CC BY
70
ИЗ ОПЫТА РАБОТЫ
Р.С. Мадатов, А.И. Наджафов, Т.Б.Тагиев, М.Р. Газанфаров
МЕХАНИЗМ ТОКОПРОХОЖДЕНИЯ В МОНОКРИСТАЛЛАХ TlInSe2 ПРИ СИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ
Институт радиационных проблем НАН Азербайджана, ул. Ф. Агаева, 9, AZ1143, г. Баку, Республика Азербайджан, [email protected]
Введение
Селеноиндат таллия TlInSe2 относится к группе низкомерных полупроводниковых соединений, обладающих цепочечной структурой. Их полупроводниковые свойства объясняются на основе модели химической связи и Пирсона [1-3]. Возросший в последние годы интерес исследователей к этим материалам обусловлен сильной анизотропией физических свойств, а также наличием высокой фотопроводимости в этих кристаллах. Кристаллы TlInSe2 перспективны для создания на их основе детекторов и приемников излучения, а также функциональных устройств, управляемых электрическим полем, работающих в условиях жесткой радиации [9, 10].
Одним из представителей таких полупроводниковых соединений является TlInSe2, который кристаллизуется в тетрагональной решетке типа TlSe (пространственная группа симметрии I4/mcm) [4-8]. Атомы Tl и In в структуре занимают два независимые положения и соответственно имеют разные координационные числа: Tl+ находится в октаэдрическом, а In3+ - в тетраэдрическом окружении атомов халькогена [7-9].
Представляется интересным выяснение механизма токопрохождения в нитевых монокристаллах TlInSe2 при различных температурах и электрических полях.
Монокристаллы выращивались методом направленной кристаллизации, описанным в работе [11], имели тетрагональную структуру (параметры решетки: а=8,061 Ä, c=6,822Ä), обладали р-типом проводимости с концентрацией дырок 2,5-1011 см3. Поверхности кристаллов TlInSe2 были зеркально-гладкими, что позволило использовать их для исследований без какой-либо дополнительной обработки. Омические контакты к кристаллам наносились плавлением индия к торцам образцов. Площадь электродов составляла 0,2-0,3 мм2, а расстояние между ними равнялось 0,2-0,4 мм. Были исследованы вольт-амперные характеристики (ВАХ), электропроводимость и фотопроводимость в интервалах электрических полей 20-104 В/см и температур 120-300 К.
Экспериментальная часть
На рис. 1 приведены вольт-амперные характеристики монокристалла TlInSe2 при различных температурах и освещении. Как следует из рисунка, на ВАХ темнового тока при температурах 120-300 К отчетливо видны линейные и сверхлинейные участки зависимости I~Un, где «=0,9-5,0 и характерны для режима тока, ограниченного пространственным зарядом (ТОПЗ). Первый участок соответствует закону Ома и с увеличением температуры переходного напряжения I и II участков перемещается к меньшим значениям напряжений.
На втором участке наблюдается квадратичная зависимость тока от напряжения («=2). На третьем ток экспоненциально растет с напряжением в степени «>2, причем с увеличением температуры уменьшается от 5 (7=120 К) до 4 (Т=300 К). Как видно из рис. 1, протяженность линейного участка при 5-70 В (7=120 К ), где выполняется закон Ома, оказывается значительно большей по сравнению с имеющими место при 7=300 К. Это, по-видимому, связано с увеличением концентрации равновесных носителей по мере роста температуры (до 7=300 К). Следует отметить тот факт, что с ростом температуры квадратичная область постепенно перекрывается I и III участками. Квадратичный участок ВАХ исчезает также при воздействии на исследуемые образцы собственного или же белого света (рис. 1). При больших освещенностях ВАХ TlInSe2 состоит из начального линейного и экспоненциального участков.
С учетом [12] нами вычислены концентрация ловушек и фактор захвата, которые оказались соответственно равны: Nt« 2,5-1016 см-3 и 9 « 2-10-6 при комнатной температуре. Концентрация носи© Мадатов Р.С., Наджафов А.И., Тагиев Т.Б., Газанфаров М.Р., Электронная обработка материалов, 2010, № 5, С. 115-119.
телей и энергия активации, вычисленные из температурной зависимости 9 с учетом ц [10], оказались
соответственно равны: л( = 2- 10ь см° и АЕ( = 0,45 эВ.
I, А
ю1 юи ю1 ю-1
Рис. 1. ВАХ монокристалла Т11пБе2 при температурах: 1-300, 2 - 200, 3 -120 К; 1 , 2 и 3 - при освещении (вверху - зависимость фототока от освещености при 1 -120, 2-200 и 3 - 300 К)
Таким образом, ВАХ, измеренная при различных температурах, зависимость плотности тока (/, А/см2) от межэлектродных расстояний, а также температурная зависимость 9 (доля свободных носителей) полностью удовлетворяются током, ограниченным пространственным зарядом.
На рис. 2 (кривая 2) показана температурная зависимость (103/Т), вычисленная в омической области ВАХ, состоящая из двух прямых с различными наклонами. Энергии активации уровней в монокристаллах TlInSe2, определенные по этим наклонам, соответственно равны 0,15 и 0,50 эВ.
4 6 8
Рис. 2. Температурные зависимости электропроводности (2) и фототока (1) для монокристалла Т11пБе2
Температурная зависимость фототока при различных электрических полях показана на рис. 2 (кривая 1). Как видно из рисунка, фототок экспоненциально увеличивается в интервале 120-170 К с ростом температуры при электрическом поле Е = 102 В/см. Однако с дальнейшим увеличением температуры в интервале 170-180 К наблюдается температурное гашение фототока и рост электрического поля (£>103 В/см), глубина гашения фототока постепенно уменьшается. В области температур Т>170 К отмечается ТГФ в связи с развитием термической генерации электронов из г-уровней в с-зону и последующим захватом их на ^-уровни. При уменьшении температуры ниже 170 К значения фототока уменьшаются, что, по-видимому указывает на локализацию дырок на
/-уровнях и соответственно - электронов на г-уровнях рекомбинации. В результате образования N = N согласно [14], происходит уменьшение времени жизни дырок и фототока.
На рис. 3 для области резкого роста тока представлены зависимости электропроводности от электрического поля (103-104 В/см) при различных температурах в координатах По
наклону прямых были определены значения в (в-коэффициент Френкеля) при различных температурах. Температурная зависимость в, определенная из зависимости ^ о~ А^Р) при различных температурах, приведена на вставке к рис. 3. Как видно из рисунка, с уменьшением температуры наблюдается линейный рост значений в. Такое температурное поведение в согласуется с теорией Френкеля. По экспериментальным значениям в сделана оценка диэлектрической проницаемости исследованных монокристаллов, где вй=10, которое согласуется с литературными данными [10]. Согласно [13] оценена концентрация ионизованных дефектов, ответственных за термополевую ионизацию центров с учетом минимального значения электрического поля, с которого начинается
нелинейная зависимость с от /< для кристаллов Т11п8е2 Получено значение 1\\= 2,1-Ю14 см"3.
Ом1-см1
3 -120 (вверху - температурная зависимость коэффициента Френкеля)
На рис. 4 приведено спектральное распределение фототока в монокристаллах Т11и8е2 при различных электрических полях при комнатной температуре. Видно, что спектр фотопроводимости T1InSe2 охватывает область длин волн 0,4-1,6 мкм и имеет интенсивный максимум при X =1,1 мкм. Следует отметить, что положение максимума фотопроводимости не зависит от напряженности электрического поля, в то же время рост электрического поля приводит к экспоненциальному росту величины фототока и полуширины максимума фотопроводимости (рис. 3). В длинноволновой области спектра наблюдается мелкий максимум при X =1,3 мкм, величина которого уменьшается с ростом электрического поля.
Рис. 4. Спектральное распределение фототока в монокристаллах при различных электрических полях, В/см: 1- 50, 2 - 3102 и 3 - 1,710 (вверху - зависимость фототока от приложенного напряжения)
Результаты и их обсуждение
Как известно [14], причины нелинейного хода ВАХ в сложных полупроводниках однозначно не установлены. Возможной причиной нелинейности ВАХ в Т11п8е2 могут служить механизмы, известные как ток, ограниченный объемным зарядом, и ионизация центров при сильных электрических полях [12, 14]. Согласно [12] при приложении напряжения к высокоомному образцу в цепи возникает ток, обусловленный инжекцией носителей заряда из металлического электрода, который описывается 1~ Е2. Нелинейный участок ВАХ в высокоомных кристаллах, содержащих мелкие и глубокие ловушки, связывался с реализацией монополярной или двойной инжекции.
С учетом вышесказанного и с помощью формулы АЕ =кТ 1пим /и^ [12], где им - наибольшее значение напряжения, и1-2 — напряжение перехода от линейного к квадратичному, оценены смещение квазиуровня Ферми, а также полная концентрация ловушек (ЛЛ) в исследуемых кристаллах Т11п8е2, вызванных накоплением объемного заряда за счет инжектированных носителей тока на ловушках. Оказалось, что величины АЕ и Л составляют ~0,13 эВ и 4,0-1014 см-3 соответственно.
Наличие в кристаллах Т11п8е2 г— (медленные) и 5— (быстрые) центров рекомбинации, а также ^ -уровня прилипания (Е = 0,50 и 0,15 эВ) позволяет предположить, что в полях 1~ Е2 в ВАХ осуществляется ловушечный характер проводимости. Полученные расчетные и экспериментальные данные в квадратичной области ВАХ ( ~Ь-3, где Ь — толщина образца, 0 « 2- 10-6) показывают, что в монокристаллах Т11п8е2 перенос носителей заряда в электрических полях (Е< 102 У/см) обусловлен монополярной инжекцией и согласуется с теорией Ламперта. При этом учитывается, что при температурах Т>250К и освещенности за счет увеличения концентрации избыточных носителей условия ТОПЗ не реализуются и выполняется условие п>п0 [12] (п =2-1013 см-3, п0 =2-1011см-3).
Однако уменьшение значения напряжения перехода от омического участка к квадратичному с ростом температуры указывает, что в исследуемых монокристаллах имеется слабая компенсации. Это доказывает, что в исследуемом интервале температур темновые заполнения центров, определяемые положением равновесного уровня Ферми, зависят от расположения и суммарной концентрация центров [14].
Сравнение температурных зависимостей фототока показывает, что в интервале 120—170 К наблюдается термоактивация фототока, которая обусловлена присутствием центров прилипания (¿-центров, АЕ=0,10—0,15 эВ и г-центров, АЕг=0,45-0,50 эВ) для неосновных носителей. Температурное гашение фототока в области 180—200 К происходит в результате интенсивного обмена носителей между г-центром и у-зоной, так как этот фактор является определяющим во многих электрических и фотоэлектрических процессах, протекающих в объеме полупроводника при различных внешних воздействиях.
Анализ полученных экспериментальных данных при Е>102 В/см показывает, что увеличение проводимости с ростом напряженности электрического поля (Е>102 В/см) связано с ростом концентрации избыточных носителей тока. Это позволяет нам предполагать, что наличие участка более резкого роста тока в ВАХ, где п >3, можно объяснить тем, что в кристаллах Т11п8е2 при электрических полях Е>102 В/см имеет место полевая ионизация ловушек. Это предсказывается теорией Френкеля, согласно которой при ионизации центров энергия активации носителей тока уменьшается с ростом поля на величину 2е(еЕ/г) . Линейная температурная зависимость коэффициента Р~1/Т, определенная из зависимости А^Р) при различных температурах (рис. 3), указывает на применимость теории Френкеля для объяснения полученных данных.
С использованием экспериментальных данных и согласно [14] определена глубина потенциальной ямы обнаруженных центров, а также вычислена длина свободного пробега носителей тока. При этом длина свободного пробега в кристаллах Т11п8е2 составляет ~2-10-6 см. Полученные данные позволяют предположить, что в электрических полях более 103 В/см выполняется условие [14] для полевой ионизации ловушек.
Заключение
Таким образом, исследования вольт-амперных характеристик и электропроводности в монокристаллах Т11п8е2 показывают, что механизм токопрохождения при Е< 102 В/см обусловлен током, ограниченным пространственным зарядом, а при Е>102 В/см — полевым эффектом. Существование локализованных центров в запрещенной зоне, которые значительно влияют на электрические и фотоэлектрические свойства, обусловлено наличием структурных дефектов и неконтролируемых примесей в выращенных кристаллах Т11п8е2. Сделаны оценки основных параметров проводимости: концентрации носителей тока, полной концентрации ловушек, диэлектрической проницаемости, энергии смещения уровня Ферми и активации уровней.
Установлено, что кристаллы TlInSe2 являются частично компенсированными полупроводниками.
ЛИТЕРАТУРА
1. Muller D. and Hahn H. Untersuchungen über ternäre ChalkogenideXXIV. Zur Struktur des TlGaSe // Zs.anorg .allgem.Chem. 1978. 438. P. 258-272.
2. Guseinov G., Ramazanzade A.M., Kerimova E.M., Ismailov M.Z. About a Growth of three Component Compounds being analogous to binari Semiconductor of the A111 BV1 type // Phys. Stat. Sol. 1967. V.22. P.117-122.
3. Mooser E., Pirson W. Chemical Bond in Semiconductors // Phys.Rev. 1956. 101. P. 492-496.
4. Mimura K., Wakita K., Arita M., Mamedov N., Orudzhev G.,Taguchi Y., Ichikawa K., Namatame H., Taniguchi M. Angle-resolved photoemission study of quasi one-dimensional TlInSe2 // J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 2007. 379. P. 156-158.
5. Guseinov G.D., Abdullaev G.B., Bidzinova S.M., Ismailov M.Z., Seidov F.M., Pashaev A.M. On new analogs of TlSe-type semiconductor compoundos // Phys.Lett. 1970. 33A. P. 421-422.
6. Müller D., Hahn H. Untersuchungen über ternäre Chalkogenide, XXIV. Zur Struktur des TlGaSe2 // Anorg. Allg. Chem. 1977. 434. P. 124-132.
7. Kashida S., Nakamura K., Katayama S. Ferroelectric phase transition in monoclinic TlS // Sol. Stat. Commun., 1992. V. 82. № 2. P. 127-130.
8. Nakamura K., Kashida S. X-Ray Study of the Room Temperature Structurein Monoclinic TlS // J.Soc.Japan. 1993. V. 62. P. 3135-3141.
9. Rabinal M. K., Titus S.K., Asokan S., Gopal S. R., Godzaev M.O., Mamedov N. T. Effect of High Pressure on the Electrical Conductivity of TlInX2 (X = Se, Te) Layered Semiconductors // Phys.Status.Solidi (b). 1991. 167. P. 97-99.
10. Kerimova E., Mustafaeva S., Guseinova D., Efendieva I., Mamedov T., Babaev S., Salaev E., Allkhverdiev K. The Influence of Hydrostatic Pressure on the Electrical Conductivity and Optical Properties of Chain-Layered TlInSe2 and TlInSe2-TlInS2 Solid Solutions // Phys. Stat.Solid. 2000. 179. P. 199-201.
11. Алиев С.Н., Наджафов А.Н., Алекперов О.З. // ФТП. 1991. 2. С. 621-622.
12. Ламперт М., Марк П. Инжекционные токи в твердых телах. М., Мир, 1973.
13. ФренкельЯ.И. Сб. изб. трудов. М.; Л., 1958. 2. 217.
14. Лашкарев В.Е., Любченко А.В., Шейкман М.К. Неравновесные процессы в фотопроводниках. Д. К., 1981.
Поступила 16.04.10
Summary
The temperature dependence of monocrystal's volt-ampere characteristics,
photoconductivity and electroconductivity has been studied. It has been established that the current flow mechanism in TlInS2 monocrystal with a tetragonal modification is connected with the space charges at E<102V/cm fields and the field effects at E >102V/cm values of the field. It has been shown that the photocurrent switches off at 180 K temperature at the expense of recharging of r-centers when TlInS2 monocrystal is illuminated by white light.
