Проявление эффектов электронного взаимодействия в низкотемпературных транспортных свойствах нейтронно-легированного Ge: Ga при переходе из изоляторного состояния в металлическое Егоров, Сергей Валентинович

Введение к работе

Аісгуальность темы

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 Эфроса и Шкловского кулоновской щели [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 прыжковой проводимости р=р₀ехр(Г₀/Г)^1/'² в режиме прыжков с

переменной длиной (variable range hopping, VRH). Такого рода закон был экспериментально установлен для компенсированных полупроводников в [2] и впоследствии идентифицирован именно с проявлением кулоновской щели в

[3].

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 [4], а также, в принципе, измерение температурного хода термоэдс. Так, для прыжковой термоэдс теория [5,6] 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 [7], 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 другого сорта: 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 Ge:Ga. Само это явление было обнаружено в ходе настоящей работы при исследовании параметров квазищели путем изучения прыжкового магнетосопротивления и может рассматриваться как доказательство магнетоупорядочения системы локализованных зарядов в примесной зоне легированного немагнитного полупроводника.

Выбор в качестве исследуемого объекта неупорядоченной системы нейтронно-легированного (НЛ) Ge:Ga с умеренной компенсацией (К=0.35) был обусловлен тем, что этот материал является удобным высокооднородным модельным объектом для изучения прыжкового транспорта. При этом промежуточная компенсация обеспечивает благоприятные условия для проявления кооперативных явлений как электрических, так и магнитных.

Цель работы состояла в исследовании низкотемпературных транспортных явлений в нейтронно-легированном Ge:Ga при переходе из изоляторного

5 состояния в металлическое. Ее достижение было связано с решением трех задач:

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

2. Изучение явления гистерезиса прыжкового магнетосопротивления НЛ Ge:Ga в режиме прыжков с переменной длиной.

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

Научная новизна

4. Впервые исследована термоэдс в прыжковом транспорте и при переходе к режиму прыжков с переменной длиной материала с кулоновской щелью, и показано, что в режиме прыжков с переменной длиной по состояниям кулоновской щели она принимает исчезающе малые значения.

5. Впервые наблюдался гистерезис прыжкового магнетосопротивления легированного немагнитного полупроводника с характерным скачкообразным падением сопротивления в некотором критическом поле после пребывания материала в поле противоположной полярности.

6. Впервые исследована динамика многоэлектронной кулоновской щели при изменении степени компенсации в изоляторном пределе и при переходе легированного полупроводника с умеренной компенсацией из изоляторного состояния в металлическое.

Практическое значение работы

В ходе изучения термоэдс разработана методика измерения малых градиентов температуры, с помощью высокочувтвительного датчика, роль которого играл исследуемый образец НЛ Ge:Ga.

Явление гистерезиса прыжкового магнитосопротивления НЛ Ge:Ga является свидетельством магнитной связи между локализоваными носителями в примесной зоне легированных полупроводников и может быть использовано для создания магнитного упорядочения в "немагнитных" полупроводниках. Помимо этого в ходе исследования гистерезиса НЛ Ge:Ga показана возможность детектирования кратковременных тепловых эффектов с помощью самого исследуемого образца.

Достоверность и надежность результатов работы

Достоверность обнаруженных новых эффектов, касающихся прыжковой термоэдс и гистерезиса прыжкового магнетосопротивления, обусловлена их воспроизводимостью в разных опытах и на различных образцах.

Достоверность измерений и обработки данных по прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка и магнетосопротивления в этом режиме определяется тем, что полученные на их основе выводы были подтверждены другими экспериментальными методами.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на 7-ой Международной конференции по прыжковым явлениям (Венгрия, 1997), 3-ей Российской конференции по физике полупроводников (Москва, 1997), 24-ой Международной конференции по физике полупроводников (Иерусалим, 1998), 31-м Совещании по физике низких температур (Москва, 1998), Международном симпозиуме по физике сверхнизких температур (С.-Петербург, 1999), 4-ой Российской конференции по физике полупроводников (Новосибирск, 1999), 8-ой Международной конференции по прыжковым явлениям (Мадрид, 1999).

7 Публикации

Результаты работы представлены в 10 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.

Научные положения, выносимые на защиту

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

8. При переходе к прыжковому транспорту с переменной длиной прыжка в Ge:Ga 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.

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

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

11. 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 охлопывания кулоновской щели из-за расходимости диэлектрической проницаемости.

Структура и объем диссертации

Диссертация состит из введения, трех глав и заключения, содержит 85 страниц, из которых 30 с рисунками, а также библиографию из 62 наименований.