МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. М. В. ЛОМОНОСОВА

_

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

на правах рукописи

Добровольский Александр Александрович

Электронный транспорт и фотопроводимость

в нанокристаллических пленках PbTe(In)

Специальность 01.04.10 - физика полупроводников

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2010

Работа выполнена на кафедре общей физики и магнитоупорядоченных сред физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН Хохлов Дмитрий Ремович, доктор физико-математических наук Рябова Людмила Ивановна

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Багаев Виктор Сергеевич кандидат физико-математических наук, доцент Ормонт Михаил Александрович

Ведущая организация:

Российский Научный Центр “Курчатовский институт” 2010 года в 1700 часов на заседании

Защита состоится “ 11 ” марта Диссертационного совета Д 501.001.70 при Московском Государственном Университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, д.1, стр.35, конференц-зал Центра коллективного пользования физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.

Автореферат разослан “ 8 ” февраля 2010 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д 501.001. доктор физико-математических наук, профессор Г.С.Плотников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Теллурид свинца и твердые растворы на его основе являются одними из базовых материалов микро- и оптоэлектроники ИК диапазона [1]. К преимуществам данного класса полупроводников можно отнести наличие прямой щели в спектре и возможность плавно варьировать ее величину, изменяя состав. Фактором, ограничивающим возможности их применения, является высокая концентрация электрически активных собственных дефектов, обусловленных отклонением состава от стехиометрии. В определенной степени преодолеть эту трудность оказалось возможным с помощью легирования. При этом легирование узкощелевых полупроводников на основе теллурида свинца некоторыми элементами III группы приводит к качественному изменению свойств исходного материала. При легировании указанных материалов индием наблюдается эффект стабилизации положения уровня Ферми, а также долговременные процессы релаксации электронных распределений при выведении системы из состояния равновесия с помощью внешних воздействий.

К таким процессам относится явление задержанной фотопроводимости при низких температурах [2].

В последние годы интерес к материалам на основе теллурида свинца возрос в связи с проблемой создания более эффективных термоэлектрических преобразователей [3], детекторов [4] и лазеров [5] ИК диапазона. В немалой степени этому способствовали новые возможности роста эпитаксиальных пленок, наноструктур и сверхрешеток, включая сверхрешетки квантовых точек. Легирование и окисление структур позволяют эффективно управлять их свойствами, что может быть важно для целого ряда практических применений. В оптоэлектронике легирование обеспечивает расширение спектрального диапазона чувствительности в дальней ИК-области [6]. Для нанокристаллических пленок на основе теллурида свинца введение примеси индия, стабилизирующей положение уровня Ферми, позволяет обеспечивать однородность электрофизических параметров отдельных зерен, получать высоковоспроизводимые результаты при синтезе [7].

Однако в нанокристаллических структурах свойства зерна далеко не всегда являются определяющими. Существенный вклад в проводимость могут вносить поверхностные эффекты и барьеры, формирующиеся на границах нанокристаллитов. Одним из эффективных методов, позволяющих охарактеризовать механизмы электронного транспорта и разделить вклады в проводимость от различных структурных элементов, является исследование полного импеданса. В данной работе исследованы электрофизические свойства и фотопроводимость нанокристаллических пленок PbTe(In) в статических и переменных электрических полях в широком диапазоне температур.

Целью работы являлось определение вкладов в проводимость от различных структурных элементов пленок PbTe(In), синтезированных в разных условиях, а также определение оптимальных с точки зрения фоточувствительности условий измерения и режимов синтеза образцов.

Конкретные задачи включали:

1. Исследование электрофизических свойств нанокристаллических пленок PbTe(In) в статических и переменных электрических полях при температурах от 4.2 до 300 К в диапазоне частот 20 Гц – 1 МГц в условиях экранирования от внешнего излучения и при подсветке.

2. Исследование влияния микроструктуры пленок PbTe(In) на их транспортные и фотоэлектрические свойства.

3. Анализ частотных зависимостей компонент полного импеданса и импедансспектров исследованных образцов в рамках приближения эквивалентных схем.

Научная новизна работы и положения выносимые на защиту:

1. Показано, что, изменяя условия синтеза, определяющие микроструктуру пленок, можно получать как структуры, свойства которых определяются модуляцией зонного рельефа, так и пленки подобные монокристаллическим образцам PbTe(In) со стабилизированным уровнем Ферми.

2. Изучено влияние температуры и подсветки на соотношение вкладов в проводимость от различных элементов микроструктуры пленок PbTe(In).

Определены параметры (сопротивления и емкости), характеризующие эти вклады.

3. Обнаружено, что частотные зависимости фотоотклика нанокристаллических пленок PbTe(In) могут иметь немонотонный характер и достигать максимального значения в узкой области частот.

4. Показано, что транспорт дырок по инверсионным каналам на поверхности зерен нанокристаллических пленок p-PbTe(In) определяется прыжковой проводимостью.

Научная и практическая ценность работы:

Научная ценность диссертации заключается в том, что полученные в настоящей работе результаты позволяют определить механизмы, характеризующие транспорт в нанокристаллических структурах на основе PbTe(In), и выбрать соответствующие теоретические модели, описывающие данные механизмы. Совокупность данных об электронном транспорте и фотопроводимости в постоянных и переменных электрических полях в нанокристаллических пленках PbTe(In) необходима для оптимизации параметров современных приемников инфракрасного диапазона. Результаты исследований могут быть положены в основу разработки нового класса приемников ИК диапазона.

Апробация результатов работы:

Результаты, полученные в настоящей работе, докладывались на: XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых “Ломоносов” (Москва, Россия, 2008), 11-ом Международном симпозиуме по физике материалов (Прага, Чехия, 2008), 25-ой Международной конференции по физике низких температур (Амстердам, Нидерланды, 2008), 6-ой Международной конференции по неорганическим материалам (Дрезден, Германия, 2008), X Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, Россия, 2008), XIII Международном симпозиуме “Нанофизика и наноэлектроника” (Нижний Новгород, Россия, 2009), Международной конференции по нанотехнологиям “NanoIsrael 2009” (Иерусалим, Израиль, 2009), Международной конференции по оптике и фотонике “SPIE Optics+Photonics 2009” (Сан Диего, США, 2009), 23-ей Международной конференции по аморфным и нанокристаллическим полупроводникам (Утрехт, Нидерланды, 2009), IX Российской конференции по физике полупроводников “Полупроводники’09” (НовосибирскТомск, Россия, 2009), а также на семинарах кафедры общей физики и магнитоупорядоченных сред физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Публикации:

По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, в том числе 6 статей в научных журналах.

Личный вклад автора в диссертационную работу:

Экспериментальные данные по исследованию транспортных, фотоэлектрических и оптических свойств нанокристаллических пленок PbTe(In), приведенные в диссертационной работе, получены автором лично. Автор лично обработал, проанализировал и систематизировал представленные в работе экспериментальные результаты.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, включает список цитируемой литературы из 104 ссылок. Объем диссертации составляет 111 страниц, включая 43 рисунка и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулированы задачи исследования, отмечены научная новизна полученных результатов и их практическая ценность, кратко изложено содержание работы по главам.

В первой главе диссертации содержится обзор литературы, посвященный свойствам материалов на основе теллурида свинца и особенностям легирования данного класса полупроводников примесью индия. Рассматриваются основные свойства полупроводников с модуляцией зонного рельефа.

Теллурид свинца является узкощелевым полупроводником с прямой запрещенной зоной Eg = 190 мэВ (при Т = 0 К), величина которой возрастает при увеличении температуры. При легировании PbTe индием свойства примесных центров определяются корреляционными процессами в системе примесный центр – ближайшее кристаллическое окружение. Стабилизированный уровень Ферми в PbTe(In) при низких температурах расположен на 70 мэВ выше дна зоны проводимости, задержанная фотопроводимость наблюдается при температурах T < 25 К и обусловлена особенностями примесных состояний индия.

В полупроводниках с модуляцией зонного рельефа протекание тока и возникновение задержанной фотопроводимости связаны с наличием в рекомбинационного. Рекомбинационные барьеры возникают вследствие пространственного разделения неравновесных электронов и дырок.

Задержанная фотопроводимость в неоднородных структурах может наблюдаться при относительно высоких температурах.

Во второй главе приводится описание исследованных образцов, методов исследования и экспериментальных установок.

Пленки PbTe(In) были получены физическим осаждением из паровой фазы на стеклянную подложку. Для этого монокристаллический образец PbTe, легированный 0.5 ат.% In, распылялся с помощью электронной пушки [7]. Температура Ts подложки при осаждении варьировалась в широком диапазоне от - до 250 оС. Полученные пленки имели столбиковую структуру с ориентацией столбиков в направлении, близком к перпендикулярному подложке. Высота столбиков равнялась толщине полученных пленок и составляла ~ 1 мкм. Диаметр столбиков рассматривается как характерный размер кристаллитов d. Для пленок, осажденных при низкой температуре подложки Ts (-120 -70 oC), размер нанокристаллита составляет ~ 60-70 нм. Увеличение температуры подложки приводит к росту размера зерна, при температуре осаждения Ts = 250 оС d достигает 300 нм.

Анализ данных рентгеновской дифракции показал, что исследуемые образцы являются однофазными с ГЦК структурой, характерной для теллурида свинца. Увеличение температуры подложки при осаждения пленок приводит к появлению преимущественной кристаллографической ориентации столбиков в направлении (200) (рис.1). Для пленок, полученных при Ts = 250 оС, наблюдается формирование текстуры в этом направлении. Изучение профиля содержания элементов по глубине, проведенное с помощью Рис.1. Спектры рентгеновской дифракции пленок PbTe(In) с разОже-спектроскопии, мерами кристаллитов 60, 170 и 300 нм. Цифры рядом с кривыми показало однород- Пики от золота и хрома связаны с нанесенными на пленки контактами.

ное распределение индия по всей толщине пленки.

Несмотря на то, что объем зерен из-за легирования индием должен иметь проводимость n-типа, знаки коэффициентов Зеебека и Холла для пленок, полученных осаждением на подложку с достаточно низкой температурой Ts < 40 оС, положительны. Основными носителями заряда в образцах являются дырки. Для пленок, осажденных при Ts = 250 оС, знаки коэффициентов Зеебека и Холла отрицательны, а концентрация электронов достигает значений n = 6·1018 см-3, что близко по значению к концентрации носителей в монокристаллах PbTe(In).

На рис.2 представлен типичный спектр поглощения нанокристаллической пленки PbTe(In), рассчитанный из данных по спектральной зависимости коэффициента пропускания образца. В случае собственного поглощения коэффициент поглощения описывается соотношением ~ (h Eg )1 / 2, где h - энергия падающего фотона, Eg - оптическая ширина запрещенной зоны. Рассчитанная из данного соотношения величина Eg составила 350 мэВ. Полученное значение превышает ширину запрещенной зоны монокристалла PbTe, которая при комнатной температуре достигает 310 мэВ. Наиболее вероятной причиной такого расхождения является эффект БурштейнаМосса, связанный со сдвигом края собственного поглощения света длин волн при заполнении электронами зоны проводимости.

Кроме того, в случае неоднородных полу- размером кристаллита 70 нм как функция энергии падающего фотона. На вставке к рисунку показан график зависипроводников модулямости 2 от энергии фотона. Т = 300 К.

ция зонного рельефа также может приводить к сдвигу края собственного поглощения.

Одним из возможных способов модификации свойств нанокристаллических пленок является их окисление. Для исследования влияния окисления на свойства пленок PbTe(In) некоторые из полученных образцов дополнительно отжигались в атмосфере кислорода. Пленки с размером кристаллита 300 нм отжигались при температуре Tann = 400 oC в течение 60 и 180 минут. Пленки с размером зерна 70 нм отжигалась в кислороде в двух различных режимах: при температуре Tann = 300 оС в течение 400 минут и при Tann = 350 оС в течение минут.

Окисление является сложным процессом, который, с одной стороны, может приводить к появлению оксидных фаз на межкристаллитных границах, с другой – к хемосорбции кислорода, диффундирующего вдоль межкристаллитных границ и формированию дополнительных акцепторных состояний на поверхности зерен. В зависимости от температуры Tann и времени отжига состав и распределение оксидных фаз изменяется. На спектрах рентгеновской дифракции отожженных образцов PbTe(In) помимо линий, соответствующих оксидным фазам Pb2O3 и TeO2, появляется линия, связанная с образованием фазы металлического индия.

Для измерения электрофизичеких характеристик были изготовлены образцы с двумя контактными конфигурациями: в холловской геометрии для измерений на постоянном токе и в двухконтактной геометрии для измерений в переменных электрических полях (наносились две контактные пластины с большой площадью и меньшим расстоянием между ними, что лучше соответствует требованиям корректного измерения импеданса). На пленки с проводимостью p-типа контакты были нанесены методом термического испарения золота на подслой хрома (для лучшей адгезии золота на поверхности пленки). К образцам с n-типом проводимости изготавливались никелевые контакты. Оба типа контактов являлись омическими во всем исследуемом температурном интервале, вольт-амперные характеристики образцов были линейны в диапазоне напряжений U < 0.5 В.

При отжиге в атмосфере кислорода нанокристаллических пленок со средним размером зерна 60-170 нм контакты остаются омическими во всем исследуемом диапазоне температур и не вносят существенного вклада в измеряемое сопротивление. В случае пленок с размером кристаллитов 300 нм, окисление оказывает существенное влияние на состояние приконтактной области. Это затрудняет интерпретацию результатов измерения импеданса этих пленок.

Измерения на постоянном токе проводились с помощью автоматизированной установки, позволяющей регистрировать температурные и временные зависимости сопротивления образцов, а также вольт-амперные характеристики в диапазоне температур 4.2300 K в темновых условиях и при подсветке. Для исследования проводимости образцов в переменных электрических полях использовалась специально созданная установка, которая позволяла проводить измерение температурных и частотных зависимостей компонент полного импеданса Z = Z ' jZ ' ' в области частот от 20 Гц до 1 МГц, в температурном диапазоне 4.2300 K, в темновых условиях и при подсветке. В качестве измеряемых сигналов регистрировались модуль импеданса |Z| и фаза, которые пересчитывались в действительную Z ' и мнимую Z ' ' компоненты импеданса и проводимости ', ' '. Поскольку в исследуемых материалах наблюдается явление задержанной фотопроводимости, конструкция всех измерительных камер обеспечивала практически полное экранирование образца от фонового излучения нагретых деталей.

В третьей главе представлены результаты исследования транспортных свойств и фотопроводимости пленок PbTe(In) с различным размером кристаллита.

Температурные зависимости удельного сопротивления пленок с различным размером кристаллитов в условиях экранирования и при подсветке представлены на рис.3. Текстурированные пленки, полученные при высоких значениях температуры подложки, имеют свойства, характерные для монокристаллического PbTe(In): проводимость n-типа, металлический характер температурной зависимости удельного сопротивления, появление задержанной фотопроводимости при температурах Т < 25 К. Свойства этих пленок определяются объемом кристаллитов. Сравнительно большой средний размер зерна и наличие преимущественной кристаллографической ориентации зерен можно отнести к Рис.3. Температурные зависимости удельного сопротивления для пленок PbTe(In) с размерами кристаллита 60, факторам, способствуюи 300 нм.

щим уменьшению вклада поверхностных состояний в проводимость.

Пленки с проводимостью p-типа, полученные при низких температурах подложки, обладают свойствами, характерными для неоднородных полупроводников с модуляцией зонного рельефа. В этом случае наблюдаемые при высоких температурах активационные участки на зависимостях lg() - (100/T) определяются процессами термического возбуждения носителей заряда на порог подвижности (см. рис.3), а сами энергии активации характеризуют амплитуду дрейфовых барьеров. Значения энергий активации, рассчитанные из соотношения ~ exp(EA/kT), варьируются в диапазоне 70-90 мэВ, уменьшаясь с увеличением размера зерна. В пленках с проводимостью p-типа задержанная фотопроводимость наблюдается при температурах T < 150 K. Рекомбинационный барьер в этих пленках возникает вследствие пространственного разделения неравновесных носителей заряда крупномасштабным потенциальным рельефом зон в наноструктуре.

Исследование частотных и температурных зависимостей компонент полного импеданса проведено только для пленок p-типа. Пленки с проводимостью n-типа являются низкоомными, получить для них информативные частотные зависимости компонент импеданса не удалось.

Общепринятый метод анализа частотных зависимостей компонент импеданса основан на построении импеданс-спектра (годографа): зависимости мнимой части импеданса Z ' ' от действительной Z ', и выборе аппроксимирующей эквивалентной схемы. На рис.4 в качестве примера показан годограф импеданса пленки PbTe(In) с размером кристаллита 70 нм при T = 4.2 K. Импедансспектр состоит из двух хорошо различимых ветвей, близких по форме к полуокружности. В качестве эквивалентной схемы в этом случае может быть рассмотрен контур, включающий две последовательно соединенные параллельные RC-цепочки.

нанокристаллических структур указывает на то, что их проводимость определяется вкладами, соответствующими двум механизмам транспорта носителей заряда. Каждый из этих вкладов можно охарактеризовать параметрами соответствующей RC-цепочки. Частоты fmax, соответствующие положению максимумов на частотных зависимостях Z ' ', связаны с параметрами RC-контуров соотношением 2 fmax=(RC)-1. Для двух различных ветвей импеданс-спектра величины частот fmax отличаются почти на 2 порядка величины, что дает возможность оценить параметры (R и C) каждого контура по отдельности. Вычисления показали, что рассчитанное значение емкости высокочастотного контура на три порядка величины меньше емкости низкочастотного контура. Это соотношение между соответствующими емкостями сохраняется для всех исследованных обнм при T = 4.2 K. Пунктирные линии – расчетные кривые.

разцов в области темпе- Параметры расчета приведены на рисунке. C0 - геометрическая емкость образца.

ратур, где наблюдаются две ветви на импеданс-спектрах. При повышении температуры на импедансспектре удается наблюдать лишь один контур, смещенный относительно начала отсчета по оси Z '. Емкость этого контура соответствует низкочастотной ветви импеданс-спектра при низких температурах. При подсветке в области низких температур импеданс-спектр также представлен единичным контуром с высокой емкостью.

Аппроксимация эквивалентными схемами позволяет количественно охарактеризовать механизмы, ответственные за проводимость пленок. Однако для интерпретации полученных данных требуется модель, которая бы ставила в соответствие наблюдаемым механизмам определенные физические процессы. В качестве такой модели рассмотрен подход, предложенный в работе [8] для описания транспорта носителей в поликристаллических пленках халькогенидов свинца. В соответствии с этим подходом, на поверхности кристаллитов из-за оборванных связей формируются состояния, приводящие к образованию на поверхности зерен n-типа инверсионных каналов с дырочной проводимостью.

Формированием инверсионных каналов на поверхности зерен можно объяснить проводимость p-типа в нанокристаллических пленках PbTe(In) с малым размером кристаллита.

В случае высоких температур и низких частот транспорт вдоль инверсионных каналов с p-типом проводимости является доминирующим, а его параметры (сопротивление RI и емкость CI) определяют форму годографа импеданса. Другой механизм транспорта, который вносит значительный вклад в полную проводимость пленок, по-видимому, связан с переносом носителей через барьеры на межкристаллитных границах. В пользу этого предположения говорят измерения, проведенные в условиях подсветки. Увеличение концентрации неравновесных носителей заряда в образце при подсветке приводит к сдвигу квазиуровня Ферми и уменьшению рекомбинационного барьера. Сопротивление барьера понижается, при этом высокочастотная ветвь импеданс-спектра практически исчезает.

Суперпозиция двух различных механизмов проводимости может приводить к немонотонной частотной зависимости амплитуды фотоотклика. Было обнаружено, что при определенной комбинации параметров эквивалентных цепочек на частотной зависимофотоотклика действительной Z ' DARK / Z ' LIGHT компоненты сти фотоотклика может импеданса для пленок PbTe(In) с размером зерна 60, 130 и наблюдаться пик. На рис.5 представлены частотные зависимости амплитуды относительного фотоотклика действительной Z ' DARK / Z ' LIGHT компоненты импеданса для исследованных пленок PbTe(In) с различным размером зерна. Полученные зависимости характеризуются немонотонным поведением и наличием пика в некотором, достаточно узком, диапазоне частот. Положение пика по частоте определяется параметрами, характеризующими вклады в проводимость различных механизмов транспорта. Частоты, соответствующие максимальным значениям Z ' DARK / Z ' LIGHT и Z ' ' DARK / Z ' ' LIGHT, так же как и амплитуды пиков, существенно различаются для пленок с разным размером зерна. Для исследованных образцов максимальная амплитуда пика фотоотклика наблюдается для пленки со средним размером кристаллита 130 нм.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния отжига в атмосфере кислорода на транспортные свойства и фотопроводимость пленок PbTe(In).

Для пленок n-типа с размером зерна 300 нм отжиг в кислороде приводит к смене типа проводимости и появлению активационного участка на температурной зависимости сопротивления при Т > 150 К. Существенно повышается температура появления задержанной фотопроводимости. В неотожженных пленках n-типа фотопроводимость наблюдалась при T < 25 К, в отожженных фоточувствительность зарегистрирована при T < 150 К.

Изменение типа проводимости поликристаллических пленок халькогенидов свинца n-типа при отжиге в атмосфере кислорода было объяснено авторами [8] формированием инверсионных каналов с дырочным типом проводимости. В настоящей работе показано, что в нанокристаллических пленках PbTe(In) с разориентированными кристаллитами для формирования инверсионных каналов на поверхности зерен дополнительный отжиг в кислороде не требуется. В текстурированных пленках PbTe(In) n-типа для образования инверсионных каналов отжиг в кислороде необходим. Хемосорбированный на поверхности зерен кислород создает акцепторные состояния. Кроме этого, при отжиге изменяется фазовый состав пленок, образуются оксидные фазы. Все указанные факторы обуславливают формирование зонного рельефа. Свойства окисленных пленок определяет амплитуда модуляции зонного рельефа, дрейфовый и рекомбинационный барьеры. Задержанная фотопроводимость в окисленных пленках обусловлена пространственным разделением неравновесных носителей заряда межкристаллитными барьерами, в отличие от неотожженных пленок n-типа, в которых характер проводимости определяет объем зерна, а фотопроводимость обусловлена особенностями примесных состояний индия.

Отжиг в кислороде существенно модифицирует и свойства нанокристаллических пленок p-типа с размером зерна около 70 нм. На рис.6 показаны температурные зависимости удельного сопротивления пленки до и после отжига в кислороде в различных режимах. В области высоких температур Т > 150 К на зависимостях lg() – (100/T) для всех исследованных образцов наблюдается активационный участок. Значения энергии активации ЕА для пленок, отожженных при разных температурах Tann, даны в таблице на рис.6. При повышении температуры отжига сопротивление пленок и энергия активации изменяются относительно исходной пленки немонотонно: при низкотемпературном отжиге возрастают, при высокотемпературном убывают. Максимальная амплитуда фотоотклика наРис.6. Температурные зависимости удельблюдается для пленки, отожженной при температуре 300 оС. В образце, осаженной при температуре Ts = - 120 oC, и отожженном при температуре 350 оС, двух различных режимах: при температуре фотоотклик появляется при более низ- Tann = 350 оС в течение 180 минут.

ких температурах Т < 50 К, и амплитуда фотоотклика сравнительно невелика.

Возрастание энергии активации ЕА на первой стадии окисления нанокристаллических пленок p-типа можно связать как с появлением оксидных фаз, так и с дополнительными акцепторными состояниями хемосорбированного кислорода на поверхности кристаллитов. Оба эти фактора должны приводить к возрастанию амплитуды зонной модуляции и увеличению энергии активации ЕА.

Уменьшение энергии активации при повышении температуры отжига в кислороде может быть обусловлено туннельной прозрачностью наиболее высоких межкристаллитных барьеров. Эти барьеры не будут вносить вклад в температурные зависимости сопротивления исследованных образцов. Активационные зависимости удельного сопротивления в этом случае связаны с присутствием более низких, но туннельно непрозрачных барьеров. Повышение туннельной прозрачности барьеров в нанокристаллических пленках, отожженных в кислороде при температуре 350 оС, приводит к увеличению темпа рекомбинации, резкому уменьшению амплитуды фотоотклика и существенному снижению температуры появления задержанной фотопроводимости.

При гелиевых температурах импеданс-спектры пленок PbTe(In) p-типа, отожженных в разных условиях, представлены одной ветвью. Расчет параметров эквивалентных схем показал, что эти ветви соответствуют разным механизмам переноса носителей. В образце, отожженном при температуре 300 оС, энергия активации является наиболее высокой, и доминирующим механизмом транспорта в данном случае являются активационные переходы через межкристаллитные барьеры. Этот же механизм транспорта отвечает и за высокочастотную ветвь импеданс-спектра неотожженной пленки. В образце, отожженном при 350 оС, импеданс-спектр определяет транспорт носителей заряда вдоль инверсионных каналов на поверхности зерен. На это указывает высокое значение емкости в соответствующей эквивалентной схеме. Годограф для этой пленки при гелиевой температуре аналогичен годографу, полученному для неотожженных образцов при подсветке. Подсветка не приводит к существенному изменению импеданс-спектра этих пленок. Поскольку вклад в общую проводимость от переноса через межкристаллитные барьеры для пленок, отожженных при 350 oС, незначителен, анализ частотных зависимостей проводимости позволяет получить дополнительную информацию о характере переноса заряда вдоль инверсионных каналов на поверхности зерен. При температуре Т = 4.2 К действительная часть проводимости ' в области частот свыше 10 кГц возрастает, следуя закону ' ~ 0.7. Подобные частотные зависимости характерны для прыжкового механизма проводимости. Температурная зависимость сопротивления в области низких температур Т < для прыжковой проводимости ~ exp(T -1/4) (рис.7).

В условиях подсветки на импеданс-спектре пленки, отожженной при С, помимо контура, соответствующего транспорту носителей заряда вдоль инверсионных каналов, наблюдается также высокочастотная ветвь, связанная с активационными переходами через межкристаллитный барьер. Наличие на импеданс-спектре окисленного образца вклада от проводимости через межкристаллитные барьеры даже в условиях подсветки связано с увеличением Z ' ' DARK / Z ' ' LIGHT, полученные при Т = 77 К, имеют немонотонные частотные зависимости, на частотных зависимостях наблюдается хорошо различимый максимум, вследствие суперпозиции двух механизмов транспорта. На частотных зависимостях фотоотклика компонент импеданса при температуре Т = 4.2 К аналогичного максимума не наблюдается. Отсутствие пика на частотных зависимостях относительного фотоотклика, по-видимому, связано с тем, что вклад от транспорта носителей заряда по инверсионным каналам в окисленных пленках в данном диапазоне температур является незначительным по сравнению с вкладом барьеров.

Следует отметить, что частотные зависимости фотоотклика в неотожженных и окисленных пленках при температуре жидкого гелия существенно отличаются. Это обстоятельство может быть обусловлено изменением микроструктуры пленок в процессе отжига. В неотожженных пленках p-типа с малым размером кристаллита формирование инверсионных каналов обусловлено оборванными связями на поверхности зерен. Оже-спектральный анализ не обнаружил присутствия кислорода в этих пленках. При окислении пленок появляются оксидные фазы, а также дополнительные акцепторные состояния, образованные диффундирующим кислородом. При подсветке относительное изменение расчетного значения сопротивления барьеров B(DARK)/ B(LIGHT) в неотожженной пленке составляет ~ 100, а в отожженной в кислороде при 300 oС - ~ 2000. Сопротивление инверсионных каналов в неотожженной пленке при подсветке приблизительно в 30 раз выше, чем в отожженной пленке. Столь различные соотношения параметров, характеризующих транспорт в исследованных нанокристаллических структурах, приводит к качественно отличающимся частотным зависимостям фотоотклика.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведены исследования транспортных свойств и фотопроводимости в нанокристаллических пленках PbTe(In) в статических и переменных электрических полях при температурах от 4.2 до 300 К в диапазоне частот 20 Гц – МГц.

2. Показано, что микроструктура пленок является фактором, определяющим соотношение вкладов в проводимость от различных структурных элементов:

объема зерен, их поверхности и межзеренных границ. В текстурированных пленках со средним размером кристаллита 300 нм проводимость n-типа определяется объемом кристаллита. Задержанная фотопроводимость наблюдается при температурах Т < 25 K и связана с особенностями поведения примеси индия в теллуриде свинца. В пленках со средним размером кристаллитов от 60 до 170 нм проводимость определяется транспортом дырок по инверсионным каналам на поверхности зерен и фотопроводимость обусловлена крупномасштабным потенциальным рельефом зон в наноструктуре и наблюдается при существенно более высоких температрурах Т < 150 K.

3. Анализ импеданс-спектров пленок PbTe(In) p-типа, проведенный в рамках представления эквивалентных схем, позволил разделить вклады в проводимость от инверсионных каналов и межзеренных барьеров, оценить параметры (сопротивления и емкости), характеризующие эти вклады и определить изменение этих параметров в зависимости от температуры и в условиях подсветки.

4. Показано, что в области высоких температур (Т = 300 К) для всех исследованных образцов PbTe(In) p-типа доминирующим механизмом транспорта является проводимость по инверсионным каналам на поверхности зерен. При уменьшении температуры вклад в проводимость, связанный с переносом носителей через барьер, возрастает.

5. Обнаружено, что суперпозиция двух различных механизмов проводимости в нанокристаллических пленках PbTe(In) может приводить к немонотонной частотной зависимости амплитуды относительного фотоотклика. Варьируя температуру и частотный диапазон измерений, удается получить фотоотклик, амплитуда которого в несколько раз превышает соответствующее значение на постоянном токе. Для исследованных образцов максимальная амплитуда пика фотоотклика наблюдается для пленки со средним размером кристаллита 130 нм.

6. Показано, что отжиг в атмосфере кислорода пленки PbTe(In) с n-типом проводимости (размер кристаллита 300 нм) приводит к формированию межкристаллитных барьеров, смене типа проводимости и появлению модуляции зонного рельефа.

7. Изучено влияние отжига в атмосфере кислорода на транспортные свойства исследованных пленок PbTe(In) p-типа проводимости. Показано, что окисление пленок приводит к доминированию механизма транспорта носителей заряда, связанному с активацией носителей на межкристаллитных барьерах, и увеличению фотоотклика. Дальнейшее окисление приводит к повышению туннельной прозрачности барьеров. Проводимость пленок в этом случае определяется инверсионными каналами на поверхности зерен. При этом в области низких температур наблюдается прыжковый механизм транспорта носителей заряда.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Добровольский А.А. Модификация свойств наноструктурированных пленок PbTe(In) при отжиге в кислороде // Материалы докладов XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых “Ломоносов”, 8апреля 2008 г., Москва, с.208-209.

2. Ryabova L., Dobrovolsky A., Komissarova T., Dashevsky Z., Kasiyan V., Khokhlov D. Grain size effect on the photosensitivity of nanocrystalline PbTe(In) films // Abstracts of Sixth International Conference on Inorganic Materials, Dresden, Germany, 2008, September 28-30, P2-64.

3. Черничкин В.И., Хохлов Д.Р., Добровольский А.А. Транспортные свойства окисленных наноструктурированных пленок PbTe(In) // Труды X Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике, 1-5 декабря 2008, СанктПетербург.

4. Добровольский А.А., Черничкин В.И., Dashevsky Z., Kasiyan V., Рябова Л.И., Хохлов Д.Р. Импеданс-спектроскопия фоточувствительных наноструктур на основе PbTe(In) // Труды XIII Международного симпозиума “Нанофизика и наноэлектроника”, 16-20 марта 2009 г., Нижний Новгород, т.2, с.328-329.

5. Dobrovolsky A., Dashevsky Z., Shufer E., Khokhlov D., Ryabova L. Grain size and oxidation effect on the impedance of nanocrystalline PbTe(In) films // Abstracts of International Conference on the Nanotechnology “NanoIsrael 2009”, Jerusalem, Israel, 2009, March 30-31.

6. Добровольский А.А., Комисарова Т.А., Дашевский З.М., Касиян В.А., Акимов Б.А., Рябова Л.И., Хохлов Д.Р. Влияние окисления на проводимость нанокристаллических пленок PbTe(In) в переменном электрическом поле // ФТП, 2009, т.42, вып.2, с.265-268.

7. Dobrovolsky A., Dashevsky Z., Kasiyan V., Ryabova L., Khokhlov D. Lowtemperature charge transport in photosensitive nanocrystalline PbTe(In) films // J.

Phys.: Conf. Ser., 2009, v.150, pp.022009-1 – 022009-4.

8. Dobrovolsky A.A., Dashevsky Z.M., Kasiyan V.A., Ryabova L.I., Khokhlov D.R.

Photoconductivity of oxidized nanostructured PbTe(In) films // Semicond. Sci. Technol., 2009, v.24, pp.075010-1 – 075010-5.

9. Dobrovolsky A., Komissarova T., Akimov B., Dashevsky Z., Kasiyan V., Khokhlov D., Ryabova L. Charge transport in photosensitive nanocrystalline PbTe(In) films in an alternating electric field // Int. J. Mat. Res., 2009, v.100, N9, pp.1252Dobrovolsky A., Belogorokhov I., Dashevsky Z., Kasiyan V., Ryabova L., Khokhlov D. Optical and transport properties of nanostructured PbTe(In) films // Proceedings of SPIE, 2009, v.7404, pp.74040S-1 - 74040S-6.

11.Добровольский А.А., Черничкин В.И., Дашевский З.М., Касиян В.А., Рябова Л.И., Хохлов Д.Р. Транспортные свойства и фотопроводимость нанокристаллических пленок PbTe(In) // Труды IX Российской конференции по физике полупроводников “Полупроводники’09”, 28 сентября - 3 октября г., Новосибирск-Томск, с.51.

12.Dobrovolsky A., Chernichkin V., Belogorokhov I., Dashevsky Z.M., Kasiyan V.A., Ryabova L.I., Khokhlov D.R. Transport properties and photoconductivity of nanocrystalline PbTe(In) films // Phys. Stat. Sol. (c), 2010, DOI 10.1002/pssc.200982714.

Список цитируемой литературы:

[1] Lead Chalcogenides: Physics and Application // Edited by D. Khokhlov. New York: Taylor&Francis, 2003.

[2] Волков Б.А., Рябова Л.И., Хохлов Д.Р. Примеси с переменной валентностью в твердых растворах на основе теллурида свинца // УФН, 2002, т.172, в.8, с.875-905.

[3] Dashevsky Z., Shuzterman S., Dariel M.P., Drabkin I. Thermoelectric efficiency in graded indium-doped PbTe crystals // Journal of Applied Physics, 2002, v.92, N3, pp.1425-1430.

[4] Felder F., Arnold M., Rahim M., Ebneter C., Zogg H. Tunable leadchalcogenide on Si resonant cavity enhanced midinfrared detector // Appl. Phys. Lett., 2007, v.91, pp.101102-1 – 101102-3.

[5] Rahim M, Arnold M, Felder F, Behfar K and Zogg H. Midinfrared leadchalcogenide vertical external cavity surface emitting laser with 5 µm wavelength // Appl. Phys. Lett., 2007, v.91, pp.151102-1 – 151102-3.

[6] Khokhlov D., Ryabova L., Nicorici A., Shklover V., Ganichev S., Danilov S., Bel’kov V. Terahertz photoconductivity of Pb1xSnxTe(In) // Appl. Phys. Lett., 2008, v.93, pp.264103-1 – 264103-3.

[7] Dashevsky Z., Kreizman R., Dariel M.P. Physical properties and inversion of conductivity type in nanocrystalline PbTe films // J. Appl. Phys., 2005, v.98, pp.094309-1 – 094309-5.

[8] Неустроев Л.Н., Осипов В.В. К теории физических свойств фоточувствительных поликристаллических пленок типа PbS // ФТП, 1986, т.20, в.1, с.59-72.