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高压下半导体的载流子行为

胡廷静  
【摘要】:高压下电子会经历局域化一非局域化的转变,也能从非关联到强关联。高压下原子电子间的各种相互作用交织在一起,产生众多新的现象和新的规律。高压下物质载流子行为的研究,能够揭示原子间以及原子内部不同轨道电子间的相互作用规律,是其它手段难以替代的,也是检验、完善和发展凝聚态电输运理论的重要方法。高压下与电输运相关的物理量作为物质高压下状态和性质的重要标度,也是研究高温高压下动态过程所必需的物理参数。高压下原位载流子行为研究的关键科学问题是获得准确的物理量变化规律和物理量之间的定量联系。Ⅱ-Ⅵ族半导体,被广泛用于电学、磁学和光学研究,同时利用Ⅱ-Ⅵ族半导体制成的各种器件有着极为广泛的用途,因此系统深入地研究高压下电磁场环境中化合物的载流子运动过程以及相关物理量的变化规律,揭示高压下载流子运动过程的物理本质,丰富和发展现有电输运理论,为系统的研究Ⅱ-Ⅵ半导体内部电子多样化的运动提供必须的物理参数和理论依据。 本文利用金刚石对顶砧(DAC)和集成技术,在金刚石对顶砧上建立高压原位霍尔效应测量方法,以Hg系列Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体为对象,系统深入地研究了高压下电磁场环境中化合物的载流子运动过程以及相关物理量的变化规律,进而揭示高压下载流子运动过程的物理本质。研究得出的主要结论如下。 Hg系硫化物(HgX, X=S, Se, Te)是典型的Ⅱ-Ⅵ族半导体之一,它的各种物理参数与杂质、光照、温度、压力等因素密切相关,以往研究高压下与电输运相关的物理量主要集中在研究Hg系硫化物的电阻率随压力的变化,再根据电阻率随温度的变化来判断其导电特性,如金属特性、半导体特性等,却对于高压下动态过程中的物理参数却无法探知。要研究高压下动态过程就必须要知道在高压状态下的物理参数,霍尔效应能够反映物质内部带电粒子的电输运行为,通过霍尔效应测量可以得出载流子浓度、迁移率、霍尔系数、磁电阻等物理量,这些物理量对于分析高压下的动态过程是必须的物理参数。 对于闪锌矿结构的HgTe,载流子浓度随压力增加而减小说明原来重叠的价带和导带随压力增加逐渐分开,迁移率的增加意味着导带和价带的共振作用随压力增加而减小,进一步可以推出重叠的导带和价带随压力增加而逐渐分离,这与从载流子浓度变化得出的结论一致,闪锌矿结构的HgTe为N型半导体。 在1.0-1.8GPa, HgTe的霍尔系数为正。由于在这个压力区间HgTe中几种结构共存,这是由于压力导致混相中存在大量缺陷,使得空穴导电成为主要传导机制。随压力增加,HgTe的配位数由4增至4+2至6至5+3,因此朱砂相至盐岩矿相的转变需要Hg和Te原子均移动。对于朱砂相,多数载流子在5.6GPa由电子变为空穴,而在7.7GPa附近空穴的增加速率下降,这说明在加压力过程中,主要为Hg原子移动,在相变即将完成时Te原子急剧移动。朱砂相的迁移率随压力增加先减小至5.6GPa而后增加。 对于盐岩矿相和Cmcm相,电离杂质浓度随压力增加而增加,导致迁移率随压力增加而减小,而实际上迁移率基本保持不变,这说明极性光学散射随压力增加一定是减小的。 HgSe随着压力的增加发生相转变,霍尔系数,载流子浓度,迁移率都出现了不连续的变化,对比理论计算与实验结果得出HgSe在从闪锌矿结构向朱砂相结构转变过程中,Hg原子移动比Se原子移动要快。而HgSe在从朱砂相结构向盐岩矿结构转变过程中,Se原子移动比Hg原子移动要快,而且HgSe在从朱砂相结构向盐岩矿结构转变过程中出现了一段N型半导体范围,HgSe的盐岩矿相和Cmcm相为P型半导体相。 闪锌矿相HgS的电阻率随压力逐渐增加,而载流子浓度和迁移率随压力都是逐渐减小。电阻率增加是载流子浓度和迁移率共同作用的结果,而且闪锌矿相的HgS为P型半导体,空穴为主要的传导电子。对于朱砂相的HgS,在5.4~14.6GPa范围内只测量到了电阻率随压力的变化,而载流子浓度和迁移率没有测量到,在14.6~25GPa范围内,测量到了载流子行为的变化,说明在14.6~25GPa范围内都是两相共存区间,在这区间电阻率的减小主要是由于载流子浓度的增加,而迁移率对电阻率的减小的贡献不大。对于盐岩矿相的HgS,载流子浓度的变化对电阻率的减小有正的贡献,而迁移率的变化对电阻率的减小是负的贡献,因此电阻率的减小主要是由于载流子浓度的增加而引起的。 综上所述,我们在金刚石对顶砧上建立了高压原位霍尔效应测量技术,同时利用新发展的高压霍尔效应技术,对HgX(X=S、Se、Te)的高压载流子行为进行了研究。


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