Влияние электрического поля на магнитосопротивление германия и арменида галлия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. КИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ГЕРМАНИИ И АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ

1.1. Магниторезистивный эффект в полупроводниках

I.I.2. Перенос зарядов по примесям

1.2. Влияние геометрических размеров образца на величину маг-нитосопротивления

1.3. Влияние электрического поля на величину магниторезистив-ного эффекта

Изучение явлений переноса зарядов в полупроводниках позволяет получать сведения о зонной структуре энергетического спектра, механизмах релаксации энергии и импульса носителей заряда, энергетических уровнях нарушений структуры в запрещенной зоне и других характеристиках полупроводниковых материалов. Особый интерес представляет изучение кинетических эффектов при низких температурах и одновременном наложении электрического и магнитного полей. В этом случае легированный кристал можно рассматривать как частный случай неупорядоченной системы. Физика неупорядоченных систем, сформировавшаяся в основном за последние полтора десятилетия, превратилась в одно из ведущих направлений развития физики конденсированного состояния /1,2/. При этом интерес к изучению явлений переноса в таких системах имеет не только чисто научное значение} богатство и разнообразие свойств, простота получения неупорядоченных систем по сравнению с кристаллами, указывают на широкие перспективы из практического применения.

При низких температурах в легированных полупроводниках в магнитном поле обнаружены ряд интересных эффектов: уменьшение и экспоненциальный рост сопротивления /3,4/. Для описания этих явлений предложены различные теоретические модели, многие из которых в настоящее время находятся в стадии интенсивной экспериментальной проверки.

Исследование явлений переноса заряда в полупроводниках в сильном электрическом поле имеет самостоятельное научное и практическое значение. Эффекты сильного поля либо лежат в основе работы многих твердотельных приборов, либо неизбежно сопутствуют ей. Ударная ионизация мелких донорных уровней, уменьшение рекомбинации, туннелирование носителей заряда в сильном электрическом поле и т.д. приводят к появлению ряда особенностей на вольтамперных характеристиках однородных кристаллов. Можно ожидать, что одновременное наложение сильного электрического и магнитного полей приведет к появлению новых особенностей в протекании явлений переноса зарядов, зависящих как от механизма изменения проводимости кристалла в электрическом, так и от механизма ее изменения в магнитном поле.

Вместе с тем надо отметить, что исследование явлений переноса зарядов в магнитном поле проводилось преимущественно в слабых электрических полях для проводимости по основной зоне или по примесям. Оставались недостаточно изученными вопросы влияния электрического поля на величину и характер магниторезис-тивного эффекта в случае переноса заряда по мелким примесным состояниям, недостаточно разработаны способы и устройства для регистрации магнитного поля при низких температурах, а также создания магниточувствительных датчиков для криоэлектроники.

Цель работы состояла в исследовании явлений переноса зарядов в германии и арсениде галлия л- - типа при зонном и примесном механизмах проводимости, изучении влияния электрического поля на величину и характер магниторезистивного эффекта при низких температурах, разработке методических основ постановки лабораторных работ по изучению магнитосопротивления полупроводников, а также установлении возможности применения полученных результатов для создания способов и устройств криоэлектроники .

Научная новизна заключается в следующем:

- впервые экспериментально исследовано влияние электрического поля на величину и характер магниторезистивного эффекта в германии при примесном пробое, а также влияние геометрических размеров образца на величину отрицательного магнитосопротивле-ния.

- установлено, что в слабо и промежуточно легированных кристаллах германия и слабо легированных арсенида галлия при электрическом поле, большем поля примесного пробоя, наблюдается резкое возрастание положительного магнитосопротивления, а также гистерезисный эффект в магнитосопротивлении.

- установлено, что в германии отрицательное магнитосопро-тизление не зависит от приложенного к образцу электрического поля из-за слияния примесной зоны с зоной проводимости.

- показано, что зависимость величины отрицательного магнитосопротивления от геометрических размеров образца определяется вкладом геометрического эффекта в положительную компоненту магнитосопротивления.

- экспериментально обнаружено, что в промежуточно легированных образцах арсенида галлия П - типа в электрическом поле изменяется не только величина, но и характер магниторезистивного эффекта, то есть наблюдается переход от отрицательного магниторезистивного эффекта к положительному. Установлено, что критическая напряженность электрического поля перехода меньше поля примесного пробоя.

- предложен новый способ измерения магнитного поля при криогенных температурах.

На защиту выносятся:

- результаты исследования влияния электрического поля на величину и характер магниторезистивного эффекта в арсениде галлия и германии п. - типа при Т = 4,2 К.

- модели изменения положительного и отрицательного магни-тосопротивления в электрическом поле, учитывающие уменьшение проводимости по мелким примесным состояниям и ее увеличение по С-зоне из-за появления неравновесных носителей, а также уменьшения рекомбинации носителей в зоне проводимости.

- модель проявления геометрического эффекта в отрицательном магнитосопротивлении германия при Т = 4,2 К, учитывающая изменение положительной компоненты МС при изменении геометрических размеров образца.

Основные результаты диссертации изложены в опубликованных и посланных в печать: семи статьях, одной заявке на изобретение и одних тезисах конференции.

Работа выполнена на кафедре физики полупроводников физического факультета Белорусского государственного университета имени В.И.Ленина. Результаты работы внедрены в учебный процесс путем постановки двух новых лабораторных работ.

В заключении считаю своим приятным долгом выразить благодарность своим научным руководителям кандидату физико-математических наук доценту Стельмаху В.Ф., кандидату физико-математических наук ассистенту Лукашевичу М.Г. за большую помощь при выполнении диссертационной работы. Я благодарен Вариченко B.C., Гришанову В.А., Курганскому В.В. и всему коллективу кафедры физики полупроводников за моральную поддержку и создание дружеской атмосферы, способствовавшей работе над диссертацией. Благодарю также Пазушко Р.Д. за большую помощь в оформлении диссертационной работы.

4.4. Заключение

1. Изучены электрические характеристики образцов G* /U П- типа путем измерения температурных зависимостей коэффициента Холла, удельного сопротивления и подвижности носителей заряда, в интервале температур 4,2 - 300 К. Показано, что исследуемые образцы достаточно однородны по толщине и площади. В кристаллах

ТА с Не < Ю при Т = 4,2 К преобладает проводимость по мелким примесным состояниям.

2. Изучен низкотемпературный примесной пробой в образцах К, - GaAs с разным уровнем легирования. Установлено, что в кристаллах с промежуточной степенью легирования наблюдается нелинейность ВАХ в предпробойных электрических полях, которая обусловлена перераспределением носителей между примесной зоной и зоной проводимости в электрическом поле. В слабо легированных образцах нелинейность ВАХ в предпробойных полях незначительна.

3. Изучены магнитополевые зависимости МС при зонном и примесном механизмах проводимости. В случае переноса заряда по С-зоне МС положительно, а величина коэффициента МС согласуется с расчетом при учете смешанного механизма рассеяния. В случае проводимости по примесям МС положительно в слабо легированных образцах. В промежуточно легированных кристаллах МС отрицательно в слабых магнитных полях. С ростом напряженности магнитного поля оно насыщается и затем переходит в область положительного МС.

4. Исследовано влияние электрического поля на величину и характер МС для случая проводимости по примесям. Установлено, что в промежуточно легированных образцах Go-As а- типа ОМС наблюдается только в слабом электрическом поле. В электрическом поле, большем поля примесного пробоя, магнитосопротивление положительно. Установлено, что переход от отрицательного МС к положительному происходит в электрическом поле, меньшем поля пробоя. Предложена модель для объяснения изменения МС в электрическом поле, учитывающая уменьшение отрицательной компоненты МС вследствие уменьшения концентрации магнитных центров и увеличение положительной из-за появления неравновесных носителей в зоне проводимости.

5. В случае слабо легированных кристаллов обнаружено резкое возрастание МС практически без изменения напряженности магнитного поля, вызываемое срывом примесного пробоя, а также гис-теризисный эффект в МС, связанный с наличием двух устойчивых и одного неустойчивого состояния, характеризуемых разными величинами концентрации носителей заряда и их подвижности.

1. Мотт Н., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах. - 2-е изд., перераб. и доп. в 2-х томах. - М.: Мир, 1982, 664 с.

2. Звягин И.П. Кинетические явления в неупорядоченных полупроводниках. Издательство Московского университета, 1984, 189 с.

3. Michael N. Alexander., Donald P. Holcomb. Semiconductоr-to-Metal Transition in n-type Groupe IV Semiconductors. Rev. of. Modern, phys. v.40, No 4, 1968, p. 815-829.

4. Шкловский Б.М., Эфрос А.Л. Электронные свойства легированных полупроводников. М.: Наука, 1979, 416 с.

5. Аскеров Б.М. Кинетические эффекты в полупроводниках. -Л.: Наука, 1970, 303 с.

6. Киреев П.С. Шизика полупроводников. М.: Высшая школа, 1975, 583 с.

7. Смит Р. Полупроводники. М.: ИЛ, 1962, 467 с.

8. Gooch С.Н. Hilsum С., Holeman B.R. Propertiers of semi-insulatiny GaAs. J. Appl. Phys. 1961, v.32, No 10, p. 2069-2073.

9. Заварицкая Э.И. Ударная ионизация примесей в германии при низких температурах. В сб. трудов ордена Ленина физического института им. П.И.Лебедева АН СССР, 1966, т.37, с. 41-101.

10. Лукашевич М.Г., Стельмах В.Ф. Особенности низкотемпературного примесного пробоя в эпитаксиальном арсениде галлия. -Вестник БГУ им. В.И.Ленина, сер.1, "Физ-мат.-мех.", 1981, № 3, с. 37-38.

11. Ионов А.Н., Шлимак И.С. Эффект Кондо в вырожденном германии, легированном немагнитными примесями. Физика и техника полупроводников, 1977, т.II, №4, с. 741-747.

12. Ионов А.Н. Проводимость и аномальное магнитосопротив-ление /1-Ge в области перехода полупроводник-металл. Шизика и техника полупроводников, 1980, т.14, № 7, с. 1287-1292.

13. Nasledov D.N. Energy of Spectrum and scattering of current carriers in Gallium Arsenide. J. Appl. phys., 1961, v. 32, No 10, p. 2140-2145.

14. Гасанли Ш.М., Емельяненко O.B., Лагунова Т.О., Насле-дов Д.Н. О природе отрицательного магнитосопротивления в M-G-aAs. Физика и техника полупроводников, 1972, т.6, № 10, с. 20102014.

15. Емельяненко О.В., Воронова И.Д., Наследов Д.Н., Урманов Н.А. Магнитосопротивление в слабо легированном и-Оакsnpn низких температурах. Физика и техника полупроводников, 1969, т.З, № II, с. I6I2-I6I5.

16. Арсенид галлия. Получение, свойства и применение. (Под ред. Ф.П.Кесаманлы и Д.Н.Наследова) М.: Наука, 1973, 472 с.

17. Toyozawa Y. Theory of Localized spins and Negative Magnitoresistance in Metallic Impyrity Condaction. J. phys. Soc. Japan, 1962, v. 17, No 6, p. 986-1024.

18. Шмарцев Ю.В., Шендер Е.Ф., Полянская.Т.А. Отрицательное магнитосопротивление и локализованные магнитные состоянияв полупроводниках. Физика и техника полупроводников, 1970, т.4, № 12, с. 23II-232I.

19. Емельяненко О.В., Лагунова Т.С., Масагутов К.Г., Наследов Д.Н., Недеогло Д.Д. Исследование отрицательного магнитосопротивления вИ-JnP . Физика и техника полупроводников, 1975, т.9, № 8, с. I5I7-I522.

20. Yosida К. Anomalous Electrical Resistivity and Magne-toresistance due to an S-d Jnteractions in Cu-Mn Alloys. Phys. Rev., 1957, v. 107, No 2, p. 396-404.

21. Kawabata A. Theory of Negative Magnetoresistance. 1. Application to Heavily Doped Semiconductors. Journ. phys. Soc. Japan. 1980, v. 49, No 2, p. 628-637.

22. Аронов А.Г. Новое объяснение ОМС. В сб. Труды Всесоюзной конференции по физике полупроводников. Баку, "ЭЛМН, 1982, т.1, 9-II с.

23. Sladek R.J. Magnetically induced impurity banding. -J. phys. Chem. Soc., 1958, v. 5, p. 157.

24. Mikoshiba N. Strong-Pield Magnetoresistance of impurity Condaction in n-type Germanium. phys. Rev., 1962, v. 127, No 6, p. 1962-1969.

25. Шкловский Б.И. Прыжковая проводимость полупроводников в сильном магнитном поле. %рнал экспериментальной и теоретической физики, 1971, т.61, № 5, с. 2033-2040.

26. Емельяненко О.В., Наследов Д.Н., Недеогло Д.Д., Тимченко И.Н. Магнитосопротивление эпитаксиальных слоев tl ~GaA$. Известия АН Молдавской ССР, физ.-техн. и мат. наук, 1972, т.1, с. 64-67.

27. Емельяненко О.В., Лагунова Т.С., Наследов Д.Н., Недеогло Д.Д., Тимченко И.Н. Проводимость по примесям в tt-G-e/s.- Физика и техника полупроводников, 1973, т.7, № 10, с. 19191924.

28. Lemoine D. Pelletier С., Rolland S. Granger R. Hopping Condaction in Epitacxial n-GaAs Layer. phys. Lett., 1976,v. 56A, No 6, p. 493-494.

29. Матвеев Г.А. Переход металл-полупроводник в п- Gra. As в сильных магнитных полях. Физика и техника полупроводников, 1981, т.15, № 12, с. 2333-2338.

30. Lippman H.J. Kurt P. Der Geometrieeiuflu anf den Tran-sversalen Magnetishen Widerstandseffekt bei rechteckformigen

31. Halhleiterplatten. Zs. Naturforch, 1958, v. 13a, No 6, p. 462474.

32. Соколов Ю.Ф., Степанов Б.Г. Физические основы использования эффекта магнитосопротивления для измерения подвижности и концентрации носителей тока. Микроэлектроника, 1974, т.З, № 2, с. 142-153.

33. Simmous С.A. Influence of the Hall Effect upon the Transverse Magnetoresistance in Indium Antimonide. J. Appl. phys., 1961, v. 32, No 10, p. 1970-1974.

34. Соколов Ю.Ф., Гастев B.B. Магнитосопротивление полупроводниковых образцов конечных размеров и- JVi Si при 77 К. Физика и техника полупроводников, 1975, т.9, № 9, с. 1694-1700.

35. Вул Б.М., Котельникова Н.В., Заварицкая Э.М., Воронова Й.Д. Влияние разогрева электронного газа на эффект отрицательного магнитосопротивления в компенсированном арсениде галлия. -Физика и техника полупроводников, 1977, т.II, № 3, с. 573-574.

36. Вул Б.М., Заварицкая Э.М., Воронова Н.Д., Рождественская Н.В. Горячие электроны при низких температурах в компенсированном арсениде галлия. Физика и техника полупроводников, 1973, т.7, № 9, с. 1766-1770.

37. Забродский А.Г., Ионов А.И., Шлимак И.С. Влияние электрических и магнитных полей на перенос заряда в сильно легированных и компенсированных полупроводниках. Физика и техника полупроводников, 1974, т.8, № 3, с. 503-508.

38. Авдеев О.Н., Димов Э.М., Колесников К.Д., Милованов A.M. Полупроводниковые системы управления тиристорными преобразованиями. Куйбышев, 1967, 126 с.

39. Кучис Е.В. Методы исследования эффекта Холла. М.: Советское радио, 1974, 828 с.

40. Vender Pauw L.I. A method of Measuring Specific Resistivity and Hall Effect of Discs of Arbitrary Shape. phy-lips. Res. Report, 1958, v. 13, No 1, p. 1-9.

41. Кравченко А.Ф., Морозов Б.В., Скок Э.М. Анализ подвижности в эпитаксиальных слоях арсенида галлия. Физика и техника полупроводников, 1972, т.6, № II, с. 2163-2167.

42. Fritzsche Н. Resistivity and Hall Coefficient of Antimony Doped Germanium at bow temperaturies. - J. phys. chem. Solids, 1958, v. 6, p. 69-80.

43. Матвеев Г.А., Соколов В.И., Цидильковский И.М., Шелушинина Н.Г. Проводимость по примесной зоне в tl-Cre в сильных магнитных полях. Физ. и техн. полупроводников, 1975, т.9, №9, с. 1674-1679.

44. Полянская Т.А., Сайдышев И.И. О влиянии формы образца и контактов на характер поведения отрицательного магнитосопротивления в области слабых магнитных полей. Физика и техника полупроводников, 1975, т.З, $ I, с. 153-155.

45. Глушков Е.А., Резцов В.Ф. Эффекты отрицательного геометрического магнитосопротивления эпитаксиальных слоев арсенида галлия с проводящими включениями. Украинский физический журнал, 1982, т.27, № 7, с. II02-II04.

46. Furukawa Y. Magnetoresistance in Heavily Doped n-type Germanium. J. phys. Soc. Japan., 1962, v. 17, p. 630-638.

47. Isemberg I., Russeal B.R., Greens R.F. Improved method for measuring Hall Coefficient. Rev. Sci. Instr., 1948, v. 19, No 10, p. 685-688.

48. Лукашевич М.Г., Лукашевич Т.А., Стельмах В.Ф. Способ измерения магнитного поля. Авторское свидетельство СССР349883, 1983.

49. Лукашевич М.Г., Лукашевич Т.А., Стельмах В.Ф. Магнитометр. Авторское свидетельство СССР, № 993178, 1982.

50. Емельяненко О.В., Лагунова Т.С., Наследов Д.Н., Телегин А.А., Чугуева З.И. Экранирование и энергетический спектр электронов в Get As легированном мелкими донорами. Физикаи техника полупроводников, 1976, т.Ю, № 7, с. 1280-1286.

51. Емельяненко О.В., Наследов Д.И., Недеогло Д.Д.

52. Разогрев электронов в Ста- As и J* Р при низких температурах. -Физика твердого тела, 1973, т.15, № 6, с. I7I2-I7I7.

53. Френкель Я.И. К теории электрического пробоя в диэлектриках и электронных полупроводниках. Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1938, т.8, № 12, с. I292-I30I.

54. Воронина Т.И., Емельяненко О.В., Наследов Д.Н., Недеогло О.Д. Магнитосопротивление и рассеяние электронов на полярных оптических колебаниях в чистых кристаллах GaAs и Jn Р .Физика и техника полупроводников, 1973, т.7, I 7, с. 1382-1387.

55. Лукашевич М.Г., Стельмах В.Ф. Геометрический эффект в магнитосопротивлении эпитаксиального арсенида галлия при низких температурах. Физика и техника полупроводников, 1980,т.14, № I, с. II4-II7.

56. Кравченко А.Ф., Морозов Б.В., Половинчин В.Г., Скок Э.М. Гальванотермомагнитные коэффициенты в ft-GaAs . В сб. Арсенид галлия, Томск: издательство ТГУ, 1974, вып.4, с. 2122.

57. Лукашевич М.Г., Стельмах В.Ф. Влияние электрического поля на отрицательное магнитосопротивление в эпитаксиальном ар-сениде галлия. Физика и техника полупроводников, 1980, т.14, №8, с. 1656-1658.

58. Лукашевич М.Г. Влияние электрического поля на положительное магнитосопротивление п-GaAs при низких температурах. Известия высших учебных заведений. Физика, 1982, № I, с. X00-I02.

59. Лукашевич М.Г., Стельмах В.Ф. Влияние электрического поля на величину и характер магнитополевой зависимости сопротивления n-Ga,Aj . Физика соединений Новосибирск, 1981,с. 228-229.

60. Камара М.С., Кохан Е.К., Лукашевич М.Г. Изменение магнитосопротивления арсенида галлия в электрическом поле. -Вестник БГУ им. В.И.Ленина, сер. физ.-мат. наук, 1984, № I, с. 23-25.

61. Кагаага M.S., Lukashevich M.G., Stelmakh V.F. Electric Field Influence on n-GaAs Magnetoresistance in Impurity Conduction. Phys. Stat. Sol. (a), 1984, v. 84, No 2, p. 613-619.

62. Jervis T.R., Jhonson E.F. Geometrical Magnetoresistance and Kali Mobility in Gann Effect Devices. Solid. State Electronics, 1970, v. 13, No 2, p. 181-189.

63. Adams E.N., Holstein T.D. Quantum theory of transverse Galvanomagnetic Phenomena, J. phys. Chem. Solids, 1959, v. 10, No 4, p. 254-276.

64. Mott N.F. Knight Shiff at an Anderson transition. phil, Mag., 1974, v. 25, No 1, p. 59-63.

65. Ницович B.M., Дидора Т.Д. Отрицательное магнитосопротивление в легированных полупроводниках. Украинский физический журнал, 1978, т.23, № 2, с. 182-187.

66. Khosla R.P., Fischer J.R., Magnetoresistance in Degenerate Cdfi., Localized Magnetic Moments. Phys. Rev., В., 1970, v. 2, No 10, p. 4085-4097.