WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 7 СВЧ магнитосопротивление компенсированного p-Ge : Ga в области фазового перехода изолятор–металл © А.И. Вейнгер¶, А.Г. Забродский, Т.В. Тиснек Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 24 декабря 2001 г. Принята к печати 28 декабря 2001 г.) С помощью техники ЭПР исследовано магнитосопротивление умеренно компенсированного нейтронно-легированного Ge : Ga на сверхвысоких частотах в области фазового перехода изолятор–металл. По мере увеличения концентрации дырок в изоляторном состоянии вблизи фазового перехода наблюдается смена механизмов магнитосопротивления с характерного для прыжковой проводимости сжатия волновой функции примесных центров магнитным полем на механизм, типичный для режима слабой локализации. В последнем случае вблизи перехода (1.2 · 1017 см-3) важную роль играет зависимость коэффициента диффузии от температуры, которая ослабляется на „металлической“ стороне перехода. В металлическом состоянии коэффициент диффузии перестает зависеть от температуры и температурная зависимость магнитосопротивления описывается механизмом сбоя фазы в результате рассеяния на фононах. При более высоких уровнях легирования необходимо учитывать вклад электрон-электронного взаимодействия во время сбоя фазы.

1. Введение низкотемпературная проводимость полупроводника становится прыжковой и для нее указанный выше механизм Исследование магнитосопротивления (МС) сильно неприменим, хотя эффект аномального МС наблюдается легированных полупроводников при низких температуи в этом случае, в том числе и в p-Ge [4–7]. В связи с рах, которое ведется уже более 40 лет, способствоваэтим для описания эффекта положительного МС в облало существенному углублению понимания электронных сти прыжковой проводимости были разработаны другие свойств твердого тела. Так, невозможность непротиворемеханизмы: деформация волновых функций примесных чивого объяснения наблюдаемого отрицательного МС в центров магнитным полем [8], квантовая интерференция рамках классической теории стимулировала появление и волновых функций, возникающая при учете рассеяния развитие теории квантовых поправок к проводимости [1].

туннелирующих носителей на промежуточных центрах, Появление этой теории в свою очередь обусловило дальв том числе с учетом спиновых эффектов [9], сужение нейший интерес к соответствующим экспериментальпримесной зоны в магнитном поле [10]. Однако эти ным исследованиям в разных материалах, в частности механизмы применимы, строго говоря, для концентрав полупроводниках [2]. Однако основное внимание исций N NC.

следователей до сих пор сосредоточено на исследовании Что же касается области, непосредственно прилегаюэлектронных полупроводников, где квантовые поправки щей к фазовому переходу изолятор–металл (ИМ), то для к проводимости приводят к появлению эффекта отрицанее не существует адекватного описания эффекта МС.

тельного МС. В то же время отрицательное МС никогда В то же время именно в этой области концентраций не наблюдалось в дырочных полупроводниках, и это появляется особенность в энергетическом спектре носивызывало меньший интерес к этим материалам, хотя, телей заряда в виде кулоновской щели [11], теоретически как показала теория квантовых поправок, МС и в них предсказанная Эфросом и Шкловским [8] для сильной имеет ту же природу, но другой знак из-за сильного локализации. Как показано в [12], схлопывание кулоновспин-орбитального рассеяния. Поскольку в дырочных ской щели определяет критическую концентрацию для полупроводниках эффект имеет знак, совпадающий со фазового перехода ИМ. В связи с этим эксперимензнаком классического, он получил название аномального тальное исследование эффекта МС в области фазового положительного МС. Этот эффект наблюдался впервые перехода ИМ представляет несомненный интерес с в [3] еще до создания теории квантовых поправок.

точки зрения концепции кулоновой щели изоляторного Основной вклад в МС металлических систем дает состояния. Результаты такого исследования представлетак называемый механизм слабой локализации теории ны в настоящей работе.

квантовых поправок. Он полностью применим к сильно легированным полупроводникам, обладающим металлической проводимостью. Однако по мере уменьшения 2. Образцы концентрации примесей проводимость полупроводника уменьшается, и при некоторой концентрации NC, Эксперименты по измерению аномального положикоторая называется критической, происходит фазовый тельного МС в p-Ge проводились на серии образцов, переход металл–изолятор. При концентрациях N < NC полученных нейтронным легированием достаточно чис¶ того p-Ge с концентрацией примесей порядка 1014 см-3.

E-mail: anatoly.veinger@pop.ioffe.rssi.ru Fax: (812) 2471017 Достоинство этого метода легирования состоит в том, СВЧ магнитосопротивление компенсированного p-Ge : Ga в области фазового перехода... Параметры исследованных образцов p-Ge сопротивлении 1Ом· см и изменяется пропорционально -1/2 при его изменении. Исследованные об№образца p, 1016 см-3 He, Ом· см разцы при температуре жидкого гелия изменяли свое 1 7.55 2.удельное сопротивление от 2.8 Ом · см (в самом слабо 2 8.73 1.легированном образце 1) до 0.2 Ом · см (в наиболее 3 9.38 1.сильно легированном образце 15). Приведенные в табли4 9.56 1.це данные по удельному сопротивлению образцов при 5 10.8 1.температуре жидкого гелия показывают, что поправки 6 12.0 0.на глубину скин-слоя необходимо делать только для 7 12.9 0.наиболее сильно легированных образцов, начиная с 8 13.8 0.образца 6.

9 15.2 0.10 16.0 0.11 20.6 0.3. Методика эксперимента 12 24.1 0.13 24.2 0.Для изучения МС в сверхвысокочастотном (СВЧ) 14 27.6 0.диапазоне применялась предложенная нами ранее [17] и 15 28.6 0.использованная для исследования МС в n-Ge : As [18] методика измерения, основанная на регистрации эффекта Примечание. p — концентрация дырок при комнатной температуре;

He — удельное сопротивление при температуре 4.2 K. с помощью спектрометра электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Применялся ЭПР спектрометр E-фирмы Varian, работающий на частоте 10 ГГц, с прочто расположение трансмутационных акцепторов и доточным криостатом ESR-9 фирмы Oxford Instruments, норов является случайным. Уровень легирования таких что позволяло изучать МС в широком диапазоне темобразцов определяется флюенсом нейтронов, а относи- ператур от 3 до 300 K. Спектрометр регистрирует тельное содержание трансмутационных примесей зада- приращение энергии P, поглощенной резонатором, в ется изотопным составом исходного материала и спект- который помещен образец, при изменении магнитного ром облучающих нейтронов [13]. Для природной сме- поля H: dP/dH [19]. Принципиально важно для нас, что си изотопов Ge в наших образцах основной транс- такое приращение может происходить не только из-за мутационной примесью является мелкий акцептор Ga, изменения поглощения энергии спинами, как это имеет а компенсирующими — мелкий донор As и глубокий место при регистрации ЭПР, но и по другим причинам, двухзарядный донор Se. Для использованного спектра в частности из-за изменения сопротивления образца в нейтронов степень компенсации оказывается близкой к магнитном поле.

величине 0.35. Рассмотрим более подробно особенности измереСерия исследуемых образцов характеризо- ния МС полупроводников в СВЧ диапазоне при использовании резонатора. При различном соотношении валась разностной концентрацией NA - ND = между сопротивлением образца (R) и волновым сопро=(7.55-28.6) · 1016 см-3. Большое превышение этой тивлением волновода (генератора) (Rg) наблюдаются концентрации над уровнем исходного „фона“ исключало разные зависимости между приращением поглощенной влияние последнего на наши эксперименты. Переход в резонаторе энергии и изменением сопротивления из изоляторного состояния в металлическое в p-Ge : Ga образца. При этом dP/dH d/dH ( — проводимость происходит, как известно [14], при концентрации Ga, образца) для высокоомных образцов и dP/dH dR/dH равной NAc = 1.85 · 1017 см-3, что соответствует для низкоомных образцов. Действительно, поглощаемая pc = 1.20 · 1017 см-3 при компенсации 35%. Таким обобразцом энергия разом, полученная серия образцов включает в себя как изоляторные (1–5), так и металлические (7–15) образцы.

EgR P =, (1) Параметры всех исследованных образцов приведены (Rgn2 + R)в таблице. Заметим, что концентрация основной где Eg — эдс генератора, n — коэффициент трансфорпримеси Ga была получена из измерений эффекта Холла мации при накоплении энергии в резонаторе. Исходя из при комнатной температуре на основе калибровочных соотношения (1) можно записать кривых, учитывающих концентрационную зависимость холл-фактора для сложной валентной зоны Ge [15].

dP dP dR = Все образцы имели одинаковую прямоугольную форdH dR dH му с размерами 10 3 1мм3. Для учета скин-эффекEg 2R dR = 1 -, (2) та в низкоомных образцах использовались результаты (Rgn2 + R)2 (Rgn2 + R) dH измерения температурных зависимостей сопротивления p-Ge в использованном нами температурном интер- откуда следует, что при R > Rgn2 сомножитель в вале [16]. Известно, что при частоте 10 ГГц глубина квадратных скобках отрицателен и dP/dH -dR/dH скин-слоя равна приблизительно 0.5 мм при удельном d/dH, т. е. изменяется в магнитном поле так же, Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 828 А.И. Вейнгер, А.Г. Забродский, Т.В. Тиснек измеренных нами образце 1 (см. рис. 2), в котором при низких температурах производная dP/dH отрицательна, т. е. dP/dH d/dH, при температуре около 25 K наблюдается нулевая чувствительность, а при более высоких температурах, когда проводимость становится достаточно высокой, dP/dH dR/dH. Таким образом, в этом образце экспериментальная зависимость dP/dH изменяет свой знак при изменении температуры. В остальных образцах в исследованном диапазоне температур сопротивление образца всегда остается меньше сопротивления генератора, и этот аппаратурный эффект проявляется гораздо слабее, так что в первом приближении его можно не учитывать. Кроме того, в области сущеРис. 1. Зависимость производной микроволнового поглоществования аномального положительного МС сопротивния по магнитному полю dP/dH от отношения сопротивления ление как металлических, так и изоляторных образцов нагрузки R к сопротивлению генератора Rg.

изменяется достаточно мало [18], так что наблюдаемые температурные изменения производной СВЧ поглощения следует приписать в основном изменению самого эффекта аномального положительного МС.

как проводимость, а при R < Rgn2 — dP/dH dR/dH, Обратим внимание на другие особенности методики.

т. е. величина dP/dH изменяется в магнитном поле так Ее преимущество состоит в том, что использование заже, как сопротивление.

писи именно производной по магнитному полю от СВЧ Таким образом, в зависимости от соотношения между поглощения резко повышает чувствительность измересопротивлениями генератора и образца наблюдается ний, а свойственная ЭПР точность фиксации и измереразный знак изменения производной СВЧ поглощения ния магнитного поля повышает точность измерения МС.

в магнитном поле. Отсюда также следует, что при Кроме того, методика является бесконтактной. Однако R = Rgn2 производная dP/dH = 0, т. е. чувствительность метода падает до нуля. При этом мы не учитываем дру- измерения в СВЧ полях не дают точных значений МС в силу ряда причин. Во-первых, в низкоомных образцах гие источники потерь в резонаторе, а именно потери в СВЧ поле проникает в образец только на глубину скинстенках резонатора, так называемые потери связи и т. д., слоя, и все полученные результаты относятся только к поскольку они гораздо меньше, чем потери в образце, этому слою, а не ко всему образцу. Во-вторых, в ЭПР и не оказывают заметного влияния на ход исследуемых зависимостей. Следует отметить, что изменение знака производной поглощения по магнитному полю не проявляется ни в классических изоляторах, ни в классических металлах, поскольку в них выполняется с большим запасом одно из неравенств R Rgn2 или R Rgn2.

На рис. 1 представлена зависимость производной dP/dR от соотношения между сопротивлением нагрузки R и n2Rg, согласно формуле (2). Из него видно, что чувствительность метода почти постоянна при R n2Rg и очень сильно изменяется в области R n2Rg, изменяя при этом знак. Такое изменение чувствительности не должно сказываться на полевых зависимостях МС, поскольку сопротивление образца изменяется в магнитном поле очень мало (на величину порядка 1%), но может оказаться существенным при изучении температурных зависимостей МС.

Поскольку в области существования аномального положительного МС при увеличении температуры сопротивление остается приблизительно постоянным в металлических образцах и уменьшается в изоляторных, в случае R < Rgn2 с ростом температуры чувствительность методики может только возрастать, причем не Рис. 2. Зависимости от магнитного поля производной микочень сильно. Однако в случае R > Rgn2 с ростом тем- роволнового поглощения при различной температуре T, K:

пературы чувствительность метода определения dP/dR 1 —3.2, 2 —4, 3 —6, 4 — 10, 5 — 20, 6 — 30, 7 — 40.

Номера образцов, указанные на рисунках, соответствуют ноуменьшается и может пройти через нуль. По-видимому, мерам в таблице.

этот эффект проявляется в наименее легированном из Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. СВЧ магнитосопротивление компенсированного p-Ge : Ga в области фазового перехода... спектрометре измерение СВЧ поглощения происходит в сопротивления в области существования аномального резонаторе, и изменение добротности последнего в свою положительно МС.

очередь сказывается на величине эффекта. В-третьих, Для сравнения величины эффекта в разных образкак уже было отмечено выше, при изменении сопротив- цах и при различных температурах записанный сигнал ления образца происходит изменение чувствительности был приведен к соизмеримым величинам путем ввеметодики. В связи с этим при оценке значений произ- дения корректирующих множителей 1 и 2, учитываводной МС по магнитному полю для более корректного ющих изменение добротности резонатора и глубины сравнения полевых и температурных зависимостей в скин-слоя соответствующего образца. Первый из множиразличных образцах были использованы дополнительтелей определялся отношением амплитуды сигнала ЭПР ные поправочные множители (см. далее).

контрольного калиброванного образца Varian (Bx), при Следует отметить существенное физическое отличие нахождении в том же резонаторе исследуемого образца, измерений МС на сверхвысоких частотах от измерений к амплитуде сигнала ЭПР того же калиброванного на постоянном токе. Оно состоит в том, что при измеобразца, при наличии в резонаторе конкретного измерениях на постоянном токе основной вклад в полное соряемого образца 15 (B15):

Pages:     || 2 | 3 | 4 |



© 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.