Вышедшие номера
Механизмы электропроводимости gamma-облученных пленок аморфного теллурида германия
Дуцяк И.С.1
1Львовский государственный университет, Львов, Украина
Поступила в редакцию: 18 марта 1996 г.
Выставление онлайн: 20 августа 1997 г.

Структурно неупорядоченные пленки на основе сплавов системы Ge--Te нашли применение в качестве элементов памяти [1,2]. Структура ближнего порядка и физические свойства пленок a-GeTe к настоящему времени хорошо изучены [3-8]. Ближний порядок описывают моделью тетраэдрического окружения атомов с координацией 4(Ge) и 2(Te). Пленки a-GeTe --- полупроводники (типа lone-pair), основные носители тока --- дырки, ширина оптической щели 0.7-0.8 эВ, термическая энергия активации проводимости 0.3-0.4 эВ. Структура и физические свойства пленок a-GeTe чувствительны к добавкам Bi2Te3, Bi, Y, Gd, Tb, а также к воздействию gamma-квантов [9-10]. В работе сообщаются новые экспериментальные результаты по изучению темновой электропроводимости и термоэдс пленок a-GeTe, облученных gamma-квантами при дозах 102-106 Гр и проводится обсуждение механизмов транспорта носителей. Аморфные пленки GeTe толщиной 0.3-1 мкм получали электронно-лучевым способом в вакууме 10-6 мм рт.ст. и ВЧ магнетронным распылением в аргоновой плазме. Сначала на стеклянные или кварцевые подложки напыляли Al компланарные электроды, а затем при T п=293 K между ними осаждали слои a-GeTe. Эти контакты обеспечивали линейную вольт-амперную характеристику (ВАХ) при приложенном напряжении вплоть до ± 100 В. Часть образцов облучалась gamma-квантами в охлаждаемом канале источника Co60 дозами 102-106 Гр. Перед измерениями образцы термоциклировались в интервале 120-350 K. Температурная зависимость темновой электропроводимости необлученных пленок a-GeTe, полученных двумя способами (рис. 1), характерна для проводимости на краю подвижности Ev в интервале T=140-350 K и соответствует соотношению sigma=sigmaminexp l[ -(Ef-Ev)/kT r], (1) где Ef --- энергия уровня Ферми, sigmamin --- минимальная металлическая проводимость. Если Ef-Ev от температуры зависит линейно, то, согласно [11], Ef-Ev=(Ef-Ev)0-gamma T (2) и в результате sigma=sigma0exp(Delta Esigma/kT), (3) где Delta Esigma=(Ef-Ev)0 --- не зависящая от температуры энергия активации, sigma0=sigmaminexp(gamma/k) (4) --- предэкспоненциальный фактор. [!b] Температурная зависимость электропроводимости пленок a-GeTe до и после воздействия gamma-квантов. D, Гр: 1 --- 0, 2 --- 104, 3 --- 106. Термоэдс необлученных пленок a-GeTe (рис. 2) описывается зависимостью S=-k/e l[ -(Ef-Ev)/kT-gamma/k+Av r], (5) где gamma --- температурный коэффициент изменения энергии активации; как и в (2), Av --- параметр, зависящий от механизмов рассеяния носителей (согласно [11], Av=1-3). Значения термической энергии активации проводимости, определенные по наклону зависимостей =(103/T) и S=f(103/T) совпадают между собой (см. таблицу). Параметр gamma, определенный из данных измерений термоэдс, составляет 2.25· 10-4 эВ-1· K1, что дает expgamma/k=14. Тогда из соотношения (4) следует sigmamin=115 Ом-1·см-1. Используя соотношение sigmamin=0.026 e2/aEh, (6) где e --- заряд электрона, aE --- параметр затухания волновой функции, h --- постоянная Планка, определим значение aE=4 Angstrem. Соотношение Мотта [11] для aE имеет вид aE/a= l[ Nv(Em)/Nv(Ev) r], (7) где Nv(Ev) --- плотность состояний на уровне Ev, Nv(Em) --- плотность состояний в середине валентной зоны, a --- межатомное расстояние. [!tb] Температурная зависимость термоэдс пленок a-GeTe до и после воздействия gamma-квантов. 1--3 --- то же, что и на рис. 1. Принимая значение Nv(Em)=1021 эВ-1·см-3 и a=2.5 Angstrem, получаем величину Nv(Ev)=2.4x 1020 эВ-1·см-3. При дозе облучения D=102 Гр температурные зависимости sigma и S не претерпевают изменений. При D=104 Гр в области T<250 K они отклоняются от линейного хода и не описываются уже единой энергией активации проводимости (рис. 1, 2). Как видно из рис. 1 (вставка), при облучении дозой D=106 Гр в области низких температур наблюдается линейная зависимость проводимости от температуры в моттовских координатах, при высших температурах она изменяется так же, как в образцах, облученных дозой D=104 Гр. Термоэдс пленок (рис. 2) существенно уменьшается, ее зависимость от температуры не описывается единой энергией активации проводимости в исследуемом температурном интервале. Параметры, характеризирующие электропроводность и термоэдс необлученных и облученных пленок a-GeTe, приведены в таблице. Известно [2,11], что изменения в электропроводимости стеклообразных и аморфных полупроводников после облучения радиацией могут быть связаны с процессом радиационно-индуцированного дефектообразования. Согласно моделям Мотта--Девиса [11], Кастнера и др. [12], в энергетической щели аморфного полупроводника вблизи уровня Ферми существует узкая полоса локализованных состояний. Происхождение этой полосы связывают с различными (собственными) дефектами вещества. Электропроводимость аморфных слоев вследствие образования радиационных дефектных центров может изменяться только в том случае, когда их концентрация становится соизмеримой (или превышает) с существующими собственными дефектами вещества. [!b] Энергетическая диаграмма состояний ниже Ef gamma-облученных пленок a-GeTe. [!tb] #1.#2.#3. height#1pt depth#2pt width#3pt #1#2#1#2 4.5mm Значения предэкспоненциальных факторов (sigma01), энергий термической активации проводимости (Delta Esigma и Delta Es) для пленок a-GeTe, облученных gamma-квантами c|c|c|c|c|c|c 10.5.0. -2.4mmДоза облучения, Гр& 3|c|T>250 K& 3|cT<250 K 2-7 10.5.0. &sigma0i, Ом-1·см-1& Delta Esigma, эВ&Delta Es, эВ& sigma0i, Ом-1·см-1& Delta Esigma, эВ&Delta Es, эВ 11.0.0. 0-102&1600&0.36&0.36&1600&0.36&0.36 104& 800&0.32&0.30&5&0.22&0.18 106& 200&0.20&0.15&-&-&- Анализ результатов показывает, что в образцах a-GeTe, облученных дозой 104 Гр, общая проводимость определяется двумя составляющими sigma=sigmav+sigmab, (8) где sigmav=sigma01exp[-(Ef-Ev)/kT] --- проводимость по распространенным состояниям; sigmab=sigma02exp[-(Ef-Eb+W)/kT] --- проводимость на уровне Eb в хвосте локализованных состояний валентной зоны, W --- поляронный член. Термоэдс описывается как сумма двух составляющих, взятых с определенным весом по проводимостям, S=(sigmav/sigma)Sv+(sigmab/sigma)Sb, (9) где Sv=-k/e l[ -(Ef-Ev)/kT+Av r], (10) Sb=-k/e l[ -(Ef-Eb)/kT+Ab r]. (11) Для образцов, облученных дозой 106 Гр в области низких температур, наблюдается прыжковый механизм проводимости по локализованным состояниям вблизи уровня Ферми, а при высших температурах проводимость осуществляется переносом носителей на уровне Eb. Суммарную проводимость этих образцов можно представить в виде [b] sigmaобщ=& sigma02exp [ -(Ef-Eb+W)/kT & +sigma03exp(B/T-1/4) ]. (12) Используя выражения (11) B=1.66 l[ a3/k(Nf) r], (13) R=31/4 l[ 2pi aN(Ef)kT r]-1/4 (14) и принимая, как и в (9), значение параметра затухания волновой функции a-1=0.8 нм, находим, что рассчитанная плотность локализованных состояний на уровне Ферми (индуцированную радиацией) составила N(Ef)=2.6· 1018 эВ-1·см-3, длина прыжка носителей R=90 Angstrem. Термоэдс также описывается аналогично (9)--(11). Для пленок a-GeTe, облученных дозой 104 Гр, хорошее согласие расчетных (согласно принятым моделям) и экспериментальных сведений наблюдается при значении Ef-Eb=0.17 эВ и W=0.04 эВ. Это говорит о том, что при облучении a-GeTe дозой 104 Гр в хвосте валентной зоны появляется размытый уровень дефектов, определяющий прыжковый механизм переноса в области низких температур. С увеличением дозы облучения до 106 Гр в области низких температур происходит переход к прыжковому механизму переноса по уровню дефектов Ed, расположенному ниже уровня Ef на 0.1 эВ. При высших температурах наблюдается прыжковый перенос по уровню дефектов Eb. Соответствующая энергетическая диаграмма локализованных уровней в энергетической щели пленок a-GeTe, индуцированных gamma-радиацией, представлена нами на рис. 3 (ширина оптической щели взята из данных [7,10]). Также отметим, что воздействие gamma-облучения приводит к существенным изменениям в механизме темновой электропроводимости пленок a-GeTe независимо от способа их получения, эти изменения являются необратимыми, так как термоциклирование образцов в исследуемом интервале температур не приводит к существенным изменениям в характере поведения кинетических параметров облученных образцов. Мы предполагаем, что наблюдаемые изменения в механизме проводимости a-GeTe прежде всего обусловлены образованием радиационных дефектов, которые, согласно [12], обозначим как элементарные C-1 (Te) и T-3 (Ge), а также их комплексов типа T-3 (Ge)--C-1 (Te). С учетом данных [13] по относительным мольным энергиям химсвязей в системе Ge--Te вполне возможна зависимость степени деструкции определенных связей от поглощения энергии падающего излучения, что и формирует определенный энергетический спектр локализованных состояний в запрещенной щели конденсатов.
  1. Меден А., Шо М. Физика и применение аморфных полупроводников. М.: Мир, 1991. 670 с
  2. Шварц К.К. Физика оптической записи в диэлектриках и полупроводниках. Рига: Зинатне, 1986. 232 с
  3. Татаринова Л.И. Структура твердых аморфных и жидких веществ. М., 1983. 149 с
  4. Fowler T.G., Elliott S.R. // J. Non-Gryst. Solids. 1982. Vol. 53. P. 43--60
  5. Chopra K.L., Barthwal S.K., Pandya A.K. // Phys. Stat. Sol. (A). 1976. Vol. 35. N 2. P. 761--768
  6. Chopra K.L., Bahl S.K. // Thin Solid Films. 1972. Vol. 12. N 2. P. 211--215
  7. Tsu R., Howard W.E. // Appl. Phys. Lett. 1970. Vol. 16. N 10. P. 380--382
  8. Scharnhorst K.P. // J. Non-Gryst. Solids. 1977. Vol. 23. P. 435--439.
  9. Миколайчук А.Г., Дуцяк И.С., Френчко В.С. и др. // УФЖ. 1987. Т. 32. N 10. С. 1534--1539
  10. Makarenko S.V., Dutsyak I.S., Mykolaychuk O.G., Pavlyshyn A.Z. // Phys. Stat. Sol. (A). 1994. Vol. 143. P. 353--359.
  11. Мотт Н., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах. М., 1982. Т. 1--2. 658 с
  12. Kastner M., Adler D., Frizshe H. // Phys. Rev. Lett. 1976. N 22. P. 1504--1507
  13. Фельц А. Аморфные и стеклообразные неорганические твердые тела. М.: Мир, 1986. 556 с

Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.

Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.