Исследование одноэлектронных и двухэлектронных примесных центров в полупроводниках методом эмиссионной мессбауэровской спектроскопии Кожанова, Юлия Владимировна

Введение к работе

Актуальность работы

Известно, что при замещении электрически активным примесным атомом атома решетки в запрещенной зоне полупроводника образуется либо донор-ный, либо акцепторный уровень, способный при изменении положения уровня Ферми отдавать (принимать) один электрон ("одноэлектронные" центры). Однако существуют дефекты, способные при взаимодействии с кристаллической решеткой отдавать (принимать) два электрона ("двухэлектронные центры"). В запрещенной зоне полупроводников в этом случае образуются две полосы локализованных состояний, разделенных на величину корреляционной энергии (энергии Хаббарда) и = Е₂-Е_ь

где: Ei и Ег - первая и вторая энергии ионизации центра.

Если U < 0, то возникает схема уровней, которой приписан термин "двухэлектронные центры с отрицательной корреляционной энергией" (или "U центры"). Существенной особенностью U центров является неустойчивость их однократно ионизованного зарядового состояния. Каждой паре однократно ионизованных центров энергетически выгодно распасться на один нейтральный и один двукратно ионизованный центры.

Однако, несмотря на успешное использование указанных представлений для объяснения электрических, оптических и магнитных свойств аморфных материалов, двухэлектронные центры с отрицательной корреляционной энергией не наблюдались в полупроводниках прямыми экспериментальными методами. Исключение составляют лишь примесные атомы олова в халькогенидах свинца и их твердых растворах, для которых методом мессбауэровской спектроскопии на изотопе ¹¹⁹Sn такие центры были идентифицированы в большом числе работ. Эти исследования были выполнены в абсорбционном варианте мессбауэровской спектроскопии. Предельная чувствительность абсорбционной мессбауэровской спектроскопии по концентрации изотопа ¹¹⁹Sn в халькогенидах свинца не превышает 1 ат%, однако, предполагается, что наиболее драматичные изменения в энергетическом спектре примесных атомов олова в халькогенидах свинца происходят при концентрациях олова < 0.5 ат%. В этом случае предпочтительно использовать эмиссионный вариант мессбауэровской спектроскопии, чувствительность которой может достигать ~ 10~⁷ ат%.

При использовании эмиссионной мессбауэровской спектроскопии следует иметь в виду, что два обстоятельства. Во-первых, образованию мессбауэров-ского уровня всегда предшествует ядерное превращение материнского изотопа, что может привести к смещению его из нормальных узлов решетки. Во-вторых, предполагается, что тонкая структура мессбауэровских спектров в случае электронного обмена между нейтральными и ионизованными примесными центрами должна зависеть не только от частоты электронного обмена, но и от использованного варианта мессбауэровской спектроскопии.

В настоящей работе выясняются возможности эмиссионной мессбауэров-

скои спектроскопии на изотопах

^57mFe (о материнскими-атамами ⁵⁷Со) и Sn

БИБЛИОТЕКА ) СПете г (/У/ I

(с материнскими атомами ^ll9mmSn, ^ll9Sb и ^П9шТе) для идентификации нейтральных и ионизованных состояний примесных атомов, образующих одно- и двухэлектронные уровни в запрещенной зоне полупроводников. В качестве объектов исследования были выбраны арсенид галлия GaAs, легированный ⁵⁷Со (результаты исследований опубликованы в [1]), и халькогениды свинца (PbS, PbSe), легированные ^119mmSn, ^,l9Sb и ^119mTe (результаты исследовании опубликованы в [2-4]). Использовались эмиссионный [⁵⁷Co(^57mFe), ^119mraSn(^119mSn), ¹¹⁹Sb(^mmSn) и ^1I9mTe(^U9raSn)] и абсорбционг[^П98п]іриантьі мессбауэровской спектроскопии.

Цель работы:

1.Методом эмиссионной мессбауэровской спектроскопии на изотопах ^119ramSn(^I,9mSn), ^,19Sb(^119mSn) и ^119mTe(^119roSn) провести идентификацию двух-электронных центров олова с отрицательной корреляционной энергией, вводимых в PbS и PbSe методом ядерной трансмутации, а также провести обнаружение процессов электронного обмена между нейтральными и ионизованными примесными центрами олова в частично компенсированном материале (когда уровень химического потенциала стабилизируется в энергетической полосе, образованной примесными атомами).

2. Методом эмиссионной мессбауэровской спектроскопии на изотопе ⁵⁷Co(^57mFc) провести идентификацию одноэлектронных центров железа, вводимых в GaAs методом ядерной трансмутации, а также провести исследование процессов электронного обмена между нейтральными и ионизованными примесными центрами железа в частично компенсированном материа-ле.

Положения, выносимые на защиту:

1. Зарядовое состояние антиструктурного дефекта олова, образующегося в анионной подрешетке PbS и PbSe после ядерного распада изотопов ¹¹⁹Sb и і і9шу_{Є) не} зависит от положения уровня химического потенциала, тогда как центр олова, образующийся после ядерного распада изотопов ^119mmSn, "⁹SbH "^9mTe в катионной подрешетке PbS и PbSe, представляет собой двухэлек-тронный донорный центр с отрицательной корреляционной энергией (нейтральному состоянию центра [Sn] соответствует ион Sn²⁺, а двукратно ионизованному состоянию [Sn]²⁺ соответствует ион Sn⁴⁺).

2. Для частично компенсированного PbSe частота процесса двухэлектронного обмена между нейтральными и ионизованными донорными центрами олова в катионной подрешетке растет с ростом температуры.

3. Примесные атомы железа, возникающие вследствие ядерного распада изотопа ⁵⁷Со в GaAs, образуют в запрещенной зоне GaAs одноэлектронные акцепторные уровни (нейтральному состоянию центра [Fe] соответствует ион Fe ⁺, а ионизованному состоянию [Fe]* соответствует ион Fe²⁺).

4. В частично компенсированном GaAs при температуре 295 К протекает процесс быстрого электронного обмена между нейтральными и ионизованными центрами железа через валентную зону.

5. Информация эмиссионной мессбауэровской спектроскопии для случая примесных атомов в полупроводниках тождественная информации абсорбционной спектроскопии, однако эмиссионный вариант спектроскопии дает возможность реализовать вхождение примесных атомов в необычные (антиструктурные) положения решетки.

Научная новизна:

1. Метод ом эмиссионной мессбауэровской спектроскопии на изотопах Sn,

Sb и "Те идентифицированы нейтральные [Sn] (им соответствуют ионы Sn²*) и ионизованные [Sn] ⁺ (им соответствуют ионы Sn *) состояния примесных атомов олова в катионной подрешетке PbS и PbSe.

2. Показано, что примесные атомы олова в катионной подрешетке PbS и PbSe являются двухэлектронными донорными центрами с отрицательной корреляционной энергией Хаббарда, причем энергетические уровни олова лежат в нижней половине запрещенной зоны в PbS и на фоне валентной зоны в PbSe.

3. Продемонстрирован процесс электронного обмена между нейтральными и ионизованными примесными центрами олова в частично компенсированном PbSe.

4. Зарядовое состояние атомов олова, образующегося в анионной подрешетке PbS и PbSe после ядерного распада изотопов Sb И ^Ге, не зависит от положения уровня химического потенциала, и они образуют электрически неактивные антиструктурные дефекты.

5. Методом эмиссионной мессбауэровской спектроскопии на изотопе Со идентифицированы нейтральные [Fc] ( им соответствуют ионы Fe³⁺) и ионизованные [Fe]" (им соответствуют ионы Fe ^состояния примесных атомов железа в объемной части GaAs. Показано, что указанные примесные атомы железа образуют в запрещенной зоне GaAs одноэлектронные акцепторные уровни.

6. Обнаружен процесс быстрого одноэлектронного обмена между нейтральными и ионизованными примесными центрами железа в частично компенсированном GaAs (время жизни центров [Fe] и [Fe]' при температуре 295 К не превышает 10с).

7. Продемонстрировано, что в приповерхностной области GaAs примесные атомы железа, образующиеся после ядерного превращения Со, входят в состав электрически активных ассоциатов с вакансиями решетки, причем при температуре 295 К не наблюдается процесс электронного обмена между нейтральными и ионизованными центрами железа.

Научная и практическая важность работы

Полученные результаты могут иметь важное значение при создании теории двухэлектронных центров с отрицательной корреляционной энергией в полупроводниках, а также для реализации новых технологий получения полупроводниковых материалов с необходимым комплексом свойств.

Апробация работы

Результаты исследований докладывались на XI Международной научно-методической конференции «Высокие интеллектуальные технологии и качество образования и науки» (СПб: ГОУ ВПО «СПбГПУ», 2004 г.), а также на семинарах кафедры Прикладной физики и оптики твердого тела Радиофизического факультета ГОУ ВПО «СПбГПУ»и семинарах лаборатории физико-химических свойств полупроводников ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН. Публикации

По теме диссертации опубликовано 4 работы, включая 3 журнальных статьи, список которых приведен в конце автореферата. Структура и объемработы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы. Полный объем работы 117 страниц машшгопечатного текста, в том числе 14 рисунков, 3 таблицы. Библиография составляет 149 наименований.

Похожие диссертации на Исследование одноэлектронных и двухэлектронных примесных центров в полупроводниках методом эмиссионной мессбауэровской спектроскопии

Исследование одноэлектронных и двухэлектронных примесных центров в полупроводниках методом эмиссионной мессбауэровской спектроскопии Кожанова Юлия Владимировна

Исследование сверхтонких диэлектрических пленок на поверхности полупроводников методом неупругой электронной туннельной спектроскопииПостников, Константин Олегович

Исследование эмиссии носителей заряда из квантовых точек и ям In(Ga)As/GaAs в матрицу полупроводника методами фотоэлектрической спектроскопииВолкова Наталья Сергеевна

Исследование фотоэмиссии из GaAs с отрицательным электронным сродством методом спектроскопии эмитированных электроновОрлов, Дмитрий Анатольевич

Исследование проводимости полупроводниковых структур методом импедансной спектроскопииГалеева, Александра Викторовна

Исследование полупроводниковых наногетероструктур методами токовой релаксационной спектроскопии, атомно-силовой микроскопии и спектроскопии НЧ-шумовРыбин, Николай Борисович

Исследование электронных свойств поверхности и внутренних границ раздела эпитаксиальных слоев GaAs методом спектроскопии фотоотраженияШайблер Генрих Эрнстович

Исследование эффектов квантования фононного и электронного спектров в полупроводниковых сверхрешетках GaAs/AlAs методом инфракрасной спектроскопииМилехин, Александр Германович

Исследование процессов роста субмикронных слоев наповерхности монокристаллов ниобия и кремния методом оже-электронной спектроскопииГельбух, Сергей Сергеевич

Исследование полупроводниковых наноструктур на основе систем InGaAs/GaAs, InAs/InGaAs/GaAs и микроструктур на основе соединения Ge2Sb2Te5 методом спектроскопии низкочастотного шумаЕРМАЧИХИН АЛЕКСАНДР ВАЛЕРЬЕВИЧ