CC BY
18
-►
ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
УДК621.31 5.592
Н.М. Благих, СЛ. Немов, Л.Е. Шелимова
АНИЗОТРОПИЯ ПОПЕРЕЧНОГО ЭФФЕКТА НЕРНСТА — ЭТТИНГСГАУЗЕНА В МОНОКРИСТАЛЛЕ PbSb2Te4, ЛЕГИРОВАННОМ МЕДЬЮ
Кристаллы РЬ8Ь2Те4 относятся к классу слоистых тетрадимитоподобных халькогенидов с ромбоэдрической симметрией (пространственная группа ЯЗт) с параметрами гексагональной решетки а = 0,4350(1) нм; с = 4,1712(2) нм [1, 2] и принадлежат к новым перспективным термоэлектрическим материалам.
Тем не менее, практическое использование данного соединения сдерживается достаточно высокой величиной концентрации носителей, что связано с большим количеством собственных дефектов, образующихся в результате заметного отклонения от стехиометрии при кристаллизации.
Так, монокристаллы РЬ8Ь2Те4, исследованные в статье [3], имели дырочный тип проводимости с высокой концентрацией носителей р ~ 3-102Осм_3.
Исследования эффекта Нернста — Эттинг-сгаузена в указанном соединении, приведенные в статье [4], показали, что в диапазоне температур от 100 до 420 К наблюдается анизотропия поперечного эффекта со смешанным механизмом рассеяния. Причем две компоненты тензора эффекта Нернста — Эттингсгаузена 0|23, 0,32 отрицательны, что обусловлено доминирующим рассеянием носителей тока на акустических фо-нонах, и одна — [ — положительна вплоть до 400 К, что свидетельствует о существенном вкладе рассеяния на кулоновском потенциале примесей и дефектов в этом направлении.
Цель работы — легировать монокристалл РЬ8Ь2Те4 для снижения концентрации дырок, оценить концентрацию носителей тока путем измерения коэффициента Холла и установить механизм рассеяния носителей в широком ин-
тервале температур по анализу компонент тензора коэффициента Нернста — Эттингсгаузена.
Для данной цели было необходимо выполнение следующих задач: выбрать легирующий компонент, получить монокристалл высокого качества, позволяющий измерить все три независимые компоненты тензора Нернста — Эттингсгаузена и оценить концентрацию носителей тока с помощью эффекта Холла.
Объекты исследования
Для снижения концентрации носителей было произведено легирование монокристалла PbSb2Te4 медью. Этот элемент первой группы имеет один электрон на внешней электронной оболочке, отдавая который медь проявляет до-норный эффект. Кроме того, легирование медью других монокристаллов показало эффективность использования этой добавки, оказывающей сильное донорное действие [5].
Монокристалл PbSb2Te4: Си был выращен методом Чохральского с подпиткой жидкой фазой из плавающего тигля. Соединение идентифицировано с помощью рентгенографического исследования монокристаллических сколов с использованием автоматического дифрак-тометра ДРОН-УМ (CuÄ^-излучение) в Институте металлургии и материаловедения им. A.A. Байкова.
Дополнительно по длине образца с помощью термозонда контролировался разброс значений коэффициента термоэдс, который для разных участков не превышал 5 % (в пределах точности измерения), что свидетельствовало о достаточно высокой степени однородности по длине исследуемого монокристалла.
Методика эксперимента
Коэффициент Нернста — Эттингсгаузена для материалов ромбоэдрической симметрии является тензором и имеет три независимых компоненты: 0|Г„ (?П2И От- Поэтому для проведения экспериментальных исследований из одного монокристалла были вырезаны образцы, размеры и кристаллическая ориентация которых позволила измерить все три независимые компоненты тензора коэффициента Нернста — Эттингсгаузена — 0|23, От- От и две компоненты коэффициента Холла — Ят и Ят (где под номером 3 принимается направление три-гональной оси с в монокристалле, а индексы в порядке расположения характеризуют следующие направления: первый — измеряемого электрического поля, второй — электрического тока или градиента температуры, третий — магнитного поля).
Измерение полного тензора Нернста — Эттингсгаузена позволяет получить наиболее достоверную информацию о механизмах рассеяния носителей, так как он более чувствителен к механизмам рассеяния, чем другие кинетические коэффициенты.
Измерение трех независимых компонент тензора Нернста — Эттингсгаузена на образцах РЬ8Ь2Те4: Си проводились в диапазоне температур от 80 до 450 К, кроме того, для оценки концентрации носителей в исследуемом монокристалле измерены кинетические коэффициенты Холла Яп~, и Л-,21 пРи 77 К.
Основные соотношения
Концентрация носителей оценивалась по большей из компонент тензора Холла при 77 К по формуле [6]:
Р = {е*т)~ (1)
где е — заряд электрона.
В случае сильного вырождения в анизотропных кристаллах компоненты тензора Нернста — Эттингсгаузена описываются следующей формулой [6]:
к-^кТ, , 31пт,7
0;ы=—^--Щк^кк^-^ »
е 3 д 31пе ,,
г1
где в — модуль заряда электрона; к — постоянная Больцмана; Т— температура; ц — химический потенциал; коэффициент Холла;
акк — удельна электропроводность; \Я-,к1\окк ~ холловская подвижность носителей тока; тя — время релаксации; е — энергия носителей тока.
Таким образом, как видно из формулы (2), анизотропия поперечного эффекта Нернста — Эттингсгаузена определяется не только анизотропией холловской подвижности \Яш\акЬ но и времени релаксации тя. Отрицательный знак эффекта Нернста — Эттингсгаузена имеет место при преобладании рассеяния носителей на акустических фононах
(31пт/31пе |ц = -1/2),
а положительный — при рассеянии на кулонов-ском потенциале примесей и дефектов
(31пт/31пе = 3/2).
Результаты и их обсуждение
Анализ полученных данных показал, что исследованные нами образцы РЬ8Ь2Те4 : Си при 77 К имели дырочный тип проводимости с концентрацией р « 1,7- 102Осм-3 (рассчитана по формуле (1) из большей компоненты тензора Холла Я^2(). Это свидетельствует о существенном уменьшении концентрации дырок в результате их компенсации электроном из внешней оболочки легирующего атома меди. Высокая концентрация носителей в исследуемом монокристалле РЬ8Ь2Те4 : Си позволяет для анализа экспериментальных данных использовать формулы для вырожденной статистики.
Температурные зависимости трех независимых компонент коэффициента Нернста — Эттингсгаузена приведены на рисунке.
Прежде всего, стоит отметить наличие двух положительных компонент коэффициента Нернста — Эттингсгаузена и Отв РЬ8Ь2Те4: Си, что в узкозонных слоистых полупроводниках ранее не наблюдалось. При этом компонента 032, положительна во всем исследуемом диапазоне температур, а компонента 0П2 положительна только до температуры преблизительно 200 К; выше нее величина компоненты <2\~,2 меняет знак и становится отрицательной.
Компонента определяемая переносом в плоскости спайности кристалла, отрицательна во всем интервале температур (см. рисунок), что типично для узкозонных полупроводников типаА|УВУ| ИА2УВ~У| в области примесной проводимости. В указанной области коэффициент
4
Физика конденсированного состояния^
Нернста — Эттингсгаузена отрицателен в диапазоне температур от 100 до 300 К, при доминирующем рассеянии носителей тока на акустических фононах.
Такое существенное отличие поведения компонент тензора Нернста — Эттингсгаузена можно объяснить тем, что под действием магнитного поля возникает сила Лоренца, отклоняющая поток носителей в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного поля; в результате в компоненте 0|2з отклонение носителей наблюдается в плоскости скола и значительным оказывается рассеяние на акустических фононах, а в 0з2| и 0,32 отклонение происходит с пересечением потока носителей плоскости скола, что приводит к увеличению влияния рассеяния на кулоновском потенциале примесей и дефектов. Наиболее вероятно, что атомы меди при легировании монокристалла РЬ8Ь2Те4 встраиваются в виде ионов преимущественно между плоскостями спайности. Положительно заряженные ионы меди увеличивают влияние рассеяния на кулоновском потенциале ионизованных примесей. Сделанное предположение позволяет объяснить различие компонент 0321 и 0|32. Данное различие обусловлено разницей направлений основного потока носителей, а также различным его отклонением под действием силы Лоренца. Для компоненты 0П2 данный поток полностью пересекает плоскость спайности с незначительным рассеянием на акустических фононах за счет отклонения дырок в плоскости скола. Для другой компоненты основной поток носителей направлен в плоскости скола и, отклоняясь, пересекает плоскости спайности, добавляя к рассеянию на акустических фононах рассеяние на кулоновском потенциале примесей и дефектов, в результате чего оба механизма в этом направлении становятся сопоставимыми.
С ростом температуры увеличивается количество фононов, а следовательно их вклад в рас-
вм, мВ/(К-Т)
100 200 300 400 Г, К
Температурная зависимость компонент тензора коэффициента Нернста — Эттингсгаузена: 03210; 0132 (2); 0123 <-*)
сеяние на акустических фононах. Это приводит к уменьшению положительных значений компонент 0321 и 0|32 с переходом последней в отрицательную область.
Таким образом, на монокристалле РЬ8Ь2Те4, легированном медью, экспериментально измерены все три независимые компоненты Нернста — Эттингсгаузена 0|2з, 0321 и 0132в диапазоне температур от 80 до 450 К. Отрицательный знак компоненты 0|2-„ определяемой переносом в плоскости спайности, свидетельствует о доминирующем рассеянии на акустических фононах, а положительный знак компоненты 0з21 — о доминировании примесного рассеяния вдоль три-гональной оси. Малость абсолютного значения компоненты 0П2 и смена знака с положительного на отрицательный вблизи температуры 200 К свидетельствует о примерно равном вкладе этих механизмов в рассеяние дырок в монокристалле РЬ8Ь2Те4: Си. С ростом температуры усиливается влияние рассеяния на акустических фононах, что приводит к уменьшению положительных компонент 0321 и 0,з2, атакжепере-ход в отрицательную область компоненты 0Г,2.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шелимова, Л.Е. Слоистые халькогениды в квазибинарных системах А^В^ — Ау2Ву'ч (А|У - ве, 8п, РЬ; В^ - Те, 8е; Ау - В1 Я)) - перспективные термоэлектрические материалы для термогенераторов [Текст] / Л.Е. Шелимова, О.Г. Карпинский, П.П. Константинов [и др.] // Перспективные материалы.— 2006.— № 3.— С. 5—17.
2. Шелимова, Л.Е. Анизотропия термоэлектрических свойств слоистых соединений РЬ8Ь2Те4 и РЬВ14Те7 [Текст] / Л.Е. Шелимова, Т.Е. Свечникова, П.П. Константинов [и др.] // Неорганические материалы.— 2007.— Т. 43.— №2,-С. 165-171.
3. Жигинская, М.К. Анизотропия термоэдс сло-
истого соединения РЬ8Ь2Те4 [Текст] / М.К Житин-ская, С.А Немов, Л.Е. Шелимова [и др.]// Физика твердого тела,- 2008,- Т. 50,- Вып. 1,- С. 8-10.
4. Немов, С.А. Об анизотропии рассеяния дырок в слоистом соединении РЬ8Ь2Те4 по данным коэффициента Нернста — Эттингсгаузена [Текст] /С.А. Немов, М.К. Житинская, Л.Е. Шелимова [и др.] // Физика твердого тела.— 2008.— Т. 50,- Вып. 7,- С. 1166-1168.
5. Житинская, М.К. Влияние легирования медью на кинетические явления в кристаллах В12Те2858е0Л5 [Текст] / М.К. Житинская, С.А. Немов, Т.Е. Свечникова // Физика и техника полупроводников.— 2007.— Т. 41.— Вып. 10.— С. 1158-1162.
6. Аскеров, Б.М. Кинетические эффекты в полупроводниках [Текст] / Б.М. Аскеров.— Л.: Наука, 1970,- 303 с.
УДК621.31 5.592
А.И. Цюк, В.В. Вороненков, Р.И. Горбунов, Ф.Е. Латышев, Н.И. Бочкарева
РЕЖИМЫ РОСТА НИТРИДА ГАЛЛИЯ ПРИ ХЛОРИДГИДРИДНОЙ ГАЗОФАЗНОЙ ЭПИТАКСИИ
Нитрид галлия — широкозонный прямозон-ный полупроводник, использующийся в синих и ультрафиолетовых светодиодах и лазерах, а также мощных высокочастотных устройствах. Из-за недостатка родственных подложек нитрид галлия СаМ получают гетероэпитаксией, как правило, на сапфире. Это приводит к большой плотности дислокаций (109 —1010 см-2) в выращенном материале. Плотность дислокаций снижается с толщиной, поэтому одним из методов улучшения качества материала является выращивание толстых пленок.
Метод хлоридгидридной газофазной эпи-таксии (ХГФЭ) позволяет достичь высоких скоростей роста (до 400 мкм/ч) и выращивать толстые пленки нитрида галлия. При росте толстых слоев особенно остро встает проблема возникновения механических напряжений в пленках, из-за которых пленка изгибается и может растрескаться.
Механические напряжения в пленках нитрида галлия можно условно разделить на два типа — внешние и внутренние. Внешние возникают из-за воздействия на пленку подложки. Типичным примером такого напряжения является термонапряжение, возникающее из-за разницы температурных коэффициентов расширения подложки и пленки. В системе нитрид
галлия/сапфир для СаМ термонапряжение сжимающее, что приводит к изгибу структуры при комнатной температуре. Термонапряжение хорошо известно и рассчитывается методами теории упругости [1].
Внутреннее напряжение возникает в пленке при росте и называется ростовым. Для нитрида галлия это, как правило, растягивающее напряжение [2].
На данный момент нет ясности в вопросе возникновения ростового напряжения, и ни одна из причин не может считаться твердо установленной. Одна из возможных причин возникновения ростового напряжения — коалесценция зародышей [3], другая — наклон краевых дислокаций [4].
Данная работа посвящена исследованию влияния условий роста на величину ростового напряжения и морфологию пленок.
Экспериментальная часть
Все образцы были выращены в вертикальном шестиподложечном ХГФЭ-реакторе. Рост проводился на подложках сапфира диаметром 2 дюйма (5,08 см). Перед депозицией сапфировые подложки отжигались при температуре 1060 °С в атмосфере аммиака в течение 10 мин. Далее наносился буферный слой при давлении
