WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1 Стабилизация уровня Ферми и отрицательное магнитосопротивление в PbTe(Mn,Cr) © А.В. Морозов, А.Е. Кожанов, А.И. Артамкин, Е.И. Слынько, † † В.Е. Слынько, W.D. Dobrowolski, T. Story, Д.Р. Хохлов¶ Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (Физический факультет), 119899 Москва, Россия Черновицкое отделение института проблем материаловедения Национальной академии наук Украины, 274001 Черновцы, Украина † Институт физики Польской академии наук, 02-668 Warsaw, Poland (Получена 24 марта 2003 г. Принята к печати 1 апреля 2003 г.) Обнаружен эффект стабилизации уровня Ферми и замороженная фотопроводимость при T < 35 K в PbTe(Mn,Cr). Примесный уровень, стабилизирующий уровень химического потенциала, смещается по направлению ко дну зоны проводимости по мере увеличения концентрации марганца. Обнаружен эффект отрицательного магнитосопротивления при низких температурах T < 15 K. Амплитуда эффекта составляет около 30% при T = 4.2 K. Природа эффекта связана с особенностями электронного транспорта по примесной полосе в магнитном поле.

Направленная модификация свойств полупроводнико- Легирование теллурида свинца марганцем увеливых материалов с помощью их легирования различными чивает ширину запрещенной зоны со скоростью примесями или путем создания дефектов кристалличе- Eg/x 40 мэВ / (мол%MnTe), но не приводит к форской решетки является одной из важнейших фундамен- мированию локальных или квазилокальных примесных тальных проблем физики конденсированного состояния.

состояний вблизи запрещенной зоны [4].

Особое место в существующей проблематике занимет В Pb1-xMnx Te(Yb) наблюдалось гигантское отрилегирование полупроводников магнитными примесями.

цательное магнитосопротивление, когда проводимость Наличие собственного магнитного момента примеси, сплава возрастала на 3 порядка величины в магнитном как правило, приводит к возможности существенного изполе [5]. Эффект, наблюдавшийся в работе [5], объяснялменения свойств материала в магнитном поле, в частнося особенностями проводимости по примесной полосе сти ширины запрещенной зоны, эффективного g-фактора иттербия в магнитном поле. Представлялось интереси других. Относительные изменения указанных параным каким образом данный эффект будет трансформирометров оказываются особенно сильными в узкозонных ваться для случая полуизолирующего состояния n-типа, полупроводниках. Помимо влияния на параметры энерформирование которого ожидалось в Pb1-x Mnx Te(Cr).

гетического спектра, магнитные примеси могут формировать локальные и квазилокальные состояния, которые оказывают значительное влияние на концентрацию и на 1. Исследованные образцы характер рассеяния носителей заряда.

Узкозонные полупроводники AIVBVI являются одним Кристаллы PbTe(Mn,Cr) выращивались методом Бридиз основных базовых материалов инфракрасной оптожмена. Концентрация легирующих примесей изменялась электроники и активно используются для производства вдоль оси слитка: в то время как концентрация марганца полупроводниковых лазеров и фотоприемных матриц NMn увеличивалась от начала слитка к его концу, среднего и дальнего инфракрасного диапазонов. Возможконцентрация хрома NCr, напротив, падала. Поэтому ности такого использования во многом определяются хром входил в кристалл в количестве, достаточном для необычностью примесных состояний, возникающих при стабилизации уровня Ферми, только в начальной части легировании узкозонных полупроводников AIVBVI некослитка.

торыми элементами, в частности In и Ga [1]. ОсобеноЭта часть разрезалась на шайбы толщиной около 1 мм сти этих примесных состояний приводят к появлению перпендикулярно к оси роста. Концентрация примесей ряда качественно новых эффектов, не характерных для нелегированного материала, в частности к стабилизации в каждой шайбе определялась с помощью энергодисуровня Ферми и к замороженной фотопроводимости при персионного рентгеновского флуоресцентного анализа.

низких температурах. Распределение примесей внутри каждой шайбы было Ранее сообщалось об обнаружении аналогичных при- однородным в пределах точности метода, составляющей месных состояний при легировании PbTe хромом [2] несколько процентов от концентрации примеси. Из шайб и иттербием [3]. В PbTe(Cr) уровень Ферми оказывырезались образцы размером 5 1 1мм3, к которым вается стабилизированным в зоне проводимости, а в подпаивались индиевые контакты. Гальваномагнитные PbTe(Yb) — в валентной зоне.

измерения производились на постоянном токе в стан¶ E-mail: khokhlov@mig.phys.msu.su дартной холловской геометрии 4-контактным методом.

Стабилизация уровня Ферми и отрицательное магнитосопротивление в PbTe(Mn,Cr) 2. Экспериментальные результаты Температурные зависимости удельного сопротивления образцов, измеренные в условиях темноты и инфракрасной подсветки, представлены на рис. 1. В температурном диапазоне 30-100 K наблюдается активационный процесс, сменяющийся насыщением сопротивления при более низких температурах. Энергия активации уменьшается с ростом концентрации марганца. Инфракрасная подсветка приводит к появлению эффекта замороженной фотопроводимости при температурах ниже 35 K.

Приложение магнитного поля приводит к появлению отрицательного магнитосопротивления при температурах T < 15 K (рис. 2). Амплитуда эффекта составляет около 30%, что гораздо меньше, чем в слуРис. 2. Полевые зависимости удельного сопротивления при чае PbTe(Mn,Yb) [5], однако существенно больше, чем различных температурах. Цифры у кривых — температура в K.

амплитуда отрицательного магнитосопротивления, свяNMn = 9.1мол%.

занного с квантовыми поправками к проводимости и обычно наблюдающегося в неупорядоченных системах.

Спад сопротивления в магнитном поле уменьшается с ростом температуры и исчезает при T > 15 K.

Из рис. 2 видно, что в магнитных полях H < 5Тл и H > 7 Тл удельное сопротивление возрастает при понижении температуры, однако в промежутке полей 5 < H < 7 Тл оно практически не зависит от температуры при T < 10 K. Этот эффект наиболее четко регистрируется на температурных зависимостях удельного сопротивления, измеренных в различных магнитных полях (рис. 3). Важно отметить, что в диапазоне магнитных полей H < 5 Тл температурная зависимость удельного сопротивления состоит из двух активационных участков. Энергия активации, соответствующая области относительно высоких температур T > 15 K, составляет 5-6 мэВ и слабо растет при повышении H.

В то же время энергия низкотемпературной активации Рис. 3. Температурные зависимости удельного сопротивления в различных магнитных полях. NMn = 9.1мол%.

уменьшается с ростом поля и обращается в нуль при H 5 Тл. В диапазоне полей H > 7 Тл рост удельного сопротивления при понижении температуры возобновляется для низкотемпературной области T < 15 K.

Температурная зависимость холловской подвижности представлена на рис. 4. Подвижность растет при пониРис. 1. Температурные зависимости удельного сопротивления, жении температуры, достигает максимума при T 35 K измеренные в темноте (1–3) и при инфракрасной подсвети затем резко падает. Такое резкое снижение холловке (1 -3 ). Концентрация марганца NMn, мол%: 1, 1 — 5.6;

2, 2 —7.1; 3, 3 —9.1. ской подвижности в области низких температур обычно Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 32 А.В. Морозов, А.Е. Кожанов, А.И. Артамкин, Е.И. Слынько, В.Е. Слынько, W.D. Dobrowolski...

пературах T < 15 K. При более высоких температурах магнитосопротивление является положительным, поэтому естественно предположить, что такое изменение в характере поведения сопротивления в магнитном поле обусловлено изменением основного механизма, определяющего проводимость. По всей вероятности, основной вклад в проводимость при температурах выше 15 K дают свободные электроны в зоне проводимости, и высокотемпературный активационный процесс обусловлен термическим возбуждением электронов с примесного уровня, стабилизирующего уровень химического потенциала, в зону проводимости. Это предположение подтверждается высокими значениями холловской подвижности носителей заряда в указанной области температур. Следовательно, электроны зоны проводимости дают вклад только в положительное магнитосопротивление.

Рис. 4. Температурная зависимость холловской подвижности Энергия активации, соответствующая процессу, надля образца с NMn = 9.1мол%.

блюдающемуся при низких температурах T < 15 K в малых магнитных полях H < 5 Тл, гораздо меньше, чем разница в энергиях между примесным уровнем, стабилизирующим положение химического потенциала, и дном наблюдается в неупорядоченных системах, или в сизоны проводимости. Кроме того, данные холловских туациях, когда проводимость определяется эффектами измерений указывают на то, что носители заряда, ответпротекания [6]. Величина подвижности в максимуме ственные за эту низкотемпературную активацию, имеют µ 103 см2/(В · с) типична для свободных электронов гораздо меньшую подвижность, чем электроны зоны в зоне проводимости при температурах 30-40 K.

проводимости. Поэтому естественно предположить, что Данные измерений для других образцов аналогичны.

механизм низкотемпературной активации проводимости следующий. В отличие от случая легирования инди3. Обсуждение результатов ем, для которого примесные состояния очень хорошо локализованы [7] и ширина соответствующего примесВ описанных экспериментах наблюдается целый ряд ного уровня очень мала — менее 1 мэВ, в случае необычных эффектов. Прежде всего рост энергии ак- PbTe(Mn,Cr) может реализоваться значительное ушитивации сопротивления при увеличении концентрации рение примесного уровня, как и для PbTe(Ge,Yb) [8].

марганца NMn противоречит ожидавшейся тенденции.

Если уровень химического потенциала попадает в средДействительно, известно, что в PbTe(Cr) уровень Ферми нуюю часть примесной полосы, то может реализоваться стабилизирован в зоне проводимости на расстоянии перколяционная проводимость, если же он попадает в около 100 мэВ выше ее дна [2]. Рост содержания марган- „хвосты“ плотности состояний этой полосы, то провоца приводит к увеличению ширины запрещенной зоны.

димость будет определяться термической активацией с Предполагалось, что положение примесного уровня, ста- уровня Ферми на уровень протекания. В таком слубилизирующего уровень Ферми, „привязано“ к середине чае отрицательное магнитосопротивление может быть запрещенной зоны, как в случае легирования PbTe ин- обусловлено сдвигом уровня химического потенциала дием [1]. В такой ситуации рост NMn должен приводить относительно уровня протекания в магнитном поле.

к сближению примесного уровня с дном зоны проводи- Причина такого сдвига может заключаться в следуюмости и к вхождению этого уровня, стабилизирующего щем. Введение магнитного поля приводит к заметному уровень химического потенциала, в запрещенную зону.

расщеплению примесных состояний с различным наКак видно из эксперимента, примесный уровень действи- правлением спина. В этих условиях полное заполнение тельно входит в запрещенную зону при определенном примесной полосы не изменяется, однако заполнение значении NMn, однако не углубляется в нее при дальней- каждой из спин-поляризованных примесных полос мошем росте содержания марганца, а, напротив, движется жет сильно измениться, что в свою очередь приведет в противоположную сторону, вследствие чего энергия к сдвигу положения уровня Ферми относительно уровня активации сопротивления уменьшается. Такое поведе- протекания для каждой из этих полос. Другие возможноние может являться следствием наличия зависимости сти, в частности, обусловленные магнитным взаимодейширины запрещенной зоны от количества введенного ствием электронов в d-оболочках Mn и Cr, тоже нельзя хрома. В то же время в PbTe(Cr) такой зависимости не исключить. В любом случае ясно, что отрицательное наблюдалось. магнитосопротивление связано с особенностями трансВторым интересным эффектом является отрицатель- порта по примесной полосе, а не с электронами в зоне ное магнитосопротивление, наблюдающееся при тем- проводимости, как в полупроводниках AIIBVI [9].

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Стабилизация уровня Ферми и отрицательное магнитосопротивление в PbTe(Mn,Cr) Работа выполнена при частичной поддержке дополнительного гранта к основному гранту NSF в Национальной лаборатории по сильным магнитным полям (Таллахасси, США) № DMR 0084173, а также грантов РФФИ №№ 01-02-16356, 02-02-17057, 02-02-08083 и ИНТАС № 2001-0184.

Список литературы [1] Б.А. Волков, Л.И. Рябова, Д.Р. Хохлов. УФН, 172, (2002).

[2] Л.М. Каширская, Л.И. Рябова, О.И. Тананаева, Н.А. Широкова. ФТП, 24, 1349 (1990).

[3] I.I. Ivanchik, D.R. Khokhlov, S.V. Ponomarev, E.I. Slyn’ko, A.A. Terekhov, A. de Visser, Yu.K. Vygranenko. Proc. 24 Int.

Conf. Phys. Semicond. (Jerusalem, Israel, 1998) CD-ROM, VIII B-8.

[4] J. Niewodniczaska-Zawadzka, J.G. Elsinger, L. Palmetshofer, A. Lopez-Otero, E.J. Fantner, G. Bauer, W. Zawadzki. Physica B + C, 117–118B, 458 (1983).

[5] I.I. Ivanchik, D.R. Khokhlov, A.V. Morozov, A.A. Terekhov, E.I. Slyn’ko, V.I. Slyn’ko, A. de Visser, W.D. Dobrovolski. Phys.

Rev. B, 61, R14889 (2000).

[6] М.К. Шейнкман, А.Я. Шик. ФТП, 10, 208 (1976).

[7] В.Г. Голубев, Н.И. Гречко, С.Н. Лыков, Е.П. Сабо, И.А. Черник. ФТП, 11, 1704 (1977).

[8] E.P. Skipetrov, N.A. Chernova, E.I. Slynko, Yu.K. Vygranenko.

Phys. Rev. B, 59, 12 928 (1999).

[9] A. Mycielsky, J. Mysielski. J. Phys. Soc. Jap., 49A, 807 (1980).

Редактор Т.А. Полянская Fermi level pinning and negative magnetoresistance effect in PbTe(Mn,Cr) A.V. Morozov, A.E. Kozhanov, A.I. Artamkin, † E.I. Slyn’ko, V.E. Slyn’ko, W.D. Dobrowolski, † T. Story, D.R. Khokhlov M.V. Lomonosov Moscow State University (Physics Department), 119899 Moscow, Russia Chernovtsy Branch of Institute of Materials Science Problems, National Academy of Sciences of Ukraine, 274001 Chernovtsy, Ukraine † Institute of Physics, Polish Academy of Sciences, 02-668 Warsaw, Poland

Abstract

The Fermi level pinning effect and the delayed photoconductivity at T < 35 K have been observed in PbTe(Mn,Cr).

The impurity level that pins the chemical potential approaches the conduction band bottom as the Mn concentration increases. The negative magnetoresistance effect at low temperatures T < 15 K has been observed. The effect amplitude is about 30% at T = 4.2 K. The effect results from the peculiarities of electron transport through the impurity band in magnetic field.




© 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.