Сравнение результатов оптических и электрофизических измерений концентрации дырок в образцах p-GaAs, легированных цинком

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.

1. Belova 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/S1063782618150034

2. Yugova 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.6.3.64492

3. Yugova 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.7.3.76700

4. New 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.html

5. Пожела Ю.К. Плазма и токовые неустойчивости в полупроводниках. М.: Наука; 1977. 368 с.

6. Аскеров Б.М. Кинетические эффекты в полупроводниках. Л.: Наука; 1970. 304 с.

7. 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.A1896

8. Singwi 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.147.658

9. Shkerdin 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.201350039

10. Ishioka 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.92.205203

11. Володин 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.pdf

12. Mandal 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/nl070853q

13. Trajic 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.2007.01.003

14. Chudzinski 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/e2015-60674-3

15. Маделунг О. Физика полупроводниковых соединений элементов III и V групп. Пер. с англ. М.: Мир; 1967. 480 с.

16. Ehrenreich H. Band structure and electron transport of GaAs. Physical Review Journals Archive. 1951; 120(6): 1951.

17. 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/10.1063/1.1735753

18. Hill D.E. Activation energy of holes in Zn-doped GaAs. Journal of Applied Physics. 1970; 41(4): 1815—1818. https://doi.org/10.1063/1.1659109

19. Журавлев 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.v36i1.10926

23. Журавлев 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.

24. 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.

25. 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)90039-9

26. Campos 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/10.1063/1.1662627

27. Wenzel 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/10.1063/1.365391

28. Lee 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