WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 10 Эффект вскипания дырок и особенности магнитосопротивления полумагнитного полупроводника Hg1-xMnxTe1-ySey © Н.К. Леринман, П.Д. Марьянчук, А.И. Пономарев, Л.Д. Сабирзянова, Н.Г. Шелушинина Институт физики металлов Уральского отделения Российской академии наук, 620219 Екатеринбург, Россия Черновицкий государственный университет, 274012 Черновцы, Украина (Получена 31 июля 1996 г. Принята к печати 25 февраля 1997 г.) Исследованы гальваномагнитные эффекты в бесщелевых и узкощелевых полупроводниках Hg1-xMnxTe1-ySey с x = 0.03-0.11, y = 0.01-0.10 (-150 < g < 190) мэВ и с концентрацией акцепторов 5.4 · 1016 < NA < 4.3 · 1018 см-3. В магнитных полях H = (5-50) кЭ и T = (1.3-4.2) K наблюдалось существенное (до 500 раз) увеличение концентрации дырок p = 1/eR, которое сопровождалось падением как продольного zz, так и поперечного xx магнитосопротивлений. Мы полагаем, что эффект ”вскипания” дырок является следствием существования при H = 0 состояний связанного магнитного полярона и делокализации носителей тока при разрушении этих состояний внешним магнитным полем.

Аномальное соотношение продольного и поперечного магнитосопротивлений zz > xx, наблюдаемое при гелиевых температурах и в магнитных полях H > 10 кЭ, объясняется особенностями энергетического спектра валентной зоны полумагнитных полупроводников в квантующих магнитных полях.

1. Введение оценены также по величине собственной концентрации электронов при T = 300 K. Разность концентраций В полумагнитных полупроводниках Hg1-xMnxTe и и доноров (NA - ND) определялась по значениям R в Hg1-xMnxSe обменное взаимодействие свободных элек- сильном магнитном поле (H = 50 кЭ) при T = 77 K.

тронов зон 6 или 8 с локализованными электрона- Все исследованные образцы являются образцами p-типа.

ми незаполненной d-оболочки иона Mn2+ (s-d- или В таблице приведены также характерные значения поp-d-взаимодействие соответственно) приводит к суще- движности дырок µp при T = 1.4 K в магнитных полях ственной перестройке энергетического спектра носи- H 10 кЭ, где величина R(H) достигает максимума.

= телей заряда в магнитном поле. В работе [1] нами Известно, что в немагнитном полупроводнике представлены результаты исследования магнитных и Hg1-xGdxTe (с аналогичной структурой валентной кинетических свойств полумагнитного полупроводника зоны) перекрытие волновых функций дырок на соседних Hg1-xMnxTe1-ySey с проводимостью дырочного типа по акцепторах приводит к переходу диэлектрик–металл валентной зоне 8. В гальваномагнитных свойствах (переход Мотта) при NA = NM = 2 · 1017 см-3 [2].

отчетливо проявляются эффекты, обусловленные влия- По отношению к этому значению NM исследованные нием обменного p-d-взаимодействия: эффект вскипания образцы можно разделить на три характерные группы:

дырок в магнитном поле, связанный с ним эффект отрицательного магнитосопротивления, а также аномальное I NA < NM образцы (1–3) (NA < 2 · 1017 см-3), соотношение продольного и поперечного магнитосопротивлений. В данной работе мы провели более подробное II NA > NM образцы (4–9) (NA 1018 см-3), изучение наблюдаемых эффектов, расширив при этом III NA NM образцы (10–12) (NA > 3 · 1018 см-3), набор исследуемых образцов.

На рис. 1, 2 представлены зависимости продольного zz, поперечного xx магнитосопротивлений и коэф2. Экспериментальные результаты фициента Холла R от магнитного поля H для образца I Исследованы продольное zz и поперечное xx магни- (см. табл. 1) с минимальным содержанием примесей тосопротивления, а также коэффициент Холла R бес- (NA - ND) =5.4 · 1016 см-3 для нескольких температур.

щелевых (x < 0.07) и узкощелевых (x > 0.07) кри- Вид зависимостей R(H) при гелиевых температурах сталлов малоисследованного полумагнитного полупро- свидетельствует о том, что в процессе переноса участвуводника Hg1-xMnxTe1-ySey в широкой области составов ют два типа носителей: электроны и дырки. Электрон0.03 < x < 0.11, y = 0.01 0.10 при T =(1.3-300) K ный вклад в зависимость R(H), наблюдаемый в слабых и в магнитных полях H до 60 кЭ. Параметры исследо- магнитных полях в полупроводнике p-типа со щелью ванных образцов приведены в табл. 1. Содержание Mn g > 100 мэВ при T < 10 K, не может быть обусловлен определялось с помощью измерений магнитной воспри- зонными носителями. Такой аномальный электронный имчивости (см. [1]). Ширина запрещенной щели g и со- вклад неоднократно наблюдался в образцах Hg1-xCdxTe держание марганца x для узкощелевых кристаллов были с x 0.2 [2]. По аналогии с Hg1-xCdxTe можно Эффект вскипания дырок и особенности магнитосопротивления полумагнитного полупроводника... Таблица 1. Параметры исследованных образцов Hg1-xMnxTe1-ySey № группы №образца y x g, мэВ (NA -ND), 1017 см-3 µp, см2/В· с I 1 0.01 0.095 165 0.54 2 0.05 0.11 190 1.3 3 0.10 0.09 150 1.6 II 4 0.01 0.04 -150 13 5 0.01 0.04 -120 9.3 6 0.01 0.05 -100 10 7 0.05 0.08 110 10 8 0.01 0.08 110 13 9 0.01 0.09 150 13 III 10 0.10 31 11 0.01 < 0.07 < 0 41 12 0.10 43 Примечание. Подвижность µp измерена при H 10 кЭ, T =(1.4 1.7) K.

предположить, что в исследованных нами образцах су- полностью определяются дырками (рис. 1 и 2), наблюдаществует непрерывный кластер n-типа, формирующийся ется резкое падение величины коэффициента Холла и совдоль границ дислокаций и шунтирующий проводимость противления: Rmax/R(50 кЭ) 200; max/(50 кЭ) объема p-типа при низких температурах в слабых маг- при T = 1.3 K.

нитных полях [3]. Рост концентрации дырок с ростом На рис. 3, 4 приведены зависимости zz(H), xx(H) поля (о чем речь будет позже), а также лоренцов- и R(H) для узкощелевого образца 7 с промежуточское закручивание электронов (подвижность электронов ным содержанием примесей (NA - ND) = 1018 см-3.

µn (104-105) см2/В · с) приводят к смене знака R при Общий вид этих зависимостей аналогичен таким же H 5 кЭ. В полях H >10 кЭ, где процессы переноса зависимостям для образца 1. Различие между ними Рис. 1. Зависимости продольного (1, 3) и поперечного (2, 4) Рис. 2. Зависимость коэффициента Холла от магнитного поля магнитосопротивления /0 от магнитного поля H для для образца 1 при T, K: 1 —1.6, 2 —4.2, 3 — 12.

образца 1 (см. табл. 1) при T, K: 1, 2 —1.6; 3, 4 —4.2.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1200 Н.К. Леринман, П.Д. Марьянчук, А.И. Пономарев, Л.Д. Сабирзянова, Н.Г. Шелушинина заключается только в величинах падения коэффициента Холла R и сопротивления в полях H > 10 кЭ. Для образца 7 они значительно меньше: Rmax/R(50 кЭ) 6;

max/(50 кЭ) 4 при T =1.3 K. Из рис. 2 и 4 видно также, что при температурах (10–12) K коэффициент Холла R положителен и практически не зависит от H. Анализируя зависимости xx(H) и zz(H) для исследованных образцов (см. рис. 1 и 3), необходимо отметить необычное соотношение величин zz и xx в области дырочной проводимости: при T < 4.2 K и H 5 кЭzz становится существенно больше xx.

Для сильно легированных кристаллов с NA - ND (3-4) · 1018 см-3 поведение кинетических коэффициентов при низких температурах полностью определяется дырками и с ростом магнитного поля изменяется слабо.

3. Обсуждение экспериментальных результатов а. Эффект ”вскипания” дырок. Наблюдаемое в полях H > (5-10) кЭ существенное убывание R(H) естественно связать с увеличением концентрации валентных Рис. 4. Зависимость коэффициента Холла от магнитного поля для образца 7 при T, K: 1 —1.3, 2 —4.2, 3 — 10.

дырок p при возрастании магнитного поля. Такой эффект вскипания дырок, обратный процессу вымораживания, наблюдался ранее в узкощелевых [4] и бесщелевых [5,6] кристаллах p-HgMnTe и объяснялся либо уменьшением состояний связанного магнитного полярона [8] в магнитэнергии активации акцептора [7], либо разрушением ном поле.

На рис. 5 представлены зависимости p(H) при T = 1.6 K для образцов 1 и 2. Видим, что вплоть до H 20 кЭ наблюдаемую зависимость можно описать соотношением p(H) exp[-EA(H)/kT ], где EA(H) =EA -H (1) с EA =1.5 мэВ, =2.9 · 10-2 мэВ/кЭ для образца 1 и EA = 2 мэВ, =4.8 · 10-2 мэВ/кЭ для образца 2. Экстраполируя найденную зависимость к H = 0, находим оценку для концентрации дырок в отсутствие магнитного поля: при T = 1.6 K p(H = 0) = 1.1 · 1014 см-для образца 1 и p(H = 0) = 3.8 · 1013 см-3 для образца 2. На том же рисунке приведены зависимости от H величин zz = 1/zz и = 1/xx для образца при T = 1.6 K (зависимости для образца 1 имеют аналогичный вид). Видим, что на кривых zz(H) и (H) также имеется активационный участок при H < 20 кЭ.

Сравнивая зависимости p(H) и zz(H), (H), можно сделать вывод о том, что наблюдаемое резкое падение сопротивления в полях H > 5 кЭ при гелиевых температурах (рис. 1, 3) обусловлено главным образом эффектом вскипания дырок.

Сопоставим выражение (1) с теоретическим результаРис. 3. Зависимости продольного (1, 3) и поперечного (2, 4) том, предсказывающим уменьшение энергии активации магнитосопротивления /0 от магнитного поля H для в магнитном поле, справедливым для широкощелевых образца 7 при T, K: 1, 2 —1.3; 3, 4 —4.2.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Эффект вскипания дырок и особенности магнитосопротивления полумагнитного полупроводника... Рис. 5. Зависимость концентрации дырок p от магнитного поля H при T = 1.6 K для образцов 1 (1) и 2 (2). На вставке — зависимости поперечной = 1/xx (3) и продольной zz = 1/zz (4) проводимостей от магнитного поля для образца 2 при T = 1.6 K.

полупроводников [9]: =(0.12-0.2), что существенно меньше теоретического значения = 0.75 для Hg1-xMnxTe с x 0.1 [9].

EA = EA - B, (2) Таким образом, в модели изолированного акцептора удовлетворительного описания эффекта вскипания где дырок в исследованных образцах достичь не удается.

B = -(1/6) N0 Sz (3) Отметим также, что найденные значения энергии активации в отсутствие магнитного поля EA =(1.5-2) мэВ — обменная добавка к энергии дырок зоны 8. В заметно меньше теоретической оценки для энергии связи соотношении (3) Sz — средняя величина z-компоненты изолированного акцептора EA = 6 мэВ [9]. Значения спина иона Mn (z H), N0 — обменный интеграл. В EA, близкие к этой величине, в образцах HgCdTe редостаточно слабых магнитных полях ально наблюдались лишь при NA < 1016 см-3 [11]. В (S + 1)gMnµBH исследованных нами образцах критерий слабого легиро Sz = S0, (4) 3k(T + T0) вания NA NM не выполнен даже для образцов 1–с наименьшими концентрациями примесей. В случае где S = 5/2, gMn = 2, µB — магнетон Бора, S0 и T0 — промежуточного легирования при NA NM перекрытиэффективные параметры, учитывающие обменное взаием волновых функций соседних акцепторов пренебречь модействие спинов Mn между собой, и для коэффициента нельзя и наблюдаемая энергия активации может быть в (1) получаем существенно меньше EA.

На рис. 6 представлены зависимости p(H) в полях 1 S0(S + 1)gMnµB th = xN0. (5) H > 10 кЭ при T = (1.4-1.7) для образцов 4–9 с 6 3k(T + T0) NA 1018 см-3. Видим, что и в этих образцах наблюдается существенная зависимость концентрации дырок Используя значения параметров N0 = 1.4 эВ, S0 = 1.02, T0 = 9.9 K (такие же, как для от H, хотя и более слабая, чем в образцах 1 и 2. При Hg1-xMnxTe с x = 0.1 [10]), при T = 1.6 K нахо- NA > NM, когда связанное состояние дырки на акцепторе дим th = 0.25 мэВ/кЭ. Сопоставление th с экс- за счет кулоновского взаимодействия отсутствует, рост периментально найденными значениями дает оценку p(H) невозможно объяснить убыванием исходной энер4 Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1202 Н.К. Леринман, П.Д. Марьянчук, А.И. Пономарев, Л.Д. Сабирзянова, Н.Г. Шелушинина Рис. 6. Зависимости концентрации дырок p от магнитного поля H при T =(1.41.7) K. Цифры у кривых соответствуют номерам образцов в таблице.

гии активации. Поэтому кажется необходимым использо- В образцах с NA > 3 · 1018 см-3 (образцы 10–12) вать представление о состояниях связанного магнитного перекрытие волновых функций на соседних акцепторах настолько велико, что локализации за счет обменных полярона [5]. Под связанным магнитным поляроном понимается связанное состояние дырки в полумагнит- эффектов не происходит и концентрация дырок практически не зависит ни от магнитного поля, ни от темпеном полупроводнике, которое формируется благодаря ратуры.

обменному взаимодействию p-d-типа между дыркой на Итак, исследование образцов полумагнитного полуакцепторе и окружающими его спинами ионов Mn [8].

проводника p-HgMnTeSe для широкого интервала конДобавление магнитного (обменного) взаимодействия к центраций акцепторов NA позволило установить, что электростатическому может создать условия для локалистепень роста концентрации p в процессе вскипания зации носителей даже при NA > NM. Поляронные эффекдырок в магнитном поле тем существенней, чем меньше ты могут играть существенную или даже определяющую концентрация акцепторов по отношению к концентрации роль и в случае промежуточно легированных образцов перехода Мотта NM в немагнитном полупроводнике. Эта с NA < NM (образцы 1–3). Действительно, оценка эмпирическая закономерность отражена в табл. 2, где поляронного вклада в энергию связи изолированного мы использовали также наши данные для 8 бесщелевых акцептора, согласно теории Дитла и Спалека [8], для образцов HgMnTe с NA =(1-2) · 1017 cм-3 [6].

исследованных образцов с x 0.1 при T =1.6 K дает Полагая, что отсутствие зависимости p от H и от EA 4 мэВ, что сравнимо с кулоновской энергией T соответствует полной делокализации дырок, можно связи изолированного акцептора EA = 6 мэВ.

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.