Туннелирование в квантующих магнитных полях в барьерных структурах на основе узкощелевого полупроводника Hg1-xCdxTe тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

t П w* т

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

УРАЛЬСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. A.M. ГОРЬКОГО

На правах рукописи УДК.621.315.592

ЗАВЬЯЛОВ ВЛАДИМИР ВИКТОРОВИЧ

ТУННЕЛИРОВАНИЕ В КВАНТУЮЩИХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ В БАРЬЕРНЫХ СТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ УЗКОЩЕЛЕВОГО ПОЛУПРОВОДНИКА Сй Те.

(01.04-.07. - физика твердого тела)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических, наук

ЕКАТЕРИНБУРГ 1994

Рабата выполнена на кафедре компьютерной физики и в отделе оптоэлектроники научно-исследовательского института физики и прикладной математики Уральского государственного университета им. A.M. Горького

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Раданцев В.Ф.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Яфясов A.M.

кандидат физико-математических наук, Биккин Х.М.

Ведущая организация: Институт Физики Металлов

УРО РАК

Зашита состоится cmc-//J> 1994г.

в /З"" час, на заседании специализированного совета KQ63.78.04 по присуждению ученой степени кандидата физико-математических наук в Уральском государственном университете им. А.М.Горького, 620083, г.Екатеринбург, пр.Ленина, 51, кош. 248.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного университета.

Автореферат разослан "_" _ 1994г.

Ученый секретарь специализированного совета

Кудреватых Н.В.

ОЕИЯ ШШШЮШк РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТШЫ. Интерес к задаче о мегзоннсм <эсеровском) тудаелировании в магнитном поле (МП) в последние годы связан с исследованиями явлений в приповерхностных слоях полупроводников и систем с понженной размерностью, поскольку состояния вблизи поверхности (в том чис^е и двумерные) находятся з резонансе с объемными и туннельный обмен мезду ними мохет существенно влиять на спектр состояний вблизи поверхности [11. В то же время, многиз вопроса, связанные с туннелированием в сильных квантующих МП. остались не исследованными я в объеме полупроводника. 3 полупроводниках двизевие 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 двшение в перпендикулярной В плоскости независимы и меззон-ное туннелирование возможно в сколь угодно сильных МП. В скрещенных полях НхН в кейновских полупроводниках взаимодействие между ближайшими зонами приводит к электрическому и «»гнитному типу решений в зависимости от отношения Н/Е [2,31. Ыеязснные переходы в этой ориентации возможны лишь в Ш Н<Нор=сЕ/з, (а= ={$ /2га)1/г-кейновская скорость, $ - ширина запрещенной зона и о- Еффективная масса) соответствующих неквантованнсму 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 осЕове относительно широкозонных полупроводников и из-за больших значений ЭЛ Е~10й-1073/см (а следовательно и Нсг), необходимых для-наблюдения туннелирования в таких материалах, исследования ограничены интервалами Ш (и,- циклотронная частота) при ЯиЗ и Н«

*Нар пр.- НхБ. Наиболее интересный с физической точки зрения диапазон МП вблизи и выше Нср при НхЕ не исследовал и в р-п переходах на основе .ГеБЬ, хотя туннелирование в ешс существенно уге при Е~1053/сгл и критические поля относительно малы Н -{50-

Наиболее подходящим объектом для исследования особенностей тунвелирования вблизи Нсг, соответствуЕсих переходу от ивфкнит-ного движения к фенитному, является структур на основе узкощв-левых полупроводников типа (й Те. в которых благодаря малости и эффективной массы электронов юп и легких дырок туннельные токи доминируют в ЭП Б-104 В/см, что соответствует Нсг порядка нескольких кЭ. Особенно благоприятна сйтуашя в барьерах Шотткн (НИ). При обратных смещениях в них легко экспериментально реализуются условия однородного ЭП, используемые в теоретических расчетах, тогда как в туннельных диодах потенпиал существенно нелинеен, а сколъ-либо наденная информация о его реальней! распределении, как правило, отсутствует.

Если для р-п переходов на оснозе Ве1 СйИРе к настоящему времени достигнуто достаточно хорогее понимание основных механиков токопереноса, определяшах вольт-амперные характеристики (ВшХ) в отсутствие МП. то исследования электрофизических свойств ЕЭД на основе Нв^^Сй^Те практически отсутствуют. Основная причина зтого - плохое качество БШ, что обусловлено нарушениям легко подверженной дефектообразованив поверхности Нг^СйМЕе щи нанесении традиционных ыеталлов, а тахке их диффузией, приводящей зачастую к "легированию" приповерхностного слоя Нв1_хСс1х Те. Известные к настоящему времени единичные исследования электрофизических свойств барьеров металл - узкещелевой Ее^Сс^Те носят фрагыентаряый характер, проведены на структурах с сильным влиянием диэлектрического слоя и к тому ке ограничены интервалом относительно высоких температур Т>77К, тогда как для изучения механизмов туннелирования (в тал числе в Ш) в узкоаэлевых полупроводниках существенны как раз интервал низки: тешератур и достаточно высокое качество структур.

дёдь РАБОТЫ: исследование туннелирования в сильных кванту-ших магнитных полях, в таи числе вблизи и выше критических, в Ш и р-п переходах на основе узкощелевого Р^^Сс^Те.

Для достижения поставленной цели были решены следущие ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ:

- разработка технологии и изготовление Ш на основе узко-велевого (И Те с параметрами, близкими к идеальным;

- изучение электрофизических характеристик НИ и р-n переходов на основе HgCdTe и выяснение особенностей механизмов тохсперекосэ, обусловленных спецификой узкощелевых материалов:

- исследование мехзонного туннелирования в сильных квантующих МП параллельных направлению ЗП;

- изучение меаэонного туннелирования в скрещенных полях IL3, в тем числе в условиях, близким к критическим 7=зН/сЕ?1;

- исследование туннелирования через глубокие уровни (ГУ) и терло-акттаационного туннелирования в магнитном поле.

НАУЧНАЯ. НОВИЗНА.

1. Впервые экспериментально и теоретически исследовано мея-зонкое тункелгрование в магнитном поле в условиях сильного квантования, когда ли . В качестве объектов исследования впервые

а <з

использованы Ш. Показано, что общие качественные закономерности магшто-туннельных эффектов в Ш и р-п+ переходах на основе кей-нов'ских полупроводников близки, различия se в величине эффектов связаны с отличием парамагнитного расцепления в металле и полупроводнике. Установлена, что для кейновских полупроводников величина эффектов как в слабых (ш «а ), так и в сильных (ш )

** с д о 3

продольных полях HiiS, не зависит от зонных параметров материала л определяется отношением магнитного а электрического полей, а именно', параметром 7=аН/сЕ.

2. Экспериментально обнаруяёно, что в скрещенных полях H¿B зависимости межзонного туннельного тока от Н, Е, зонных параметров материала л температуры в магнитных полях вблизи и высе критических Н^Нег резко расходятся с существующей теорией. Для объяснения наблюдаемых расхождений предложена модель, учитывающая подо'арьерное шегократное керезонансное рассеяние. Показано, что в рамках такой модели туннелировашге возможно в сколь угодно сильных магнитных полях, а основные закономерности магнито-полевых эффектов определяются, как и в случае ориентация ЯиЕ. параметром 7=sH/cE и эффективной длиной рассеяния Ь. Экспериментально определенные из отношения величин эффектов з двух ошен-тадаях эффективные значения L для всего исследованного диапазона Н, Е и Т близки к магнитной длине Ls(í,7-2,0),\rt, как это ожидается для квантовой диффузии в магнитное поле.

. о

3.Впервые исследовано туннелгрование через глубокие уров-еи (ГУ) и термо-активащтонн-е тунаелирование в магнитное поле. Особенности туннельных переходов через ГУ обусловлены меньшей эффективной длиной туннелирования (а^еВ^/ёЕ, е -энергетическое положение ГУ, отсчитанное от верыны валентной зоны) по сравнению с ее значением аз^/еЕ для мекзсшного туннелирования. Показано. что в режиме термо-активационного туннелирования в БШ зависимость оптимальной для туннелирования энергии е^кТ от Т,Е и Н приводит к иным, чем при туннелирозанш с уровня Ферми металла при Т-0 (6 =0, lnJ. (H)/J. (0)—вН/сЕ). зависимостям тун-И) t t. '

цельного тока от магнитного поля, а именно lnJT(H)/J (0)~ --ш72КТ—H/m,Т.

с 1

4.Впервые исследованы электрофизические свойства ЕШ на основе узкощелевого p-Rg^Cd^Te (x=0,22-0,2S) с параметрами близкими к идеальным. Показано, что из-за малости и mt 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.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ:

-показано, что исследования магнито-туннельвых эффектов в параллельных полях К«Е 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 технодошя и впервые изготовлены БШ РЬ-р--Hg ИИГе-.с параметрами, близкими к идеальным; высокое ка-чествовбарьеров обусловлено большими значениями давления на-сыдащкх паров и тетраэдрического радиуса РЬ по сравнению с другими металлами, что обеспечивает минимальные нарушения приповерхностного слоя полупроводника и исключает диффузию РЬ в Bg^COTe;

-экспериментально определенные высоты барьеров фо соответствует закреплении уровня Ферми на поверхности раздела нет&лл-

-яслупрозошпк на расстоянкп ~2s /3 от веряянк валентной зоны, .з отлкчле ст значений -'-> /3. характерных для других полупроводников с козвлентной связьэ; такое положение уровня Ферма объясняет с:я;ческкй характер контактов мвталл-Hg С<1 Те n-тппа d 1^0,3, а Ештрямлякяш свойств контактов металл-n-Hg,_^Cd^Te следует олядатъ лишь для составов х50,3-0,4.

ОСНОВНЫЕ ПОДЖЕНКЯ, BHH0CW,ib!5 НА ЗЖГГУ:

1. Основные электрофизические характеристики близких к идеальным ЕШ Pb-p-Hg, __CdxTe (х=0,22-0,Я9) и спэшгсрхка ЕЛХ, обусловленная мзл^.ги значениями и и at в узкоделевкх материалах.

2. Универсальность магнитополевых зависимостей меазонкого туннельного тска в параллельных полях К»2 для кейнозсккх полупроводников, заклжтакааяся з том, что кодированный туннельный ток

J (H)/J (0) ке зависит от зонных параметров материала и определяется вэлгпшсл 7=зК/сЕ как в слабых магнитных полях, так л в преде-льне сгыьннх, соответстзукшх ш .

с <г

3. Феноменологическая модель туннедпровгния в скрещенных полях Iu3 с учетом гп-югократного нерезонансного рассеяния под барьере;.;, объяснявшая резкие расхождения эксперимента и традн-i~:cKic:i тесри: з мап-штных полях вблизи :i выше критических Н:>Н _ _.

Спе:л".*ика нап£итополеЕь?х зФ$ектов для туннельных пере-ходсо через ГУ л тер^о-аютвациозного туннелпровения.

АЛ?05А!Г.-!П РАБОТЫ. Основные результаты, всседни» в дассертацг-енкуа работу, докладывалась на конференции по фзэикэ к :ишя поверхности п границ раздела узкецелевкх полупроводников (Львов, 1990г.), XII Вс с союзной конференции по физике полупроводников (Киев, 1990г.), International conference cn narrc.v-gap semiconductors (Southampton, 7JK, 1993).

СТРУКТУРА И OSbF.i Р4Е0ТЫ. Диссертация состоит из введения, пята глав и заключения. Обяий объем работы составляет 163 стр., з том чнс..е 29 рисунков и 4 таблицы. Список питироззнпей литературы содержит 1¡6 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обсуждается актуальность Еыбрашгых направлений исследований, формулируются цели и излокена структура диссертационной работы.

В первой главе, носящей обзор._ый характер, кратко характеризуется состояние проблемы. В разделе 1.1 обсугсдактся нке подходы к реиешпо задачи о меязонном (зикеровско;*) тункели-роБаНИИ в параллельных КнЕ и скрещенных гЬЕ полях и анализируются пределы их применимости. Обзор экспериментальных результатов, проведенный в разделе 1.2, показывает, что исследования табелирования в параллельных полях НнЕ ограничены случаем слабых МП и проведены на сильно легированных туннельных диодах, в которых реальное распределение потенциала не адекватно приближению однородного постоянного ЭП. используемого в теоретических расчетах. Туннелирование в скрещенных полях исследовано .пяль в "электрическом" пределе Н«Есг> в силу чего особенности туннелирозания в полях Н?Нсг, предсказываемые теорией, никем не исследовались. Туннелирование в МП через ГУ и термо-акт-иваци-онкое туннелирование ранее также не исследовались. В разделах 1.3 и 1.4'обсуадаются известные к настоящему времени экспериментальные данные по электрофизическим свойствам р-п переходов и Ш на основе узкощелевого Но1_ ^Сй^ Те и анализируются возможности их использования в качестве объектов для исследования туннелироЕания в сильных МП.

Во второй главе представлена методика изготовления Ей РЬ--р-Н^^Сс^Те и описаны экспериментальная техника измерения ВАХ, вольт-фарадных характеристик (ВФХ) и методика измерения спектров емкостной нестационарной спектроскопии глубоких уровней (БЬТВ) в диапазонах температур Т=4,2-ЗООК и МП Н=0-50кЭ.

В'агротьей главе приводятся результаты исследований основных электрофизических свойств БШ РЬ-р-К^^.Сс^Те в отсутствие Ш. Нетривиальный характер ВАХ, обусловленный спецификой узкощелевых материалов, требует комплексного анализа ВФХ, электрополевых и температурных зависимостей прямого и обратного токов в интервале тешератур 4,2-ЗСКЖ для образцов разного состава (г=0,2-0,4) и уровня легирования исходного материала Ш -Л =

ü.2-1 * 101°ел"3). Установлено, что з области высоких те?лпера?ур (пачгтаая с некоторой температура ?-Tq=8Q-120X в завлстасстд от состава х> прл прямых л малых обратных смеаениях основной вклад з -гелиевой то?: ЕШ дает надбарьеряая терлоэмиссия. В области про-мстчуточных и больших обратных смешений яри высока температурах (начинал с =110-130Х) доминирует термо-активашгснное туп-

нэлгосзание (тзгмополэвая эмиссия). Шзи Т<Т . ,Т в области ча-

^ п i п О

.zu л промежуточных обратных смещений до?шигоует туннелирование через ГУ, сменяющееся прямым мекзоЕным тукнелпрованием (туннельные переходы с уровня Ферми металла з валентную гону полупроводника - полевая эмиссия) при больших обратных смешениях

Основное в-гимгкие з раздела 3.1 уделено исследованию ВАХ в области высоких те?шератур Т>Т п надеотсму определению осесвно-го для Effi параметра- высоты барьера ср . Сопоставление различных злектрсфзкчгсхах характеристик Ш (ЕФХ, БАХ в режиме надбарьор-есй змпссяи и ВАХ з области дсмшщюзания туннельных токов) приводит к согласованным результатам: высоты барьеров для всех сос-гавоз л уровней легирования соответствуют значениям cpcscs , где а~2/3 и зо всем интервале температур 20К<Т<(220-270)К, в котором наблюдаются вшрлмдялозгле свойства БШ, не зависит от температура. Совокупность целого ряда экспериментальных фактов - некоторые расхождения з значениях ф , определенных из ВФХ и ВАХ, неболъЕСЁ отличие коэффициента идеальности ß от единицы ((Ы,С2--1.С5 для НИ с х=0,29 н (3=1,1-1,2 для НИ с х=0,22), отсутствие зависимости ß от Г и 7 пш Т>Т„, свидетельствует о наличии на

и О .

границе раздела мзталл-полупрозоднж тонкого окпсного слоя тол-шяной о<2 нм. Наличие такого слоя, 'туннельно прозрачного для Еосителой с легкой массой (легких дырок и электронов) и практически непрозрачного для тяжелых дырок, позволяет объяснить обнаруженную при 1Я40-17СК сверхлинейную з координатах lgJe/T2- Т1 температурную зависимость тока насыщения J^ к малые значения плотности токов в рзгсиме надоарьеряой sfsiociui (в 25-50 раз менкззз, чем это ожидается для БШ на основе полупроводников р-тлпа).

В разделах 3.2 и 3.3 на основе анализа электрс; у

температурных зависимостей обратного туннельного тока к их са-

доставления с теорией, рассчитанной з рачках различных приближений, выясняются особенности доминирующих механизмов туннели-рования: мекзонного, через ГУ и терко-акткьйжошого. Показано, что ВКБ теория туннелированкя в двухзонном кэйновском приближении хорошо описывает электрэполеьые зависимости туннельных токов для всех механизмов. Концепция постоянного ЭП соответствует реальному распределению потенциала в ЕШ при обратных смещениях -еУ>фо, тогда как для р-п* переходов прибавление однородного ЭП не корректно ввиду частичной компенсации при имплантации базовой р-области вблизи физической границы перехода. Впервые обнаружена аномалия температурных зависимостей обратного тушедьно-го тока в БШ (а именно, образование глубокого минимума при Т= -Ти1п), которая обусловлена конкуренцией полевых и термополевых механизмов туннелирования (мекзонный туннельный ток падает с ростом Т ввиду положительных -температурных коэффициентов е п гг^ в Н^СсХТе, вероятность ке термо-активационного туннелирования растет с ростом Т). В заключительном разделе главк обсуждаются возможные механизмы, формирующие БАХ в области низких темперз-тур Т<То при прямых к небольших обратных смещениях.

В четвертой главе анализируются магнитополевне эффекты в параллельных полях КпЕ в области Т и V, где в ЕШ и р-п переходах доминирует прямое межзонное туннелирование. В первом разделе главы описаны основные экспериментальные результаты по исследованию туннелирования в МП до 50 кЭ, в том числе и для ситуации скрещенных полей НаЕ, поскольку общие экспериментально наблюдаемые закономерности эффектов для обеих ориентации оказываются во многом идентичны.

В отличие от исследованных ранее р-п переходов на основе материалов с широкой запрещенной щелью, в барьерных структурах на основе узкощелевого Нз Сб. Те малые значения е . гя и гп

1 - >: х О I п

определяют высокую туннельную прозрачность барьеров в относительно слабых ЭП Е-1О4В/см, что, в свсю очередь, приводит к значительному падению мекзонного туннельного тока Л1 {до 10 раз н более) уке в умеренных МП Н-50кЭ: Если в р-п переходах на основе широкозонных полупроводников мекзокное туннелирование в ориентации ЕнЕ было исследовано экспериментально и теоретичес-кн (в пределе ш «¡? }, то подобных исследований для Ш, в том

с о

ч!к'"с на основе широксзо.чных материалов, нам не известно. Тео-р?1ическяе магнитополевые зависимости Jt(H), рассчитанные в рамках 5кб приближения с учетом непарэболичности законов дисперсии для случая произвольных .МП, сопоставляются с экспериментальными е разделах 4.2 для ЕЛ и 4.3 для р-п" переходов. Установлено. что оощие закономерности эффектов в МП НнЕ в Ш и р-п ггереход&х на основе кейиовских полупроводников аналогичны, однако, существенное различие б зеличше парамагнитного расщепления зон начальных (зона проводимости металла) и конечных (легкая ветвь спектра валентной зоны) состояний в БО! приводит, при прочих равных условиях, менышм в сЬд'теН/гсЕ) раз

величинам магнито-тукнельного эфрехта, чем в р-п переходах, где туннелированче между зонами проводимости и валентной идет с переворотом спина.

Б ЕШ экспериментальные зависимости J от H, Е, Т, состава^ материала :•: и концентрации легирующей примеси ÎJn-N,, хорошо (без подгоночных параметров) согласуются с теоретическими. Экспериментально обнаружено и подтверждено теоретическим анализом, что для узкощелевых кейновсккх полупроводников величина эффектов для меазонного туннельного тока в МП НнЕ не зависит от зонных параметров материала и однозначно определяется параметром y=sH/ /сЕ, т.е. отношением Н/Е. Исследование мзгнито-туннелирования в параллельных полях НнЕ является, таким образом, прямым методом измерения электрического поля в барьерных структурах на основе кейиовских полупроводников. Величины ЗП (и их зависимости от обратного смещения E(V)) в БШ, измеренные по величине эффекта з МП, в пределах 10-15% совпадают с значениями, рассчитанными по известной концентрации легирующей примеси N -N .

В разделе 4.3 обсуждаются особенности мекзонного туннели-рования в р-п* переходах. Если экспериментальные магнитополевые зависимости J как и в случае ЕШ, хорошо совпадают с теоретическими (при использовании Е как подгоночного параметра), то электрополевые зависимости мекзонного туннельного тока в Mi? п. соответственно, значения Е и их зависимости от обратного смешения Е(V), измеренные по величине эффекта в МП, существенно расходятся с расчетами, проведении?.® в предположении однородного рзсттределЬния пржеси в базовой р-области перехода. Показа-

но, что подобные расхождения, наряду,с особенностям элзктропо-левых зависимостей обратного туннельного тока при Н--0, свидетельствуют о заметкой компенсации исходного р-^зтеригла вблизи металлургической границы имплантированного р-ц* пэре-хода, что приводит к более сл-бым зависимостям Е(УК

Пятая глава посвящена анализу эффектов туниелирозатшя в перпешакулярных направлению Е мзгнггжг нолях, в том число вблизи и вьае критических (К>Н ). В разделе 5.1 проводится сопоставление экепзрйментаиьяых магнатополевьх зависимостей (Н) с существующей теорией [2,3]. Обнаружено, что, отлично от исследованиях ранее р-п переходов на обнови цирокозонаых олупро-зодаиксэ. где ызишто-тушельяпе эф^кты « чисто "электрическом* пределе т=аЯ/сЕ«1 хорс-до списывается теорией [2,31, в исследованиях здесь йЬ ц р-п* переходах экспериментальные зависимости от Н,'.Е, Т а золи парамо-гроэ материала существенно расходятся с теоретическими [2,3] з МП вблизи и вша критических Н?Н . Каких-либо особенностей. с*здаомш: и поведения электро-и магшгао-полйвых зависимоегей ьблизи Н=Н , не кабладазтсп, туннелироьа^иб имеет место я в полях Н>Н . Проведенный на?,и анализ экепоржектального материала, представленного э Ш, показывает, что подобные расхс:.<дония ё* полях имеют место и з р*-п переводах на основе 1пЗЬ, т.е. наблкдаеми.* различия экспериментальных и теоретических заьлскмост-гЧ Л (Н> не связаны с особенностями конкретных структур, а у-мек? единую физическую природу.

Экспериментальные результаты для скрещенных пелей Ни.2 удается объяснить при учете многократного нерезснансного ргссеяния в процессе туннелирования под барьером (раздел 5.2). На 'зопмех-нос^ь рассеяния при тукнелирозэщгц в поялх Н±Е было обращено внимание в работе [21, а в работах [5,6] многократное рассеяние было учтено при анализе тувиоларования через диэлектрически!-! барьер. В отсутствие информации о параметрах рассеивающих центров и их пространственного распределения результаты эксперимента обсуждаются в рамках феноменологического подхода. Учет под-барьерного рассеяния не только приводит к снятию порога эффеке-та по МИ и увеличивает туннельную прозрачность барьера, но и меняет характер зависимостей <7й(Н). В скрещенных полях НхЕ до-

по.'Евггелькгй мшжппй потенциал <р„щ2х2/2, набираемый в

Н 1с

направления туннелирования х^Е, сбрасывается при каждом акте рассеяния до пуля. Б результате многократного рассеяния фк(х) перестает возрастать монотонно и становится "пилообразным". что приводит к росту эффективного барьера на величину

ЩГ «(Ь'ЪНфЛх) йх = и «гЬг/б,

— ' Н 1с

О

где Iг- эффективная длина 'рассеяния. Поскольку длила прыжка при :свантовой дяффугнн порядка магнитной длины А. =(сь/еН)1/г, то £ф". ~ьи_(Ьг/3^)/2 и влияние га в этом случае аналогично ситуации Ки5, когда приращение высоты барьера Показано, что при учете рассеяния нормированный туннельный ток ео всем диапазоне Н, как и при НнЕ, зависит только от отношения магнитного и электрического шлей (К)Л1„(0)— кт*(1/к )г—Н/Е (что

*" £ \ Н

полностью согласуется с экспериментом), тогда как в ремках теории, не учитывающей рассеяния Зш. (Н)/<7, (0)—АС)сгпя/сг22, т.е.

при Н<Нег пропорционален -Н2/Е3 (А°=тагу<;э/епЕ-- показатель туннельной экспоненты'при Е-0) и ^(Н) равен нулю при Н^Н . Эффективная длина рассеяния 1, определенная из отношения ветчин эффектов в двух ориепгациях И, для всех исследованных нами структур, а так же для р*-п переходов на -основе Ь&Ь (величины Ъ рассчитаны по данным работы и]), пропорциональна (Н)"1/2 и для всего исследованного диапазона Н, Е и Т близка к магнитной длине (Ьз(1.7-2)Ан).

В разделе 5.3 обсуждаются особенности эффектов в МП для других мэханизмов туннелирозания - через ГУ и термо-активацгон-кого, а такие для надбарьерной термозмиссии в ВН. Если основные закономерности туннелирования через ГУ в МП аналогичны таковым для прямого межзонного туннелирования, то магнитополевые эффекты для термополевой и полеЕой эмиссии существенно различны. В ЕШ пои высоких темпегатурах Т>? , оптимальная для тунне-

ГП 1 Г1

лирования энергия , а следовательно и длина туннелирования . а -(ср-е )/еЕ, зависят от Т, Е и от величины Н, что в конечном

I О т

итоге приводит к иным, чем при низких температурах (Т~0), зависимостям термо-активационного туннелирования в Ш от состава исходного материала, температуры и величины обратного смещения

-г»

(ЭШ. в этом случае InJ (H)/J (0)~,-ьы /2кТ—Н/ш'Г, тогда как

Т Т 1 с 1

при туннелировании с уровня Ферми металла lnJ (H)/J (0>~ —2\°т /8 =-Vf—Н/Е. При этом как для термо-акт?!Вп;люшого, так и для туннелирования через ГУ, основные закснсмзрносях экспериментально наблюдаемых, эффектов б скребенных поляк HiE близки таковым при НиЕ и хорошо описываются л.гшь при учете нерезо-напского подбарьерного рассеяния при использовании значений длины рассеяния L, измеренной ь области í-.? ^ и V>7, , где доминирует прямое мекзонкое туннелйроьанае.

Неожиданно сильное умянызени* надоарьеоног о тесмоэмиссюн-цого тока в Ш, характерное для вс^х исслкловгнанх составов кз 2-3 роза в пол.-a Н~ ЮкЭ к в 5- 10ряч< при г.-45кЭ), не может Оагь последов а гелыо объяснено ь рамк&х сз^естнах механизмов и требует дополнительи«л исследований. Однако некоторые общие для всех. Ш закономерноега укачу?аю? на то, что столь сильные эффекты б относительно сл-'.-сых МП сЗДсяоелдеш носителями с малой массой (лвгкнэ дыркк и электрод) и подтверждают вывода, сделанные в глгг.чс- 3, о сел&ктивасй роли очленоге слоя ка границе раздела м«тэ.5,л-иолуп?01'0.,ших, тунн-эльно-крозрачного дизь для легких носителей.

В рззлоле 5.4 приводят':.-! р&ульгаты исследования спектр dlts я сбсувдавтся возможные прачки otcj ггтвяя спгяолсв í-lis, связьжшх с ГУ.

р. -заключении сформулирована яьабо; ц сут-с.гв&нгаа ртауль-vaiii, полученные в рамкзх диссертешюньл! padora, и отмечены некоторые нерешенные с достаточной строгостью проблем.

ООК-ХУсЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ моту? <&ть КС'Ч'НС сформулировав сдед-тогм образен:

1. Впервые исследовано эксперимента-чло и теоретически туннелирование в магнитном поле в барьерных структурах металл-полупроводник, в которых, в отличие от исследованных ранее туннельных р-n переходов, удается рЗализсзать условия однородного электрического поля и, как следствие, провести корректное сопоставление эксперимента и теоретических --оделей. а

2. Выяснена специфика механизмов токопереноса в барьерах Шоттки на основе Hg Cci Те, связанная с особенностями узкоще-

левого состояния. Обнаружены особенности в температурных и маг-яитополешх завис.!:',остах тока насыщения, связанные с наличием на границе раздел? металл-полупроводник тонкого окисного слоя толыиной 0<2нм, туннельно прозрачного для легких дырок и электронов и практически непроницаемого для тяжелых дырок. Экспериментально обнаруженная аномалия в тешературных зависимостях обратного туннельного тока в барьерах Шоттки РЬ-р-Н£ Сй Те (наличие глубокого минимума) обусловлена положительными темпе-ратурннми коэффициентами высоты барьера сро и эффективных масс легких дырок т[ и конкуренцией полевых и термополевых механизмов токопереноса.

3. Впервые исследовано тункелироватше з магнитном поле в барьерах Шоттки и р-п переходах на основе узкоцелевого Ед^^Сй^Те (х-0,2-0,29). Малые значения ширина запрещенной зоны е (высоты барьера <р0еО£ ) и эффективных масс определяют высокую туннельную прозрачность барьеров в относительно слабых электрических полях Е-1О4В/см, что приводит к значительно больсему падений кежзонного туннельного тока в магнитном поле (до 10 раз и более уае в умеренных полях Н-50кЭ) по сравнению со структурами на основе ширскозонных полупроводникев, где величина эффекта не превышает 5-205?.

4. Экспериментально установлено и теоретически объяснено, что для узкощелевых кейновских полупроводников в ориентации НяЕ величина магнито-туннельяых эффектов не зависит от зонных параметров материала и однозначно определяется отношением магнитного i электрического палей, а именно параметре?« 7=еН/сЕ.

5. Обнаружено, что экспериментальные магнитополевые зависимости межзонного туннельного тока в скрещенных полях НаЕ качественно расходятся о традиционной теорией, в том числе, не обнаружено особенностей, предсказываемых вблизи критических полей Нсг=сЕ/з. Экспериментальные результаты удается объяснить при учете многократного нерезонапеного подбарьерного рассеяния, которое приводит к снятию порога эффекта по магнитному полю,'Увеличивает туннельную прозрачность барьера и изменяет характер магнитополевых зависимостей мегзеннэго туннельного тока. При этом величина эффекта, как и б случае параллельной ориентации, зависит только от параметра»7=зН/сВ и длины рассеяния. Показа-

но, что эффективная длина рассеяния,1 может быть определена из отношения величин эффектов в двух ориентациях. Для всех исследованных структур I близка к магнитной длине, как это ожидается для квантовой диффузии в магнитном поле.

6. Впервые исследовано туннелировакие через глубокие уровни и термо-активационное туннелирование в магнитном поле. Меньшая величина эффектов для туннелированкя через глубокие уровни обусловлена меньшей эффективной длиной тушелирозания (а^гв^/еЕ) по сравнению с ее значением (аз^.з^/еЕ) для межзонкогс- тунне-лировэпия. Влияние магнитного поля на термо-актизационный туннельный ток определяется параметром huw'gkT-H/n^T (в отличие от зЕ/сЕ при туннелировании с уровня Ферми металла при низких температурах) .

Основное содержание работы отрааено в следующих публикациях:

1. Завьялов В.Б., Раданцев В.Ф., Кулаев Г.И. Механизмы то-копзреноса в близких к идеальны?! барьерах Шоттки на основе узкощелевого p-HgCdTe./7 Респ. конф. по физике и химии поверхности и границы раздела узкощелэвых полупроводников. Тез. докл., Львов - 1930- С.4-'¡-42.

2. Завьялов В.В., Раданцев В^Ф., Дерябина Т.И. Туннелирование в KgCüTe (х=0,2-0,3) барьерах Шоттки з квантующих магнитных полях.// Респ. конф. по физике и химик поверхности и границы раздела узксщелевых полупроводников. Тез. докл., Львов -1990- С.43-49.

3. Завьялов Б.В., Раданцев В.Ф. Особенности туннелироваюм в продольных и скрещенных полях в барьерных структурах на основе HgCdTe. // XII Всесоюзн. конф. по физике п/п. Тез. докл., ч.2, Киев - 1990— С.323-324.

4. Зльялов В.В., Раданцев В.Ф., Дерябина Т.И. Особенности туннелированкя в барьерах Шоттки на основе узксщелевого полупроводника p-Hgi_)fCclxTe.// ФТП - 1992- Т.26., В.4.- С.691-702.

5. Zav'ialov V.7., Radantsev V.F. Magnetotunneling in Fa-p-Eg^^Cd^Te Schottky barriers. // Intern. Coni. on narrow-gap semiconductors. Abstracts, Southempton, UK - 1993 - P.i22.

6.Завьялов B.B., Раданцев В.Ф. Туннельные переходы в барьерных структурах на основе узкощелевого Hg^Cd^Te в магнитном