mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577j.met202304.525mateltech-525Research ArticleМатериаловедение и технология. ПолупроводникиMATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY. SEMICONDUCTORSСравнение результатов оптических и электрофизических измерений концентрации дырок в образцах p-GaAs, легированных цинкомComparison between optical and electrophysical data on hole concentration in zinc doped p-GaAsБеловА. Г.BelovA. G.

ул. Электродная, д. 2, стр. 1, Москва, 111524

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

2-1 Elektrodnaya Str., Moscow 111524

Aleksandr G. Belov — Cand. Sci. (Phys.–Math.), Leading Researcher

b9151609271@gmail.comКаневскийВ. Е.KanevskiiV. E.

ул. Электродная, д. 2, стр. 1, Москва, 111524

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

2-1 Elektrodnaya Str., Moscow 111524

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

b9151609271@gmail.comКладоваЕ. И.KladovaE. I.

ул. Электродная, д. 2, стр. 1, Москва, 111524

Кладова Евгения Исааковна — научный сотрудник

2-1 Elektrodnaya Str., Moscow 111524

Evgeniya I. Kladova — Researcher

IKKladova@rosatom.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2580-1707КнязевС. Н.KnyazevS. N.

ул. Электродная, д. 2, стр. 1, Москва, 111524

Князев Станислав Николаевич — канд. техн. наук, начальник лаборатории высокотемпературных полупроводниковых соединений АIIIВV

2-1 Elektrodnaya Str., Moscow 111524

Stanislav N. Knyazev — Cand. Sci. (Eng.), Head of the Laboratory of High-Temperature Semiconductor Compounds АIIIВV

stknyazev@rosatom.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7869-7886КомаровскийН. Ю.KomarovskiyN. Yu.

Электродная ул., д. 2, стр. 1, Москва, 111524;

Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049

Комаровский Никита Юрьевич — стажер-исследователь (1), аспирант (2)

2-1 Elektrodnaya Str., Moscow 111524;

4-1 Leninsky Ave., Moscow 119049

Nikita Yu. Komarovskiy — Trainee Researcher (1), Postgraduate Student (2)

 

nickkomarovskiy@mail.ruПарфентьеваИ. Б.Parfent’evaI. B.

ул. Электродная, д. 2, стр. 1, Москва, 111524

Парфентьева Ирина Борисовна — ведущий инженер-технолог

2-1 Elektrodnaya Str., Moscow 111524

Irina B. Parfent’eva — Leading Engineer-Technologist

IBParfenteva@rosatom.ruhttps://orcid.org/0009-0000-6584-1001ЧернышоваЕ. В.ChernyshovaE. V.

Электродная ул., д. 2, стр. 1, Москва, 111524;

Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049

Чернышова Евгения Валерьевна — аспирант

2-1 Elektrodnaya Str., Moscow 111524;

4-1 Leninsky Ave., Moscow 119049

Evgeniya V. Chernyshova — Postgraduate Student

EVChernyshova@rosatom.ruАО «Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности «Гиредмет»РоссияFederal State Research and Development Institute of Rare Metal Industry (Giredmet JSC)Russian FederationАО «Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности «Гиредмет»; Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»РоссияFederal State Research and Development Institute of Rare Metal Industry (Giredmet JSC); National University of Science and Technology “MISIS”Russian Federation202317082023263171180Copyright © Белов А.Г., Каневский В.Е., Кладова Е.И., Князев С.Н., Комаровский Н.Ю., Парфентьева И.Б., Чернышова Е.В., 20232023Белов А.Г., Каневский В.Е., Кладова Е.И., Князев С.Н., Комаровский Н.Ю., Парфентьева И.Б., Чернышова Е.В.Belov A.G., Kanevskii V.E., Kladova E.I., Knyazev S.N., Komarovskiy N.Y., Parfent’eva I.B., Chernyshova E.V.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/525

Исследованы оптические и электрофизические свойства образцов p-GaAs, выращенных методом Чохральского и легированных цинком. Измерены спектры отражения десяти образцов p-GaAs в средней ИК-области. На этих же образцах проведены гальваномагнитные измерения по методу Ван-дер-Пау и определены значения удельного электрического сопротивления и коэффициента Холла (все измерения проведены при комнатной температуре). Спектры отражения обработаны с использованием соотношений Крамерса—Кронига; вычислены спектральные зависимости действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости и построены функции потерь. По положению максимума функции потерь определено значение характеристического волнового числа, отвечающего частоте высокочастотной плазмон-фононной моды. Проведены теоретические расчеты и построена градуировочная зависимость, позволяющая по известному значению характеристического волнового числа определить концентрацию тяжелых дырок в p-GaAs при Т = 295 К. Далее путем сопоставления оптических и холловских данных определены значения отношения подвижностей легких и тяжелых дырок. Показано, что оно лежит в пределах 1,9—2,8, что значительно меньше значений, предсказываемых теорией в предположении, что и легкие, и тяжелые дырки рассеиваются одинаково (на оптических фононах). Высказано предположение, что механизмы рассеяния легких и тяжелых дырок различны.

Optical and electrophysical properties of Cz-grown zinc doped p-GaAs samples have been investigated. Middle-infrared reflection spectra of ten p-GaAs samples have been obtained. Galvanomagnetic Van der Pau measurements have been made on these samples also, and the values of resistivity and Hall coefficient have been calculated. All experiments have been carried out at room temperature.Reflection spectra have been processed by Kramers–Kronig relations. The spectral dependences of real and imaginary parts of complex dielectric permittivity have been obtained and loss function has been calculated. The value of characteristic wave number corresponding to high-frequency plasmon-phonon mode has been determined by loss function maximum position.The theoretical calculations have been made, and the dependence has been obtained which gave the possibility to determine heavy hole concentration value at T = 295K by the value of characteristic wave number. Then by comparison of optical and Hall data the values of light hole mobility to heavy hole mobility ratio have been determined. This mobility ratio has been shown to be equal to (1.9–2.8) which is considerably less, than predicted theoretical value based on assumption that both light and heavy holes are scattered by optical phonons. It has been suggested that scattering mechanisms of light and heavy holes might be quite different.

арсенид галлияконцентрация электроновэффект Холласпектр отраженияплазмон-фононное взаимодействиеgallium arsenideelectron concentrationHall effectreflection spectrumplasmon-phonon interactionReferencesBelova 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; 52(15): 1942—1946. https://doi.org/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; 52(15): 1942—1946. https://doi.org/10.1134/S1063782618150034Yugova T.G., Belov A.G., Kanevskii V.E., Kladova E.I., Knyazev S.N. Comparison between optical and electrophysical data on free electron concentration in tellurium doped n-GaAs. Modern Electronic Materials. 2020; 6(3): 85—89. https://doi.org/10.3897/j. moem.6.3.64492Yugova T.G., Belov A.G., Kanevskii V.E., Kladova E.I., Knyazev S.N. Comparison between optical and electrophysical data on free electron concentration in tellurium doped n-GaAs. Modern Electronic Materials. 2020; 6(3): 85—89. https://doi.org/10.3897/j. moem.6.3.64492Yugova T.G., Belov A.G., Kanevskii V.E., Kladova E.I., Knyazev S.N., Parfent’eva I.B. Comparison between results of optical and electrical measurements of free electron concentration in n-InAs specimens. Modern Electronic Material. 2021; 7(3): 79—84. https://doi.org/10.3897/j.moem.7.3.76700Yugova T.G., Belov A.G., Kanevskii V.E., Kladova E.I., Knyazev S.N., Parfent’eva I.B. Comparison between results of optical and electrical measurements of free electron concentration in n-InAs specimens. Modern Electronic Material. 2021; 7(3): 79—84. https://doi.org/10.3897/j.moem.7.3.76700New semiconductor materials. Biology systems. Characteristics and properties. Band structure and carrier concentrationof gallium arsenide (GaAs). URL: https://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/GaAs/index.htmlNew semiconductor materials. Biology systems. Characteristics and properties. Band structure and carrier concentrationof gallium arsenide (GaAs). URL: https://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/GaAs/index.htmlПожела Ю.К. Плазма и токовые неустойчивости в полупроводниках. М.: Наука; 1977. 368 с.Pozhela Yu.K. Plasma and current instabilities in semiconductors. Мoscow: Nauka; 1977. 368 p. (In Russ.)Аскеров Б.М. Кинетические эффекты в полупроводниках. Л.: Наука; 1970. 304 с.Askerov B.M. Kinetic effects in semiconductors. Leningrad: Nauka; 1970. 304 p. (In Russ.)Varga B.B. Coupling of plasmons to polar phonons in degenerate semiconductors. Physical Review Journals Archive. 1965; 137(6A): A1896. https://doi.org/10.1103/PhysRev.137.A1896Varga B.B. Coupling of plasmons to polar phonons in degenerate semiconductors. Physical Review Journals Archive. 1965; 137(6A): A1896. https://doi.org/10.1103/PhysRev.137.A1896Singwi K.S., Tosi M.P. Interaction of plasmons and optical phonons in degenerate semiconductors. Physical Review Journals Archive. 1966; 147(2): 658. https://doi.org/10.1103/PhysRev.147.658Singwi K.S., Tosi M.P. Interaction of plasmons and optical phonons in degenerate semiconductors. Physical Review Journals Archive. 1966; 147(2): 658. https://doi.org/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 doped GaN semiconductors at mid-IR wavelengths. Physica Status Solidi (b). 2014; 251(4): 882—891. https://doi.org/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 doped GaN semiconductors at mid-IR wavelengths. Physica Status Solidi (b). 2014; 251(4): 882—891. https://doi.org/10.1002/pssb.201350039Ishioka K., Brixius K., Hofer U., Rustagi A., Thatcher E.M., Stanton C.J., Petec H. Dynamically coupled plasmon-phonon modes in GaP:An indirect-gap polar semiconductor. Physical Review B. 2015; 92(20): 205203. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.205203Ishioka K., Brixius K., Hofer U., Rustagi A., Thatcher E. M., Stanton C. J., Petec H. Dynamically coupled plasmon-phonon modes in GaP:An indirect-gap polar semiconductor. Physical Review B. 2015; 92(20): 205203. https://doi.org/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-плазменного взаимодействия в туннельных сверхрешетках GaAS/AlAs. Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики. 2000; 71(11): 698—704. http://jetpletters.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 superlatticies. Pis’ma v zhurnal eksperimental’noi i teoreticheskoi fiziki = Journal of Experimental and Theoretical Physics. 2000; 71(11): 698—704. (In Russ.). https:/doi.org/10.1134/1.1307997Mandal P.K., Chikan V. Plasmon-phonon copling in charged n-type CdSe quantum dots: a THz time-domain spectroscopic study. Nano Letters. 2007; 7(8): 2521—2528. https://doi.org/10.1021/nl070853qMandal P.K., Chikan V. Plasmon-phonon copling in charged n-type CdSe quantum dots: a THz time-domain spectroscopic study. Nano Letters. 2007; 7(8): 2521—2528. https:/doi.org/10.1021/nl070853qTrajic J., Romcevic N., Romcevic M., Nikiforov V.N. Plasmon-phonon and plasmon-two different phonon interaction in Pb1-xMnxTe mixed crystals. Materials Research Bulletin. 2007; 42(12): 2192—2201. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2007.01.003Trajic J., Romcevic N., Romcevic M., Nikiforov V.N. Plasmon-phonon and plasmon-two different phonon interaction in Pb1-xMnxTe mixed crystals. Materials Research Bulletin. 2007; 42(12): 2192—2201. https://doi.org/ 0.1016/j.materresbull.2007.01.003Chudzinski P. Resonant plasmon-phonon coupling and its role in magneto-thermoelectricity in bismuth. The European Physical Journal B. 2015; 88(12): 344. https://doi.org/10.1140/epjb/e2015-60674-3Chudzinski P. Resonant plasmon-phonon coupling and its role in magneto-thermoelectricity in bismuth. The European Physical Journal B. 2015; 88(12): 344. https://doi.org/10.1140/epjb/e2015-60674-3Маделунг О. Физика полупроводниковых соединений элементов III и V групп. Пер. с англ. М.: Мир; 1967. 480 с.Madelung O. Physics of III-V compounds. J. Wiley; 1964. 480 p. (Russ. Transl.: Madelung O. Fizika poluprovodnikovykh soedinenii elementov III i V grupp. Moscow: Mir; 1967. 480 p.)Ehrenreich H. Band structure and electron transport of GaAs. Physical Review Journals Archive. 1951; 120(6): 1951.Ehrenreich H. Band structure and electron transport of GaAs. Physical Review Journals Archive. 1951; 120(6): 1951.Rosi F.D., Meyerhofer D., Jensen R.V. Properties of p-type GaAs prepared by copper diffusion. Journal of Applied Physics. 1960; 31(6): 1105—1108. https://doi.org/10.1063/1.1735753Rosi F.D., Meyerhofer D., Jensen R.V. Properties of p-type GaAs prepared by copper diffusion. Journal of Applied Physics. 1960; 31(6): 1105—1108. https://doi.org/10.1063/1.1735753Hill D.E. Activation energy of holes in Zn-doped GaAs. Journal of Applied Physics. 1970; 41(4): 1815—1818. https://doi.org/10.1063/1.1659109Hill D.E. Activation energy of holes in Zn-doped GaAs. Journal of Applied Physics. 1970; 41(4): 1815—818. https://doi.org/10.1063/1.1659109Журавлев К.С., Терехов А.С., Якушева Н.А. Фотолюминесценция комплексов в эпитаксиальном p-GaAs, сильно легированном германием. Физика и техника полупроводников. 1988; 22(5): 777—779.Zhuravlev K.S., Terekhov A.S., Yakusheva N.A. Photoluminescence of complexes in epitaxial p-GaAs heavily doped with germanium. Fizika i Tekhnika Poluprovodnikov. 1988; 22(5): 777—779. (In Russ.)Журавлев К.С., Чикичев С.И., Штаске Р., Якушева Н.А. Исследование комплексообразования в эпитаксиальном сильно легированном p-GaAs:Ge методом фотолюминесценции. Физика и техника полупроводников. 1990; 24(9): 1645—1649.Zhuravlev K.S., Chikichev S.I., Shtaske R., Yakusheva N.A. Investigation of complex formation in epitaxial heavily doped p-GaAs:Ge by photoluminescence method. Fizika i Tekhnika Poluprovodnikov. 1990; 24(9): 1645—1649. (In Russ.)Комков О.С., Пихтин А.Н., Жиляев Ю.В. Диагностика арсенида галлия методом фотоотражения. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2011; (1): 45—48.Komkov O.S., Pikhtin A.N., Zhilyaev Yu.V. Photoreflectance diagnostics of gallium arsenide. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2011; (1): 45—48. (In Russ.)Sharmin M., Choudhury S., Akhtar N., Begum T. Optical and transport propeties of p-type GaAs. Journal of Bangladesh Academy of Sciences. 2012; 36(1): 97—107. https://doi.org/10.3329/jbas.v36i1.10926Sharmin M., Choudhury S., Akhtar N., Begum T. Optical and transport propeties of p-type GaAs. Journal of Bangladesh Academy of Sciences. 2012; 36(1): 97—107. https://doi.org/10.3329/jbas.v36i1.10926Журавлев К.С., Шамирзаев Т.С., Якушева Н.А. Связанные с марганцем центры рекомбинации в эпитаксиальном GaAs, выращенном из расплава висмута. Физика и техника полупроводников. 1998; 32(1): 50—56.Zhuravlev K.S., Terekhov A.S., Yakusheva N.A. Manganese-bound recombination centers in epitaxial GaAs grown from bismuth melt. Fizika i Tekhnika Poluprovodnikov. 1998; 32(1): 50—56. (In Russ.)Журавлев К.С., Шамирзаев Т.С., Якушева Н.А. Свойства легированных марганцем слоев арсенида галлия, выращенных методом жидкофазной эпитаксии из расплава висмута. Физика и техника полупроводников. 1998; 32(7): 791—798.Zhuravlev K.S., Shamirzaev T.S., Yakusheva N.A. Properties of manganese-doped gallium arsenide layers grown by liquid-phase epitaxy from a bismuth melt. Semiconductors. 1998; 32(7): 704—710.Gouskov L., Bilac S., Pimentel J., Gouskov A. Fabrication and electrical properties of epitaxial layers of GaAs doped with manganese. Solid-State Electronics. 1977; 20: 653—656. https://doi.org/10.1016/0038-1101(77)90039-9Gouskov L., Bilac S., Pimentel J., Gouskov A. Fabrication and electrical properties of epitaxial layers of GaAs doped with manganese. Solid-State Electronics. 1977; 20: 653–656. https://doi.org/10.1016/0038-1101(77)90039-9Campos M.D., Gouskov A., Pons J.C. Residual acceptors in natural GaSb and GaxIn1-xSb; their contribution to transport between 4.7 and 300 K. Journal of Applied Physics. 1973; 44(6): 2642—2646. https://doi.org/10.1063/1.1662627Campos M.D., Gouskov A., Pons J.C. Residual acceptors in natural GaSb and GaxIn1-xSb; their contribution to transport between 4.7 and 300 K. Journal of Applied Physics. 1973; 44(6): 2642—2646. https://doi.org/10.1063/1.1662627Wenzel M., Irmer G., Monecke J., Siegel W. Hole mobilities and the effective Hall factor in p-type GaAs. Journal of Applied Physics. 1997; 81(12): 7810—7816. https://doi.org/10.1063/1.365391Wenzel M., Irmer G., Monecke J., Siegel W. Hole mobilities and the effective Hall factor in p-type GaAs. Journal of Applied Physics. 1997; 81(12): 7810—7816. https://doi.org/10.1063/1.365391Lee H.J., Look D.C. Hole transport in pure and doped GaAs. Journal of Applied Physics. 1983; 54(8): 4446—4452. https://doi.org/10.1063/1.332640Lee H.J., Look D.C. Hole transport in pure and doped GaAs. Journal of Applied Physics. 1983; 54(8): 4446—4452. https://doi.org/10.1063/1.332640

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