WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 7 Магнетосопротивление компенсированного Ge : As на сверхвысоких частотах в области фазового перехода металл–изолятор © А.И. Вейнгер¶, А.Г. Забродский, Т.В. Тиснек Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 30 декабря 1999 г. Принята к печати 30 декабря 1999 г.) Изучено магнетосопротивление (МС) сильно легированного и компенсированного Ge : As вблизи перехода металл–изолятор как на металлической, так и на изоляторной его стороне. Измерения проводились на сверхвысоких частотах, для чего была использована бесконтактная техника электронного парамагнитного резонанса. Полевые и температурные зависимости производной МС в металлических образцах выявляют две главные особенности эффекта: отрицательное МС в слабых полях, возникающее в результате слабой локализации, и положительное МС в сильных полях, возникающее в результате взаимодействия электронов в диффузионном канале. В изоляторных образцах наблюдается только слабое отрицательное МС с поведением, характерным для слабых полей. Результаты сравниваются с теорией квантовых поправок.

1. Введение (ЭПР). Она позволяет измерять МС полупроводников на сверхвысоких частотах одновременно с исследованием Теоретическое и экспериментальное изучение магне- спектров ЭПР в этих же образцах [9] и, таким образом, тосопротивления (МС) легированных полупроводников учитывать возможное влияние спиновых свойств полупоказывает, что причины его возникновения существен- проводника на его МС.

ным образом различаются на металлической и изоляторной сторонах фазового перехода металл–изолятор 2. Методика и результаты измерений (МИ). На металлической стороне перехода работает теория квантовых поправок [1,2], которая оперирует с Серия образцов компенсированного Ge : As была потремя основными явлениями: интерференции волновой лучена путем дозированного введения компенсирующей функции электрона на самопересекающихся траекториях примеси Ga в сильно легированный Ge : As с исходной (процессы слабой локализации), когерентного взаимоконцентрацией мышьяка 5.75 · 1017 cм-3 при его нейдействия электронов при их диффузии (взаимодействие в тронном легировании1. Степень компенсации зависела диффузионном канале) и кратковременного их связываот флюенса нейтронов. Достоинство методики состоит ния в сверхпроводящие пары (взаимодействие в куперовв том, что расположение трансмутационных доноров и ском канале). На изоляторной стороне в случае трансакцепторов оказывается случайным, и корреляционные порта сильно локализованных носителей для объяснеэффекты в их распределении не возникают. Были иссления эффекта привлекаются иные механизмы: учет расдованы образцы в диапазоне концентраций электронов сеяния туннелирующего носителя на промежуточных от n = 5.75 · 1017 до 7 · 1016 cм-3 в зависимости от центрах [3], сжатие волновых функций [3], сужение флюенса нейтронов. Для изучения МС использовался примесной зоны в магнитном поле [4], спиновые эфЭПР спектрометр Е-112 фирмы ”Varian”, работающий фекты [5–7]. Поэтому неудивительно, что большинство на частоте около 10 ГГц, с проточным криостатом ESR-экспериментальных исследований МС легированных пофирмы ”Oxford Instruments”. Это позволило проволупроводников было ограничено той или иной стороной дить измерения в широком диапазоне температур от перехода МИ.

до 300 K.

В настоящей работе ставится задача проследить, каЗависимости удельного сопротивления от температуким образом происходит переход от механизмов МС, ры для пяти исследованных образцов Ge : As представлехаратерных для свободных электронов в сильно легироны на рис. 1, воспроизведенном из работы [11], Срыв ванных полупроводниках, к механизмам, эффективным металлической проводимости (переход МИ) происходит для локализованных электронов в изоляторном состоямежду четвертым и пятым образцами. (Температурная нии этого полупроводника. Переход МИ осуществлялся зависимость сопротивления шестого, наиболее компенвведением компенсирующей примеси Ga в Ge : As с сированного, образца не измерялась). Параметры исслеметаллической проводимостью путем его нейтронного дованных образцов представлены в таблице.

легирования. В исследованиях использована предложенная нами ранее [8] бесконтактная весьма чувствительная В процессе нейтронного легирования германия в результате транси точная методика измерений, основанная на использо70 мутации его изотопов Ge и Ge вводятся акцепторные (Ga) и вании техники электронного парамагнитного резонанса донорные (As) примеси в соотношении примерно 3 : 1, а также небольшое количество глубоких двухзарядных доноров Se, возникающих ¶ Fax: (812) 2471017 из изотопа Ge. Методика изготовления серий образцов Ge : As для E-mail: anatoly.veinger@pop.ioffe.rssi.ru исследования перехода МИ детально описана в работах [10,11].

Магнетосопротивление компенсированного Ge : As на сверхвысоких частотах в области фазового... в котором происходит СВЧ поглощение как произведение площади поверхности образца S на глубину скинслоя, который вычислялся по данным рис. 1. Затем амплитуда производной An, полученная при измерениях для каждого образца, делилась на этот объем. Таким образом мы получали значение производной магнетосопротивления Adn на единицу объема при определенной величине магнитного поля.

Для учета изменения добротности резонатора мы использовали в качестве метки фоновую линию ЭПР при g = 2 (на рис. 2 не показана), источником которой являются детали криостата. Амплитуда этой линии Abg при постоянной температуре пропорциональна добротности резонатора Q и зависит только от нее, поскольку концентрация парамагнитных центров в деталях криостата остается неизменной в ходе измерений всех образцов.

Постоянна и ширина этой линии. Поэтому для учета изменения добротности резонатора при переходе от одного образца к другому достаточно величину Adn разделить Рис. 1. Температурные зависимости сопротивления для пяти на отношение амплитуд фоновой линии для данного исследованных образцов Ge : As; основные параметры образцов образца и образца, значение Adn которого принятo за 1.

приведены в таблице. Номера кривых совпадают с номерами Мы для удобства за единичную амплитуду приняли образцов в таблице.

положительное значение производной СВЧ поглощения для некомпенсированного образца 1 в магнитном поле H = 14 кЭ в температурном интервале 3.4–3.8 K. Таким Предложенная нами методика измерения МС в сверх- образом, для каждого образца дважды нормированное высокочастотном (СВЧ) диапазоне основана на том, (на объем и на добротность резонатора) значение прочто в ЭПР спектрометре регистрируется изменение до- изводной поглощения составляет:

бротности резонатора при изменении магнитного поля Adn =(An/S)(A0 /Abg). (1) bg (dQ/dH) [8]. Изменение добротности в свою очередь может происходить не только из-за изменения погло- Из рис. 2 видно, что с ростом компенсации, когда щения энергии спинами, как это происходит при ЭПР, концентрация электронов приближается к критической но и по другим причинам, в частности из-за изменения точке перехода МИ и проходит через него, изменясопротивления образца в магнитном поле. При этом ются как полевые, так и температурные зависимости dQ/dH d/dH ( — проводимость образца) для МС. Для образца 6 эти зависимости не показаны, высокоомных образцов и dQ/dH dR/dH (R —сопро- так как они практически совпадают с данными для тивление образца) для низкоомных образцов. В нашем образца 5. Хорошо заметны следующие особенности случае сопротивления исследованных образцов всегда полевых зависимостей производной СВЧ поглощения.

были достаточно низкими, так что СВЧ поглощение ока- На металлической стороне перехода МИ при низких зывалось пропорциональным сопротивлению образца.

температурах в слабых полях производная отрицательна, Обратим внимание на то, что измерения в СВЧ полях т. е. наблюдается отрицательное МС, а в сильных попринципиально отличаются от измерений на постоян- лях производная становится положительной, что должно ном токе двумя особенностями. Во-первых, СВЧ поле приводить к уменьшению отрицательного МС и в конце проникает в образец только на глубину, не большую концов к переходу к положительному МС. Положительтолщины скин-слоя. Поэтому все полученные результаты ная производная линейно увеличивается с полем. При относятся именно к этому слою, а не ко всему объему образца. Во-вторых, в ЭПР спектрометре измерение Параметры исследованных образцов компенсированного СВЧ поглощения происходит в резонаторе, и изменеGe : As ние добротности последнего сказывается на величине эффекта. № n, ND, NA, K = NA/ND образца 1017 cм-3 1017 cм-3 1017 cм-На рис. 2 представлены зависимости этой производной от магнитного поля для пяти образцов при различных 1 5.75 5.75 0 температурах. Здесь по оси абсцисс отложено магнитное 2 4.5 6.28 1.78 0.поле, а по оси ординат — значение производной СВЧ 3 4.15 6.43 2.28 0.поглощения в относительных единицах, рассчитанных по 4 3.85 6.56 2.71 0.общему методу для всех образцов. Метод этот состоял в 5 3.3 6.80 3.50 0.6 0.7 7.90 7.21 0.следующем. Для каждого образца был определен объем, Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 776 А.И. Вейнгер, А.Г. Забродский, Т.В. Тиснек Рис. 2. Зависимости производной СВЧ поглощения от магнитного поля для пяти исследованных образцов при различных температурах; образцы: a —1, b —2, c —3, d —4, e — 5; кривые на графиках соответствуют температурам T, K: на рис. a–d (для образцов 1–4): 1 —3.2, 2 —3.5, 3 —4, 4 —6, 5 — 15; на рис. e (для образца 5): 6 —3 10, 7 — 20, 8 — 50, 9 — 80, 10 — 100.

увеличении температуры отрицательная часть производ- 3. Обсуждение результатов ной исчезает и производная становится положительной 3.1. Размерности эффекта при всех полях. На изоляторной стороне перехода МИ магнетосопротивления во всем исследованном диапазоне полей производная гораздо меньше, чем на металлической. Однако она Известно [1,2], что квантовые поправки к проводимоостается отрицательной до более высоких температур и, сти зависят от размерности образца, которая определякроме того, линейна по полю. ется соотношением между толщиной образца и длиной Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Магнетосопротивление компенсированного Ge : As на сверхвысоких частотах в области фазового... сбоя фазы электрона L. Для измерений на СВЧ в сильных полях начинается переход к положительному толщину образца следует заменить на глубину скин-слоя МС. В этой переходной области поведение отрицатель, поскольку только эта часть образца взаимодействует с ного МС не соответствует, вообще говоря, ни одной из переменным электромагнитным полем. Оценку размер- формул (4), (5). Наблюдаемое в достаточно сильных ности эффекта проведем для исходного металлического полях положительное МС оказывается квадратичным (самого низкоомного) образца 1. Для него по известным (производная МС линейна по полю).

соотношениям для глубины скин-слоя как функции про- Имеется ряд эффектов, которые приводят к положиводимости материала из рис. 1 получаем, что величина тельному МС с квадратичной его зависимостью от маг = 0.07 мм.

нитного поля. Это прежде всего классическое лоренцево С другой стороны, в случае слабой локализации, ко- магнетосопротивление:

торая определяет эффект отрицательного МС [2], анализ полевых зависимостей позволяет простым способом / =(µH)2, d/dH H, (7) оценить длину L. Суть этого способа состоит в следугде µ — подвижность электронов. В случае сильного леющем. С длиной сбоя фазы, определяющей размерность гирования и, соответственно, вырожденного электронноэффекта, характеристическое магнитное поле H связано го газа классическое лоренцево МС резко уменьшается простым соотношением в меру отношения (kT /F)2:

H = c/4eD, (2) / =(2/3)r(kT /F)2(µH)2, (8) где D — коэффициент диффузии электронов; — время сбоя фазы, L =(D)1/2; остальные обозначения — где r — показатель степени в зависимости времени общепринятые. В слабых магнитных полях H H рассеяния импульса от энергии носителя заряда, F — МС для двумерных (d = 2) и трехмерных (d = 3) си- энергия Ферми.

стем [1,2] пропорционально H2:

В теории квантовых поправок к проводимости для вырожденных полупроводников известны эффекты, ко/ -H2, d/dH -H. (3) торые приводят к аномальному положительному МС.

Первый из них обусловлен взаимодействием электронВ сильных полях H H зависимости для d = 2, ных спинов при их диффузии (взаимодействие в диффуразличаются. Так, для двумерных образцов зионном канале). Соответствующее характеристическое магнитное поле HS определяется равенством энергии / -ln H, d/dH -H-1, (4) зеемановского расщепления gµBH (g — фактор зеемановского расщепления, µB — магнетон Бора) и темпеа для трехмерных ратуры электронов kT :

/ -H1/2, d/dH -H-1/2. (5) HS = kT /gµB. (9) Из сравнения (4) и (5) с соотношениями (3) следует, что в области H H производная d/dH имеет мини- При T = 3.2 K получаем величину HS 30 кЭ.

мум. На рис. 2, a показано, что при T = 3.2K величина Таким образом, во всем исследованном нами диапаH 4 кЭ. Это дает для длины сбоя фазы величину:

зоне магнитных полей оказывается H HS. Для этого случая L =(D)1/2 =( c/4eH)1/2 2 · 10-6 см. (6) / =(0.053/2 2)(gµBH/kT )2(kT /D )1/2 (10) Отсюда видно, что даже в самом низкоомном из образцов глубина скин-слоя на 4 порядка превышает длину сбоя и фазы, поэтому в СВЧ диапазоне все измеренные образцы d/dH H. (11) остаются трехмерными.

Второй механизм обусловлен флуктуационным связыванием электронов в сверхпроводящие пары (взаи3.2. Полевые зависимости эффекта модействие в куперовском канале). Этому механизму магнетосопротивления соответствует характеристическое поле HC:

Для трех металлических образцов (1, 2 и 3), наиболее далеких от критической точки перехода МИ, качественHC =(ckT )/(2De) =H(2kT / ) ный характер полевых зависимостей эффекта одинаков.

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.