WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |
Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1 Электронный парамагнитный резонанс в области перехода металл–изолятор в компенсированном n-Ge : As © А.И. Вейнгер, А.Г. Забродский, Т.В. Тиснек Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 25 июня 1999 г. Принята к печати 28 июня 1999 г.) Исследован электронный парамагнитный резонанс в компенсированном n-Ge : As в области перехода металл–изолятор. Обнаружено, что сигнал при 10 ГГц наблюдается с обеих сторон перехода при температурах до 100 K. В образцах с металлическим характером проводимости спектр электронного парамагнитного резонанса представляет собой одиночную линию дайсоновской формы, параметры которой изменяются с температурой. В образцах на изоляторной стороне перехода с понижением температуры дайсоновская линия превращается в лоренцову, которая ниже 4.1 K расщепляется на нормальную и аномальную (в виде ступеньки в поле, возрастающем при уменьшении температуры). В настоящее время этот эффект не находит своего удовлетворительного объяснения. Наблюдаются два механизма спиновой релаксации: на донорноакцепторных парах и на фононах. В ”металлических” образцах проявляется парамагнетизм Паули, а в ”изоляторных” — парамагнетизм Кюри.

1. Введение По сравнению с наиболее хорошо изученным на предмет ЭПР кремнием германий представляет собой К настоящему времени магнитные свойства легирован- существенно более трудный для исследования объект.

ных полупроводников на изоляторной стороне перехода Связано это прежде всего с тем, что спины в нем гораздо металл–изолятор (МИ) и в области самого перехода сильнее взаимодействуют с решеткой, и линии ЭПР окаизучены гораздо слабее по сравнению с электрическими. зываются приблизительно на порядок шире, чем в Si, что По существующим представлениям (см., например, [1]) затрудняет изучение ЭПР. Так, в работах [13,14] сигнал по мере увеличения уровня легирования электронного ЭПР в Ge даже не был обнаружен вблизи перехода МИ.

полупроводника парамагнетизм изолированных доноров На слабо компенсированном Ge : As [15] в области передолжен сменяться антиферромагнетизмом взаимодей- хода МИ наблюдался сигнал ЭПР на частоте 63.2 МГц, ослабевавший при смещении в сверхнизкие температуры ствующих электронов, который в свою очередь при и возраставший в условиях одноосного сжатия.

переходе полупроводника в металлическое состояние Нами было обнаружено [16], что эффект ЭПР поглодолжен переходить в парамагнетизм Паули.

щения отчетливо наблюдается и в стандартных условиях Первое утверждение подтверждается измерениями на образцах Ge : As природного изотопного состава на электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) на ряде обеих сторонах перехода МИ, вызванного введением электронных полупроводников Si [2], Ge [3] и SiC [4].

компенсирующей примеси Ga. Описанию и исследоваСогласно им при увеличении концентрации доноров нию этого эффекта, а также изучению его связи с другизадолго до перехода МИ спектр ЭПР от изолированных ми свойствами электронного германия вблизи перехода атомов, представляющий собой набор линий, число котоМИ и посвящена настоящая работа.

рых 2S + 1 соответствует спину S ядра донорного атома, превращается в спектр ЭПР взаимодействующих атомов, который имеет вид одиночной обменно-суженной 2. Методика и результаты измерений линии. При дальнейшем увеличении концентрации доноров в изоляторном состоянии в ряде полупроводников Изучение эффекта ЭПР проводилось с использованиSi : P [5–8], Si : As [5] было обнаружено, что концентрация ем ЭПP-спектрометра E-112 фирмы ”Varian” на частоспинов, участвующих в ЭПР-поглощении, насыщается, те около 10 ГГц с криостатом ESR-9 фирмы ”Oxford а в SiC : N [9,10] даже уменьшается. Это объясняется Instruments”. Это позволяло производить измерения в антиферромагнитным взаимодействием локализованных широком диапазоне температур от 3 K до комнатной.

спинов. Одновременно, согласно [9], вместо обменного Стандартная точность установки температуры в криосужения линии наблюдается ее уширение. Все это простате ESR-9 составляет около 0.1 K. Однако конструкисходит на фоне увеличения проводимости образцов при тивно конец термопары и образец находятся в разных низких температурах, связанного с постепенным осла- точках криостата, поэтому при изменении температуры блением локализации по мере приближения к переходу и потока газообразного гелия в принципе могла бы МИ. Исследование ЭПР при прохождении через точку возникнуть и изменяться разность температур между перехода МИ в металлическое состояние в Si [11,12] концом термопары, расположенным ближе к источнику показало, что в критической области перехода заметно холодного гелия, и образцом, расположенным дальше от ослабляется температурная зависимость сигнала, чего и него. Это потребовало специальных исследований возследует ожидать при переходе от парамагнетизма Кюри никающей погрешности измерений температуры. Ниже к парамагнетизму Паули. 4.2 K, как показала калибровка термометра по реперным Электронный парамагнитный резонанс в области перехода металл–изолятор... Параметры исследованных образцов компенсированного Образцы для измерения ЭПР имели форму паралGe : As лелепипедов и толщину (наименьший размер) около 1 мм, несколько различаясь по остальным размерам. ЭПР № n, ND, NA, K = NA/ND наблюдался нами на обеих сторонах перехода МИ на образца 1017 см-3 1017 см-3 1017 см-всех образцах. Наибольшая интенсивность спектра имела 1 5.75 5.75 0 место для исходного образца 1. На рис. 2 представлена 2 4.5 6.28 1.78 0.линия ЭПР для этого образца при T = 3.2K. Видно, 3 4.15 6.43 2.28 0.что линия имеет несимметричную форму (форму Дай4 3.85 6.56 2.71 0.сона [21]): ее левое крыло более сжато по сравнению 5 3.3 6.80 3.50 0.с правым и характеризуется существенно большей про6 0.7 7.90 7.21 0.изводной сигнала поглощения (A > B на рис. 2). При этом сигнал производной воспроизводит только наиболее интенсивную часть линии ЭПР (ее положительную точкам сверхпроводящих переходов олова и индия, сочасть). По этой причине поле H0, которое определяет ответствие температур в области термопары и образца положение центра неискаженной линии, находится не в поддерживается с точностью до 0.005 K, и она может точке, где dP/dH = 0, а приблизительно на полувысоте быть измерена по давлению паров гелия в криостате [17].

положительной части производной [22]. По этой же Измерения с помощью дополнительной термопары, которая помещалась вместо образца, показали также, что и выше 30 K погрешность измерений незначительна.

Наибольшая погрешность, как оказалось, имеет место в диапазоне 430 K, где она минимизировалась оптимальным подбором потока гелия через криостат [18].

Исследования ЭПР велись на серии образцов n-Ge : As, дозированно компенсированного акцепторной примесью Ge, исходным материалом для получения которой служил слиток ”металлического” n-Ge : As с электронной концентрацией (концентрацией мышьяка), равной 5.75 · 1017 см-3. Для дозированного уменьшения электронной концентрации образцы компенсировались акцепторной примесью Ga, вводимой в ходе нейтронного легирования.1 Достоинство этой методики состоит в том, что распределение трансмутационных доноров и акцепторов в пространстве оказывается никак не коррелированным (случайным). Были исследованы образцы с концентрацией электронов от n = 5.75 · до 7 · 1016 см-3. Их параметры представлены в таблице.

Зависимости удельного сопротивления от температуры для пяти типичных образцов Ge : As представлены на рис. 1, воспроизведенном из работы [19]. Видно, что четыре из них имеют металлический характер зависимости проводимости от температуры, а пятый, наиболее Рис. 1. Зависимость удельного сопротивления n-Ge : As от компенсированный, — изоляторный. Шестой образец, в температуры в области перехода МИ. Номера у кривых котором изучался ЭПР, был еще сильнее компенсирован соответствуют номерам образцов в таблице, по сравнению с пятым (n = 7 · 1016 см-3). При низких температурах T < 10 K на ”изоляторных” образцах наблюдается режим прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка по состояниям кулоновской щели [19,20]. Щель схлопывается при переходе МИ [19,20].

При высоких температурах T > 50 K перенос заряда осуществляется свободными электронами на пороге подвижности [20].

В процессе нейтронного легирования германия в результате транс70 мутации изотопов Ge и Ge в него вводятся акцепторные (Ga) и донорные (As) примеси в соотношении примерно 3 : 1, а также неРис. 2. Производная линии ЭПР (dP/dH) для некомпенсиробольшое количество глубоких двухзарядных доноров Se, возникающих ванного металлического образца 1 при T = 3.2K. Стрелками A из изотопа Ge. Методика изготовления серий образцов Ge : As для исследования перехода МИ детально описана в работах [19,20]. и B показаны параметры дайсоновской формы линии.

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 48 А.И. Вейнгер, А.Г. Забродский, Т.В. Тиснек Рис. 3. Спектры ЭПР для компенсированного изоляторного образца 5 в зависимости от обратной температуры; вертикальный масштаб для линии при 20 K уменьшен в 2.5 раза.

Рис. 4. Температурная зависимость полуширины производной линии ЭПР (H) для исследованных образцов Ge : As. Номера значков соответствуют номерам образцов в таблице.

причине ширина линии в данном случае определяет- полей. Заметим также, что сигнал ЭПР в исследованных ся не между экстремумами производной, а удвоением образцах наблюдался на фоне медленно изменяющейся измеренной ширины на полувысоте положительной ее производной СВЧ поглощения за счет эффекта магнеточасти. Форма Дайсона, как известно, характерна для сопротивления.

случая, когда глубина скин-слоя много меньше толщи- Изменение полуширины линии с температурой для ны образца [21]. Действительно, сделанная по данным всех исследованных образцов представлено на рис. 4.

рис. 1 оценка глубины скин-слоя приводит к величине Оно сильно зависит от содержания компенсирующих 0.07 мм, много меньшей наименьшего размера примесей. Так, в некомпенсированном образце 1 ширина (толщины) образцов.

линии довольно медленно, но все же увеличивается В образцах на металлической стороне перехода МИ с температурой. В то же время при наличии даже (”металлических” образцах) изменение положения ли- небольшой компенсации в металлических образцах с нии ЭПР с температурой практически не было заметно.

ростом температуры ширина линии сначала уменьшаОднако в образцах на изоляторной стороне перехода ется, и только с температур 30 50 K она начинает МИ (”изоляторных” образцах) при температурах ниже увеличиваться, приближаясь при высоких температурах 4.1 K мы обнаружили,2 что спектр ЭПР расщепляется к зависимости, наблюдаемой для некомпенсированного на нормальную и аномальную линии (рис. 3). Послед- образца. При низких температурах, как видно, линия няя характеризуется только положительной производной практически монотонно уширяется под воздействием dP/dH > 0, т. е. P(H) имеет вид ступеньки и с уменьшекомпенсации, причем для наиболее компенсированных нием температуры быстро смещается в область сильных образцов 5 и 6 это уширение достигает примерно 20 раз.

Обращаем внимание на то, что экспериментально нам Температуры T < 4.1 K для этих образцов соответствуют ревпервые удалось проследить за изменением сигнала ЭПР жиму прыжков с переменной длиной по состояниям кулоновской щели [19,20]. в Ge вплоть до 100 K.

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Электронный парамагнитный резонанс в области перехода металл–изолятор... легированном Si [23,24] время спин-решеточной релаксации очень велико, но быстро уменьшается при повышении температуры, что соответствует прямому спинфононному взаимодействию. Это время также уменьшается при появлении свободных электронов в результате освещения или при высоких уровнях легирования, соответствующих переходу изолятор–металл, что указывает на эффективность передачи энергии от спиновой системы к решетке через свободные электроны. Этот процесс ускоряется при включении взаимодействия свободных или слабо связанных электронов с заряженными примесными центрами, возникающего при введении компенсирующих примесей.

Во всех исследованных образцах, как следует из рис. 4, время релаксации уменьшается с температурой гораздо Рис. 5. Температурная зависимость амплитуды положительмедленнее, чем это описано в литературе для слабо ной части производной линии ЭПР для исследованных образлегированного Ge [3]. В компенсированных образцах цов Ge : As; обозначения экспериментальных данных такие же, в области низких температур время релаксации увеликак и на рис. 4.

чивается с ростом температуры, и тем сильнее, чем выше компенсация. Эту область естественно связать с релаксацией спинов на заряженных примесях. Такие Поведение максимума положительной части произ- механизмы до сих пор не изучены, хотя в работах [22–24] водной A при изменении температуры представлено на подчеркивалось, что они должны быть основными при рис. 5. Оказалось, что и здесь существенно различает- высоких концентрациях носителей заряда в полупроводся поведение некомпенсированных и компенсированных никах.

образцов. Если в первом случае амплитуда уменьшается Перейдем к количественному анализу зависимостей на с ростом температуры во всем интервале ее изменения, рис. 4. Оказывается, что соответствующие кривые для то во втором случае это имеет место лишь для высоких времени T2 удовлетворительно спрямляются в двойном температур, в то время как для низких — амплитуда логарифмическом масштабе, т. е. имеют степенной харакпроизводной растет. При этом в области низких темпе- тер3 (см. рис. 6) как при низких температурах, так и ратур введение сравнительно невысоких концентраций при высоких. Низкотемпературный участок оказывается компенсирующей примеси сильно уменьшает величину наиболее четко выраженным в сильно компенсированпроизводной dP/dH.

ном образце 5, а высокотемпературный — в специально некомпенсированном исходном образце 1. Интересно, что компенсация по-разному влияет на наклон кривых 3. Анализ и обсуждение результатов при низких и высоких температурах, увеличивая его эксперимента в первом случае и уменьшая во втором. Для обеих областей можем записать:

Остановимся последовательно на сформулированных выше основных закономерностях поведения параметров T2 T, (2) линии ЭПР и их связи с физическими процессами в области перехода МИ.

где = 0.48-0.79 для низкотемпературного участка и = -(0.45-0.7) для высокотемпературного.

Увеличение времени релаксации с температурой гово3.1. Анализ ширины линии ЭПР рит о том, что релаксация происходит на заряженных Начнем с анализа концентрационных и температурных притягивающих центрах, т. е. на донорах, электроны зависимостей ширины линии H. Ширина линии непокоторых захвачены акцепторами, или на более сложных средственно связана со временем спиновой релаксации образованиях, например, включающих еще и ближайший T2 следующим соотношением:

Pages:     || 2 | 3 | 4 |



© 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.