WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 12 Аномалия в плотности состояний и туннельная проводимость контактов Au/p-GaAs0.94Sb0.06 вблизи перехода металл–диэлектрик © Т.Ю. Аллен, Х.Г. Нажмудинов, Т.А. Полянская Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия University of Tennessee, TN 37403 Chattanooga, USA (Получена 1 июля 1998 г. Принята к печати 1 июля 1998 г.) Исследована аномалия туннельного тока при напряжении смещения V 0 на контактах Au/pGaAs0.94Sb0.06. Эпитаксиальные слои твердого раствора p-GaAs0.94Sb0.06 были легированы германием и имели проводимость, близкую к переходу металл–диэлектрик. Наблюдалась корневая зависимость дифференциальной проводимости G(V ) = (dV /dI)-1 при малых значениях V > kT, предсказанная теорией Альтшулера– Аронова для квантовых поправок к плотности состояний на уровне Ферми в разупорядоченном проводнике.

Обнаружено удовлетворительное согласие экспериментальных данных с теорией при концентрации дырок в слоях (p), больших критической концентрации перехода металл–диэлектрик pc, но при p < pc относительная величина аномалии резко уменьшается. Это подтверждает особенность условия kF l 1 (вместо kFl 1) для применимости теории аномалии в плотности состояний, возникающей из-за электрон-электронных взаимодействий, в трехмерном электронном газе.

Введение стицы, отсчитываемая от уровня Ферми F, — время релаксации импульса;

Исследование туннельной проводимости контакта с металлом является прямым измерением плотности соD = (2) e2(dp/dF) стояний электронного газа в материале, находящемся в барьерном контакте с металлом. Аномалии туннельного — коэффициент диффузии; — удельная проводимость;

тока при напряжении смещения V 0 для разного p — концентрация носителей заряда, dp/dF = F.

типа барьерных структур давно и в большом количестве Отметим важное для наших исследований обстоятельработ наблюдались экспериментально [1]. Однако этот ство, что для трехмерного проводника теория аномалии эффект — во всех полноте экспериментальных фактов — в плотности состояний справедлива даже при долгое время не находил достаточно убедительного теоретического объяснения (см., например, гл. 27 в сб. [1]).

/ F (3) Разработка теории жидкости Ферми для разупорядочен(см. [3] c. 31), в то время как обычное условие примениной системы носителей тока [2–4] позволила по-новому взглянуть на многие известные раньше эксперименталь- мости теорий квантовых поправок ные данные по низкотемпературным явлениям в разуkFl = 2F/ 1. (3a) порядоченных проводниках, в том числе и на эффект аномалии туннельного тока при V 0. Было показано, Условие (3) позволяет провести анализ данных, получто в таких системах волновые функции электронов, ченных вблизи перехода металл–диэлектрик с металлиблизких по энергии, сильно коррелированы в пространческой стороны. При учете взаимодействия в диффузистве [5]. Диффузия флуктуаций электронной плотности онном канале ee-взаимодействий константа состоит в поле дефектов решетки приводит к существенному усииз 2 слагаемых:

лению электрон-электронного (ee) взаимодействия.1 В результате возникает сингулярность в одночастичной ( ( = j=0) + j=1), (4) mkF плотности состояний на уровне Ферми F =, kF — волновой вектор носителя заряда с энергией Ферми.

причем первое из них всегда равно Поправка к плотности состояний при T 0 имеет вид ( (например, см. [3] c. 29): j=0) = ||1/и описывает взаимодействие квазичастиц с суммарным =. (1) спином j = 0. Второе слагаемое 4 22( D)3/Здесь — константа, определяемая характером F ( j=1) = -4 1 + - 1 (5) ee-взаимодействия [3,4], / — энергия квазичаТа же причина — неоднородность в распределении плотности зарясоответствует взаимодействию квазичастиц с суммарным да, но в системе локализованных электронов, приводит к образованию кулоновской щели [6]. спином j = 1. Здесь F —амплитуда ee-взаимодействия Аномалия в плотности состояний и туннельная проводимость контактов Au/p-GaAs0.94Sb0.06... и может изменяться в зависимости от зонной структуры, близком аналоге нашего материала— GaAs p-типа (см., наличия парамагнитных примесей, взаимодействия с фо- например, [12–16]). Так авторы работы [12], проводя нонами и т. д. В трехмерном случае эту величину можно измерения на GaAs, легированном Zn и Cd (в качестве определить через соотношение y = 2kFRS как [3] электрода использовался Pb), обнаружили, что величина туннельной аномалии быстро возрастает с увеличением ln(1 + y2) удельного сопротивления p-GaAs, а ее полуширина имеF =, (6) yет минимум в области перехода металл–диэлектрик (по положению этого минимума они оценили критическую где RS — радиус экранирования:

концентрацию дырок в точке перехода pc 2·1018 см-3).

= В работах [13,16] авторы анализировали дифференциRS =, (7) альную проводимость барьеров Шоттки Au/p-GaAs с 4e2(dp/dF) целью определения ”хвостов плотности состояний” в — диэлектрическая проницаемость.

соответствии с теорией [6].

Cингулярность в плотности состояний (1) приводит В работе [17] мы сообщали о результатах исследовак аномалии в туннельной проводимости G(V ) =dI/dV ния дифференциального сопротивления структур Au/p(в области малых напряжений смещения V ) относиGaAs1-xSbx, изготовленных на проводящих подложках pтельно той величины, которая определяется обычной GaAs. Мы наблюдали корневую зависимость туннельной плотностью состояний F. В результате величина проводимости от напряжения в области V 0, но не G(V ) =G(V ) -G(0) равна имели возможности измерить удельное сопротивление слоя, на котором изготовлен барьер Шоттки, чтобы G(V) 1 (, T ) 1 проанализировать зависимость () (8). Поэтому мы = d +, G(0) 4kT cosh2 -eV cosh2 +eV предприняли еще одну попытку проверить теорию [5] 2kT 2kT на барьерах Шоттки Au/p-GaAs0.94Sb0.06, поставив эксперимент таким образом, чтобы знать величину удельного т. е. изменяется пропорционально (eV /kT )2 при сопротивления слоя GaAs0.94Sb0.06 Ge.

|eV | kT, а при |eV | kT принимает вид [5] G(V) (| eV |) |eV |1/= Экспериментальные результаты = =. (8) G(0) F 4 22( D)3/2F и их обсуждение Теория туннельной аномалии [5] проверялась на конВ отличие от исследований, представленных в [17] тактах металлов с пленками гранулированного Al [7] для контактов Au/p-GaAs1-xSbx (0.02 < x < 0.125), в и Ga [8]; с пленками In2O3, как трехмерными, так и данной работе слои GaAs0.94Sb0.06 выращивались в 2-х квазидвумерными [9], с пленками твердых растворов вариантах одновременно (в одном технологическом опыGa1-xAux [10], NbxSi1-x [11]. Работы [7,11] сделаны в те: для измерения удельного сопротивления — на области перехода металл–диэлектрик. Во всех случаях подложках из полуизолирующего GaAs, а для измерений в соответствии с выражением (8) наблюдалась корневая туннельной проводимости — на подложках p-GaAs с зависимость туннельной проводимости G от напряжеконцентрацией дырок (0.5-1) · 1019 см-3. Способы ния смещения V, а коэффициент пропорциональности изготовления эпитаксиальных слоев GaAs1-xSbx, легированных Ge (от 0.5 до 2 ат%), подробно описаны в G(V) = 3F (9) работе [17], а способ создания барьеров Шоттки — в раG(0)|V |1/боте [18]. В данной работе, как и в [17], использовались зависел от сопротивления пленки как. Следует контакты Au/GaAs0.94Sb0.06 диаметром = 0.25 мм. По отметить, что в металлах величина F практически не оценкам, сделанным на наших структурах [19], толщина изменяется при введении примесей или дефектов, нали- слоя естественного окисла, разделяющего пленку Au чие которых влияет только на величину, т. е., но не на и слой твердого раствора, не превышала 30. Резульконцентрацию носителей заряда. В этом случае должно таты исследования высоты барьера b в структурах быть = 3/2, однако в экспериментальных исследовани- Au/GaAs1-xSbx (0.02 < x < 0.125) для слоев как n-, так ях, где определялась зависимость () [7,11], получено и p-типа проводимости (по спектральной зависимости значение 1. фотоответа) приведены в работе [20], а результаты изуче= Сильно легированные полупроводники при F kT ния электрофизических свойств и низкотемпературных имеют проводимость металлического типа и следует гальваномагнитных эффектов в p-GaAs0.94Sb0.06 — в ожидать, что эффект туннельной аномалии для барье- работах [21–23].

ра Шоттки на сильно легированном полупроводнике Исследование нулевых аномалий в туннельной проимеет ту же природу. Есть ряд экспериментальных водимости проводилось при гелиевой температуре. При работ по исследованию туннельной дифференциальной повышении температуры изменялась форма кривой дифпроводимости барьеров Шоттки, выполненных (до по- ференциального сопротивления, аномалия становилась явления теории квантовых поправок) на достаточно менее выраженной, а при T 60 K исчезала совсем [18].

2 Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 1426 Т.Ю. Аллен, Х.Г. Нажмудинов, Т.А. Полянская Авторы [25] показали, что характерные черты зависимостей R(V ) для того или иного полупроводника, в частности величина eVmax (в сравнении с F) и ”ширина” кривой R(V), т. е. резкость проявления максимума R(Vmax), определяется параметрами F/E00 и b/Eg. Достаточно резкий пик в области R(Vmax) при напряжении Vmax = F может проявиться, если для конкретного материала справедливы соотношения b/Eg 1/2 и F/E00 < 1. При соотношениях b/Eg 1/2, но F/E00 1 должен наблюдаться ”размытый” максимум дифференциального сопротивления. Оценим эти параметры для наших структур. Ширина запрещенной зоны Eg для GaAs1-xSbx при T 77 K изменяется от 1.52 до 1.3 эВ в диапазоне составов 0 x < 0.13, а при x = 0.Eg 1.4 эВ. Высота барьера bp для наших структур = на материале p-типа составляет (0.82 ± 0.06) эВ при Рис. 1. Типичная вольт-амперная характеристика туннельного T = 77 K [20]. В результате величина bp/Eg 0.6, = контакта Au/p-GaAs1-xSbx при T = 4.2 K. Приложенное а отношение напряжение: 1 — V > 0, 2 — V < 0. Штриховой прямой обозначен участок зависимости I/I0 = exp(eV /E00).

F m mlh = 1.96 · 10-4 (n[см-3])1/3 (13) E00 (m) Для измерения туннельных аномалий мы использовали образцы с концентрацией дырок (2-5) · 1018 см-3, т. е.

изменяется в пределах от 0.4 до 0.6 при изменении близкие к переходу металл–диэлектрик. При концентра- концентрации дырок 1018 < p < 1019 см-3. В социях, меньших 2 · 1018 см-3, сопротивление туннельного отношении (13) принято значение массы по плотноконтакта было столь велико, что мы не имели возмож- сти состояний m = 0.473m0 и массы легких дырок ности измерить его дифференциальное сопротивление.

m = 0.082m0. Для GaAs1-xSbx n-типа проводимости lh На рис. 1 показана вольт-амперная характеристика отношение bn/Eg 0.7 (bh 1эВ при 4.2K [20]), а = = (ВАХ), типичная для исследованных контактов при величина F/E00 в 2.5 раза больше для тех же конценT = 4.2 K. Видно, что при значениях напряжения, меньтраций носителей заряда.

ших 0.15 В происходит инверсия ВАХ (обратные токи В соответствии с этими оценками мы наблюдали становятся больше прямых) в соответствии с теорией широкую (размытую) полосу зависимости R(V ) с макВильсона [24]. Прямая ветвь ВАХ при больших напряжесимумом при Vmax = F (со слабым всплеском в R(V) ниях смещения подчиняется зависимости, характерной для туннельного тока [25], I/I0 exp(eV /E00), (10) где 1/ e2(NA - ND) E00 =, (11) 2 m lh = 13 — диэлектрическая проницаемость GaAs0.94Sb0.06 (способ оценки величины приведен в работе [23]), m = 0.082m0 — масса легких дырок, так lh как туннелирование происходит из этой зоны. Наклон штриховой прямой на рис. 1 дает значение E00 41 мэВ.

= Расчет же по формуле (7) — E00 40.2мэВ при = NA -ND pr(T = 295 K) =1/eRH = 5·1018 см-3, (12) = где RH — коэффициент Холла в магнитном поле H при T = 295 K.

На рис. 2 для того же образца приведена зависимость Рис. 2. Зависимость дифференциального сопротивления дифференциального сопротивления от приложенного наR(V ) = dV /dI от напряжения смещения V при T = 4.2K пряжения смещения R(V) = dV/dI = 1/G(V ) при для того же контакта, что и на рис. 1. Стрелкой обозначено T = 4.2 K. Отчетливо видны как пик в зависимости R(V) напряжение Vmax, соответствующее максимуму дифференципри V 0 (нулевая аномалия), такимаксимумR(V) при ального сопротивления на прямой ветви вольт-амперной харакнапряжении смещения V = Vmax 23 мэВ. теристики.

= Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Аномалия в плотности состояний и туннельная проводимость контактов Au/p-GaAs0.94Sb0.06... Рис. 4. Зависимость дифференциального сопротивления R(V ) Рис. 3. Зависимости дифференциального сопротивления R(V) от напряжения смещения V при T = 4.2 K для структуры от направления смещения V при T = 4.2 K для структуры (см. таблицу). Штриховая кривая соответствует зависимости (см. таблицу). Значения V для кривой 1 — на верхней шкале, RN(V ), определяемой ”нормальной” плотностью состояний.

для кривой 2 — на нижней.

при V 0) — для контактов на твердом растворе n-типа проводимости [18]. Для контактов же p-типа GaAs1-xSbx хорошо проявляется пик в области V = Vmax, и величина Vmax, действительно, близка к значениям F при p 5 · 1018 см-3, при этом Vmax p2/3. То же самое отмечалось и в работе [16] для контактов Au/p-GaAs при p > 1019 см-3. По мере уменьшения концентрации дырок и приближении к переходу металл–диэлектрик пик в зависимости R(V) при V 0 становится все более резким, и величина нулевой аномалии становится сравнимой с максимумом R(Vmax) или больше его, так что значение Vmax невозможно определить (см. рис. 3–и работу [17]).

На рис. 3–5 приведены зависимости R(V) для ряда образцов, параметры которых приведены в таблице, и на рис. 6 — относительная величина аномалии по отношеРис. 5. Зависимости дифференциального сопротивления R(V ) от напряжения смещения V при T = 4.2 K для структур Основные характеристики эпитаксиальных слоев твердого рас- (кривая 1) и 7 (кривая 2). Номера образцов такие же как в твора GaAs0.94Sb0.06, легированного Ge таблице.

Содержа- Толщина T = 4.2K T = 295 K Образец ние Ge, слоя,, p = 1/eRH, нию к ”фоновому” значению RN(V 0)ат% мкм 10-2 · см 1018 см-R(V) -RN(V) 1 0.5 18 14 2.A(V) =.

RN(0) 2 0.5 19 7.6 2.5 0.65 20 6.5 2.Фоновая (по отношению к аномалии) зависимость RN(V ) 3 0.7 20 4.7 3.связана с ”нормальной” плотностью состояний F и 4 0.75 26 6.8 2.определялась ”на глаз” (см. штриховую линию на рис. 4).

6 0.85 24 4.4 3.В работе [18] была допущена опечатка в записи знаменателя в 7 1.0 14 3.6 4.выражении для экспериментального определения величины A(V) (см.

8 2.0 16 2.6 5.формулу (4) в [18]). Здесь приведено правильное выражение.

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.