Главная Промышленная автоматика.

уровня хрома в запрещенной зоне. Из измерений температурной зависимости гемнового коэффициента Холла можно получить энергию активации (О) при Г = ОК, построив график зависимости/?х7 от IjT (при этом нельзя получить информацию о положении уровня при 300 К). В зависимости от типа проводимости материала энергию £"(0) интерпретируют либо как Е- EJ, либо как Е - Еу, где Е ж Еу - края зоны проводимости и вачентной зоны. Например, в работе [21] получено эксперименгапьное значение энергии активации Ед -£=0,79эВ, в то же время в [22] со

ссьшкой на [21] на основе эффекта Холла это значение интерпретировано как Е - Ej. Эксперименты привели к соотношению

Температурный коэффициент был найден из зависимости пороговой фотопроводимости от температуры.

Балагуров и др. [23], анализируя результаты холловских измерений и используя уравнение (1.1), определили значение Е - Е = 0,81 эВ и --£[/=0,79 эВ.При этом предполагачось, что отношение b =jU„/jUp = 15 не зависит от температуры. Сумма полученных значений дает "эффективную" ширину запрещенной зоны при 7= О К, равную 1,6 эВ, т.е. большую, чем принятая величина 1,522 эВ [24].

Изучалась зависимость коэффициента Холла и магнитосопротивления от напряженности магнитного поля для GaAs, легированного хромом [25]. Для раздельного определения величин д„, ju, и и р использовались выражения для смешанной проводимости. В результате получено, что материал был действительно р-типа (р>п), а уровень хрома при Т=ОК лежит на 0,69 эВ выше потолка валентной зоны в отличие от значения 0,79 эВ, полученного в более ранней работе [21]. Недавно были опубликованы уточненные данные [26] о собственной концентрации носителей и подвижностей без изменения основных выводов предыдущей работы.

Таким образом, изучение эффекта Холла показало, что хром создает акцепторный уровень с энергией на 0,7-0,8 эВ выше потолка валентной зоны при Г = О К с возможным слабым смещением при 300 К. В этих исследованиях не ставилась задача объяснения механизмов расположения атомов хрома с его незаполненной (i-оболочкой в решетке GaAs. Такие данные будут представлены по результатам обобщения оптических исследований системы GaAs с Сг.

Атомы Сг занимают узлы в подрешетке галлия. Для сохранения нейтральности решетки атом хрома с конфигурацией внешних электронов 3d4s должен отдать три электрона, чтобы образовать Сг+3(3й?). Это соответствует нейтральному (пустому) акцепторному состоянию. Если исходный кристалл и-типа (Ao>A(;j.), то каждый атом хрома приобретает дополнительный электрон, образуя ионизированный акцептор Сг (,3d*). Отношение Сг"* к Сг" может быть увеличено путем введения мелких донорных уровней [27]. Полевая теория кристалла показывает, что уровень Сг расщепляется на уровни, соответствующие основному состоянию, которое в теории групп обозначают , и первому возбужденному состоянию, обозначаемому



Зона

npoboduMQcmu

~15зВ

"ТТ

-0,638 е

е..2

0J538 е-

t /

Валентная зама

Рис. 1.1. Уровни Сг в зонной диаграмме GaAs [31]

£[28, 29]. Каждый из этих уровней в свою очередь расщепляется на два близко расположенных уровня в соответствии с искажениями Джона - Теллера [30]. Методом фотоэлектронного парамагнитного резонанса (фото-ЭПР) [31] получена зонная диаграмма для хрома, показанная на рис. 1.1. Данные ЭПР ясно показывают существование дважды ионизированного акцептора Сг* (Зс?), лежащего на 0,6 эВ ниже дна зоны проводимости. Этот уровень обнаружен

также методом фотопроводимости [32]. На рис. 1.1 значение энергии 0,75 эВ между более низким Тг уровнем Сг* и валентной зоной соответствует началу фото-ЭПР сигнала Сг*, а также оптическому поглощению.

Полагают, что возбужденное состояние (состояния) лежит близко к зоне проводимости [27, 31, 33] и что часто наблюдаемые фотолюминесцентные пики [34] и пики фотопроводимости [16, 28] при ~0,85эВ соответствуют переходу " Т2 Е внутри Сг*-центра. Таким образом, пик энергии приблизительно соответствует зазору между основным состоянием Сг* и зоной проводимости. При Г = О К это дает значение энергии, отсчитываемой от потолка валентной зоны, равное 1,52 - 0,85~0,67 эВ, т.е. оно очень близко к значению, полученному в работе [25]. Следовательно, оптические измерения положения уровня Сг* совпадают с холловскими в пределах ~0,1 эВ. Однако имеется значительная неопределенность в отнощении положения уровня Сг*з. Авторы работы [33], используя метод люминесценции, обнаружили зону с энергией 0,56 эВ в объемном GaAs с Сг, которая не наблюдалась в эпитаксиальном «-GaAs, легированном хромом. Поэтому они утверждают, что зона с энергией 0,56 эВ обусловлена уровнем Сг*, который отсутствует в материале «-типа (когда все акцепторы Сг ионизированы). Полуизолирующий GaAs с Сгр-типа изучался с целью определения состояния Сг*2 [35]. С помощью измерения фотопроводимости при температуре 95 К был обнаружен уровень 0,77 эВ, приписываемый автором Сг*. Так как положение этого уровня очень близко к положению уровня, установленного в работах [21, 31], то вероятно, что в действительности это был уровень Сг. Более убедительным является эксперимент, включающий исследования GaAs р-типа, легированного акцепторами с мелкими уровнями и хромом, в котором было обеспечено отсутствие Сг*. Отмечено [31], что Сг никогда не наблюдается в полупроводниках с тетраэдрической конфигурацией и что уровень, соответствующий основному состоянию Сг*, вероятно, расположен ниже уровня Ферми в полуизолирующем GaAs или GaAs и-типа с учетом его превращения в Сг*. При этом считается, что Сг* должен быть наиболее стабильным состоянием в полуизолирующем GaAs. Проведенные недавно измерения методом фото-ЭПР [36] подтвердили, что уровень Сг* 12



лежит ниже уровня Сг" и Сг" присутствует в незначительных концентрациях, за исключением сильно легированного хромом GaAs р-типа. Приведенные рассуждения можно обобщить следующим образом:

а) преобладающий акцепторный уровень, обусловленный хромом, лежит на 0,7 - 0,8 эВ выше потолка валентной зоны;

б) преобладающий Сг-акцепгорный уровень является однократно ионизированным Сг+ (Зс?") и подчиняется обычной статистике полупроводников;

в) термические и оптические исследования обычно вьшолняюгся при очень низких температурах, в связи с чем точное положение акцепторного уровня при 300 К неизвестно. В последующем изложении предполагается, что для хрома при 300 К характерен уровень Еу + 0,79 эВ. Результаты многочисленных исследований положения уровня (уровней) Сг в GaAs обобщены в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Результаты экспериментального определения уровней хрома

в арсениде галлия

Источник ин-формации

Метод

Вид материала

Уровень энергии

Уровень энергии при 300 К

Примечание

[35]

Фотопроводимости

Объемный GaAs с Сг, Си

£,+ 0,77

(Сг +39)

£[/+0,69

= const

[22]

Холла (темновой) (Л-7-3/2 =/(1/Г))

Объемный GaAs сСг

£•£,-0,81

£,,-0,57 (£[/+0,86)

£(Г) = = £„-Л с?=8-10- эВ/К

[21]

Холла (темновой) (р. 7-3/2 =/(i/D)

Объемный GaAs с Сг

Ey+0J9

[25]

Холла (темповой) (Р-7-3/2 =/(1/71)

Объемный GaAs с Сг (р-тип)

£•[/+0,69

[16. 34]

Фотолюминесценции, фотопроводимости

Объемный и эпи-таксиальный GaAs сСг

£-0,838 £-0,86

4,2 20

[15. 28]

Холла (темновой), фотопроводимости, тер-мостимулированной проводимости

Объемный

GaAs

££,-0,86 £[/ + 0,90

[33]

Фотолюминесценции

Объемный GaAs с Сг

£т/+0,67

£,.-0,56 (Сг +39)

Порог фотолюминесценции при £с-0,837 [16]





0 1 [2] 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165

0.0043