Способ определения эффективного @ -фактора носителей заряда в полупроводниках

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕК- . ТИВНОГО -ФАКТОРА НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ, основанный на по- . мещении.образца в магнитное поле, приложении к образцу электрическогр напряжения, регистрации осцилляции параметра образца, определении д-фактора расчетным путем, о т л и чающийся тем, что, с целью обес- ; печения локальности измерений и расширения функциональных возможностей способа путем обеспечения определения энергетической зависимости д-фактора , на исследуемом образце изготавливают локальный туннельный контакт, регистрируют зависимость дифференци ального магнитосопротивления от напряжения на туннельном контакте и по величине спинового расщепления-уровня Ландау определяют эффективный дфактор носителей заряда для энергий eVt4eV + Е. С гдеСр - энергия Ферми материала йсi следуемого образца; заряд электрона; е (О V и Vi знамения напряжений .на туннельном контакте, при которых наблюдаются осцилляции, связанные со;спиновыми подуровнями уровня Ландау, прИ этом знак напряжения, соответствует знаку потенциала на полупроводнике, сд 4; ч

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИА ЛИСТ И4ЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

am SU

3(51) H 01 L 21/66

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ еЧ ФeV4

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3439548/18-25 (22) 31.03.82(46) 07.09.83. Бюл. Н 33 (72) Л.П.Зверев, В.В.Кружаев,,Г.И.Ииньков и О.Э.Рут (71) Уральский ордена Трудового

Красного Знамени государственный университет им. А.И.Горького (53) 621.382(088.,8) (56) 1. Цидильковский Н.И. Электро-... ны и.дырки в полупроводниках. И., :"Наука", 1972, с. 568.

2, Зеегер К.физика. полупроводни-, ков., И ., "Иир", 1977, с. 371 (иро. тотип). (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОГО@ -ФАКТОРА НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА

В ПОЛУПРОВОДЙИКАХ, основанный на по-. мещении,образца в магнитное поле, приложении к образцу электрического напряжения, регистрации осцилляции параметра образца, определении g-фактора расчетным путем, о т л и ч а.ю шийся тем, что, с целью обес-, печения локальности измерений и рас- ширения функциональных возможностей способа путем обеспечения определения энергетической зависимости g-фактора, на исследуемом образце изготавливают локальный туннельный контакт, регистрируют зависимость дифференциального магнитосопротивления от на" пряжения на туннельном контакте и по величине спинового расщепления уровня Ландау определяют эффективный g-. фактор носителей заряда для энергий где р - энергия ферми материала ис-. следуемого образца;. Я е - заряд электрона; тт u Vk - значения напряиений .на тун- (/), нельном контакте, при которых наблюдаются осцилляции, - ъ. связанные со,спиновыми подуровнями уровня Ландау, при этом знак напряжения. соот ветствует знаку потенциала на.полупроводнике.

1 10405

Изобретение относится к исследованию физических свойств и определению параметров кристаллических веществ в частности к изучению энергетического спектра полупроводников, и может быть использовано при исследовании параметров материалов, применяемых в полупроводниковой электронике, а также для научных исследований.

Известен способ определения эф 1О фективного g-фактора носителей заряда в полупроводниках с помощью спин-магнитофононного резонанса (СИФР). В способе невырожденный полупроводник помещают в магнитное поле и регистрируют осцилляции магнитосопротивления образца при изме; нении магнитного поля. На наблюдаемых кривых выделяют пик, связанный с переходом носителя заряда между спиновыми подуровнями уровня Ландау (спин-магнитофононным резонансом), Поскольку этот переход обусловлен неупругим рассеянием с участием оптического фонона, условием наблюде- 2S ния СМФР является равенство энергий оптического фонона и спинового расщепления уровня Ландау о Р8 ю

30 где Нщ - напряженность магнитного поля, при котором наблюдается пик в магнитосопротивлении, hwo - энергия оптического фонона;

- магнетон Бора;

g+ - эффективный g-фактор.

Из выражения (1) расчетным путем определяют значение g" на дне зоны разрешенных энергий $1) .

Недостатком способа является то, что эффективный g-фактор определяют лишь при энергии, соответствующей дну зоны . Кроме того не представляется возможным исследовать зависимость.g от энергии. Способ не дает возможности локального определения g, поскольку получаемый результат является усредненным по области, обьем которой определяется произведением поперечного сечения образца

50 на расстояние между контактами (в лучшем случае V (10 -10 ) см . Интерпретация наблюдаемых осцилляций затруднена наличием большого числа максимумов, не связанных со спинмагнитофононным резонансом. В ре альных условиях требуются большие маг. нитные поля (Н - (3-5) ° 10 Гс) для

47 2 выполнения условия наблюдения спин-. магнитофононного резонанса. Для определения g необходимо знать энергию оптического фонона hw что требует дополнительных измерений.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ определения эффективного gфактора носителей заряда в полупроводниках, основанный на помещении образца в магнитное поле, приложении к образцу электрического напряжения, регистрации осцилляции параметра образца, определении g-фактора расчетным путем (21.

В способе измеряют зависимость магнитосопротивления исследуемого вырожденного полупроводника от магнитного поля, Вследствие спинового расщепления уровней Ландау наблюда ется расщепление максимумов магнитосопротивления. По положению компонент расщепленных максимумов определяют эффективный g-фактор носителей заряда с использованием выражения Ь + m 2 (р

Е br cos(r — g †)cos(— г"

| o j=q 2 шо ис

- ), . (2) Рнгде — - относительная амплитуда осцилляций магнитосопротивления;

m - эффективная масса носителей в полупроводнике;

m - масса свободного электроо на;

-. энергия Ферми полупроводF ника;

hw " циклотронная энергия;

br - коэффициент, не зависящий от g-фактора.

Однако g+ .определяют лишь при одной, фиксированной для исследуемого материала энергии - энергии Ферми, кроме того, невозможно измерить энергетическую зависимость g».

Способ дает усредненное по образцу значение эффективного 9-фактора (ограничение на обьем такое же, как и для способа-аналога) и не позволяет производить локальных измерений.

Способ пригоден лишь для вырожденных полупроводников и не может быть использован для невырожденныхматериалов.

Для определения g необходимо знать величину эффективной: массы но1040547

25, 3 сителей заряда, определяемую независимо, Цель изобретения - обеспечение. локальности измерений и расширения функциональных возможностей путем обеспечения определения энергетической зависимости g-фактора.

Поставленная цель достигается согласно способу определения эффективного g-фактора носителей заряда в 10 полупроводниках, основанному на помещении образца в магнитное поле, приложении к образцу электрического, напряжения, регистрации осцилляции параметра образца, определении g-фак- 15 тора расчетным путем, на исследуемом образце изготавливают локальный туннельный контакт, регистрируют зависимость дифференциального магнитосопротивления от напряжения на тун- 20 нельном, контакте и по величине спинового расщепления уровня Ландау . определяют эффективный g-фактор носителей заряда,для энергии

eV 1

2 где Fp - энергия Ферми материала исследуемого образца; е - заряд электрона;

Vt и ЧЬ вЂ” значения напряжений на тун- щ0 нельном контакте,при которых наблюдается осцилляции, связанные со спиновыми подуров1 нями уровня Ландау, при этом; знак напряжения соответству 35 ет знаку потенциала на полу-проводнике.

На чертеже приведен график экспериментальной зависимости дифференциального магнитосопротивления от напряжения на туннельном контакте для магнитных полей

20,30,40 кГс (кривые 1-3 соответственно).

Сущность способа заключается в следующем.

Туннельный ток системы металл-тун45 нельный барьер-полупроводник описывается выражением

fF+eV

I (V) =a (Н(Е) М(е)ее, (3)

50 где Ч(Я) - прозрачность барьера;

М(Я) - плотность состояний полу" проводника

А - константа (для наглядности выбран случай низких температур Т=О, однако выводы справедливы для любой температуры

Для туннельной проводимости (величины, обратной дифференциальному сопротивлению) из (3) можно получить

6 (V) = — = А W(Ee eV)-N(EeiåÍ)

ht (v) V (4)

Таким образом, дифференциалцное . сопротивление туннельного контакта при напряжении смещения V обратно пропорционально плотности .состояний полупроводника при энергииЯ = +eV.

F.

Если контакт помещают в магнитное поле, в плотности состояний полупроводника появляются максимумы, связанные со спиновыми подуровнями уровней Ландау. Это приводит, согласно выражению (4), к появлению минимумов в зависимости дифференциального магнитосопротивления от приложенного к туннельному контакту напряжения.

Расстояние между минимумами leVf -eV3( определяет величину эффективного

g-фактора (=IeVt eV4((5)

9 ц H °

Величина у», определенная с помо-. щью расчетной формулы (5), соответст-eV7+ eV4 вует энергии E = 2 + ., не равной энергии ферми. Исследуя..расщепление разных уровней Ландау, можно определить энергетическую зависимость эффективного g-фактора.

Исследуемый предлагаемым способом объем материала определяется произве" дением площади туннельного контакта на длину свободного пробега и составляет V, "- (10 -10 ) см, поэтому способ пригоден для локальных измерений.

Пример. Определение величины эффективного д-фактора электронов в р-Hg<„Сд,(Тее х 0,19. Туннельные контакты р-Йц „Cd„Te-А120 -Pb изготав" ливают по известной методике. Исследуемый образец механически шлифуют и полируют, травят в полирующем травителе 104-ном растворе брома в метаноле. После тщательной промывки образца на него термическим распылением в вакууме (1-2)- 10 Т наносят 30-500 А алюминия, который затем полностью окисляют в атмосфере кислорода. Свинец наносят термическим распылением через маску в вакууме (1-2) . 10 6 Т, образец имеет при этом комнатную температуру. Омические контакты к р-Hg, „Cd

1040547 6

Во время измерений образец с тун- ванном магнитном поле. Эксперименнельным контактом помещают в магнит-, тальные зависимости приведены на ное поле - в рабочий объем сверхпро- Фиг. 1 для магнитных полей 1-20 кГс, водящего соленоида ° Осцилляции диф- 2-30 кГс, 3-49 кГс. Стрелками указаференциального магнитосопротивления 5 ны положения спиново-расщепленных (или его производной по току) регист- подуровней уровней Ландау. Им соот,рируют с помощью устройства для ис-. ветствуют значения .напряжения V) и V), . следования малых нелинейностей во- используемые в формуле (5) для раслотамперных характеристик туннель- чета g . Значения энергии, которым

+ ных структур позволяющего осущест- 10 соответствуют рассчитанные таким обр

4( вить запись на двухкоординатном са- разом величины g, были определены мописце аависииости дифференциала-. ф,. . еЧттеЧт ного магнитосопротивления (или его р 2 производной по току) от напряжения . ного образца F> =-50 мэВ). на туннЕльном контакте при фиксиро- 15 Результаты представлены в таблице.

I д"j 150+10 110+7 70+7 48+5 35+5 30+5

После измерений туннельный кон- такт удаляют, при этом исследуемый

:образец .не претерпевает изменений и свойства его остаются идентичными свойствами исходного материала.

Использование предлагаемого спо-.. соба по сравнению с базовым позволя» ет определять .эффективный g-фактор носителей"заряда. в полупроводниках 30 при энергиях как больших, так и меньших энергии Ферми, определяемых вели " чиной приложенных к контакту .напряжения и магнитного поля; позволяет исследовать энергетическую зависимость 35 эффективного д-фактора на одном образце с фиксированной концентрацией. свободных носителей .и примесных цент. ров, а также с фиксированным химическим составом, что особенно удобно 40

I при изучении, твердых растворов; позволяет осуществлять локальные измерения; дает воэможность определять эффективный д- фактор как в вырожден-. ных, так и в невырожденных полупроводниках.

Для определения g"ôàêòîðà не требуется знания других характеристик исследуемого материала (например., эффективной массы m).

Предлагаемый способ позволяет повысить эффективность труда при научных исследованиях (для изучения .энергетической зависимости эффективного

g-фактора не требуется серии образ- цов с разной концентрацией носителей заряда) и дает возможность исследовать влияние легирования на энергети- ческий спектр полупроводника.

104054.7 с.

1 уРу

g p mme c 1У

470

ФО

Составитель Л.Смирнов

Редактор С.Юско Техред И.Гайду . Корректор А Повх

Тираж 703 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

i)3035, Иосква, 3t-35, Раущская наб., д. 4/5

Заказ 7580

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород. ул. Проектная, 4