Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ. Интерес к задаче о мегзоннсм <зі-іеровскся) туняелировании в магнитном поле (МП) в последние годы связан с исследованиями явлений в приповерхностных слоях полупроводников и систем с понивенной размерностью, поскольку состояния вблизи поверхности (в том чпс^е и двумерные) находятся з резонансе с объемными и туннельный обмен медду ними мохет существенно влиять на спектр состояний вблизи поверхности [1]. В то же время, многиз вопроса, связанные с туннелировашем в сильных квантующих Ш. остались не исследованными я в объеме полупроводника. 3 полупроводниках движение носителей во внешних полях носит существенно различный характер в зависимости от взаимной ориентации и соотношения величин электрического Е и магнитного Н полей [2,31. При параллельной ориентации ЯнЕ движение носителей вдоль направления электрического поля (ЭП) и квантованное циклотронное двззеше в перпендикулярной В плоскости независимы и мензон-ное туннелирование возможно в сколь угодпо сильных МП. В скрз-кенных полях ЯхЕ в кейновских полупроводниках взаимодействие между ближайшими зонами приводит к электрическому и «гтштному типу решений в зависимости от отношения Н/Е [2,31. Ыеязснные переходы з этой ориентации возможны лишь в Ш Н<Н =сЕ/з, (s= ={ /2га)1/а-кейновская скорость, s - ширина запрещенной зоны и о- ^Ефективная масса) соответствующих неквантованному спектру, а при Н/Е>с/з движение в направлении Е носит финитный характер (меазонное туннелирование отсутствует).
Экспериментально туннелирование в параллельных и скрещенных полях исследовалось в туннельных диодах на осеовє относительно широкозонных полупроводников и из-за больших значений ЭЛ Е-10й-107В/см (а следовательно и Hcf), необходимых для-наблюде-нзя туннелирования в таких материалах, исследования ограничены интервалами МПш,«в (ы - циклотронная частота) при ЯиЗ и Н« *Нар пр.- HxS. Наиболее интересный с физической точки зрения диапазон МП вблизи и выше Н при БхЕ не псследсван и в р-п переходах на основе InSb, хотя туннелирование в них существенно ise при E~10sB/cm к критические поля относительно малы Н -{50--100)КЭ.
Наиболее подходящим объектом для исследования особенностей туннелирования вблизи Н , соответствущкх переходу от инфивлт-ного движения к финитному, являвтся структуры на основе узкощв-лешх полупроводников типа Egj^CcMDe, в которых благодаря малости е и эффективной массы электронов юп и легких дырок m туннельные токи доминирувт в ЭП Б-10* В/см, что соответствует Н порядка нескольких кЭ. Особенно благоприятна ситуация в барьерах Шотткн (HS). При обратных смещениях в них легко экспериментально реализуются условия однородного ЭП, используемые в теоретических расчетах, тогда как в туннельных диодах потешіиал существенно нелинеен, а сколь-либо наденная информация о его реальном распределении, как правило, отсутствует.
Если для р-п переходов на оснозе Hgj_ Cd^Te к настоящему времени достигнуто достаточно xoposee понимание основных механизмов токопереноса, определяшах вольт-амперные характеристики (ВІХ) в отсутствие МП. то исследования электрофизических свойств НІІ на основе Hgj^Cd Те практически отсутствуют. Основная причина зтого - плохое качество БШ, что обусловлено нарушениями легко подверженной дефектообразованив поверхности Hgj^CdMEe при кане-сенин традиционных ыеталлов, а также их диффузией, приводящей зачастую к "легированию" приповерхностного слоя Rg1_xCd Те. Известные к настоящему времени единичные исследования электрофизических свойств барьеров металл - узксщелевой Eg^^Cdl^Te носят фрагментарный характер, проведены на структурах с сильным влиянием диэлектрического слоя и к тому же ограничены интервалом относительно высоких температур Т>77К, тогда как для изучения механизмов туннелирования (в том числе в Ш) в узкоделевых полупроводниках существенны как раз интервал низких тешератур и достаточно высокое качество структур.
ПІЛЬ РАБОТЫ: исследование туннелирования в сильных квантующих магнитных полях, в той числе вблизи и выше критических, в БШ и р-п переходах на основе узкощелзвого EgtmJCuJSe.
Лая достижения поставленной цели были решены следующие ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ;
- разработка технологии и изготовление Ш на основе узко-велевого 1|ц (И Те с параметрами, близкими к идеальным;
-А-
изучение электрофизических характеристик Ш и р-п переходов на основе HgCdTe и выяснение особенностей механизмов тохопереноса, обусловленных спецификой узкощелевых материалов:
исследование межзонного туннелирования в сильных квантующих МП ftuc~
изучение меюонного туннелирования в скрещенных полях RlE, в тем числе в условиях, близким к критическим 7=sH/cE>l;
исследование туннелирования через глубокие уровни (ГУ) и термо-активациенного туннелирования в магнитном поле.
1. Впервые экспериментально и теоретически исследовано мея-
зонное туянелкрование в магнитном поле в условиях сильного кван
тования, когда ш ~$ . В качестве объектов исследования впервые
о <з
использованы Ш. Показано, что общие качественные закономерности магннто-туннельных эффектов в Ш и р-п* переходах на основе кей-нов'екпх полупроводников близки, различия же в величине эффектов связаны с отличием парамагнитного расцепления в металле и полупроводнике. Установлена, что для кейновских полупроводниксБ величина эффектов как в слабых (ш «ss ), так и в сильных (wj ~s ) продольных полях Ни2, не зависит от зонных параметров материала л определяется отношением магнитного а электрического полей, а именно', параметром y=sS/oS.
2. Экспериментально обнаружено, что в скрещенных полях НаВ
зависимости межзонного туннельного тска от Н, Е, зонных пара-
мэтров материала и температуры в магнитных полях вблизи и выше
критических Н^Яег резко расходятся с существующей теорией. Для
объяснения наблюдаемых расхождений предложена модель, учитываю
щая подбарьерное шетократное керезонансное рассеяние. Показано,
что в рамках такой модели туннелироваЕие возможно в сколь угод
но сильных магнитных полях, а основные закономерности магнито-
полевых эффектов определяются, как и в случае ориентация ЯиЕ,
параметром 7=зН/еЕ и эффективной длиной рассеяния L. Эксперимен
тально определенные из отношения величин эффектов з двух огаен-
тадаях эффективные значения L для всего исследованного диапазо
на Я, Е и Т близки к магнитной длине Ls( 1,7-2,0),4 , как эта
озидается для квантовой диффузии в магнитное поле.
. о
3.Впервые исследовано туннехгрование через глубокие уровни (ГУ) и терш-активационн'е туняеяирование в мапштное поле. Особенности туннельных переходов через ГУ обусловлены меньшей эффективной длиной туннелирования (с ее /ёЕ, е -энергетическое положение ГУ, отсчитанное от верыны валентной зовы) по сравнению с ее значением аз /еЕ для мекзсшного туннелирования. Показано, что в режиме термо-активационного туннелирования в Ш зависимость оптимальной для туннелирования энергии «г »КЕ от Т.Е и Н приводит к иным, чем при туннелирозанш с уровня Ферми металла при Т-0 (em=0. lnJt(H)/Jt(0)—вН/сЕ), зависимостям туннельного тока от магнитного поля, а именно lnJT(H)/J (0)~ --Ш/2КТ—Н/ш,Т.
с 1
4.Впервые исследованы электрофизические свойства ЕШ на основе узкощелевого p-Hg (ИИГе (х=0.2-0.29) с параметрами близкими к идеальным. Показано, что из-за малости є ,eL и m в уз-кошелевых материалах при анализе различных механизмов токопере-носа, формирующих ВАХ. необходимо учитывать как непараболичность законов дисперсии, так и температурные изменения зонных параметров материала и параметров барьеров.
-показано, что исследования магнито-туннельшх эффектов в параллельных полях НиБ являются прямым методом измерения электрического поля в барьерных структурах на основе кейновских полупроводников и могут быть использованы для определения профиля концентрации на малых расстояниях (д-о~10-100нм) от физической границы р-n перехода;
-разработана технолошя и впервые изготовлены БШ РЬ-р--Hg ИИГе-.с параметрами, близкими к идеальным; высокое ка-чествосбарьеров обусловлено большими значениями давления на-сыдащих паров и тетраэдрического радиуса РЬ по сравнению с другими металлами, что обеспечивает минимальные нарушения приповерхностного слоя полупроводника и исключает диффузию РЬ в Hg^COTe;
-экспериментально определенные высоты барьеров ц>0 соответствует ьекрепленю) уровня Ферми на поверхности раздела металл-
-яслупрозопшк на расстоянии -2S /3 от веразшк валентной зоны, .з отлічне ст значений - /3, характерных для других полупроводников с козалеї-'T'toft связьэ; такое положение уровня Ферлз объясняет с.'ягшсхкй xapeHTeD контактов металл-Ня, 01 Те п-тппа d
г - ^1-х х
х^О.З, а Еыпрямляших свойств контактов металл-n-Hg Cd^Te следует огэдать лишь для составов х50,3-0,4.
-
Основные электрофизические характеристики близких к идеальным ЕШ Pb-p-Hg,__CdxTe (х=0,22-0.Я9) и спешгсрікз ЕЛХ, обусловленная мзл^.-и значениями s и гл в узкощелевых материалах.
-
Универсальность магштопслевых зависимостей меазонкого туннельного тска в параллельных полях К»3 для кейноэских полупроводников, заклжіакдаяся з том, что нормированный туннельный ток
J (H)/J (0) не зависит от зонных параметров материала и определяется взлютсл 7=зК/сЕ как в слабых магнитных полях, так л в преде-льне сильных, соотзетстзуїоанх hU) -о .
С «J
3. Феноменологическая ?,:одель туЕНэлпровгная в схрезенных
поля:: Iu3 с учетом ш-югократного нерезонансного рассеяния под
барьере;.;, объясняг-гетя резкие расхождения эксперимента и трада-
і~ск;с:і тєсри: з магнитных полях вблизи ;і выше критических Н?й_.
-*. Сг:е:;гг'7.гаа напштополевых зФ$е:<гов для туннельных переходов через ГУ л тег-'їо-зїшіЕационного туннелпровекпя.
АЛР05АІГ.-Ш РАВСТь. Основное результаты, бсеєдшиє в диссертацн-еннул работу, докладывались на конференцій по физике к :шглии поверхности и границ раздела узкецелевнх полупрсводннксв (Львов, 1950г.;, XII Всесоюзной конференции по физике ПОЛуПрОБОДНИКОВ (Киев, 1990г.), International conference en narrcv-gap semiconductors (Southampton, 7Ж. 1993).
СТРУКТУРА И ОБЬГ.І РДЕ0ТЫ. Диссертация состоит из ееєдєния, пята глав и заключения. Обяий объем работы составляет 163 стр., з том чисэ 29 рисунков и 4 таблицы. Список шітироззннеи літератури содержит 1ї6 наименований.