю подвижности. Учитывая субмикронную толщину слоя селенида цинка, очевидно, что в данном случае более применимо понятие края подвижности.
Однако, если признать, что процессы токопереноса в селениде цинка определяются концентрацией носителей на краю подвижности, то следует признать, что проводимость гетероструктуры In2O3-ZnSe-In будет определяться приэлектродной концентрацией на краю подвижности. Формально это значит, что в выражении (1) вместо электродного сродства следует подставить энергетическое положение края подвижности. Энергетическое положение края подвижности зависит, в частности, от амплитуды неоднородностей и характера по-
тенциального рельефа зон, то есть от величин, которые в процессе отжига могут изменяться. Противоречие между теорией и экспериментом снимается.
Оценим, является ли действительно слой селенида цинка неупорядоченным полупроводником. Наличие потенциального рельефа в полупроводнике должно заметным образом сказываться на его физических свойствах [4-6]. К таким свойствам, в частности, относятся проводимость, фотолюминесценция и поглощение света [3]. Неупорядоченным полупроводникам свойственны низкие значения проводимости. Следовательно, можно констатировать, что слой селенида цинка действительно является неупорядоченным.
Наконец, предположение о росте неупорядоченности подтверждается данными рентгенофазового анализа. На рис.2. представлены рентгенограммы слоя селенида цинка до и после отжига. Из рисунка можно видеть, что после отжига пики рентгенограмм несколько расширяются.
о
Д
н
о
н
о
о
д
03
к
о
д
о
Ё
я
& 22 20 /<* 16 # 12 10 8
0,град
Рис.2. Типичные рентгенограммы исходных (1) и отоженных (2) в вакууме пленок селенида цинка
на слое оксида индия.
Что же является причиной возрастания неупорядоченности в процессе отжига? Для ответа на этот вопрос вспомним, что отжиг практически не влиял на гетероструктуру 1П2О3-2п8е-С^е-1п. Указанная гетероструктура отличается от рассматриваемой только наличием слоя теллурида кадмия. Естественно полагать, что если до отжига ее проводимость сущест-
венно меньше, чем проводимость гетероструктуры 1п2О3-2п8е-1п , то слой СёТе вносит в процессы токопереноса определяющий вклад. Однако после отжига, как можно видеть из рис.1, напротив, проводимость гетероструктуры без слоя теллурида кадмия во много раз ниже. Следовательно, отжиг по-разному влияет на слой селенида цинка при закрытой и открытой его поверхности (если исключить из рассмотрения маловероятный, как нам представляется, процесс прямо противоположного влияния отжига на слои селенида цинка и теллурида кадмия). Поскольку электронографически нам не удалось обнаружить на открытой при отжиге поверхности слоя селенида цинка окисной пленки, можно полагать, что причиной роста неупорядоченности является удаление из объема 2пБе в процессе отжига через поверхность каких-то атомов. Учитывая склонность селенида цинка к образованию вакансий цинка [7], которые, будучи заряженными дефектами, при случайном расположении в объеме могут формировать потенциальный рельеф зон, естественно связать процесс роста неупорядоченности именно с атомами цинка.
Таким образом, с большой долей вероятности мы можем полагать, что проводимость гетероструктуры 1п2О3-2п8е-1п после отжига уменьшается вследствие увеличения амплитуды неоднородности потенциального рельефа зон селенида цинка, обусловленного образованием вакансий цинка. Для рассматриваемой гетероструктуры, с учетом полученных выше результатов (см. рис.1. и выражение (1)), уменьшение проводимости вместе с ростом амплитуды неоднородности возможно лишь при приближении края подвижности к уровню вакуума. Такое поведение края подвижности, как следует из [4,8], возможно лишь, если при этом будет изменяться функциональный характер случайного потенциала.
В заключение обратим внимание на характер ВАХ гетероструктуры 1п2О3-2п8е-1п до и после отжига. Как можно видеть из рис. 1, он практически не меняется. Исходя из этого, можно полагать, что инжекционно-контактные процессы в образце также остаются неизменными. Очевидно, отличие заключается лишь в том, что вклад в проводимость отожженной гетероструктуры будет вносить меньшая часть инжектированных в зону проводимости электронов, и, следовательно, участок резкого нарастания тока на ВАХ должен иметь начало при больших внешних смещениях. Экспериментальные данные, приведенные на рис.1. (ср. кривые 1 и 4 ), подтверждают сделанное предположение.
Заключение
Проводимость гетероструктуры 1п2О3-2п8е-1п на основе субмикронного слоя селени-да цинка определяется приграничной концентрацией носителей, собственных или инжектированных, на краю подвижности полупроводника 2пБе.
Отжиг гетероструктуры на основе субмикронного слоя селенида цинка способствует формированию неоднородного потенциального рельефа зон 2пБе.
Изменения потенциального рельефа зон ZnSe, происходящие при отжиге образца, носят не только количественный, но и качественный характер.
Худжандский научный центр Поступило 18.05.2008 г.
АН Республики Таджикистан,
H«
Худжандский государственный университет им. акад. Б.Гафурова
ЛИТЕРАТУРА
1. Fujiwara S., Serizawa H., Eguchi O., Kuramoto Y., Fukai M. Photoelectric transducer element including a heterojunction formed. U.S. Patent 3858074, 1974.
2. Fujiwara S. et all. - Nat. Tech. Report, 1979, v.25, № 2, p.286-297 (Japan).
3. Тошходжаев Х.А., Рубец В.П., Антипов В.В., Беляев А.П. Электрофизические и оптические методы исследования полупроводниковых структур на основе неупорядоченных пленок. Деп. В ВИНИТИ 07.11.2007, № 1041- В2007.
4. Мотт Н., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах, 2.1. М.: Мир, 1982.
5. Mendolia J., Lemoine D. - Phys.St.Sol., 1986(a), №97, p.601.
6. Лифщиц И.М., Гредескул С.А., Пастур Л.А. Введение в теорию неупорядоченных систем. М.: Наука, 1982.
7. Милнс А., Фойхт Д. Гетеропереходы и переходы металл-полупроводник. М., 1975, 432 с.
8. Беляев А.П., Калинкин И.П., Санитаров В.А. - ФТП, 1984, т.18, вып.11, с.1975-1978.
Х,.А.Тошхочаев, С.Н.Каримов ТАХ,ЛИЛИ РАВАНДИ ЦАРАЁНГУЗАРОНЙ ДАР ГЕТЕРОСТРУКТУРАИ АСОСАШ ПАРДАИ БЕТАРТИБИ СЕЛЕНИДИ РУ^
Дар макола натицаи тадкики хосиятхои гетероструктураи ІП2О3 -ZnSe-In ва In2Ü3-ZnSe-CdTe-In дар асоси ченкунихои электрофизикй оварда шудааст. Характеристикам электрофизикй ва электронографии сатхи болоии гетероструктурахои ІшОз-ZnSe-In ва ImO3-ZnSe-CdTe-In оварда шудаанд. Хосияти махсуси гузаронанда-гии гетероструктураи Ы2О3 -ZnSe-In бо кабати тунуки селениди рух, бо консентрасияи барандаи назди сархадй муайян карда шуда, бо барандаи хусусй ва инжексионй дар канорхои нимнокили ZnSe муайян карда мешавад. Нишон дода шудааст, ки бозпухти гетероструктураи пардаи кабати тунуки бетартиби селениди рух барои хосил намудани релефи потенсиали гайритартиб дар сатхи ZnSe, ки дар бозпухт ба амал меорад, натанхо характерхои микдорй, балки сифатй хам дорост.
Kh.A.Toshkhujaev, S.N.Karimov ANALYSIS OF CURRENT TRANSFER PROCESSES IN THE HETROSTRUCTURE ON THE BASIS OF UNREGULATED ZINC SELENITE
The article represent the results of the study properties of heterostructure In2O3-ZnSe-In and In2O3-ZnSe-CdTe-In on the basis of electro physical measurements.
VAX and electronograms of heterostructure surtace In2O3-ZnSe-In and In2O3-ZnSe-CdTe-In are given here too.
Conductivity peculiarities of heterostructure In2O3-ZnSe-In on the basis of submicronic selenite stratum of zinc are revealed and it is defined by frontier concentration of carries, own or in-gected, on edge of mobility of semiconductor ZnSe. it is shown, the annealing of heterostructure on the basis of a submicronic layer of zinc selenite promotes formation of a non-uniform potential relief of zones ZnSe.
Changes the potential relief of zones ZnSe, occurring in the annealing of the sample, carry not only quantitative, but also quantitative character.
