Исследование электронных свойств бесщелевых CdxHg1-xTe, HgTe, HgSe и узкощелевых (TlBiS2)x - (TlBiSe2)1-x полупроводников методом эффекта поля в системе полупроводник - электролит тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Шевченко, Ольга Юрьевна

• Шевченко, Ольга Юрьевна
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Шевченко, Ольга Юрьевна

Список обозначений и сокращений.

Введение

1. Объемные и поверхностные свойства бесщелевых полупроводников CdxHg\-xTe, НдТе, HgSe и узкощелевых полупроводниковых структур (TlBiS2)x — (TlBiSe2) 1-х- 17 1.1. Объемные свойства бесщелевых полупроводников CdxHg\^xTe, НдТе, HgSe и узкощелевых полупроводниковых структур

TlBiS2)x - (TlBiSe2)i-x.

1.1.1. Зонная структура и объемные электронные свойства бесщелевых полупроводников CdxHд\хТе и НдТе.

1.1.2. Зонная структура и объемные электронные свойства селенида ртути HgSe.

1.1.3. Кристаллическая структура и объемные электронные свойства слоистых полупроводниковых тройных TIBiSe2, TlBiS2 и четверных (TlBiS2)x —

TlBiSe2) i-z соединений.

1.2. Поверхностные электронные свойства бесщелевых полупроводников CdxHg\-xTe, НдТе, HgSe и узкощелевых полупроводниковых структур

TlBiS2)x-{TlBiSe2)1-x.

1.2.1. Поверхностные свойства бесщелевых полупроводников

CdxHgi-xTe и НдТе.

1.2.2. Поверхностные свойства селенида ртути HgSe.

1.2.3. Поверхностные свойства узкощелевых полупроводниковых структур (TlBiS2)x — (TIBiSe2)i-x- ■ ■

1.3. Теоретическое описание области пространственного заряда полупроводников.

1.3.1. Классическое описание ОПЗ полупроводников с квадратичным законом дисперсии разрешенных зон и изотропными эффективными массами.

1.3.2. Классическое описание ОПЗ узкощелевых полупроводников со структурой цинковой обманки.

1.3.3. Квантовое описание ОПЗ полупроводников.

Методика и техника экспериментальных исследований поверхности и ОПЗ узкощелевых и бесщелевых полупроводников.

2.1. Строение межфазной границы полупроводник - электролит. Эффект поля в электролите.

2.2. Техника эксперимента.

2.2.1. Двухимпульсный метод измерения дифференциальной емкости

2.2.2. Измеритель ВАХ и система задания и контроля электродного потенциала в ЭПЭ.

2.2.3. Схема экспериментальной установки метода эффекта поля.

2.2.4. Управление экспериментом.

2.2.5. Условия измерений.

2.3. Методика определения электрофизических параметров поверхности и ОПЗ полупроводников.

3. Исследование поверхности и области пространственного заряда бесщелевых полупроводников HgSe, CdxHg\^xTe и НдТе.

3.1. Анализ зависимости дифференциальной емкости ОПЗ бесщелевого полупроводника от поверхностного потенциала.

3.2. Электрофизические и зонные параметры ОПЗ бесщелевого полупроводника HgSe.

3.2.1. Эффект поля в системе бесщелевой полупроводник HgSe - водный электролит КС1 в области идеальной поляризуемости МФГ HgSe - KCl.

3.2.2. Определение электрофизических и зонных параметров бесщелевого полупроводника HgSe из ВФХ, измеренных методом ЭППЭ.

3.3. Структура переходного слоя, формирующегося на МФГ бесщелевой полупроводник HgSe - водный электролит КС1 при поляризации методом ЭППЭ.

3.4. Аналог МДП-структуры на основе бесщелевого полупроводника HgSe.

3.5. Эффект поля в системе бесщелевой полупроводник HgSe

- водные электролиты КВг и KI.

3.6. Эффект поля в системе бесщелевой полупроводник (CdxHд\^хТе, НдТе) - водный электролит КС1.

4. Эффект поля в системе электролит — узкощелевые полупроводниковые структуры (TlBiS2)x — (TlBiSe2)\-x•

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование электронных свойств бесщелевых CdxHg1-xTe, HgTe, HgSe и узкощелевых (TlBiS2)x - (TlBiSe2)1-x полупроводников методом эффекта поля в системе полупроводник - электролит»

Интерес к исследованию бесщелевых полупроводников CdxHgixTe, НдТе, HgSe (объема, приповерхностного объема, поверхности и границ раздела с их участием) обусловлен возможностью использования этих материалов для создания инфракрасных приборов в области прозрачности земной атмосферы [1], транзисторов с высоким быстродействием [1], гетер о структур [2], квантовых интерференционных структур для наноэлектроники и спинтроники [3, 4, 5, 6, 7]. Кроме того, разнообразие свойств бесщелевых соединений позволяет получать знания о релятивистских эффектах, спинорбитальном взаимодействии в рамках фундаментальной науки.

Узкощелевые полупроводниковые структуры (TlBiS2)x—(TlBiSe2)\-представляют интерес в связи с простотой их использования (расслаивания по плоскостям спайности, где не требуется сложный процесс распиливания и шлифовки поверхности) а также в связи с принципиальной возможностью создания на их основе опто-акустических и инфракрасных детекторов и термоэлектрических генераторов [8].

Во всех перечисленных областях успех применения указанных материалов в значительной степени зависит от технологий, позволяющих получать поверхность и гетероструктуры с низкой плотностью поверхностных состояний и с воспроизводимыми электрофизическими параметрами поверхности и ОПЗ.

Для бесщелевых полупроводников CdxHg\-xTe и НдТе к настоящему времени получена достаточно обширная и надежная информация об их поверхностных и объемных электрофизических свойствах и параметрах зонной структуры. Однако к настоящему моменту все-таки нет единого мнения о характере закона дисперсии валентной зоны тяжелых дырок и о величине эффективной массы тяжелых дырок этих соединений. Считается (см. обзор [1]), что закон дисперсии валентной зоны тяжелых дырок бесщелевых полупроводников CdxHgixTe и НдТе квадратичный, а величина эффективной массы тяжелых дырок (m*hh) этих соединений лежит в интервале 0.40-0.70 то. Однако в работе [9] показано, что у бесщелевых полупроводников со структурой алмаза и цинковой обманки закон дисперсии валентной зоны тяжелых дырок становится все более неквадратичным при увеличении энергетического расстояния между зоной проводимости и зоной легких дырок, а в работах [9, 10, 11] высказывается предположение, что величина эффективной массы тяжелых дырок m*hh бесщелевых полупроводников CdxHgi-xTe и НдТе должна быть значительно меньше общепринятых на сегодняшний день значений (как в объеме [9], так и в приповерхностном слое [10, 11]).

Для соединения HgSe вопросы о характере закона дисперсии валентной зоны тяжелых дырок и о величине эффективной массы тяжелых дырок также остаются открытыми. Более того, в сравнительно недавней экспериментальной работе [12] был подвергнут сомнению бесщелевой характер зонной структуры этого соединения, однако последующие работы [13, 14], посвященные исследованию объемных зонных параметров HgSe, подтверждают, что HgSe все же является бесщелевым полупроводником. В литературе имеется крайне мало работ, посвященных исследованию поверхностных свойств HgSe. По-видимому это связано с методическими трудностями формирования на поверхности этого материала стабильных диэлектрических и пассивирующих покрытий, что в свою очередь не позволяет в полной мере применить для исследования электрофизических свойств поверхности HgSe большинство высокоинформативных традиционных методов, основанных на исследовании структур металл - диэлектрик -полупроводник или барьеров Шоттки.

Объемных электрофизические свойства и параметры зонной структуры полупроводниковых соединений (TlBiS^x — (TIBiSe2)1-1 к настоящему времени практически не исследованы. Имеющиеся в литературе работы посвящены в основном исследованиям кристаллической структуры и концентрации носителей заряда этих соединений, причем электронные свойства исследовались лишь для гелиевых и азотных температур, и практически ничего не указано, как ведут себя такие соединения при комнатной температуре. Встречаются также немногочисленные данные о ширине запрещенной зоны и величине эффективной массы электронов. Поверхностные свойства полупроводниковых соединений {TlBiS^x — ('TlBiSe2)i-x до настоящего момента, по-видимому, не исследовались вообще.

В настоящей работе экспериментальные исследования поверхности и ОПЗ перечисленных выше материалов проводились методом эффекта поля в электролите (ЭППЭ). Этот метод, ранее апробированный на многих полупроводниках [15], включая двойные и тройные соединения на основе теллуридов ртути [16,10,17], зарекомендовал себя как эффективный способ контроля и формирования сверхтонких диэлектрических покрытий, обеспечивающих исследования поверхности полупроводников в широком диапазоне изменений поверхностных потенциалов, включая области изгибов зон, соответствующих вырождению электронов и дырок на поверхности. Метод ЭППЭ позволяет анализировать величину и характер распределения поверхностных состояний в запрещенной и разрешенных зонах на поверхности полупроводников. В рамках такого метода может быть также получена информация и о ряде зонных параметров полупроводника при комнатных температурах [18], измерение которых зачастую невозможно при использовании традиционных методов. Относительная простота метода эффекта поля в электролите, не требующего изготовления МДП структур или (и) использования низкотемпературной техники, делает его весьма перспективным для неразрушающего экспресс-контроля параметров поверхности и слоев ОПЗ полупроводников.

Целью диссертационной работы являлось исследование электронных свойств узкощелевых (TlBiS2)x - (TIBiSe2)1-3; и бесщелевых CdxHg\-xTe, НдТе, HgSe полупроводников с использованием метода эффекта поля в системе полупроводник - электролит. Для этого предполагалось решить следующие задачи:

1. Определить условия, при которых измеренные в эффекте поля вольт-фарадные характеристики (ВФХ) межфазной границы (МФГ) полупроводник - электролит определялись бы электронными свойствами исследуемых материалов (выбор состава электролита, диапазона поляризующих напряжений, характера предобработки поверхности кристаллов) .

2. Получить сведения об электронных свойствах соединений (TlBiS2)x - {TIBiSe2)i-x и CdxHgi-xTe, НдТе, HgSe при комнатных температурах.

3. Разработать методику определения величины матричного элемента оператора квазиимпульса и эффективной массы электронов из экспериментальных ВФХ для бесщелевых полупроводников и проанализировать критерий ее применимости. Научная новизна.

В настоящей работе впервые реализован метод ЭППЭ для исследования электронных свойств бесщелевого полупроводника HgSe и узкощелевых полупроводников (TlBiS2)x — (TlBiSe2)i-x• Предложен и обоснован механизм формирования диэлектрического слоя на поверхности HgSe в условиях реализации метода ЭППЭ. Получено выражение для зависимости дифференциальной емкости от поверхностного потенциала вырожденной системы электронов в ОПЗ бесщелевого полупроводника. Проведена оценка точности использования методики анализа экспериментальных ВФХ в классическом приближении для описания ОПЗ бесщелевых полупроводников. По разработанной методике проведена оценка величины матричного элемента оператора квазиимпульса и эффективной массы электронов для HgSe при комнатной температуре.

Показано, что при интерпретации электронных свойств соединений (!TlBiS<2)x - (TIBiSe2)1-^ могут быть привлечены представления теории области пространственного заряда на поверхности полупроводников.

Получены значения фундаментальных электронных параметров - матричного элемента оператора квазиимпульса, эффективной массы электронов и дырок, собственной концентраци носителей, энергии Ферми для бесщелевых полупроводников CdxHg\-xTe, НдТе, HgSe и соединений (TlBiSo)x - {TIBiSe2)1-1 с (0 < х < 1) при комнатной температуре.

Практическая ценность работы.

1. Предложен и обоснован механизм формирования диэлектрического слоя на поверхности бесщелевых полупроводников CdxHg\-xTe, НдТе и HgSe при их поляризации методом ЭППЭ в насыщенном растворе КС1.

2.Впервые продемонстрирована возможность создания МДП-структу-ры на основе HgSe, при этом достигается изменение емкости в 20 раз при изменении поверхностного потенциала в диапазоне (—0.20 Б < Vg < +0.25 В) при комнатной температуре. Стабильность электрофизических свойств МДП сохранялась в течение года.

3. Разработана и реализована методика для изучения электронных свойств поверхности бесщелевого HgSe и узкощелевых (TlBiS2)x — (TIBiSe2) 1-х полупроводников.

4. Получены данные о законе дисперсии зоны проводимости и зоны тяжелых дырок и значение эффективной массы электронов и тяжелых дырок для HgSe.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика определения величины матричного элемента оператора квазиимпульса бесщелевых полупроводниках и критерий ее применимости.

2. Оценка величины матричного элемента оператора квазиимпульса и величины эффективной массы тяжелых дырок в HgSe.

3. Закон дисперсии и значение эффективных масс электронов для соединений (TlBiS2)x - (TlBiSe2)i-x (0 < х < 1).

4. Принципиальная возможность формирования МДП-структур на основе HgSe с глубиной модуляции емкости более чем на порядок при комнатной температуре.

По материалам диссертации опубликовано четыре печатных работы [19, 20, 21, 22]. Результаты, приведенные в диссертации, докладывались на 4-х конференциях [23, 24, 25, 26, 27]. щ

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Шевченко, Ольга Юрьевна

Основные выводы работы:

1. Предложена методика анализа экспериментальных ВФХ для бесщелевых полупроводников, позволяющая оценить величины Рит* при Т = 300К.

2.Подобраны условия эксперимента, при которых измеренные в эффекте поля вольт-фарадные характеристики межфазной границы HgSe - раствор КС1 определяются электронными свойствами полупроводника в диапазоне поверхностных потенциалов (—0.30 В < Vg < +0.35 В).

3. Для HgSe получена оценка величин матричного элемента оператора квазиимпульса Р, эффективной массы электронов га* и тяжелых дырок m*hh, собственной концентрации щ, энергии Ферми Ер — Ес при Т = 300Я".

4. Для CdxHg\-xTe и НдТе в интервалах изменения анодного потенциала (0.15--0.35В) и (0.2--0.35В) соответственно получена оценка величины эффективной массы тяжелых дырок при Т = 300К.

5. Подобраны условия эксперимента, при которых измеренные в эффекте поля вольт-фарадные характеристики межфазной границы СTlBiS2) х - {TlBiSe<2)\-x - КС1 в диапазоне поверхностных потенциалов (—0.60 В <Vg < +0.60 В определяются электронными свойствами исследуемого полупроводника для пяти стехиометрических составов (ж = 0; 0.25; 0.50; 0.75; 1).

6. Показано, что при интерпретации электронных свойств соединений (TlBiS2)x - (TlBiSe2)\-x могут быть привлечены представления теории области пространственного заряда в полупроводниках.

7. Для соединений (TlBiS2)x - {TlBiSe2)\-x определен характер закона дисперсии зоны проводимости, и получены значения параметров энергии Ферми Ер — Ес, эффективной массы электронов m*/mо, концентрации ионизованной примеси Nj, потенциала плоских зон <fifb, плотности встроенного зарада Nb, толщины диэлектрического слоя (с точностью до диэлектрической проницаемости) di/si.

8. Предложен и обоснован механизм формирования диэлектрического Слоя на поверхности бесщелевых полупроводников CdxHg\-xTe, НдТе и HgSe при их поляризации методом ЭППЭ в насыщенном растворе КС1.

9. Впервые создана МДП-структура на основе соединения HgSe, в которой роль полевого электрода выполняет слой Hg2Cl2, диэлектрической прослойкой является селен, а полупроводниковой подложкой - HgSe. В полученной МДП-структуре достигнуто изменение емкости в 20 раз при изменении поверхностного потенциала в диапазоне (—0.20 В <Vg < -f 0.25 В) при комнатной температуре.

Заключение

В настоящей работе проводилось экспериментальное исследование электрофизических свойств поверхности и приповерхностного объема бесщелевых полупроводников CdxHgi-xTe, НдТе, HgSe и ряда узкощелевых полупроводниковых структур (TlBiS2)x — {TlBiSe2)\-x с использованием метода эффекта поля в электролитах. Основными результатами диссертационной работы являются следующие.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Шевченко, Ольга Юрьевна, 2005 год

1. R. Dornhaus, G. Nimtz. Narrow-Gap semiconductors. //Springer -Tracts in Mod.Phys., 1983, v.98, n.l, p.309.

2. S. Perkowitz, R. Sudharsanan, K.A. Harris, J.W. Cook, J.F. Schet-zina, J.N. Schulman. Effective mass in an n-type HgTe — CdTe su-perlattice.// Phys.Rev.B, 1987, v.36, n.17, p.9290-9292.

3. G.Weisbuch and B.Vinter. Quantum semiconductor structures. Fundamental and Aplications. Academic Press, inc N.Y. 1991.

4. M.J. Kelly Low-dimensional semiconductors. Materials, Physics, Technology, Devices. Clarendon Press Oxford, 1995.

5. J.H. Davies The physics of low-dimensional semiconductors. An Introduction. Cambridge University Press 1998.

6. T. Ando, Y. Arakawa, K. Furuya, S. Komiyama and H. Nakashima. Mesoscopic Physics and Electronics. Springer Verlag Berlin Heidelberg 1998.

7. V.F. Radantsev, A.M. Yafyasov, V.B. Bogevolnov, I.M. Ivankiv, O.Yu.Shevchenko. Zero-field spin splitting in HgTe surface quantum well.// Surface Science, 2001, v.482-485, p.989-993.

8. R.S.Fiegelson // Japan J.Appl.Phys., 1980, v.19, suppl.19-3, p.371.

9. Б.JI. Гельмондт. Влияние нелокальности потенциала на спектр дырок в полупроводниках с малой шириной запрещенной зоны.// ФТП, 1975, т.9, в.10, с.1912-1914.

10. A.M. Яфясов, А.Д. Перепелкин, В.Б. Божевольнов. Исследование параметров зонной структуры приповерхностных слоев бесщелевых полупроводников (CdHg)Te и НдТе методом эффекта поля в электролитах.// ФТП, 1992, Т.26. В.4. С.636-643.

11. A.Yafyasov, V.Bogevolnov, A.Perepelkin. Parameters of Band Structure in Surface Layers of Zero-Gap Semiconductors (CdHg)Te.// Phys.Stat.Sol.(b), 1994, v.183, p.419.

12. K.-U. Gawlik, L. Kipp, M. Skibowski, N. Orlowski, and R. Manzke. HgSe: Metal or Semiconductor? //Phys.Rev.Lett., 1997, v.78, n.16, p.3165-3170.

13. D. Eich, D. Huebner, R. Fink, E.Umbach, K. Ortner, C.R.Becker, G.Landwehr, A.Fleszar. Electronic structure of HgSe (001) investigated by direct and inverse photoemission.// Phys.Rev.B., 2000, v.61, p.12666-12669.

14. M. von TYuchsess, A. Pfeuffer-Jeschke, C. R. Becker, G.Landwehr, E. Batke. Electronic band structure of HgSe from Fourier transform spectroscopy.// Phys. Rev В., 2000, v.61, p. 1666-1669.

15. B.A. Мямлин, Ю.В. Плесков. Электрохимия полупроводников. М.: Наука, 1965, 338с.

16. A.M. Яфясов, В.Б. Божевольнов, А.Д. Перепелкин. Эффект поля на бесщелевом полупроводнике.// ФТП, 1987, т.21, в.6, с. 11441147.

17. A.M. Яфясов, В.Б. Божевольнов, А.Д. Перепелкин. Электрофизические свойства слоистой структуры на основе (CdHg)Te в системе полупроводник электролит. // ФТП, 1991, т.25, в.8, с.1339-1343.

18. A.M. Яфясов, В.В. Монахов, О.В.Романов. Спектроскопия плотности состояний методом эффекта поля в электролитах.// Вестник ЛГУ, Сер.4, 1986, вып.1, с. 104-107.

19. О.Ю. Шевченко, В.Ф. Раданцев, A.M. Яфясов, В.Б. Божевольнов, И.М.Иванкив, А.Д.Перепелкин. Определение матричного элемента оператора квазиимпульса в бесщелевом полупроводнике HgSe методом эффекта поля в электролите.// ФТП, 2002, т.36, в.4, с.412-415.

20. О.Ю. Шевченко, A.M. Яфясов, В.Б. Божевольнов, И.М. Иванкив, А.Д. Перепелкин. Эффект поля в системе электролит твердый раствор (TlBiSe2)i-x - (TlBiS2)x.// ФТП, 2002, т.36, в.4, с.443-446.

21. A. Anagnostopoulos, V.B. Bogevolnov, I.M. Ivankiv, O.Yu. Shev-chenko, A.D. Perepelkin, A.M.Yafyasov. The Electrophisical Properties of the Surface Layer of the Semiconductor TlBiSe2.J/ Phys.stat.sol.(b), 2002, v.231, n.2, p.451-456.

22. V. Bogevolnov, I. Ivankiv, O. Shevchenko, A. Perepelkin, V.Radantsev, A.Yafyasov. Parameters of the zero-gap semiconductor HgSe at room temperature.// Applied Non-Linear Dinamics Technologies, Thessaloniki, Greece, 27-30. August, 2001.

23. О.Ю.Шевченко, В.Б.Божевольнов, А.Д.Перепелкин, А.М.Яфясов Эффективная масса тяжелых дырок в бесщелевых полупроводниках CdxHgi-xTe, НдТе и HgSe. // XXIV научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО, 2-4 февраля 2005.

24. Н.Н. Берченко, М.В. Пашковский. Теллурид ртути полупроводник с нулевой запрещенной зоной. // УФН, 1976, т.119, вып.2, с.223.

25. И.М. Цидильковский. Зонная структура полупроводников. М.: Наука, 1978, 328с.

26. E.O. Kane. Band structure of indium antimonide. // J.Phys.Chem. Solids, 1957, v.l, n.4, p.249-261.

27. И.М. Цидильковский. Концепция эффективной массы. Екатеринбург: УрОРАН, 1999, 383с.

28. Б.М. Аскеров. Электронные явления переноса в полупроводниках. М.: Наука, 1985, 320с.

29. J.D. Wiley, R.N. Dexter. Helicons and nonresonant cyclotron obsorp-tion in semiconductors Hg\-xCdxTe.// Phys.Rev, 1969, v.181, n.3, p.1181-1190.

30. J. Chu, S. Xu, D. Tang. Energy gap versus alloy composition and temperature in Hg\-xCdxTe.// Appl.Phys.Lett, 1983, v.43, n.ll, p.1064-1066.

31. Y. Nemirovski, E. Finkman. Intrinsic carrier concentration of Hgi-xCdxTe.// J.Appl.Phys., 1979, v.50, n.12, p.8107-8111.

32. E. Finkman. Determination of band-gap parameters of Hg\^xCdxTe. //J.Appl.Phys., 1983, v.54, n.4, p.1883-1886.

33. G.L. Hansen, J.L. Schmit, T.N. Gasselman. Energy gap versus alloy composition and temperature in Hg\-xCdxTe.J/ J.Appl.Phys., 1982, v.53, n.10, p.7089-7101.40