Проявление эффектов электронного взаимодействия в низкотемпературных транспортных свойствах нейтронно-легированного Ge: Ga при переходе из изоляторного состояния в металлическое тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Егоров, Сергей Валентинович

• Егоров, Сергей Валентинович
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Егоров, Сергей Валентинович

Введение.

1. Глава 1 .Многоэлектронная кулоновская щель. Переход металл-изолятор в нейтронно-легированном Се:Са.

1.1 Кулоновская щель в легированных полупроводниках (Обзор).

1.2 Низкотемпературная электропроводность нейтронно-легированного Ое:Оа.

1.3 Магнетотранспорт нейтронно-легированного Ое:(За в режиме прыжков с переменной длиной. Определение радиуса локализации.

1.4 Динамика кулоновской щели в изоляторном состоянии нейтронно-легированного ве: ва.

1.5 Переход изолятор-металл как эффект схлопывания кулоновской щели.

1.6 Выводы главы.

2. Глава 2. Термоэдс нейтронно-легированного Оегва в области перехода от классического транспорта дырок к прыжковому.

2.1 Термоэдс в прыжковом режиме (Обзор).:.

2.2 Методика эксперимента и результаты.

2.3 Эффект фононного увлечения.

2.4 Термоэдс при переходе к прыжковому транспорту и в области прыжков с переменной длиной.

2.5 Выводы главы.

3. Глава 3. Гистерезис прыжкового магнетосопротивления нейтронно-легированного Ое:Сга в режиме прыжков с переменной длиной

3.1 Прыжковый магнетотранспорт легированных полупроводников (Обзор).

3.2 Обнаружение эффекта гистерезиса прыжкового магнетосопротивления.

3.2 Исследование эффекта гистерезиса прыжкового магнетосопротивления.

3.3 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Проявление эффектов электронного взаимодействия в низкотемпературных транспортных свойствах нейтронно-легированного Ge: Ga при переходе из изоляторного состояния в металлическое»

Изучение низкотемпературного прыжкового транспорта электронов тесно связано с фундаментальными свойствами неупорядоченных систем, исследования которых за последние 20 лет образовали широкое направление в физике твердого тела. В настоящее время развитие этого направления определяется, в частности, выходом за рамки одноэлектронных моделей и исследованием кооперативных явлений в системе локализованных носителей заряда, где ключевым является вопрос об их взаимодействии.

Оно проявляется, в частности, в концепции кулоновской щели Эфроса и Шкловского [1], согласно которой, кулоновское взаимодействие в системе локализованых носителей заряда порождает квазищель со степенным обращением в ноль плотности состояний на уровне Ферми. Наличие кулоновской щели приводит к характерной температурной зависимости удельного сопротивления прыжковой проводимости р =р0ещ>(Т0/Т)1/2 в режиме прыжков с переменной длиной. Такого рода закон был экспериментально установлен для компенсированных полупроводников в [6] и впоследствии идентифицирован именно с проявлением кулоновской щели в [10,11].

Наряду с измерениями прыжковой проводимости, информацию о ходе плотности локализованных состояний вблизи уровня Ферми может дать исследование положительного магнетосопротивления, обусловленного сжатием локализованной волновой функции в поле, а также, в принципе, измерение температурного хода термоэдс. Так, для прыжковой термоэдс теория предсказывала существенно различную температурную зависимость в случае системы с квазищелью и без нее. Представлялось интересным экспериментально проверить эти предсказания.

Общепринятая концепция кулоновской щели [1] не учитывает возможную "неодноэлектронность" прыжковых процессов. Многоэлектронные перескоки, как было показано в [14], приводят к сужению кулоновской щели в примесной зоне легированного полупроводника с промежуточной степенью компенсации. Однако, опустошение примесной зоны или, наоборот, полное ее заполнение ухудшают условия для многоэлектронных процессов и, таким образом, должны приводить к применимости одноэлектронной модели.

Проверка этого утверждения явилась одним из мотивов исследования. Представлялось также важным изучить сужение кулоновской щели не в результате многоэлектронных корреляций при перескоках, а как следствие расходимости диэлектрической проницаемости при переходе легированного полупроводника из изоляторного состояния в металлическое.

Последняя из задач работы связана с исследованием эффекта гистерезиса магнетосопротивления в режиме прыжков по состояниям кулоновской щели умеренно компенсированного НЛ Се:Са. Само это явление было обнаружено в ходе настоящей работы при исследовании параметров квазищели путем изучения прыжкового магнетосопротивления и может рассматриваться как доказательство магнитного упорядочения системы локализованных зарядов в примесной зоне легированного немагнитного полупроводника.

Выбор в качестве объекта исследования серии образцов нейтронно-легированного (НЛ) Ое:Оа с постоянной умеренной компенсацией (Х=0.35) был обусловлен тем, что этот материал является удобным высокооднородным модельным объектом для изучения прыжкового транспорта. Двумя его основными параметрами являются концентрация основной примеси N и степень компенсации К. В нашем случае особенное значение имело наличие промежуточной компенсации (0.1<Х<0.9), что обеспечивает благоприятные условия для проявления кооперативных явлений как электрических, так и магнитных. С ростом уровня легирования примесью (та низкотемпературный транспорт по примесной зоне меняет характер от активационного до металлического, что позволяет изучать на примере данной серии образцов переход метал-изолятор.

Цель работы состояла в исследовании низкотемпературных транспортных явлений в нейтронно-легированном Ое:Оа при переходе из изоляторного состояния в металлическое. Ее достижение было связано с решением трех задач:

1. Изучение поведения кулоновской щели в примесной зоне умеренно компенсирванного легированного полупроводника как функции компенсации в изоляторном пределе и как функции уровня легирования при переходе из изоляторного состояния в металлическое.

2. Изучение прыжковой термоэдс легированного полупроводника и влияния на нее "кулоновскощелевой" особенности вблизи уровня Ферми.

3. Изучение явления гистерезиса прыжкового магнетосопротивления НЛ Ое:Оа в режиме прыжков с переменной длиной.

В соответствии с новыми результатами работы, сведенными в Заключении, сформулированы следующие научные положения выносимые на защиту:

1. При переходе от классического транспорта дырок к прыжковому, в НЛ Ое.Оа наблюдаются достаточно высокие значения термоэдс, для объяснения которых необходимо привлекать дополнительно предположение о вкладе в нее транспорта дырок по А+ -зоне двукратно занятых акцепторов.

2. При переходе к прыжковому транспорту с переменной длиной прыжка в Ое:(За имеет место резкое уменьшение значений термоэдс до исчезающе малых значений, что при определенных предположениях может быть понято в рамках стандартной "равновесной" теории термоэдс, однако, более естественным образом объясняется в предположении о переходе к баллистическому режиму транспорта фононов.

3. Имеет место явление гистерезиса магнетосопротивления НЛ Ое:Оа в области проводимости с переменной длиной прыжка по состояниям кулоновской щели, сопровождающееся скачкообразным уменьшением сопротивления в некотором критическом поле Не после предшествующего предварительного пребывания в поле противоположной полярности.

4. Сопутствующее гистерезису скачкообразное уменьшение магнетосопротивления наблюдается на изоляторной стороне перехода метал-изолятор, возрастает с понижением температуры, достигает максимума величины в области концентраций ва составляющих ~40% от критической для перехода и имеет тепловую природу.

5. Одноэлектронная в пределе пустой или, наоборот, полностью заполненной примесной зоны кулоновская щель сужается при умеренной компенсации вследствие многоэлектронных корреляций при перескоках.

6. Переход легированного полупроводника из изоляторного состояния в металлическое может рассматриваться как явление схлопывания кулоновской щели из-за расходимости диэлектрической проницаемости.

Диссертация состит из Введения, трех глав и Заключения, содержит 88 страниц, из которых 31с рисунками и библиографию из 60 наименований

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Егоров, Сергей Валентинович

3.4 Выводы главы

При Т ниже 0.7К в НЛ Ое:Оа с компенсацией К=0.35 наблюдается гистерезис магнетосопротивления. Гистерезис наблюдается после предварительного намагничивания в полях более 1кЭ и сопровождается скачкообразным падением сопротивления в критическом магнитном поле Не.

Величина критического поля слабо зависит от концентрации Ga и составляет величину около 700 Э. Скачок сопротивления начинает регистрироваться при температурах ниже 0.7К и растет с понижением температуры. Его величина

16 3 имеет максимум при концентрации основной примеси Ыва равной -7 10 см", что составляет 0.4Nc, где Nc - критическая концентрация перехода метал-изолятор.

Сопровождающий гистерезис скачок сопротивления в критическом магнитном поле имеет тепловую природу, при этом нагрев образца индуцирующий скачок вероятней всего вызван перемагничиванием дырок локализованных в примесной зоне.

Заключение

Главные результаты работы могут быть сформулированы следующим образом.

1. Установлено, что в изоляторном пределе кулоновская щель в легированном полупроводнике с промежуточной степенью компенсации является существенно более узкой, чем в материале с полной либо нулевой компенсацией. Это является следствием того, что при промежуточной компенсации существенную роль играют многоэлектронные корреляции при перескоках в режиме VRH.

2. Переход металл-изолятор в "К=0.35" - серии HJI Ge:Ga происходит при концентрации Ga Nc=1.851017 см"3. При этом критическая концентрация может быть определена как по обращению в ноль о0 на металлической стороне, так и по обращению в ноль коэффициента То на изоляторной. Указанные величины на переходе непрерывно обращаются в ноль, что позволяет рассматривать переход изолятор-металл в HJI Ge: Ga, как фазовый переход второго рода.

3. Коэффициент go плотности состояний кулоновской щели расходится на переходе из-за стремления к бесконечности диэлектрической восприимчивости. Это влечет за собой схлопывание кулоновской щели. Таким образом, переход изолятор-метал в HJI Ge:Ga можно рассматривать как явление охлопывания кулоновской щели.

4. В режиме ^/-проводимости при температуре выше 20К в HJI Ge:Ga наблюдается монотонный рост термоэдс, обусловленный фононным увлечением дырок термоактивированных в валентную зону. С переходом к прыжковому транспорту термоэдс резко падает, что обусловлено предсказанным в литературе эффектом подавления фононного увлечения носителей.

5. В области перехода к прыжковой проводимости по примесной зоне (8-4К) в HJI Ge:Ga наблюдается плато в температурном поведении термоэдс на уровне 0.2 мВ/К. При этом вклад в термоэдс от ^-проводимости исчезает уже при 7К, а оценка сверху для прыжковой термоэдс дает 0.125 мВ/К. Такая величина удовлетворительно объясненяется только с привлечением каналаГ 82-проводимости, которая явно не наблюдается в температурной зависимости удельного сопротивления.

6. С переходом к режиму VRH по состояниям кулоновской щели термоэдс HJI Ge:Ga принимает исчезающе малые значения. В рамках существующей теории можно выделить вклад в прыжковую термоэдс, обусловленный особенностями распределения носителей по примесной зоне Soon-, который в нашем случае составляет 120 рВ/К, и вклад обусловленный кубической асимметрией кулоновской щели Sd0s. Эти вклады имеют разные знаки и компенсируют друг друга, если параметр кубической асимметрии щели равен ~ 0.55 мэВ"1. Однако, более естественное объяснение исчезновения термоэдс в режиме VRH в нашем случае может быть обленено наступлением баллистического транспорта фононов, который наблюдался в р-Ое при температурах ниже 80К. Такой режим фононного транспорта не может быть учтен в обычной теории термоэде, поскольку она исходит из приближения локального температурного равновесия.

7. В области прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка по состояниям кулоновской щели в НЛ Ое.Оа наблюдается гистерезис магнетосопротивления, сопровождающийся скачкообразным уменьшением сопротивления в критическом поле Не. Явление наблюдается на изоляторной стороне перехода изолятор-метал, где имеет резкий концентрационный максимум, исчезая с приближением к переходу, а с другой стороны, резко уменьшаясь при сильном удалении от него.

8. Поставленные эксперименты показывают тепловую природу скачка сопротивления. Вероятно, нагрев материала вызван перемагничиванием ансамбля локализованных дырок в примесной зоне, при этом величина скачка температуры, восстановленная из измеренного скачка сопротивления растет с понижением температуры.

9. Намагниченность ансамбля дырок в примесной зоне можно рассчитать, зная их концентрацию в предположении больцмановского распределения по магнитным уровням акцептора при данной температуре. Тогда энергия выделяемая в единице объема образца в критическом поле равна УМНс, где М-намагниченность запасенная в намагничивающем поле а V - объем образца. Изменение температуры образца дается формулой МНс/ср, где с-удельная теплоемкость, а р - плотность материала. Найденные таким образом значения скачка температуры неплохо совпадают с экспериментальными.

83

Автор считает своей приятной обязанностью поблагодарить своего научного руководителя Андрея Георгиевича Забродского за постоянное внимание и интерес к работе и научного сотрудника Андреева Антона Георгиевича за помощь в работе над диссертацией. А также Роберта Васильевича Парфеньева и Антона Валентиновича Черняева за помощь в проведении низкотемпературных эксперментов в магнитных полях и участие в обсуждении результатов исследования. Хотелось бы выразить благодарность также и всем сотрудникам лаборатории Неравновесных процессов в полупроводниках за постоянную помощь в работе в особенности Маргарите Васильевне Алексеенко и Анатолию Иосифовичу Вейнгеру.

Автор искренне благодарен заведующему кафедрой Физики Твердого Тела Санкт-Петербургского Государственного Университета профессору Борису Владимировичу Новикову, без участия которого эта работа была бы невозможна.

1 марта 2000 г.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Егоров, Сергей Валентинович, 2000 год

1. Эфрос А.Л, Шкловский Б.И. Электронные свойства легированных полупроводников (Москва, Наука, 1979)

2. Mott N.F. Conduction in glasses containing transition metal ions// Journal of Non-Crystall Solids, 1968, vol.1, p.l

3. Ambegaokar V., Halperin B.I., Langer J.S. Hopping Conductivity in Disordered Systems//Phys. Rev., 1971, vol.B4, p.2612

4. Pollak M. A. Percolation Treatment of dc Hopping Conductivity// J. Non Cryst. Solids, 1972, vol. 11, p. 11

5. Hamilton E.M. Variable Range Hopping in a Non-uniform Density of states// Phil. Mag., 1972 , vol. 26, p. 1043

6. Забродский А.Г. Прыжковая проводимость и ход плотности состояний в окрестности уровня Ферми// ФТП, 1977, т. 11, с. 595

7. Efros A.L., Shklovskii B.I., Coulomb Gap and Low Temperature Conductivity of Disordered Systems// Journal of Physics, 1975, vol.C8, p.L49

8. Baranovskii S.D., Efros A.L., Gelmont B.L., Shklovskii B.I. Coulomb Gap in Disordered Systems. Computer Simulations// Sol. State. Communications, 1978, vol. 27, p.l

9. Efros A.L., Nguen Van Lien, Shklovskii B.I. Variable Range Hopping in Crystalline Semiconductors// Solid State Communications 1979, vol.32, p.851

10. Забродский А. Г. Электрические свойства сильно легированного компенсированного (СЛК) германия полученного путем нейтронного-легирования//ФТП, 1980, т. 14, с. 1130

11. Забродский А.Г., Зиновьева К.Н. Критическое поведение параметров n-Ge в области перехода Андерсона, вызванного компенсацией// Письма ЖЭТФ, 1983, т.37, в.8, с. 369-372

12. Забродский А.Г., Зиновьева К.Н., Низкотемпературная проводимость переход метал-диэлектрик в компенсированном Ge. ЖЭТФ// 1984, т.86, в.2, с. 727

13. Pollak М.А., Ortuno М. The Effect of Coulomb Interactions on Electronic States and Transport in Disordered Insulators// Electron-electron Interactions in Disordered Systems (eds. Efros A.L., Pollak M.) , 1985, North-Holland, p.287

14. Забродский А.Г., Андреев А.Г. Аномально узкая кулоновская щель// Письма ЖЭТФ, 1993, т.58, с.809

15. Забродский АГ, Андреев АГ, Алексеенко MB Прыжковая проводимость К=0.3-серии образцов HJI Ge:Ga: эффект насыщения, перескоки по ближайшим соседям, переход к прыжкам с переменной длиной.

16. Davis J.H., Lee R.A., Rice Т.М. Electron Glass//Phys. Rev. Lett, 1982, vol. 49, nlO, p.758

17. И.С. Шлимак, A.H. Ионов, Б.И. Шкловский Магнетосопротивление германия в области прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка//ФТП, т. 17, вып.З, с.503

18. Thomanschefsky U., Holcomb D.F Metal-insulator Transition in Compensated Semiconductors //Phys. Rev. B, 1992, vol.45, p. 13356

19. Edvards J. Т., Thouless D. J.Phys. С 1972, vol. 5, p.807

20. Thouless D. Phys.Rev. 1974, vol.13, p.93

21. Itoh K.M., Haller E.E., Beeman J.W. et al. Hopping Conduction and Metal-Insulator Transition in Isotopically Enriched Neutron-Transmutation-Doped 70Ge:Ga//Phys. Rev. Lett., 1996, 4058

22. P. Zvyagin The Hopping Thermopower in Hopping Transport in Solids ed. by M. Pollak, B. Shklovskii, (Elsevier, 1991) p. 143

23. В.JI. Бонч-Бруевич, И.П. Звягин и др. Электронная теория неупорядоченных полупроводников, Москва, «Наука», 1981, стр. 249

24. Pollak М., J. Non Cryst. Solids 11 (1972) 1

25. Pollak M., Friedman L. in Localization and Metall Insulator Transitions, Plenum Press, New - York, 2 (1985) p.347

26. P. Zvyagin On the theory of hopping transport in disordered semiconductors// Phys. Stat. Sol. (b), 58 (1973) 443

27. Overhof H. Thermopower Calculation for Variable Range Hopping// Phys. Stat. Sol. (b), 67 (1975) 709

28. Overhof H., Thomas P., Electronic Transport in Hydrogenated Amorphous Semiconductors, Springer, Berlin, 1989

29. B.B. Косарев, ФТП, 8 (1974) 1586

30. И.П. Звягин Критическое поведение прыжковой термоэдс вблизи порогоа протекания ФТП, 20 (1986) 1527

31. Н. Graener, М. Rosenberg et al. The low-temperature resistivity and Seebeck coefficient of fluorine-substituted magnetite// Philos. Mag. В 40 (1979), 389

32. Buhannic et al. Thermopower and low dc-field magnetization study of the layered FexZrSe2 compounds: Anderson type localization and anisotropic spin glass behaviour// Phys. Rev. B34 (1986), 4790

33. Я. Тауц. Фото- и термоэлектрические явления в полупроводниках (Москва, ИЛ, 1962), с. 166

34. Т.Н. Geballe, G.W. Hull. Phys.Rev., 94 (1954),1134

35. Дж. Блэкмор, Статистика электронов в полупроводниках (Москва,Мир, 1964), с. 126

36. И.П. Звягин О температурной зависимости прыжковой термоэдс нупорядоченных полупроводников//ФТП, 12 (1978) 1018

37. P. Zvyagin, Phys.Stat.Sol. Hopping Thermopower in the Regime of Ballistic Phonons// (b) 205 (1998), 391

38. Sladek R. J. Magnetically induced impurity binding in n-InSb// J. Phys. Chem. Sol., 5(1958), 157

39. Гершензон E.M., Ильин В.А., Литвак-Горская Влияние магнитного поля на прыжковую проводимость в n-InSb// ФТП, 8, (1974), 295

40. Гершензон Е.М., Ильин В.А., Литвак-Горская Проводимость компенсированного p-InSB в области промежуточной компенсации примесей, ФТП, 8, (1974), 1057

41. Chroboczek J.А. , Sladek R.J. Magnetoresistance of n-type Germanium in the Phonon Assisted Hopping Conduction Range at High Magnetic Fields// Phys. Rev., 151 (1966), 595

42. Lee W.W , Sladek R.J. Low-Temperature Magnetoresistance of n-type Germanium Doped with Small and Intermediate Concentration of Phosphorus// Phys. Rev., 158 (1967), 788

43. Lee W.W., Sladek R.J. Hop-Conduction Magnetoresistance in p-type Germanium//Phys. Rev. 158 (1967), 794

44. Гаджиев A.P., Шлимак И.С. Влияние магнитного поля на прыжковую проводимость p-Ge, ФТП, 6 (1972), 1582

45. Chroboczek J., Klokocki A, Kopalko К., J. Phys. C7 (1974), 3042

46. Емельяненко О.В., Наследов Д.Н., Недеогло Д.Д., Сиукаев Н.В. Прыжковая проводимость по примесям в n-InP//ФТП, 5 (1971), 334

47. Емельяненко О.В., Масагутов К.Г., Наследов Д.Н., Тимченко И.Н. ФТП 9 (1975), 503

48. Halbo L., Sladek R.J. Magnetoresistance of undoped n-type Gallium Arsenide at Low Temperatures// Phys. Rev. 173 (1968), 794

49. Емельяненко О.В., Лагунова Т.С., Наследов Д.Н., Недеогло Д.Д., Тимченко И.Н. Проводимость по примесям в n-GaAs// ФТП, 7 (1973), 1919

50. Kahlert Н., Landwehr G., et al Z. Physik 276В (1976), 1

51. Lemoine D., Pelletie С., et al. Hopping Conduction in Epitaxial n-GaAs Layers// Phys. Lett., 56A (1976), 493

52. Mikoshiba N. Strong Field Magnetoresistance of Impurity Conduction in n-type Germanium// Phys. Rev 127 (1962 ), 1961

53. Шкловский Б.И. К теории экспоненциального магнетосопротивления полупроводников// ФТП, 8 (1973), 416

54. Elliot R.J., Loudon R.J., J.Phys.Chem. Solids, 15 (1960), 196

55. HasegawaH., Howard R.E., J.Phys.Chem: Sol., 21 (1961), 179

56. A.G. Zabrodskii, A.G. Andreev, S.V. Egorov, Physica Status Solidi (b), 205 (1998), 61,

57. Физические величины: Справочник под ред. И.С. Григорьева, Е. 3. Мейлихова., Москва, Энергоатомиздат, 1991,

58. А.И. Ансельм Введение в теорию полупроводников (Москва, 1962) с.94

59. Н.С. Аверкиев, В.М. Аснин, Ю.Н. Ломасов и др. Поляризация излучения связанного экситона в Ge(As) в продольном магнитном поле// ФТТ 23 (1981), 3117

60. Н.Ф Мотт Переходы металл-изолятор (Наука, 1979) с. 267