WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 10 Низкотемпературное микроволновое магнитосопротивление слабо легированных p-Ge и сплава p-Ge1-xSix ¶ © А.И. Вейнгер, А.Г. Забродский, Т.В. Тиснек Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 22 декабря 2004 г. Принята к печати 10 января 2005 г.) Исследовано магнитосопротивление слабо легированного сплава Ge1-x Six p-типа в области составов x = 1-2 ат% и проведено сравнение с данными для слабо легированного p-Ge. Исследования проводились с помощью техники электронного парамагнитного резонанса на частоте 10 ГГц при температурах в диапазоне 10–120 K. Установлено, что наличие микронеоднородностей (кластеров) Si в решетке Ge подавляет интерференционную часть аномального магнитосопротивления, а также приводит к усреднению эффектов от легких и тяжелых дырок. Такое изменение свидетельствует о резком уменьшении времени неупругого рассеяния при переходе от Ge к твердому раствору Ge1-x Six.

1. Введение ного парамагнитного резонанса (ЭПР), которая позволила значительно повысить чувствительность и точность Исследования транспортных свойств сплавов Ge–Si в измерения эффекта и регистрировать его, начиная с области составов со стороны Ge [1] позволили выяснить, самых слабых магнитных полей. Подробно методика что при низких температурах рассеяние носителей заря- описана в работе [3]. В ней использовался спектрометр да в этих материалах происходит на нейтральных флук- E-112 фирмы „Varian“, который работает на частотуациях состава и энергии дна зоны проводимости (вер- те 10 ГГц. Его магнит способен создавать магнитное шины валентной зоны). Это приводит к существенным поле в диапазоне 0–16 кЭ. Спектрометр имеет криостат отличиям низкотемпературных транспортных свойств ESR-9 „Oxford Instruments“, способный поддерживать таких сплавов от аналогичных свойств моноэлементных температуру в диапазоне 3–300 K с точностью до 0.1 K.

полупроводников.

Заметим, что современные спектрометры ЭПР регистриОдним из наиболее информативных эффектов при руют зависимость от магнитного поля производной миизучении транспортных свойств полупроводников явля- кроволнового поглощения образца по магнитному полю.

ется их магнитосопротивление (МС), полевые и тем- Она в свою очередь пропорциональна аналогичной завипературные зависимости которого непосредственно свя- симости производной проводимости или сопротивления, заны с характером рассеяния носителей заряда. Наши что определяется соотношением между сопротивлением недавние исследования микроволнового МС слабо леги- образца и волновым сопротивлением волновода.

рованного Ge n- и p-типа [2] показали, что этот эффект Изучение эффекта МС проводилось на образцах дона сверхвысоких частотах (СВЧ) и низких температурах статочно чистого сплава Ge1-x Six p-типа с концентрациопределяется не только процессами рассеяния импульса, ей примеси Ga приблизительно p (7-10) · 1013 см-3.

но и процессами рассеяния энергии. Последние проявПри такой концентрации в рабочей области температур ляются в аномальной составляющей МС, а также в пропроводимость по примесной зоне пренебрежимо мала, цессах междолинного рассеяния в n-Ge и межподзонного и все транспортные процессы определяются дырками рассеяния в p-Ge.

в валентной зоне. Образец с размерами 61.51мм В связи с этим было интересно выяснить влияние помещался в низкотемпературную часть криостата, кона эти механизмы рассеяния нейтральных флуктуаций торая находилась внутри резонатора спектрометра ЭПР.

состава, возникающих при переходе к твердым раствоЭто позволяло в автоматическом режиме регистрирорам Ge–Si. В данной работе представлены результаты вать зависимости производной поглощаемой образцом изучения эффекта МС в сплаве Ge1-x –Six p-типа при микроволновой мощности P от магнитного поля H x 0.01-0.02, которые сравниваются с результатами (dP/dH) при определенной температуре образца.

аналогичных исследований p-Ge [2].

Такие зависимости приведены на рис. 1. Следует отметить, что при H = 0 значение производной dP/dH = (кривая 1), но для того чтобы зависимости не накладыва2. Методика эксперимента лись одна на другую, каждая кривая, начиная со второй, и результаты измерений сдвигалась относительно предыдущей на фиксированную величину вдоль оси ординат. Как оказалось, с ростом Для измерений МС применялась разработанная нами температуры полевые зависимости производной сигнала ранее методика исследования МС в микроволновом диапоглощения резко ослабляются. Чтобы тем не менее пазоне частот с использованием спектрометра электронвизуализировать полевые особенности, зависимости по ¶ E-mail: anatoly.veinger@mail.ioffe.ru оси ординат нормированы таким образом, чтобы из1160 А.И. Вейнгер, А.Г. Забродский, Т.В. Тиснек менение dP/dH от нулевого поля до точек минимума Отсутствие соответствующего минимума в полевых было равно единице. Поскольку исследованные образцы зависимостях МС в сплаве Ge–Si заставляет нас предбыли достаточно чистыми (высокоомными), изменение положить, что в этом материале время сбоя фазы производной микроволнового поглощения всегда было значительно короче по сравнению с чистым Ge. Время пропорционально изменению производной проводимо- сбоя фазы при этом так мало, что при диффузии сти образцов.1 Для сравнения на рис. 1 также приведены носителей заряда не возникают самопересекающиеся аналогичные зависимости для слабо легированного p-Ge траектории, приводящие к появлению квантовых попри тех же температурах. правок к проводимости. То же самое можно сказать Как видно, в отличие от кривых для твердых раство- и о переходах между подзонами легких и тяжелых ров, которые характеризуются одним минимумом про- дырок. Можно считать, что легкие и тяжелые дырки изводной dP/dH, зависимости для p-Ge обладают двумя проявляются по отдельности в том случае, когда время минимумами. В обоих случаях минимумы смещаются в перехода из одной подзоны в другую оказывается много сильные поля с ростом температуры. больше, чем частота изменения внешнего поля. Если же частота переходов между подзонами много больше частоты изменения поля, то за один период каждая 3. Обсуждение результатов дырка успевает много раз побывать и легкой и тяжелой.

эксперимента При этом величина МС для таких подзон усредняется.

Таким образом, первый вывод, который можно сделать Прежде всего заметим, что для твердых раствоиз сравнения МС в чистом Ge и в сплаве Ge–Si, состоит ров Ge–Si наблюдаемые зависимости проводимости от в том, что в сплаве за счет сильного неупругого рассемагнитного поля с одним минимумом соответствуют яния происходит быстрая потеря фазы дырки, а также обычной полевой зависимости для классического МС.

перемешивание легких и тяжелых дырок, в результате Действительно, хорошо известно, что в слабых полях чего происходит усреднение эффекта МС для подзон.

(H 0) проводимость полупроводника уменьшается в Усиление неупругого рассеяния в твердых растворах соответствии с соотношением Ge1-xSix с ростом величины x в области составов со стороны Ge, возможно, связано с возрастанием роли m = 0(1 - Aµ2H2), (1) флуктуаций состава в них [1,4].

Существование только лишь классического эффекта где 0 — удельная проводимость при H = 0, µ — МС в сплаве Ge–Si позволяет более детально проаналиподвижность носителей заряда, A — численный мнозировать магнитополевые зависимости на рис. 1. Из (1) житель, зависящий от характера рассеяния носителей следует, что в пределе слабых полей заряда. В сильных полях (H ), как известно, классическое МС не зависит от напряженности магнитного d2P/dH2 d2/dH2 = -20Aµ2 = -2Ae pµ3, (3) поля.

В соответствии с этим из (1) следует, что в слабых т. е. температурная зависимость второй производной миполях кроволнового поглощения в слабых полях должна быть dP/dH d/dH -H, (2) т. е. производная микроволнового поглощения должна быть отрицательной и линейно уменьшаться с ростом магнитного поля. В сильных полях в соответствии с асимптотикой поведения проводимости производная dP/dH 0 с отрицательной стороны.

Как видно на рис. 1, описанные выше полевые зависимости dP/dH для твердых растворов Ge1-xSix наблюдаются во всем исследованном диапазоне температур.

Для сравнения на этом же рисунке приведены кривые и 7 для слабо легированного p-Ge. Они заметно отличаются от полевых зависимостей для твердого раствора p-Ge1-xSix в области низких температур дополнительным минимумом в слабых полях. Как было установлено в работе [2], этот минимум связан с большим временем неупругого рассеяния легких и тяжелых дырок в этом температурном диапазоне. Эти кривые сдвинуты Рис. 1. Зависимость магнитосопротивления от магнитного поотносительно остальных кривых таким образом, чтобы ля при различных температурах в сплаве p-Ge0.99Si0.01 (кривые зависимости не пересекались, и нормированы так же, 1–5) и в слабо легированном p-Ge из работы [2] (кривые 6, 7).

как и полевые зависимости для сплава.

Температура T, K: 1, 6 — 12; 2 — 20; 3 — 30; 4, 7 — 50;

Этот вопрос подробно проанализирован в работе [3].

5 — 80.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Низкотемпературное микроволновое магнитосопротивление слабо легированных p-Ge и сплава... место минимум производной сигнала поглощения. На рис. 3 представлены зависимости Hmin(T ) для тех же двух образцов, что и на предыдущем рисунке. При относительно высоких температурах T 15 K температурные зависимости оказываются близкими, так что 0.Hmin T, согласуясь с измерениями Гликсмана [5].

В области низких температур, где механизм рассеяния скорее всего меняется на примесный, кривые расходятся.

Отметим, что данные на рис. 3 начинают определяться температурной зависимостью подвижности свободных дырок при гораздо более низких температурах по сравнению с рис. 2. Это естественно, поскольку в зависимость (3) входит концентрация свободных дырок, изменение которой оказывает влияние на полевые зависимости МС до заметных температур (60–80 K).

Рис. 2. Температурные зависимости второй производной миСравнение данных, представленных на рис. 3 (учикроволнового поглощения в слабых полях d2P/dH2 в сплавах тывая, что µ 1/Hmin), с аналогичными эксперименGe1-x Six : 1 — x = 0.01, 2 — x = 0.02, прямая — зависимость -2.5 тальными зависимостями в [1] показывает, что при d2P/dH2 T.

температурах 20–120 K температурные зависимости подвижностей для разных сплавов близки, однако при T < 20 K они заметно различаются. В частности, при бопропорциональной кубу подвижности дырок. Кроме толее низких температурах данные [1] характеризуются суго, различное по знаку поведение полевой зависимощественно более слабой температурной зависимостью.

сти производной МС при µ2H2 1 и при µ2H2 Как указывают авторы [1], это по-видимому, связано указывает на то, что минимум производной находится с проявлением в дополнение к рассеянию на флуктув области значений µ2H2 1. Отсюда следует, что ациях состава других механизмов рассеяния. (Образцы в точке минимума производной магнитное поле Hmin из [1] легированы существенно сильнее наших). В нашем определяется обратной величиной подвижности:

же случае, по-видимому, основную роль в процессах рассеяния играет именно рассеяние на флуктуациях Hmin 1/µ. (4) состава, что подтверждается близостью температурных зависимостей подвижностей дырок к аналогичным завиНа рис. 2 представлена температурная зависимость симостям для электронов в [5], обусловленным именно второй производной микроволнового поглощения (при рассеянием на флуктуациях состава.

H 0) для двух образцов с несколько различающейся Все известные нам теории рассеяния носителей заряда концентрацией Si. Из рисунка видно, что эта зависина флуктуациях состава [1,5] исходят из того, что мость четко разделяется на два участка в соответствии потенциал таких флуктуаций описывается -функцией, с изменением параметров в формуле (3): при низких т. е. они являются нейтральными образованиями с вертемпературах, когда вторая производная микроволновотикальными стенками и представляют собой кластеры го поглощения увеличивается с температурой за счет того, что концентрация дырок растет из-за термической ионизации примесных центров, и при более высоких температурах, когда поведение эффекта определяется поведением подвижности носителей заряда. В этой области вторая производная микроволного поглощения уменьшается с ростом температуры, стремясь в области -2.высоких температур к зависимости d2P/dH2 T.

Гликсман [5] измерил зависимость подвижности электронов от температуры в сплавах Ge–Si в сплавах различного состава и получил при x = 0.03 и при рассеянии на флуктуациях состава температурную зависимость в -0.виде µ T в области температур 80–300 K. Если считать, что в нашем случае механизм рассеяния тот же, температурная зависимость должна иметь вид -2.d2P/dH2 T, что хорошо согласуется с нашими Рис. 3. Температурные зависимости поля минимального знаданными.

чения производной микроволнового поглощения в сплавах Другой способ проверки основывается на использоGe1-x Six: 1 — x = 0.01, 2 — x = 0.02, прямая — зависимость 0.вании формулы (4) для поля Hmin, в котором имеет Hmin T.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1162 А.И. Вейнгер, А.Г. Забродский, Т.В. Тиснек атомов Si в решетке Ge. В таком случае уменьшение по- увеличении концентрации примесных центров азота продвижности с ростом температуры определяется только являются заряженные кластеры, содержащие все меньше увеличением тепловой скорости носителей заряда, т. е. и меньше примесных центров.

-1/должно происходить пропорционально T.

Эксперимент же показывает более быстрое уменьше4. Заключение ние подвижности с ростом температуры. Для объяснения этого Гликсман [5] предполагает наличие у таких Переход от p-Ge к его разбавленным твердым раскластеров некоторого заряда, одноименного с зарядом твором с Si (p-Ge1-x Six, x 0.01-0.02) приводит к свободных носителей. Это вполне оправдано, поскольку полному исчезновению наблюдаемого аномального МС, ширина запрещенной зоны в кремниевых кластерах а также к исчезновению тонкой структуры классичегораздо шире запрещенной зоны основной решетки ского МС из-за увеличения частоты переходов между германия. Однако стандартное описание рассеяния на подзонами легких и тяжелых дырок.

заряженных примесях приводит к росту подвижности Определяемые изменением подвижности носителей при взаимодействии как с притягивающим, так и с температурные зависимости второй производной микроотталкивающим потенциалом [4].

Pages:     || 2 |



© 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.