WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

утверждать, что в исследованном полумагнитном поБлагодаря p-d-обмену поляризация облака спинов Mn лупроводнике переход диэлектрик–металл происходит (в пределах радиуса Бора) Sz является ненулевой loc при NA = NM > 3 · 1018 см-3. Таким образом, влидаже при H = 0, когда дальний порядок во всей спиновой яние обменного взаимодействия дырок с подсистемой подсистеме отсутствует ( Sz = 0). При включении спинов ионов Mn2+ приводит к усилению эффектов внешнего магнитного поля происходит поляризация всех локализации и к увеличению на порядок концентрации спинов Mn, что приводит к росту величины Sz и перехода Мотта по сравнению с немагнитным полупроуменьшению разницы Sz - Sz, т. е. к постепенному loc водником. Необходимо отметить также, что наблюдаемое разрушению состояний связанного магнитного поляро- существенное различие в величинах Rmax/R(50 кЭ) для на. Процесс делокализации носителей при разрушении образцов HgMnTeSe и HgMnTe с близкими значениями поляронных состояний в магнитном поле и приводит к NA 1017 см-3 (1-я и 2-я строки в табл. 2) скорее всего эффекту вскипания дырок. связано с естественным усилением эффекта вскипания Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Эффект вскипания дырок и особенности магнитосопротивления полумагнитного полупроводника... Таблица 2. Величина эффекта вскипания дырок в интервале 10 H 50 кЭ для различных групп образцов Образец x (NA - ND), 1017 см-3 Rmax/R (50 кЭ) Hg1-xMnxTe1-ySey 0.09 0.11 0.5 1.5 200 Hg1-xMnxTe 0.05 0.07 1 2 10 Hg1-xMnxTe1-ySey 0.03 0.095 9 13 3 Hg1-xMnxTe1-ySey < 0.07 30 40 Примечание. Данные последней колонки получены при T =(1.41.7) K, Rmax — максимальное значение R(H) в области дырочной проводимости при H 10 кЭ.

дырок при увеличении x, т. е. при увеличении обменной орбитальное движение носителей заряда (квантование добавки к энергии дырок. Ландау) [14]. Для обычных значений параметров высб. Аномальная анизотропия магнитосопротивле- шим уровнем Ландау валентной зоны как в бесщелевом, ния. Известно, что для полупроводников со сферически- так и в узкощелевом HgMnTe является уровень b-1 (в симметричной зоной и изотропным рассеянием продоль- обозначениях Пиджина–Брауна [15]), энергию которого ное магнитосопротивление не изменяется с магнитным можно представить в аналитическом виде полем в классической области магнитных полей. В обла2 3 kz сти квантующих полей zz зависит от H, но для обычb-1 = - + 0 - 3B -. (7) ных полупроводников отношение zz/xx всегда остается 2 2 2mh меньше единицы как для короткодействующего, так и Здесь — циклотронная частота, соответствующая для дальнодействующего примесного потенциала [12].

поперечной эффективной массе m (4/3)ml, 0 — В полумагнитных полупроводниках HgMnTe в широкой циклотронная частота свободного электрона, — параобласти магнитных полей наблюдалась инверсия этого метр Латтинджера, определяющий величину g-фактора соотношения: продольное магнитосопротивление станоносителей зоны 8 в отсутствие обменных эффектов.

вится в несколько раз больше поперечного [4–6]. В Из выражений (6), (7) (и вида волновой функции [14]) исследованных нами образцах Hg1-xMnxTe1-ySey также следует, что уровень b-1 есть первый уровень Ландау, наблюдается аномальная анизотропия магнитосопротивления: из рис. 7 ясно видно, что в полях H > 10 кЭ zz отщепленный от зоны -3/2(k). Из (7) видно, что зависимость энергии b-1(k) от компоненты kz является парастановится больше xx и отношение zz/xx существенно болической и определяется эффективной массой тяжелой возрастает по мере роста H и содержания Mn x, а дырки mh. Из численных расчетов для бесщелевых [16] и также при понижении температуры, достигая значений узкощелевых [17] полупроводников HgMnTe следует, что порядка 10.

энергетический зазор между вершинами подзоны b-Обменное p-d-взаимодействие в магнитном поле выи ближайшей к ней подзоны a-1 есть величина порядка зывает зеемановское расщепление четырехкратно выB, B. Зазоры между вершинами для следующих рожденного состояния 8 на подзоны с проекциями подзон Ландау (a-1, b1, b2 и т. д.) намного меньше и полного момента Jz = ±1/2 и ±3.2 [13]. Положение вершин этих подзон при отсчете от вершины зоны 8 уменьшаются по мере роста номера подзоны, оставаясь величиной порядка циклотронной энергии тяжелой при H = 0 соответствует энергиям = ±B и ±3B, где дырки h (h = eH/mhc). Для типичных значений обменная добавка B определена соотношением (3). Так параметров HgMnTe в широком интервале магнитных как обменный параметр >0 и, следовательно, B < 0, полей h B, поэтому спектр валентной зоны повысшей зоной является валентная зона с Jz = -3/2, лумагнитного полупроводника в квантующих магнитных закон дисперсии которой вблизи точки имеет вид полях оказывается своеобразным: имеется существенный (H z) отрыв верхнего уровня b-1 от совокупности остальных 2 близко расположенных уровней.

3 1 kz -3/2(k) =- + k + -3B, (6) Для такого вида спектра волновая функция дырки 2 4ml 4mh mh на акцепторе в магнитном поле также изменяется негде ml и mh — массы легкой и тяжелой дырок соответ- обычным образом: радиус волновой функции a в наственно, k — компонента волнового перпендикулярная правлении, перпендикулярном H, увеличивается с ромагнитному полю. Так как ml < mh, изоэнергетическая стом поля [7]. В области прыжковой проводимости по поверхность представляет собой эллипсоид вращения, примесям увеличение степени перекрытия акцепторных вытянутый вдоль направления магнитного поля. волновых функций с ростом H должно приводить к В узкощелевых и бесщелевых полумагнитных полу- падению сопротивления, при этом эффект оказывается проводниках с малыми эффективными массами легкой максимальным для поперечного и минимальным для продырки (ml |g|) следует также принимать во вни- дольного магнитосопротивления. Такое убывание xx(H) мание непосредственное влияние магнитного поля на и zz(H) при аномальном соотношении между ними 4 Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1204 Н.К. Леринман, П.Д. Марьянчук, А.И. Пономарев, Л.Д. Сабирзянова, Н.Г. Шелушинина ствительно, подвижности дырок при (1.4–1.7) K сравнительно велики и по порядку величины согласуются с оценками по формуле Брукса–Херринга. В исследованных кристаллах 100 |g| 200 мэВ оценки массы легкой дырки дают 0.01m0 ml 0.02m0. Согласно (6), анизотропия массы валентной зоны -3/2(k) составляет 3mh/4ml =(15-30) для mh = 0.4m0.

В случае проводимости по валентной зоне бесщелевого или узкощелевого полумагнитного полупроводника квантовый предел достигается в поле H = Hq, когда выше уровня Ферми остается один уровень Ландау b-1, т. е. F <. При B и B > h квантовый предел может быть достигнут при условии F(H) > h. (8) Мы полагаем, что именно это необычное соотношение между кинетической и циклотронной энергиями дырок в квантовом пределе обусловливает наблюдаемую нами аномальную анизотропию магнитосопротивления [6].

Действительно, как показано в [12], для вырожденного электронного газа в квантовом пределе при рассеянии на точечных дефектах справедливо выражение zz F(H) = 4, (9) xx c где c = eH/mc — циклотронная частота, F(H) =24 4 p2/m (10) и = (c /eH)1/2 — магнитная длина. Подчеркнем, что, согласно [12], как в циклотронную частоту, так и в выражение (10) для F(H) входит эффективная масса m, соответствующая движению носителей в z-направлении, т. е. в нашем случае m mh (см. (7)). В результате Рис. 7. Зависимость отношения zz/xx от магнитного поля H соотношение (9) с учетом(8) обеспечивает выполнение для исследованных образцов (см. табл. 1) с номерами: a —№неравенства zz > xx. Усиление эффекта по мере с x = 0.05 (1, 2) и №7 с x =0.08 (1 и 2 ) при T, K: 1, 1 — возрастания x, H и понижении T естественным образом 1.4, 2, 2 —4.2; b —№3 с x =0.09 при T, K: 1 —1.8; 2 —4.2;

объясняется ростом намагниченности Sz подсистемы c —№1 с x =0.095 при T, K: 1 —1.6, 2 — 4.2. Штриховыми линиями приведены результаты расчета zz/xx по формуле (9) ионов Mn++ и, как следствие, увеличением обменной с использованием эмпирических зависимостей p(H).

добавки B к энергии дырок.

Используя выражение (10) для F(H) в квантовом пределе, из (9) получим (zz > xx) экспериментально наблюдалось в узкощеzz/xx = 846 p2 p2/H3. (11) левых компенсированных образцах HgMnTe в области прыжковой проводимости [4,7,18]. Авторы работы [19] Наблюдаемое поведение zz/xx в зависимости от H также связывают наблюдаемое в сильных магнитных понаходится в качественном соответствии с выражением лях 100 < H < 400 кЭ в образцах HgMnTeSe гигантское (11). В частности, из рис. 7, b и c видно, что отношение отрицательное магнитосопротивление с ростом провоzz/xx увеличивается в области быстрого роста кондимости по примесным состояниям из-за увеличения центрации дырок, а в области слабого изменения p(H) перекрытия волновых функций акцепторов в магнитном при H > (30-40) кЭ значение zz/xx насыщается или поле.

даже убывает. Важно также, что рассчитанные в рамках Мы полагаем, что в исследованных нами образцах про- простейших представлений (11) значения zz/xx близки водимость осуществляется зонными носителями. Дей- к наблюдаемым экспериментально.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Эффект вскипания дырок и особенности магнитосопротивления полумагнитного полупроводника... 4. Заключение [7] J. Mycielski. Proc. Int. Conf. High Magnetic Fields Semicond. Phys. (Grenoble, 1982) p. 431.

В бесщелевых и узкощелевых полупровод- [8] T. Dietl, J. Spalek. Phys. Rev. B, 28, 1548 (1983).

[9] J. Mycielski. In: Diluted Magnetic Semiconductors, ed. by никах Hg1-xMnxTe1-ySey с x = 0.03-0.J.K. Furdyna and J. Kossut (Academic Press, 1988). [Пер.:

(-150 < g < 190) мэВ и концентрацией акцепторов Полумагнитные полупроводники (М. Мир, 1992)].

5.4 · 1016 NA 4.3 · 1018 см-3 подробно изучены [10] W. Dobrowolski, M. von Ortenberg, A.M. Sandauer, эффекты, обусловленные влиянием обменного R.R. Galazka, A. Mycielski, R. Pauthenet. Proc. 4th Int. Conf.

p-d-взаимодействия и характерные для полумагнитных Phys. Narrow Gap Semicond. (Linz, 1981) p. 302.

полупроводников p-типа: эффект вскипания дырок [11] А.В. Германенко, В.В. Кружаев, Г.М. Миньков, О.Э. Рут.

в магнитном поле и аномальная анизотропия ФТП, 22, 992 (1988).

магнитосопротивления. Мы полагаем, что рост [12] E. Adams, T. Holstein. J. Phys. Chem. Sol., 10, 254 (1959).

концентрации дырок с ростом H в исследованных [13] J.A. Gaj, J. Ginter, R.R. Galazka. Phys. St. Sol. (b), 89, образцах есть следствие существования при H = 0 (1978).

[14] G. Bastard, C. Rigaux, Y. Guldner, J. Mycielski, A. Mycielski.

состояний связанного магнитного полярона и J. de Phys., 39, 87 (1978).

постепенной делокализации носителей при разрушении [15] C.R. Pidgeon, R.N. Brown. Phys. Rev., 146, 575 (1966).

этих состояний магнитным полем. С другой стороны, [16] M. Dobrowolska, W. Dobrowolski, R.R. Galazka, J. Kossut.

необычное соотношение продольного и поперечного Sol. St. Commun., 30, 25 (1979).

магнитосопротивлений zz > xx по существу есть [17] Л.П. Зверев, В.В. Кружаев, Г.М. Миньков, О.Э. Рут, Н.П. Гаследствие анизотропного (по отношению к направлению валешко, В.М. Фрасуняк. ФТТ, 26, 2943 (1984).

магнитного поля) вида изоэнергетических поверхностей [18] J.R. Anderson, W.B. Johnson, D.R. Stone. J. Vac. Sci. Techn., высшей валентной зоны -3/2(k), отщепленной A1, 1761 (1983).

обменным p-d-взаимодействием от зоны 8 с учетом [19] В.А. Кульбачинский, П.Д. Марьянчук, И.А. Чурилов. ФТП, квантования Ландау в полупроводниках с малыми |g|.

29, 2007 (1995).

При этом существенный отрыв верхнего уровня Ландау Редактор Т.А. Полянская b-1 от остальных уровней валентной зоны обусловлен как малостью поперечной эффективной массы зоны The boil-off effect and magnetoresistance -3/2(k), так и большим значением обменной добавки B peculiarities in semimagnetic к энергии зоны 8.

Необходимо отметить, что в рамках модели связанного semiconductor p-Hg1-xMnxTe1-ySey магнитного полярона рост концентрации дырок в магN.K. Lerinman, P.D. Marjanchuk, A.L. Ponomarev, нитном поле происходит именно благодаря отщеплению L.D. Sabirzyanova, N.G. Shelushinina (и движению вверх по энергии) зоны b-1. С другой стороны, аномальное соотношение продольного и по- Institute of Metal Physics, перечного магнитосопротивлений наблюдается лишь в Ural Division of the Russian Academy of Sciences, квантовом пределе, т. е. в условиях, когда проводимость 620219 Ekaterinburg, Russia осуществляется носителями зоны b-1. Таким образом, Chernovitskii State University, наблюдаемые эффекты вскипания дырок и аномальной Chernovtsi, Ukraine анизотропии магнитосопротивления тесно взаимосвязаны и обусловлены общей причиной, а именно — свое-

Abstract

The galvanomagnetic effects in zero- and narrowобразием вида спектра уровней Ландау в исследованных gap semimagnetic semiconductors Hg1-xMnxTe1-ySey with x = 0.03 0.11, y = 0.01 0.10, -150 < g < 190 meV полумагнитных полупроводниках.

and acceptor concentrations 5.4 · 1016 < NA < 4.3 · 1018 cm-were investigated. In the magnetic fields H =(5 50) kOe and Список литературы T = (1.3 4.2) K an essential (up to 500 times) increase in the hole concentration p = 1/eR was observed. This increase [1] К.Р. Крылов, Н.К. Леринман, А.И. Пономарев, Л.Д. Сабирis accompanied by a fall both of longitudinal zz and transverse зянова, Н.Г. Шелушинина, Н.П. Гавалешко, П.Д. Марьянxx magnetotesistance. We suppose that a ”boil-off” (opposite чук. ФТП, 28, 1382 (1994).

to freeze-out) of holes is the consequence of the existence of [2] I.M. Tsidilkovski, G.I. Harus, N.G. Shelushinina. Adv. Phys., bound magnetic polaron states at H = 0 and of the carrier 34, 43 (1985).

delocalization due to the gradual destruction of those states in [3] А.И. Елизаров, В.И. Иванов-Омский, А.А. Корнияш, external magnetic field. The anomalous relation of longitudinal and В.И. Петриков. ФТП, 18, 201 (1984).

transverse magnetoresistances (zz >xx) observed in investigated [4] J.K. Furdyna. J. Vac. Sci. Techn., 27, 220 (1982).

samples at helium tempetature for H > 10 kOe is explained by [5] А.В. Германенко, Л.П. Зверев, В.В. Кружаев, Г.М. Миньков, peculiarities of the valence band energy spectrum of semimagnetic О.Э. Рут. ФТТ, 27, 1857 (1995).

semiconductor in quantizing magnetic fields.

[6] Н.Г. Глузман, А.Б. Давыдов, К.Р. Крылов, Н.К. Леринман, Б.Б. Поникаров, А.И. Пономарев, Л.Д. Сабирзянова, Fax: 445–И.М. Цидильковский, Н.Г. Шелушинина, И.Н. Горбатюк, E-mail: semicond@ifm.e-burg.su(Lerinman) И.М. Раренко. ФТП, 20, 1970 (1986).

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.