mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2021-1-27-33mateltech-342Research ArticleМатериаловедение и технология. ПолупроводникиMATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY. SEMICONDUCTORSСравнение результатов оптических и электрофизических измерений концентрации свободных электронов в образцах n-GaAs, легированных теллуромComparison of the results of optical and electrophysical measurements of free electron density in n-GaAs samples doped with telluriumЮговаТ. Г.YugovaT. G.

Электродная ул., д. 2, Москва, 111524

Югова Татьяна Георгиевна — канд. техн. наук, старший научный сотрудник, лаборатория высокотемпературных полупроводниковых соединений АIIIBV

2 Elektrodnaya Str., Moscow 111524

Tatyana G. Yugova: Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

P_Yugov@mail.ruБеловА. Г.BelovA. G.

Электродная ул., д. 2, Москва, 111524

Белов Александр Георгиевич — канд. физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник

 

2 Elektrodnaya Str., Moscow 111524

Aleksandr G. Belov: Cand. Sci. (Phys.-Math.), Leading Researcher

iadenisov@giredmet.ruКаневскийВ. Е.KanevskiiV. E.

Электродная ул., д. 2, Москва, 111524

Каневский Владимир Евгеньевич — канд. техн. наук, старший научный сотрудник

 

2 Elektrodnaya Str., Moscow 111524

Vladimir E. Kanevskii: Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

iadenisov@giredmet.ruКладоваЕ. И.KladovaE. I.

Электродная ул., д. 2, Москва, 111524

Кладова Евгения Исааковна — научный сотрудник

 

2 Elektrodnaya Str., Moscow 111524

Evgeniya I. Kladova: Researcher

iadenisov@giredmet.ruКнязевС. Н.KnyazevS. N.

Электродная ул., д. 2, Москва, 111524

Князев Станислав Николаевич — канд. техн. наук, начальник лаборатории

 

2 Elektrodnaya Str., Moscow 111524

Stanislav N. Knyazev: Cand. Sci. (Eng.), Head of Laboratory

Snkniazev@Yandex.ruАО «Гиредмет»РоссияFederal State Research and Develpment Institute of Rare Metal Industry (“Giredmet”)Russian Federation2021300420212412733Copyright © Югова Т.Г., Белов А.Г., Каневский В.Е., Кладова Е.И., Князев С.Н., 20212021Югова Т.Г., Белов А.Г., Каневский В.Е., Кладова Е.И., Князев С.Н.Yugova T.G., Belov A.G., Kanevskii V.E., Kladova E.I., Knyazev S.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/342

Разработана теоретическая модель, позволяющая определять концентрацию свободных электронов в n-GaAs по характеристическим точкам на спектрах отражения в дальней инфракрасной области. Показано что при этом необходимо учитывать плазмон-фононное взаимодействие (в противном случае значение концентрации электронов оказывается завышенным). Получена расчетная зависимость концентрации электронов Nопт от характеристического волнового числа ν+, которая описывается полиномом второй степени.На двадцати пяти образцах арсенида галлия, легированных теллуром, проведены измерения концентрации электронов двумя способами: по традиционной четырехконтактной методике (метод Ван дер Пау) и с помощью разработанного авторами оптического метода (измерения проводились при комнатной температуре). По результатам экспериментов построена зависимость значений концентрации электронов, полученных из холловских данных, Nхолл от значений концентрации электронов, полученных оптическим методом, Nопт. Показано, что эта зависимость описывается линейной функцией. Установлено, что данные оптических и электрофизических измерений совпадают, если концентрация электронов равна Nравн = 1,07 ⋅ 1018 см-3. При меньших значениях холловской концентрации Nхолл < Nопт, а при больших — Nхолл > Nопт. Предложена качественная модель, объясняющая полученные результаты. Высказано предположение, что атомы теллура связываются с вакансиями мышьяка в комплексы, вследствие чего концентрация электронов уменьшается. На поверхности кристалла концентрация вакансий мышьяка меньше и, следовательно, должно выполняться условие Nопт > Nхолл. По мере увеличения уровня легирования все больше атомов теллура остается электрически активными, поэтому концентрация электронов в объеме начинает превалировать над поверхностной концентрацией. Однако при дальнейшем увеличении уровня легирования отношение Nхолл/Nопт опять убывает, стремясь к единице. Это, по-видимому, связано с тем, что интенсивность распада комплексов «атом теллура + вакансия мышьяка» при увеличении уровня легирования уменьшается.

A theoretical model has been developed that allows one to determine free electron density in n-GaAs from the characteristic points on far-infrared reflection spectra. It was shown that, in this case, it is necessary to take into account the plasmon-phonon coupling (otherwise, the electron density is overestimated). The calculated dependence of electron density, Nopt, on the characteristic wave number, ν+, which is described by a second degree polynomial, has been obtained.Twenty-five tellurium-doped gallium arsenide samples were used to measure the electron density in two ways: according to traditional four-contact Hall method (Van der Pauw method) and using the optical method we developed (measurements were carried out at room temperature). Based on the experimental results, the dependence was constructed of the electron density values obtained from the Hall data, NHall, on the electron density obtained by the optical method, Nopt. It is shown that this dependence is described by linear function. It is established that the data of optical and electrophysical measurements coincide if the electron density is Neq = 1.07 ⋅ 1018 cm-3, for lower values of the Hall density NHall < Nopt, and for large values NHall > Nopt. A qualitative model is proposed to explain the results. It has been suggested that tellurium atoms bind to vacancies of arsenic into complexes, as a result of which the electron density decreases. On the surface of the crystal, the concentration of arsenic vacancies is lower and, therefore, the condition Nopt > NHall should be satisfied. As the doping level increases, more and more tellurium atoms remain electrically active, so electron density in the volume begins to prevail over the surface one. However, with a further increase in the doping level, the ratio NHall/Nopt again decreases, tending to unity. This, probably, is due to the fact that the rate of decomposition of the complexes “tellurium atom + arsenic vacancy” decreases with increasing doping level.

арсенид галлияконцентрация электроновэффект Холласпектр отраженияплазмон-фононное взаимодействиеgallium arsenideelectron densityHall effectreflection spectraplasmon-phonon couplingReferencesTsmots V. M., Shakhovtsov V. I., Shindich V. L., Shpinar L. I., Shubak M. I., Stym V. S., Yaskovets L. N. Magnetism of plactically deformd Ge and Si crystals // Solid State Communication. 1987. V. 63, N 1. P. 1—3. DOI: 10.1016/0038-1098(87)90053-6Tsmots V. M., Shakhovtsov V. I., Shindich V. L., Shpinar L. I., Shubak M. I., Stym V. S., Yaskovets L. N. Magnetism of plactically deformd Ge and Si crystals. Solid State Communication, 1987, vol. 63, no. 1, pp. 1—3. DOI: 10.1016/0038-1098(87)90053-6Pavlov V. A., Pereturina I. A., Pecherkina Î. L. The effect of constant magnetic field on mechanical properties and dislocation structure of Nb and Mo // Phys. Status Solidi (a). 1980. V. 57, Iss. 1. P. 449—456. DOI: 10.1002/pssa.2210570151Pavlov V. A., Pereturina I. A., Pecherkina Î. L. The effect of constant magnetic field on mechanical properties and dislocation structure of Nb and Mo. Phys. Status Solidi (a), 1980, vol. 57, no. 1, pp. 449—456. DOI: 10.1002/pssa.2210570151Альшиц В. И., Даринская Е. В., Перекалина Т. М., Урусовская A. A. О движении дислокаций в кристаллах NaCl под действием постоянного магнитного поля // ФТТ. 1987. Т. 29, № 2. С. 467—471. URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/35609Alshits V. I., Darinskaya E.V., Perekalina T. M., Urutsovskaya A. A. On the motion of dislocations in NaCl crystals under the influence of a constant magnetic field. Fizika tverdogo tela = Physics of the Solid State, 1987, vol. 29, no. 2, pp. 467—471. (In Russ.). URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/35609Alshits V. I., Darinskaya E. V., Petrzhik E. A. Effects of magnetic fields on the dislocation unlocking from paramagnetic centers in non-magnetic crystals // Materials Science and Engineering. 1993. V. A164. P. 322—326. DOI: 10.1016/0921-5093(93)90686-9Alshits V. I., Darinskaya E. V., Petrzhik E. A. Effects of magnetic fields on the dislocation unlocking from paramagnetic centers in non-magnetic crystals. Materials Science and Engineering, 1993, vol. A164, pp. 322—326. DOI: 10.1016/0921-5093(93)90686-9Darinskaya E. V., Petrzhik Е. А., Erofeeva S. A. Dislocation motion in InSb crystals under a magnetic field // J. Phys.: Condens. Matter. 2002. V. 14, N 48. P. 12883—12886. DOI: 10.1088/0953-8984/14/48/328Darinskaya E. V., Petrzhik Е. А., Erofeeva S. A. Dislocation motion in InSb crystals under a magnetic field. J. Phys.: Condens. Matter., 2002, vol. 14, no. 48, pp. 12883—12886. DOI: 10.1088/0953-8984/14/48/328Левин М. Н., Татаринцев А. В., Косцова О. А., Косцов А. М. Активация поверхности полупроводников воздействием импульсного магнитного поля // ЖТФ. 2003. Т. 73, Вып. 10. С. 85—87. URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/8096Levin M. N., Tatarintsev A. V., Kostsova О. А., Kostsov А. М. Semiconductor surface activation by impulse magnetic field. Zhurnal tekhnicheskoi fiziki = Technical Physics, 2003, vol. 73, no. 10, pp. 85—87. (In Russ.). URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/8096Стебленко Л. П., Плющай И. В., Калиниченко Д. В., Курилюк А. Н., Крит А. Н., Трачевский В. В. Вызванная магнитным воздействием обогащение поверхности кремния магниточувствительными примесями // Материалы и структуры современной электроники: сб. науч. тр. V Междунар. науч. конф. Минск: Издательский центр БГУ, 2012. С. 91—94. URL: http://elib.bsu.by/handle/123456789/38078Steblenko L. P., Plyushchay I. V., Kalinichenko D. V., Kurilyuk A. N., Krit A. N., Trachevsky V. V. Magnetic-induced enrichment of the silicon surface with magnetically sensitive impurities. In: Materialy i struktury sovremennoi elektroniki: sbornik trudov V mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii = Materials and Structures of Modern Electronics: Proc. V International Scientific Conference. Minsk: Izdatel’skii tsentr BGU, 2012, pp. 91—94. (In Russ.). URL: http://elib.bsu.by/handle/123456789/38078Галкин Г. Н., Блинов Л. М., Вавилов В. С., Соломатин А. Г. Плазменный резонанс на неравновесных носителях в полупроводниках // Письма в ЖЭТФ. 1968. Т. 7, Вып. 3. С. 93—96. URL: http://www.jetpletters.ac.ru/ps/833/article_12795.pdfGalkin G. N., Blinov L. M., Vavilov V. S., Solomatin A. G. Plasma resonance on nonequilibrium carriers in semiconductors. Pis’ma v zhurnal tekhnicheskoi fiziki = Technical Physics Letters, 1968, vol. 7, no. 3, pp. 93—96. (In Russ.). URL: http://www.jetpletters.ac.ru/ps/833/article_12795.pdfБелогорохов А. И., Белов А. Г., Петрович П. Л., Рашевская Е. П. Определение концентрации свободных носителей заряда в Pb1-xSnxTe c учетом затухания плазменных колебаний // Оптика и спектроскопия. 1987. Т. 63, № 6. С. 1293—1296.Belogorokhov A. I., Belov A. G., Petrovitch P. L., Rashevskaya E. P. Determination of the concentration of free charge carriers in Pb1-xSnxTe taking into account the damping of plasma oscillations. Optika i spectroskopiya, 1987, vol. 63, no. 6, pp. 1293—1296. (In Russ.)Белогорохов А. И., Белогорохова Л. И., Белов А. Г., Рашевская Е. П. Плазменный резонанс свободных носителей заряда и оценка некоторых параметров зонной структуры материала CdxHg1-xTe // ФТП. 1991. Т. 25, Вып. 7. С. 1196—1203. URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/23491Belogorokhov A. I., Belogorokhova L. I., Belov A. G., Rashevskaya E. P. Plasma resonance of free charge carriers and estimation of some parameters of the band structure of the material CdxHg1-xTe. Fizika i tekhnika poluprovodnikov = Semiconductors, 1991, vol. 25, no. 7, pp. 1196—1203. (In Russ.). URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/23491Шаров М. К. Плазменный резонанс в твердых растворах Pb1-xAgxTe // ФТП. 2014. Т. 48, Вып. 3. C. 315—317. URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/27003Sharov M. K. Plasma resonance in Pb1-xAgxTe alloys. Semiconductors. 2014, vol. 48, no. 3, pp. 299—301. DOI: 10.1134/S1063782614030245Роках А. Г., Шишкин М. И., Скапцов А. А., Пузыня В. А. О возможности плазменного резонанса в пленках CdS—PbS в средней инфракрасной области спектра // Прикладная физика. 2014. № 5. С. 58—60.Rokakh A. G., Shishkin M. I., Skaptsov A. A., Puzynya V. A. On the possibility of the plasma resonance in CdS-PbS films in the middle infrared region. Prikladnaya Fizika, 2014, no. 5, pp. 58—60. (In Russ.)Varga B. B. Coupling of plasmons to polar phonons in degenerate semiconductors // Phys. Rev. 1965. V. 137, Iss. 6A. P. 1896—1901. DOI: 10.1103/PhysRev.137.A1896Varga B. B. Coupling of plasmons to polar phonons in degenerate semiconductors. Phys. Rev., 1965, vol. 137, no. 6A, pp. 1896—1901. DOI: 10.1103/PhysRev.137.A1896Singwi K. S., Tosi M. P. Interaction of plasmons and optical phonons in degenerate semiconductors // Phys. Rev. 1966. V. 147, Iss. 2. P. 658—662. DOI: 10.1103/PhysRev.147.658Singwi K. S., Tosi M. P. Interaction of plasmons and optical phonons in degenerate semiconductors. Phys. Rev., 1966, vol. 147, no. 2, pp. 658—662. DOI: 10.1103/PhysRev.147.658Shkerdin G., Rabbaa S., Stiens J., Vounckx R. Influence of electron scattering on phonon-plasmon coupled modes dispersion and free electron absorption in n-doped GaN semiconductors at mid-IR wavelengths // Phys. Status Solidi (b). 2014. V. 251, Iss. 4. P. 882—891. DOI: 10.1002/pssb.201350039Shkerdin G., Rabbaa S., Stiens J., Vounckx R. Influence of electron scattering on phonon-plasmon coupled modes dispersion and free electron absorption in n-doped GaN semiconductors at mid-IR wavelengths. Phys. Status Solidi (b), 2014, vol. 251, no. 4, pp. 882—891. DOI: 10.1002/pssb.201350039Ishioka K., Brixius K., Höfer U., Rustagi A., Thatcher E. M., Stanton C. J., Petek H. Dynamically coupled plasmon-phonon modes in GaP: An indirect-gap polar semiconductor // Phys. Rev. B. 2015. V. 92, Iss. 20. P. 205203. DOI: 10.1103/PhysRevB.92.205203Ishioka K., Brixius K., Höfer U., Rustagi A., Thatcher E. M., Stanton C. J., Petek H. Dynamically coupled plasmon-phonon modes in GaP: An indirect-gap polar semiconductor. Phys. Rev. B, 2015, vol. 92, no. 20, pp. 205203. DOI: 10.1103/PhysRevB.92.205203Володин В. А., Ефремов М. Д., Преображенский В. В., Семягин Б. Р., Болотов В. В., Сачков В. А., Галактионов Е. А., Кретинин А. В. Исследование фонон-плазмонного взаимодействияв туннельных сверхрешетках GaAs/AlAs // Письма в ЖЭТФ. 2000. Т. 71, Вып. 11. С. 698—704. URL: http://www.jetpletters.ac.ru/ps/909/article_13947.pdfVolodin V. A., Efremov M. D., Preobrazhensky V. V., Semyagin B. R., Bolotov V. V., Sachkov V. A., Galaktionov E. A., Kretinin A. V. Investigation of phonon-plasmon interaction in GaAs/AlAs tunnel superlattices. Pis’ma v zhurnal tekhnicheskoi fiziki = Technical Physics Letters, 2000, vol. 71, no. 11, pp. 698—704. (In Russ.). URL: http://www.jetpletters.ac.ru/ps/909/article_13947.pdfKulik L. V., Kukushkin I. V., Kirpichev V. E., Klitzing K. V., Eberl K. Interaction between intersubband Bernstein modes and coupled plasmon-phonon modes // Phys. Rev. B. 2000. V. 61, Iss. 19. P. 12717—12720. DOI: 10.1103/PhysRevB.61.12717Kulik L. V., Kukushkin I. V., Kirpichev V. E., Klitzing K. V., Eberl K. Interaction between intersubband Bernstein modes and coupled plasmon-phonon modes. Phys. Rev. B, 2000, vol. 61, no. 19, pp. 12717—12720. DOI: 10.1103/PhysRevB.61.12717Mandal P. K., Chikan V. Plasmon-phonon coupling in charged n-type CdSe quantum dots: a THz time-domain spectroscopic study // Nano Letters. 2007. V. 7, N 8. P. 2521—2528. DOI: 10.1021/nl070853qMandal P. K., Chikan V. Plasmon-phonon coupling in charged n-type CdSe quantum dots: a THz time-domain spectroscopic study. Nano Letters, 2007, vol. 7, no. 8, pp. 2521—2528. DOI: 10.1021/nl070853qСтепанов Н. П., Грабов В. М. Оптические свойства кристаллов висмут-сурьма, обусловленные электрон-плазмонным и плазмон-фононным взаимодействием // Изв. РГПУ им. Герцена. 2004. Т. 4, № 8. С. 52—64.Stepanov N., Grabov V. Optical properties Bi1-xSbx crystals, related electron-plasmon and plasmon-phonon interactions. Izv. RGPU im. Gertsena, 2004, vol. 4, no. 8, pp. 52—64. (In Russ.)Trajic J., Romcevic N., Romcevic M., Nikiforov V. N. Plasmon-phonon and plasmon-two different phonon interaction inTrajic J., Romcevic N., Romcevic M., Nikiforov V. N. Plasmon-phonon and plasmon-two different phonon interactionPb1-xMnxTe mixed crystals // Materials Research Bulletin. 2007. V. 42, Iss. 12. P. 2192—2201. DOI: 10.1016/j.materresbull.2007.01.003in Pb1-xMnxTe mixed crystals. Materials Research Bulletin, 2007, vol. 42, no. 12, pp. 2192—2201. DOI: 10.1016/j.materresbull.2007.01.003Chudzinski P. Resonant plasmon-phonon coupling and its role in magneto-thermoelectricity in bismuth // Europian Physical J. B. 2015. V. 88, N 12. P. 344. DOI: 10.1140/epjb/e2015-60674-3Chudzinski P. Resonant plasmon-phonon coupling and its role in magneto-thermoelectricity in bismuth. Europian Physical J. B, 2015, vol. 88, no. 12, pp. 344. DOI: 10.1140/epjb/e2015-60674-3Belov A. G., Denisov I. A., Kanevskii V. E., Pashkova N. V., Lysenko A. P. Determining the free carrier density in CdxHg1-xTe solid solutions from far-infrared reflection spectra // Semiconductors. 2017. V. 51, N 13. P. 1732—1736. DOI: 10.1134/S1063782618150034Belov A. G., Denisov I. A., Kanevskii V. E., Pashkova N. V., Lysenko A. P. Determining the free carrier density in CdxHg1-xTe solid solutions from far-infrared reflection spectra. Semiconductors, 2017, vol. 51, no. 13, pp. 1732—1736. DOI: 10.1134/S1063782618150034Ю П. Ю., Кардона М. Основы физики полупроводников. М.: Физматгиз, 2002. 560 с.Yu P. Y., Cardona M. Fundamentals of Semiconductors. Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag 2010, 778 p. DOI: 10.1007/978-3-642-00710-1Виноградов Е. А., Водопьянов Л. К. Графический метод определения частот фононов из спектров отражения кристаллов в далекой инфракрасной области спектра // Краткие сообщения по физике. 1972. № 11. С. 29—32.Vinogradov E. A., Vodopyanov L. K. Graphical method for determining phonon frequencies from reflection spectra of crystals in the far infrared region of the spectrum. Kratkie soobtsheniya po fizike, 1972, no. 11, pp. 29—32. (In Russ.)Белогорохов А. И., Белогорохова Л. И. Оптические фононы в цилиндрических нитях пористого GaP // ФТТ. 2001. Т. 43, № 9. С. 1693—1697. URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/38320Belogorokhov A.I., Belogorokhova L. I. Optical phonons in cylindrical filaments of porous GaP. Fizika tverdogo tela = Physics of the Solid State, 2001, vol. 43, no. 9, pp. 1693—1697. (In Russ.). URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/38320Belova I. M., Belov A. G., Kanevskii V. E., Lysenko A. P. Determining the concentration of free electrons in n-InSb from far-infrared reflectance spectra with allowance for plasmon-phonon coupling // Semiconductors. 2018. V. 52, N 15. P. 1942—1946. DOI: 10.1134/S1063782618150034Belova I. M., Belov A. G., Kanevskii V. E., Lysenko A. P. Determining the concentration of free electrons in n-InSb from far-infrared reflectance spectra with allowance for plasmon-phonon coupling. Semiconductors, 2018, vol. 52, no. 15, pp. 1942—1946. DOI: 10.1134/S1063782618150034Югова Т. Г., Белов А. Г., Князев С. Н. Магнитопластический эффект в монокристаллах GaAs, легированных теллуром // Кристаллография. 2020. Т. 65, № 1. С. 11—16. DOI: 10.31857/S0023476120010270Yugova T. G., Belov A. G., Knyazev S. N. Magnetoplastic effect in Te-doped GaAs single crystals. Crystallography Reports. 2020, vol. 65, no. 1, pp. 7—11. DOI: 10.1134/S1063774520010277Семенова Г. В., Сушкова Т. П. Дефекты структуры и физические свойства кристаллов. Воронеж: Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета, 2007. 52 с.Semenova G. V., Sushkova T. P. Defekty struktury i fizicheskie svoistva kristallov [Structural defects and physical properties of crystals]. Voronezh: Izdatel’sko-poligraficheskii tsentr Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta, 2007, 52 p. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.