WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

Ge [5] показало, что в этом материале при высоких Однако, как показывает эксперимент (рис. 4), отнотемпературах отношение A/B близко к 2.7, что свидешение A/B изменяется и с температурой, и с контельствует о малости амплитуды флуктуаций потенциацентрацией примесей. Аналогичные изменения наблюла дна зоны проводимости. При высоких температурах в дались и для ЭПР в сильно легированном Ge [5]. Для Ge спин уже не взаимодействует с ними. В то же время в относительно слабо легированных образцов в 4H-SiC 4H-SiC с ростом температуры это отношение достигает отношение A/B увеличивается с температурой, причем гораздо больших значений в соответствии с наличием при низких температурах рост медленный, а при более в этих образцах больших флуктуаций потенциала, повысоких температурах он становится близким к эксповидимому, технологического происхождения. Эти флукненциальному (кривая 1, образец 5). При увеличении туации играют основную роль в искажении линии ЭПР концентрации примеси излом кривой происходит при вплоть до 100 K.

все более низкой температуре, и в образце 11 наклон Для наиболее легированных образцов 13 и 14 темпеотношения A/B описывается единой экспоненциальной ратурная зависимость A/B качественно иная. С ростом зависимостью во всем температурном интервале. В обтемпературы это отношение падает. Возможно, что в разце 13 зависимость становится качественно иной. При этих образцах зависимость проводимости от темпенизких температурах наблюдается небольшой спад, а ратуры имеет металлический характер. Именно такая затем A/B практически перестает зависеть от темпезависимость A/B наблюдалась в компенсированном Ge ратуры. В наиболее легированном из приведенных на в металлическом состоянии [5]. В таких образцах рост рис. 4 образце 14 этот спад выражен гораздо более отношения A/B при уменьшении температуры объясняотчетливо. При высоких температурах он сменяется ется тем, что спины при уменьшении энергии начинают слабым ростом.

взаимодействовать со все более мелкими флуктуациями.

Количественно эти зависимости также не совпада- Для преодоления такой неоднородности требуется меньют с теорией Дайсона, разработанной для металлов, ше времени, что и приводит к уменьшению отношения в которых уровень Ферми находится высоко в зоне D/T2 и соответственно к увеличению отношения A/B.

проводимости, и на спин не оказывают никакого влияния Таким образом, характер температурных зависимофлуктуации потенциала дна зоны проводимости. В рабо- стей A/B позволяет довольно точно определить критичете [5] на примере компенсированного Ge показано, что скую концентрацию в 4H-SiC. Из рис. 4 следует, что обв легированном полупроводнике именно эти флуктуации разец 11 (9.33 · 1018 см-3) еще показывает рост проводииграют основную роль в искажении резонансной линии. мости с температурой, т. е. изоляторное поведение (криТеория Дайсона основана на том, что спин способен вая 2), а образец 13 (1 · 1019 см-3) демонстрирует уже диффундировать через спин-слой и с частотой порядка характерное для металла слабое убывание отношения 1/D оказывается в той области образца, в которой A/B, что соответствует отсутствию роста проводимости поле отсутствует. Таким образом, действующее на спин с температурой. Отсюда можно предположить, что его внешнее электромагнитное поле оказывается модулиро- концентрация близка к критической для перехода ИМ в ванным с частотой 1/D, что и приводит к искажению 4H-SiC и, возможно, что nC 1 · 1019 см-3.

4 Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 820 А.И. Вейнгер, А.Г. Забродский, Т.В. Тиснек, Е.Н. Мохов 5. ЭПР и фазовый переход ИМ новое стекло“). Таким образом, фазовый переход ИМ в 4H-SiC : N при дальнейшем увеличении концентрации в 4H-SiC примесей происходит из фазы антиферромагнитного После обсуждения основных параметров резонансных изолятора.

линий и их изменения в области фазового перехода Следующая характерная концентрация примесей NDT ИМ рассмотрим связь выявленных для них в первой и проявляется на зависимости характера искажения линии второй частях характерных концентраций (концентрация от температуры (рис. 4). Из него видно, что при конценисчезновения сверхтонкой структуры — Nex; концентра- трации NDT = 1 · 1019 см-3 изменяется знак температурция максимальной спиновой плотности — Nmax; концен- ного коэффициента отношения A/B, характеризующего трация антиферромагнитного спаривания — Npair; кон- дайсоновское искажение формы линии (рис. 3). Возможцентрация смены знака температурного коэффициента но, что изменение этого знака отражает качественное дайсоновского искажения линии — NDT; концентрация изменение температурных зависимостей сопротивления возникновения новых линий — NM) с критической образцов при движении к фазовому переходу ИМ со концентрацией Nc фазового перехода ИМ, продвигаясь стороны изолятора: с экспоненциальных вдали от пеот слабого легирования к сильному.

рехода на степенные вблизи от него. Именно такое Начнем с первой из них Nex, при которой происходит поведение характерно для фазового перехода ИМ в исчезновение сверхтонкой структуры. Как известно [7], легированных полупроводниках [5]. Приблизительно при оно происходит, когда обменная энергия сравнивается с этой же концентрации нескомпенсированных примесных энергией сверхтонкого взаимодействия. Физически это центров наблюдается минимум добротности резонатора значит, что примесные атомы начинают обмениваться (рис. 1, [1]), обусловленный противоположным влиянием своими спинами с частотой, превышающей частоту, сона добротность проводимости и появлением при высоответствующую энергии сверхтонкого взаимодействия.

ких уровнях легирования скин-слоя.

Такой обмен можно рассматривать так же как диффузию При концентрации NM = 1.4 · 1019 cм-3 появляются спина по примесным центрам. При этом внутреннее новые линии ЭПР в сильных магнитных полях (III и магнитное поле усредняется, и резонансная частота IV). Отличие этих линий от линий I и II позволяет соответствует усредненному магнитному полю. На рис. предположить, что по крайней мере одна из них (III) из [1] показано, что в 4H-SiC процесс исчезновения принадлежит свободным спинам, которые перемещаютстановится заметным уже при концентрации азота N ся в зоне проводимости или в верхней зоне Хаббарда [8].

порядка 1017 cм-3 и завершается при N 1018 см-3.

Таким образом, в области фазового перехода ИМ с Эта концентрация примерно на порядок меньше, чем точки зрения спиновых свойств наблюдается целый ряд в политипе 6H с более глубокой примесью азота, где характерных концентраций, которые определяются веисчезновение сверхтонкого взаимодействия завершается личиной обменного взаимодействия. С другой стороны, при N 1019 cм-3, а переход ИМ — при концентрации это взаимодействие связано с интегралом перекрытия, 2 · 1020 см-3. Заметим, что исчезновение сверхтонкого который определяет точку фазового перехода ИМ. Чторасщепления происходит при уровнях легирования, собы определить ее для исследуемой системы 4H-SiC : N, ответствующих уже заметной прыжковой проводимости, были измерены температурные зависимости сопротивлеопределяемой интегралом перекрытия примесных состония для нескольких образцов (4,7,9 и 14) и результаты яний основных примесей.

обработаны в соответствии с методикой, предложенной Следующая важная определенная нами концентрав [9]. Оказалось, что для 4H-SiC nc 1.5 · 1019 см-3.

ция — это максимальная проявляемая в ЭПР спиновая Отсюда следует, что наиболее характерным признаком плотность. Для 4H-SiC — Nmax = 6 · 1018 cм-3 [1].

возникновения металлической фазы в 4H-SiC служит При дальнейшем увеличении концентрации азота спипоявление дополнительных линий в спектре ЭПР в боновая плотность начинает быстро уменьшаться за счет лее сильных магнитных полях. Остальные характерные антиферромагнитнитного спаривания. В разд. 3.3 [1] для спиновых свойств концентрации проявляются, когда было оценено номинальное расстояние между примесматериал находится еще в изоляторном состоянии, и ными центрами, с которого начинается такое спанивасвязаны с особенностями свойств спиновой системы в ние: R0 = 5.1 · 10-7 см. Соответствующая концентрация области легирования, которые соответствуют прыжкоNpair = 1/R3 = 7.5 · 1018 cм-3 и, естественно, оказываетвой проводимости.

ся близкой к указанной выше максимальной плотности Исходя из критической концентрации nc можно оцеспинов. При такой концентрации и нулевой температуре нить выполнение критерия Мотта для фазового перенеспаренные спины, регистрируемые с помощью ЭПР, хода ИМ [8] в 4H-SiC : N. Этот критерий имеет вид должны были бы полностью исчезнуть, если расстояния между ними были бы одинаковыми. Однако из-за случай- n1/3 · rB 0.25, где rB — радиус Бора для этого материc ала. Используя значение эффективной массы и диэлекного распределения примесей сигнал ЭПР сохраняется трической проницаемости из [1], получаем для радиуса и при более высокой концентрации, быстро уменьшаясь по величине с ее ростом. Бора rB = 7.3-9.3, что дает для критерия Мотта Спаривание можно представить как фазовый переход значение 0.23–0.18. Для существующей в настоящее вреиз парамагнитной фазы в антиферромагнитную („спи- мя точности определения параметров 4H-SiC : N такую Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Особенности электронного парамагнитного резонанса в 4H-SiC в области фазового перехода... точность выполнения критерия Мотта можно считать Авторы выражают благодарность М.В. Алексеенко за достаточно хорошей и, следовательно, определенное из характеризацию образцов, С.В. Егорову за определеэлектрических измеpений значение критической концен- ние критической концентрации фазового перехода ИМ;

трации достаточно точным. участникам семинара Лаборатории неравновесных проОстановимся на вопросе объяснения уменьшения кон- цессов в полупроводниках ФТИ им. А.Ф. Иоффе за участие в обсуждении результатов; Российскому фонду фунцентрации парамагнитных центров при приближении к фазовому переходу ИМ. Выше в качестве такого объяс- даментальных исследований (проект № 00-02-17813), Фонду Президента РФ (проект НШ 223.2003.02), Пренения фигурировало образование антиферромагнитного зидиуму РАН (программы фундаментальных исследоваспинового стекла. В нем каждый электрон находится ний „Низкоразмерные квантовые структуры“ и „Спиноколо своего атома, т. е. они пространственно разнесены, зависимые эффекты в твердых телах и спинтроника“), и их антипараллельное связывание в пары или кластеры Министерству науки и технологии (программы „Кванпроисходит за счет обменного взаимодействия. В этом товая макрофизика“ и „Сильно коррелированные элекслучае в образце, как во всяком антиферромагнетике, троны в полупроводниках, металлах, сверхпроводниках возникают локальные магнитные поля, которые могут быть ответственными за антиферромагнитный сдвиг ре- и магнитных материалах“) за финансовую поддержку зонансных линий. Альтернативное объяснение умень- работы.

шения концентрации парамагнитных центров основано на представлении о перекрытии нижней и верхней зон Список литературы Хаббарда (D0- и D--центры). Перекрытие означает, что вся система мелких примесей разбивается на три подси[1] А.И. Вейнгер, А.Г. Забродский, Т.В. Тиснек, Е.Н. Мохов.

стемы: нейтральные парамагнитные D0-центры, отрицаФТП, 37, 874 (2003).

тельно и положительно заряженные D-- и D+-центры.

[2] F.J. Dyson. Phys. Rev., 98, 349 (1955).

При этом входящая в D--центр пара электронов ло- [3] G. Feher, A.F. Kip. Phys. Rev., 98, 337 (1955).

[4] C.P. Poole. Electron Spin resonance (J. Wiley & Sons, кализована на одном центре и не создает локальных N. Y.–London–Sydney, 1967; М., Мир, 1970).

магнитных полей.

[5] А.И. Вейнгер, А.Г. Забродский, Т.В. Тиснек. ФТП, 34, Однако кажется маловероятным такое сильное пере(2000).

крытие зон Хаббарда в изоляторном состоянии далеко [6] Б.И. Шкловский, А.Л. Эфрос. Электронные свойства от перехода, которое наблюдается на опыте. В этом слулегированных полупроводников (М., Наука, 1979).

чае уменьшение концентрации парамагнитных центров [7] А.И. Вейнгер. ФТП, 1, 20 (1967).

скорее всего определяется именно возникновением фазы [8] N.F. Mott. Metal–Insulator Transitions (Tailor & Francis, антиферромагнитного спинового стекла.

London, 1974; М., Наука, 1979).

[9] А.Г. Забродский, К.Н. Зиновьева. ЖЭТФ, 86, 727 (1984).

Редактор Л.В. Беляков 6. Заключение Peculiarities of the electron spin 1. Спиновая релаксация в изоляторной фазе происходит на кластерах, содержащих заряженные донорные и resonance in an n-type 4H-SiC : N акцепторные примеси (мультиполях). По мере увеличеin the insulator–metal transition region.

ния концентрации примесей порядок мультипольности II. The width and form line analysis кластеров уменьшается, так что вблизи фазового переA.I. Veinger, A.G. Zabrodskii, T.V. Tisnek, E.N. Mokhov хода ИМ спиновая релаксация происходит на донорноакцепторных парах.

Ioffe Physicotechnical Institute 2. По мере приближения к фазовому переходу Russian Academy of Sciences, ИМ увеличивается скорость релаксации локализованных 194021 St. Petersburg, Russia спинов. Она увеличивается также с ростом температуры.

В то же время скорость релаксации свободных спинов

Abstract

The width and form variation of the nitrogen ESR в металлической фазе не зависит от концентрации line in 4H-SiC were investigated in the concentration range near примесей и от температуры.

the insulator–metal phase transition. It has been shown that spin 3. Температурная зависимость сопротивления об- relaxation in the hopping and metallic conductivity was brought разцов показывает, что фазовый переход ИМ про- up by charged clusters. The dimensions of these clusters had been decreasing to the donor–acceptor couples as the impurities исходит при критической концентрации азота около concentration grew. The temperature dependencies analysis of the 1.5 · 1019 см-3. C этой концентрацией практически совresistance made it possible to estimate the critical concentration for падает концентрационное гашение линии I и возникthe phase transition insulator–metal (ND-NA)c 1.5 · 1019 cm-3.

новение линий II и III, что указывает на перестройку The values of critical concentrations for other electron interaction спиновой системы вблизи критической точки, которая effects within this concentration range were presented too.

выражается в переходе от парамагнетизма Кюри к парамагнетизму Паули.

Pages:     | 1 ||



© 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.