• Nie Znaleziono Wyników

IV. Struktura elektronowa jonów TM w AlN

4. Porównanie wyników AlN:TM i GaN:TM

Porównanie wyników otrzymanych dla AlN:TM i GaN:TM przedstawione jest na Rys .71-74.

Zarówno względne energie poziomów jonów TM jak i ich zależność od U(TM) w obu związkach są zaskakująco podobne tak dla U(N)=0 jak i dla U(N)=5 eV. Celem uwypuklenia podobieństwa, energie poziomów poszczególnych domieszek zostały nałożone na siebie dla U(TM)=0, co narzuca pewne przesunięcia energii VBT w GaN i AlN. Jak widać na rysunkach, energie poziomów względem TVB zależą na ogół od domieszki i od jej stanu ładunkowego.

A. Chrom

Wykresy poniżej przedstawiają porównanie zależności energii poziomów jonu Cr od wielkości U(Cr) dla trzech stanów ładunkowych przy założeniu U(N)=0 dla AlN i GaN. Na ogół zależności te są bardzo podobne, gdyż różnice nie przekraczają 0.3 eV. Podobieństwo zachodzi zarówno dla U(N)=0 jak i U(N)=5 eV.

78

Rys. 71. Zależność energii poziomów jonu Cr w AlN i GaN od energii U(Cr) dla trzech stanów ładunkowych i dwóch wartości poprawki U(N)= 0 (a-c) i U(N)=5 eV (d-f). Punkty oznaczone jako pełne odpowiadają wynikom dla GaN, a punkty otwarte to wyniki dla AlN.

Osie energii po lewej i po prawej stronie przedstawiają odpowiednio energie liczone od TVB dla AlN i dla GaN.

Zgodnie z hipotezą Heinricha-Langera [7], poziomy domieszek TM stanowią "absolutne energie odniesienia" pozwalające na wyznaczenie nieciągłości pasma walencyjnego półprzewodników. Otrzymane wyniki pozwalają na oszacowanie nieciągłości TVB, Eval, między AlN i GaN, dokładniejsza analiza pokazuje jednak, że procedura ta nie jest jednoznaczna. W szczególności, przy założeniu U(N)=5 eV, nieciągłość Eval jest taka sama dla trzech stanów ładunkowych i wynosi 0.5 eV. Z drugiej strony, zakładając U(N)=0, dla Cr4+ znajduję iż energie poziomów pokrywają się gdy Eval=0. Wraz ze wzrostem liczby elektronów Eval rośnie, i dla stanu Cr3+ wynosi 0.7 eV, a dla stanu Cr2+ około 1.3 eV.

Podobna sytuacja ma miejsce dla Mn. Szacowana nieciągłość Eval zależy więc od stanu ładunkowego, co oczywiście jest niefizyczne, gdyż Eval jest własnością materiałów objętościowych która nie zależy od domieszki. Źródła tego wyniku omówione są w końcowej części niniejszego rozdziału.

0 1 2 3 4 5 6

79

B. Mangan

Wyniki otrzymane dla Mn są podobne do tych dla Cr. Przy założeniu U(N)=0, nieciągłość

Eval rośnie ze wzrostem liczby elektronów na powłoce d(Mn) od wartości 0.5 eV dla stanu Mn4+ do 1.5 eV dla Mn2+. Przy U(N)=5 eV nieciągłość Eval jest stała, i podobnie jak dla Cr wynosi około 0.5 eV.

Rys. 72. Zależność energii poziomów jonu Mn w AlN i GaN od energii U(Mn) dla trzech stanów ładunkowych i dwóch wartości poprawki U(N)= 0 (a-c) i U(N)=5 eV (d-f).

Oznaczenia jak na rys.71

0 1 2 3 4 5 6

80

C. Żelazo

Rys. 73. Zależność energii poziomów jonu Fe w AlN i GaN od energii U(Fe) dla trzech stanów ładunkowych i dwóch wartości poprawki U(N)= 0 (a-c) i U(N)=5 eV (d-f).

Oznaczenia jak na rys.71

W przypadku Fe, różnice między energiami poziomów w AlN i GaN są małe jedynie dla stanu Fe3+, gdy poziom „t”↑ jest całkowicie zapełniony. W przypadku GaN i AlN domieszkowanych akceptorami, zależność poziomów Fe4+ od U(Fe) jest podobna (dla

Eval=0.3 eV) przy założeniu U(N)=0, natomiast dla U(N)=5 eV, poziom t↑(Fe4+) w AlN rozszczepia się na zapełniony dwoma elektronami poziom e(t)↑ i pusty poziom a(t)↑, podczas gdy rozczepienie to nie zachodzi dla GaN:Fe4+. Jednakże i w tym przypadku założenie

Eval=0.5 eV sprawia, że zależności poziomów e i t od U(Fe) jest w obu kryształach prawie identyczna. Odwrotna sytuacja ma miejsce dla stanu Fe2+, gdy poziom e obsadzony jest przez jeden elektron. Dla GaN:Fe2+ następuje rozszczepienie tego poziomu tak przy założeniu U(N)=0 jak i U(N)=5 eV, podczas gdy dla AlN poziom ten pozostaje nierozczepiony w całym zakresie U(Fe) dla obu wartości U(N).

0 1 2 3 4 5 6

81

D. Kobalt

Porównanie zależności energii poziomów ostatniej domieszki metalu przejściowego, Co, w GaN i AlN od U(Co) przedstawione jest na rys. 74.

Rys. 74. Zależność energii poziomów jonu Co w AlN i GaN od energii U(Co) dla trzech stanów ładunkowych i dwóch wartości poprawki U(N)= 0 (a-c) i U(N)=5 eV (d-f).

Oznaczenia jak na rys.71

Założenie Eval=0.5 eV dla Co daje najlepszą zgodność dla stanu Co2+ zarówno dla U(N)=0 jak i U(N)=5 eV. Wyniki otrzymane dla AlN:Co i GaN:Co różnią się jednak dla stanów Co4+

i Co3+. Dla stanu Co4+ zgodność wyników obliczeń zarówno dla U(N)=0 i U(N)=5 eV zachodzi jedynie w przedziale 0<U(Co)<3 eV. W przypadku GaN:Co, dla U(N)=0, położony tuż ponad TVB poziom t↑ obniża energię ze wzrostem U(Co), i dla U(Co)>3 eV poziom t↑

wchodzi w pasmo walencyjne, co pociąga silną hybrydyzację ze stanami walencyjnymi, i silne zmiany w energiach poziomów, omówione w (patrz rozdział III.3.B, str. 55). Z drugiej strony, w AlN poziom t↑ jest w przerwie dla wszystkich wartości U(Co), co tłumaczy otrzymaną rozbieżność między własnościami Co4+ w GaN i AlN. Dla U(N)=5 eV poziom t↑

jest w przerwie dla wszystkich wartości U(Co) tak w GaN jak i w AlN, i otrzymane wyniki są bardzo podobne. Analogiczne wyjaśnienie stosuje się w przypadku Co3+. Do porównania

82

zależności poziomów od U(Co) przy założeniu U(N)=5 eV wybrałem wyniki GaN:Co4+ przy założeniu początkowej konfiguracji atomów StU3. (patrz rozdział III.3.D. str. 61). Tylko wtedy w całym zakresie zmian U(Co) zależność poziomów jest podobna (przy założonej wartości Eval.)

Powyższe zestawienie wyników dla Cr, Mn, Fe i Co pokazuje, iż w szeregu przypadków zależność energii domieszki od wartości U(TM) w GaN i AlN jest bardzo podobna jedynie przy założeniu, że nieciągłość pasma walencyjnego Eval między AlN i GaN zależy od stanu ładunkowego domieszki. Założenie to jest oczywiście niefizyczne, gdyż Eval jest własnością materiałów objętościowych, która nie zależy od domieszki. Źródła tego wyniku należy szukać w zależności poziomów Cr i Mn od stanu ładunkowego. Energie poziomów rosną z obsadzeniem (o czym była już mowa w pracy), a wzrost energii opisuje efektywna wartość odpychania kulombowskiego Ueff między elektronami na powłoce d. W zasadzie wartość Ueff zależeć może nie tylko od jonu TM, ale i od półprzewodnika. W szczególności, wyniki przedstawione powyżej na rys. 70-74 pokazują, iż w przypadku U(N)=5 eV, Ueff jest takie samo dla Cr i Mn w GaN i AlN, natomiast przy założeniu U(N)=0 wartość Ueff jest większa w AlN. Wynikać to może po części z faktu, iż ekranowanie w AlN (opisane statyczną stałą dielektryczną 0) jest słabsze niż w GaN, oraz słabszej hybrydyzacji d(TM) ze stanami walencyjnymi AlN niż GaN.

Podsumowując, zgodnie z regułą Heinricha-Langera [7] otrzymane dla Fe i Co wyniki prowadzą do wartości Eval ≈ 0.5 eV niezależnie od U(N), U(TM) i stanu ładunkowego. Ta sama wartość opisuje wyniki dla Cr i Mn przy założeniu U(N)=5 eV, co zgadza się w granicach błędu z wartością wyznaczoną doświadczalnie, 0.7  0.25 eV [8].

[1] Y. Yang, Q. Zhao, X. Z. Zhang, Z. G. Liu, C. X. Zou, B. Shen, D. P. Yu Appl. Phys. Lett.

90, 092118 (2007).

[2] S.L. Yang , R.S. Gao, P.L. Niu, R.H. Yu, Appl Phys A 96, 769 (2009).

[3] Y. Liu, L. Jiang, G.Wang, S. Zuo,, X. Chen, Appl. Phys. Lett, 100, 122401 (2012).

[4] J. Zhang H. Li a, Y. Zhang b, K. Xu, Physica E 43, 1249 (2011).

[5] Q. Wang, A. K. Kandalam, Q. Sun, P. Jena PRB, 73,115411 (2006).

[6] P. B. Perry, R. F. Rutz,Appl. Phys. Lett. 33, 319 (1978).

[7] J. M. Langer, H. Heinrich, Phys. Rev. Lett. 55, 1414 (1985).

[8] G. Martin, A. Botchkarev, A. Rockett, and H. Morkoc, Appl. Phys. Lett. 68, 2541 (1996).

83

Powiązane dokumenty