Введение к работе
-3-
Актуальность темы: К настоящему времени физика неупорядоченных полупроводниковых систем развилась в самостоятельный раздел физики.
Одним из важнейших проблем физики неупорядоченных полупроводниковых систем является проблема кулоновского взаимодействия. Особенно ярко оно проявляется в процессах низкотемпературного электронного транспорта, который осуществляется прыжками по локализованным состояниям примесной зоны. Прогресс в понимании этого явления связан с работами Эфроса и Шкловского [1], которые показали, что учет кулоновского взаимодействия прыгающего электрона к возникающей на его месте дырке приводит к образованию щели в плотности состояний для одноэлектронных переходов вблизи уровня Ферми. Такая щель, определяющая транспортные свойства материала в области низких температур, впервые наблюдалась на эксперименте в сильно компенсированном Ge [2]. К настоящему времени имеется большое количество работ, подтверждающих наличие кулоновской щели в различных объектах.
В то же время М.Поллаком с соавторами в ряде работ (см., например, [3]) высказывалась идея о том, что при некоторых условиях многоэлектронные коррелированные прыжки могли бы оказаться энергетически более выгодными по сравнению с одиоэлектронными. Сложность теоретического описания, связанная с многоэлектронностыо задачи, не позволяла построить количественную теорию явления, что затрудняло постановку экспериментов по наблюдению таких ггереходов.
Несколько неожиданной явилась предсказанная теорией возможность наблюдения кулоновских эффектов и при более высоких температурах в области классического транспорта - є;-проводимости, обусловленной термическими забросами носителей из примесной зоны в зону основных состояний. Имелось два теоретических подхода к описанию поведеній соответствующей термической энергии ионизации. Модель Шкловского и Лиена [4] была разработана для случая, когда тепловая зігергия kT«W, где TV-ширина примесной зоны. В этом случае носители заполняют углубления потенциального рельефа, экранирование существенно нелинейно и носит статический характер. Модель Узакова и Эфроса [5] относится к случаю kT»W, когда носители могут свободно перераспределяться по состояниям
-4-прішссиоіі зоны. Эксперимент, выполненный на SiC:N, а также анализ данных на другах системах [6], не позволил отдать предпочтения какой-либо из них, из-за сильного разброса экспериментальных данных.Параллельно исследованию Sj-проводимости затрагивают вопрос о соответствии величины термической энергии ионизации для предела изолированной примеси и величины, найденной из оптических измерений.
Удобным модельным объектом для экспериментального исследования эффектов, связанных с кулоновским взаимодействием является легированный комиенсировнный полупроводник. Двумя его основными параметрами являются уровень легирования (концентрация основной примеси A'"1 и степень компенсации К. При этом желательно в ходе экспериментов фиксировать один из них и варьировать другой, изучая, таким образом, серию образцов. Наиболее интересным и слабоизученным являтся случай серии хорошо характеризованных образцов с постоянной компенсацией. Желательно, чтобы компенсация имела промежуточное между нулем и единицей значение, а концентрация изменялась в широком интервале от точки перехода металл-изолятор (МИ) до области слабого легирования (Nl/3a«l, где я - боровский радиус).
В качестве объекта исследования в данной работе была выбрана серия
образцов нейтронко-легарованного (НЛ) Ge:Ga р-типа проводимости с
компенсацией К=0.3. Помимо перечисленных выше требований здесь также
имеет место случай высокооднородного распределения легирующих
примесей трансмутационной природы. Важной также является * и
водородоподобность основной трансмутационной примеси Ga.
Заметим, что НЛ Ge:Ga имеет техническое применение как материал ряда криогенных устройств, таких как глубокоохлаждаемые болометры и низкотемпературные датчики температуры.
Цели работы заключались в следующем:
-
Изучение влияния кулоновского взаимодействия на классическую Є/-проводимость.
-
Изучение роли кулоновского взаимодействия в процессах прыжкового транспорта при слабом перекрытии волновых функций.
-
Изучение прыжкового транспорта при сильном перекрытии волновых функций - в области перехода металл-изолятор.
-5-Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи.
-
Получение ЯТ-серии образцов НЛ Ge:Ga и характеризацня их основных электрофизических параметров.
-
Исследование температурных зависимостей удельного сопротивления образцов в области температур до 0.4К (а в некоторых случаях и ниже) с целью идентификации механизмов низкотемпературного электропереноса на всей диэлектрической стороне перехода МИ.
-
Исследование характера прыжковой проводимости с помощью магшгтополевых зависимостей.
-
Компьютерный анализ полученных результатов со статистической обработкой данных.
Научная новизна: полученных на НЛ Ge:Ga результатов:
-
Экспериментально найдено, что в области слабого легирования термическая энергия ионизации ej-проводимости может быть описана моделью Узакова-Эфроса, рассматривающей возможность релаксации электронов в примесной зоне после каждого акта термической ионизации (электронный аналог принципа Франка-Ковдона). В пределе изолировнной примеси термическая энергия ионизации совпадает со значением, известным из оптики.
-
Обнаружен и исследован эффект насыщения прыжковой проводимости, когда удельное сопротивление практически не зависит от температуры. Удельное сопротивление прыжковой проводимости определяется исключительно гтнтегралом перекрытия волновых функций и не содержит активационного фактора.
-
Экспериментально доказана существенная в исследованной системе с умеренной компенсацией роль многоэлектропных корреляций в режиме проводимости с переменной длиной прыжка. Показано, что они приводят к сужению кулоновской щелн в плотности состояний по сравнению с одноэлектронными переходами, но не меняют ее форму.
Практическое значение работы заключается прежде всего в разработанных методиках, пригодных для исследования и друпіх полупроводниковых материалов.
Достоверность и надежность результатов работы подтверждается большим количеством исследованных образцов и статиспіческоіі
обработкой полученных данных, изучением транспортных явлений в широком диапазоне температур и уровней легирования, где доминируют разные механизмы электронереноса, использованием различных методик для изучения одних и тех же явлений, соответствием с существующим теоретическим и эмпирическим знанием, позитивным восприятием результатов международной научной общественностью.
Апробация работы. Основные результаты докладывались на 7-ом Координационном совещании по исследованию и применению твердых растворов Ge-Si (Баку, 1988); 27-м, 29-м и 30-м Совещаниях по физике низких температур (Ленинград,1988;Казаиь,1992;Дубна,1994); Всесоюзной конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (Ташкент, 1989);5-ой Международной конференции "Hopping and related phenomena" (Глазго, 1993) и 22-ой Международной конференции по физике полупроводников (Ванкувер, 1994).
Публикации. Основные результаты работы содержатся в двенадцати научных публикациях, список которых приведен в конце автореферата.
Научные положения, выносимые на зашиту.
Исследование НЛ Ge:Ga с К=0.3 показало, что:
-
Динамика поведения термической энергии ионизации примесей определяется влиянием случайного поля зарядов. При невысоких уровнях легирования это влияние обусловлено релаксацией зарядового состояния примесной зоны при каждом акте термической ионизации, уменьшающего величину энергии активации (электронный аналог принципа Франка-Коцдона).
-
В пределе изолированной примеси термическая энергия ионизации Е/, полученная из электрических измерений в пределах погрешности эксперимента совпадает с известным значением, полученным с помощью оптических методов.
-
Прыжковая проводимость обладает четко выраженной областью насыщения, в которой она практически не зависит от температуры. Транспорт в этой области осуществляется с помощью безактнвационных туннельных переходов и определяется исключительно интегралом перекрытия. В области концентраций вплоть до промежуточных NiNi=210^6CM' вероятность этих переходов с высокой точностью определяется боровским радиусом легкой дырки.
-
Режим прыжковой проводимости по ближайшим соседям (nearest neighbor hopping, NNH) в чистом виде можно наблюдать только в области слабого легирования с N
-
Режим проводимости с переменной длиной прыжка (variable range hopping, VRH) имеет место при достаточно низких температурах и реализуется в параболической кулоновской щели в плотности состояний, g=go(E-Ep)2. По мере приближения к переходу МИ ширина щели обращается в нуль. В "изоляторном" пределе, когда диэлектрическая проницаемость материала является величиной постоянной, кулоновская щель имеет аномально узкую ширину, что обусловлено ответственными за ее происхождение многоэлектронными корреляциями. Такие корреляции лишь сужают кулоновскую щель по сравнению с одноэлектронной, оставляя ее форму параболической.
-
Переход МИ может быть описан в рамках скейлииговой теории, которая рассматривает его как переход П-ого рода. Критическое поведение параметров на диэлектрической и металлической сторонах, в соответствии с этой теорией оказывается симметричным по отношению к точке перехода. Критический индекс корреляционной длины близок к единице.
Структура и обт.ем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 128 страниц, из них 81 страниц машинописного текста, 35 рисунков, б таблиц и список литературы из 93 наименований.
