2
ОГЛ А ВЛ Е НИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ...................................................... 5
ЧАСТЬ I. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА................................ 24
Глава 1. МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА... 24
1.1 Объекты исследования; отбор образцов.................. 24
1.2 Методика низкотемпературного эксперимента 44
1.3 Горячие электроны; тепловой режим..................... 61
ЧАСТЬ П.ТРЕХМЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ ГАЗ В КВАНТОВОМ ПРЕДЕЛЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ЭЛЕКТРОННОГО РАЗОГРЕВА.
Глава 2. МАГНЕТОФОНОННЫЙ РЕЗОНАНС В УЗКОЩЕЛЕВОМ
С(іхН§і.хТе........................................... 68
2.1.Магнетофононный резонанс в слабых электрических
полях................................................. 68
2.2.Магнегофононный резонанс в сильных электрических
полях.................................................. 79
Глава 3. МАГНЕТОФОНОННЫЙ РЕЗОНАІІС (МФР) КОНЦЕНТРАЦИИ В БЕСЩЕЛЕВОМ С<1хН&.хТе ПРИ
НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ....................... 94
3.1 Теория МФРК в бесщслевых полупроводниках 96
3.2 Магнетофононный резонанс концентрации и ВАХ в бесщелевых
кристаллах CdxHgi .хТе................................ 102
3.3 Анизотропия МФР на горячих носителях в теллуриде
ртути................................................. 126
ЧАСТЫ Ш. ДВУМЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ ГАЗ НА ПОВЕРХНОСТИ
CdxHgbxTe............................................. 148
Глава 4. КИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В CdxHgi.xTc ПРИ
РАЗМЕРНОМ КВАНТОВАНИИ СПЕКТРА ЭЛЕКТРОНОВ НА
ПОВЕРХНОСТИ 150
4.1 .Двумерные состояния на поверхности полупроводников 150
4.2.Квантовые осцилляции, обусловленные электронами на поверхности CdxHgl_xTe................................................. 158
4.3.Квантовое поглощение ультразвуковых волн двумерными носителями на поверхности................................ 182
4.4.Двумерный электронный газ и компоненты тензора сопротивления при долговременной экспозиции кристаллов на
воздухе.................................................... 185
ЧАСТЬ IV. ОСОБЕННОСТИ В РЕЗОНАНСНЫХ И МОНОТОННЫХ МАГНИТОКИНЕТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЯХ В СПЛАВАХ НА ОСНОВЕ HgTe.................................................. 194
4
Глава 5. КОМПОНЕНТЫ ТЕНЗОРА СОПРОТИВЛЕНИЯ CdxHglxTe В КВАНТУЮЩИХ И У ЛЬ'ГР АКБ АНТОВЫХ МАГНИТНЫХ
ПОЛЯХ 194
5.1 .Эффект Шубникова-де Гааза в KPT.............. 194
5.2.Отрицательное магнетосопротивление в КРТ................ 208
5.3.Магнитное вымораживание в узкощелевом n-CdxHgi_xTe.. 217
5.4.Особенности в поведении компонентов тензора сопротивления
вблизи перехода узкощелевая-бесщелевая фаза 233
Глава 6. ОСОБЕННОСТИ В ПОВЕДЕНИИ ТЕНЗОРА СОПРОТИВЛЕНИЯ В БЕСЩЕЛЕВЫХ СПЛАВАХ AxHg,.xTe
(A-Cd,Mn) 243
6.1.Элементы технологии получения бесщелевых кристаллов 243
6.2.Сравнительное исследование магнитопроводимости и эффекта
Холла бесщелевых сплавов CdxHgi.xTe и MnxHgi.xTe......... 247
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ВЫВОДЫ.............................................. 257
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................... 262
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Твердые растворы замещения на основе теллурида ртути с добавками немагнитного (кадмий) - Сс1хН§,.хТе (КРТ) и магнитного (марганец) - МпхТ^,_хТе (МРТ) компонент являются перспективными полупроводниковыми материалами, представляющими интерес как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения. При этом важно, что в сплавах на основе Ь^Те возможно одновременное изучение свойств трехмерного электронного газа (ЗОЕв) в объеме образца и двумерного электронного газа (20ЕС), возникающего на поверхности образца при его естественном окислении в атмосфере воздуха.
Сплавы КРТ и МРТ с регулируемым изменением энергетического зазора Е„ с составом х и температурой Т, малой величиной электронной эффективной массы т', высокой подвижностью носителей р являются модельными твердотельными материалами для исследования фундаментальных электронных процессов в так называемых бесщелевой (БФ, Е£< 0) и узкощелевой (УЩФ, Е? > 0) фазах, а также вблизи перехода бссщелевая-узкощелевая фаза (БФ-УЩФ, Её —> 0, а ш* - минимальна). Одной из фундаментальных проблем физики твердого тела является изучение зонных структур полупроводниковых соединений, механизмов электронных и электрон-фононных взаимодействий и определение путей управления свойствами этих материалов. При этом одним из важнейших представляются исследования магнитокинетических явлений, в т.ч. фундаментальных явлений электронереноса при криогенных температурах в квантующих (при наличии квантовых состояний - уровней Ландау) и ультраквантовых (электроны заселяют наинизший уровень Ландау) магнитных полях В. Несомненный интерес представляет изучение в
6
квантующих полях компонент тензора сопротивления pik (i,k — х, у, z), приобретающих резонансный характер из-за резкого возрастания упругого рассеяния электронов при периодическом совпадении уровня Ферми с уровнями Ландау (эффект Шубникова - де Гааза) и резонансного поглощения или излучения оптических фононов hcoL0 носителями заряда, когда энергия hcoj 0 совпадает с расстоянием между двумя уровнями Ландау (магнетофононный резонанс).
Актуальным является обнаружение в сплавах CdxHg,_xTe в квантовом пределе магнитных полей для 3DEG различных особенностей на кривых pik (Н) при гелиевых температурах, например, магнетофононного резонанса концентрации в трехмерном электронном газе в условиях разогрева электронного газа при приложении сильного электрического поля, а также осцилляций Шубникова - де Гааза, связанных с квантованием спектра 2DEG в двумерном слое на поверхности КРТ, и сравнения их с ОШГ от 3D-электронов и т.д. Интерес к изучению двумерного электронного газа возник в последние годы, особенно в связи с открытием в 1980 г. квантового эффекта Холла. При переходе от трехмерного электронного газа к двумерному изменяются электронные свойства полупроводников вследствие размерного квантования. В отличие от двумерных кремниевых структур, в которых носители заполняют лишь состояния, принадлежащие одному основному размерно-квантованному уровню, в КРТ возможно заполнение двух и более размерно-квантованных подзон, вплоть до пяти.
К актуальным также можно отнести изучение деградационных явлений при долговременном хранении образцов CdxHg,.xTe, сопровождающихся изменением различных физических параметров как двумерного, так и трехмерного электронного газа, что имеет не только фундаментальное, но и прикладное значение при изготовлении детекторов
7
ИК-диапазона и различных датчиков и чувствительных элементов твердотельной электроники.
Цель работы. Исследование квантовых явлений элсктроперсноса в сильных магнитных и электрических полях при криогенных температурах, в том числе низких и сверхнизких в объеме (трехмерный электронный газ) и на поверхности (двумерный электронный газ) в твердых растворах на основе теллурида ртути с целью выявления резонансных эффектов и изучения энергетического спектра электронов в этих сплавах для создания более полной картины об энергетическом спектре носителей соединений А2В6. К наиболее интересным и важным можно отнести обнаружение в КРТ магнетофононного резонанса (МФР) концентрации - нового эффекта, связанного с излучением оптических фононов горячими электронами, а также эффекта Шубникова - де Гааза на двумерных носителях заряда, наблюдавшегося ранее только в тонких пленках CdxHg,.xTe (х= 0,21).
Исследование зависимости обнаруженных эффектов от состава, температуры, полей, ориентации и времени экспозиции образцов в атмосфере воздуха. Определение характерных параметров зонной структуры бесщелевых и узкощелевых твердых растворов на основе HgTe, которые позволяют сделать теоретический анализ выявленных закономерностей.
Основными задачами работы являлись:
1. Обнаружение магнетофононного резонанса концентрации в бесщелевой фазе CdxHg i-xTe(x< 0,16) и выявление зависимости эффекта от состава.
2. Обнаружение и изучение квантовых осцилляций магнстосопротивления, обусловленных 2DEG на поверхности объемного CdxHg i-xTe.
8
3. Обнаружение МФР в узкощелевой фазе СёхН^-хТе (0,2 < х < 0,3) при гелиевых температурах в греющих электрических полях.
4. Изучение МФР на горячих носителях в ориентированных образцах Н^Ге и выявление анизотропии эффекта.
5. Поиск и выявление новых «особенностей» в поведении кинетических коэффициентов сплавов АхН&.Де (А - Сс1, Мп) при исследовании фундаментальных явлений электропереноса.
6. Сравнительное исследование свойств монокристаллов Мпх1^.хТе и С<1хН£ЬхТе, бесщелевого состава (х = 0,05), выращенных в одинаковых технологических условиях.
Для выполнения поставленных задач использовалась методика измерений кинетических эффектов в сильных стационарных (Н < 90 кЭ) и импульсных (Н < 400 кЭ) магнитных (квантующие и ультраквантовый предел) и электрических (1 < Е < 100 В/см, разогрев электронного газа) полях при криогенных температурах (Т < 100 К), в том числе низких и сверхнизких (0,6 — 4,2 К).
Объекты изучения - сплавы Ах1^,.хТе (А - Сс1, Мп). Исследовались наборы образцов СбхН§,_хТе в бесщелевой и узкощелевой фазах (0 < х < 0,3) и МпхН^ЬхТе в бесщелевой фазе (х < 0,07).
Научная новизна и практическая значимость работы состоит в том, что в ней впервые при систематическом исследовании фундаментальных процессов электропереноса при низких температурах для сплавов на основе теллурида ртути наблюдался ряд новых эффектов и «особенностей»:
1. Обнаружен и изучен магнетофононный резонанс концентрации (МФРК) в бесщелевом СМхН§,_хТе (0<х<0,1)в сильных магнитных (до
9
400 кЭ) и электрических (до 50 В/см) полях при гелиевых температурах. Выявлено систематическое смещение максимумов Н;тах магнетофононных осцилляций (МФО) в область меньших магнитных полей Н с увеличением состава х. Показана возможность использования эффекта МФРК для определения состава и величины раскрытия энергетической щели в магнитном поле бесщелевых сплавов.
2. Обнаружены и объяснены максимумы МФО концентрации, связанные с излучением двух оптических фононов (21ко0). Показано, что основной вклад в максимумы магнетофононных осцилляций вносят переходы на уровни серии а в зоне тяжелых дырок.
3. Обнаружена и изучена анизотропия МФР на горячих носителях в Н§Те. Определена скорость раскрытия энергети1ческой щели в магнитном поле для трех кристаллографических направлений. Оценены зонные параметры и структура магнитных подзон теллурида ртути.
4. Обнаружен магнетофононный резонанс в узкощелевом твердом растворе СбхЩ,_хТе (0,2 < х < 0,3) при гелиевых температурах в греющих электрических полях. Предложен механизм и резонансное соотношение для обнаруженного эффекта, связанного с рекомбинационными МФ-переходами с первого электронного уровня на отщепленный ионизированный донорный уровень с излучением оптических фононов. Из МФР оценена энергия ионизации донорного уровня в магнитном поле.
5. Наблюдались на одном и том же кристалле Сс^Н^^Те четыре квантовых эффекта: 1) Эффект Шубникова - де Гааза, 2) магнитное вымораживание носителей, 3) МФР с поглощением оптического фонона (Т = 77 К, слабое Е), 4) МФР с излучением оптических фононов (Т = 4,2 К, сильное Е).
10
6. Обнаружены в скрещенных электрическом и магнитном полях квантовые осцилляции, обусловленные двумерным электронным газом на поверхности Cdx Hgbx Те (х = 0,16, переход БФ-УЩФ). Определены периоды осцилляций от 5 заселенных 2D - подзон и оценена концентрация носителей 2DEG. Теоретически показана возможность квантового поглощения ультразвуковых волн 2D - носителями на поверхности кристалла.
7. При периодическом исследовании компонент тензора сопротивления (КТС) и эффекта Шубникова - де Гааза на одном и том монокристалле Cd016Hg0 g4Te на протяжении более 10 лет наблюдалась деградация свойств объема и поверхности. Деградация приводит к изменению поведения КТС и исчезновению квантовых осцилляций, связанных с 2DEG и 3DEG. Повторное травление формирует качественную поверхность и восстанавливает осцилляции от 2Э-электронов.
8. При измерении сопротивления CdojHg^Te в магнитном поле, параллельном направлению тока в образце, обнаружено гигантское «отрицательное сопротивление» - инверсия знака сигнала на потенциальных зондах.
9. В CdxHg,_xTe вблизи перехода узкощелевая-бесщелевая фаза (х=0,165) при больших плотностях тока обнаружены «особенности» в поведении тензора сопротивления pik в скрещенных полях (рхх и рху) в виде резких скачков, имеющие место при нарастании магнитного поля и отсутствующие При его уменьшении. В Продольном поле (Рц) этот эффект не прослеживается.
10. Кроме того, в работе проведено:
систематическое исследование в бесщелевой и узкощелевой фазах CdxHg,.xTe квантовых эффектов: Шубникова - де Гааза (0 < х < 0,3; Т= 1,6 - 20 К) и отрицательного магнетосопротивления для составов (0 < х < 0,2),
11
магнетофононного резонанса (0,2< х й 0,3; Т — 64-90К) и магнитного вымораживания (0,2 < х < 0,3; Т = 1,6 - 20К), а также компонент тензора сопротивления pjk (рхх, рк, рху = RH) в широком диапазоне магнитных и электрических полей, которое позволило определить характерные параметры исследованных кристаллов и некоторые особенности изучаемых физических явлений;
- изучение изменения зависимостей коэффициента Холла (холловского сопротивления) CdxHg,.xTe вблизи перехода УЩФ-БФ (0,15 < х < 0,17) при различных временах экспозиции образцов в атмосфере воздуха;
- сравнительное исследование pik в магнитном поле и без него монокристаллов MnxHg,.xTe и CdxHg,.xTe бесщелевого состава (х=0,05), выращенных в одинаковых технологических условиях.
Сопоставление результатов эксперимента с данными теоретических рассмотрений позволило, в основном, как качественно, так и количественно описать обнаруженные эффекты и «особенности» и выявить их основные закономерности.
Практическое значение работы заключается в том, что полученные результаты позволяют использовать данные по CdxHg,.xTe при создании магниторезисторов и ИК - детекторов для спектра, соответствующего «окнам прозрачности» атмосферы, а данные по 2D- состояниям на поверхности КРТ улучшать их качественные характеристики.
Результаты работы использованы при чтении спецкурсов студентам инженерного отделения физического факультета Дагестанского государственного университета и в учебном пособии «Узкозонные полупроводники» по курсу «Материалы и компоненты электронной техники».
Основные положения. выносимые на зашиту:
12
1. Обнаружение магнетофононного резонанса концентрации (МФРК) в бесщелевых кристаллах Сс^И^.Де (0 < х < 0,1). Выявление систематического смещения максимумов Н,тах МФ-осцилляций в область меньших магнитных полей с увеличением состава х. Теоретические оценки рекомбинационных МФ-переходов с излучением оптических фононов 1ко0 с нижнего электронного уровня а, на дырочные уровни а0 и а2 находятся в хорошем соответствии с экспериментальными результатами в продольных и скрещенных магнитном и электрическом полях. Использование эффекта МФРК для определения состава и скорости раскрытия энергетической щели в магнитном поле бесщелевых сплавов.
2. Обнаружение в СсУ^^Те максимумов МФРК, связанных с излучением двух оптических фононов 2Ьоз0. Предложена формула для резонансного условия МФР концентрации с учетом многофононных процессов, которая дает хорошее согласие с экспериментальными результатами.
3. Влияние ориентации кристаллов Н§Те на магнетофононные осцилляции на горячих носителях. Обнаружена значительная анизотропия эффекта, проявляющаяся в смещении МФ осцилляционных максимумов при изменении направления магнитного поля относительно кристаллографических осей. Сравнение расчетных МФ-переходов с экспериментальными результатами показывает, что наблюдаемая анизотропия эффекта не находит удовлетворительного объяснения в рамках простых теоретических моделей.
4. Определены из положений пиков МФО на горячих носителях для Е^Те: а) скорость образования энергетической щели в магнитном поле для трех кристаллографических направлений ДЕ8(Н)/Н * 10\ эВ/кЭ : 5,5 (Н || [001] ), 6,7 ( Н || [110] ) и 7,6 ( Н || [111] ); б) зонные параметры Е^Те: = 14,4; - у = 8,4; - к = 9,5; в) структура магнитных подзон тяжелых дырок.
13
5. Обнаружение магнетофононного резонанса в узкощелевом CdxIIg,.xTe (0,2 < х < 0,3) при гелиевых температурах в греющих электрических полях Е, связанного с рекомбинационными МФ-переходами с первого электронного уровня на отщепленный ионизированный донорный уровень с излучением оптических фононов Mhco0 (М= 2,3). Наблюдение на одном и том же кристалле Cd0 23Hg0 77Te 4-х квантовых эффектов: 1) эффекта Шубникова - де Гааза, 2) магнитного вымораживания(МВ), 3) МФР с излучением оптических фононов (Т=4,2 К, сильное Е), 4) МФР с поглощением оптического фонона (Т=77 К, слабое Е). Оценка энергии ионизации (Е— 2мэВ при 100 кЭ) мелкого донорного уровня из данных МФР на горячих носителях и магнитного вымораживания.
6. Обнаружение квантовых осцилляций в явлениях электропереноса, обусловленных двумерным электронным газом на поверхности CdxHg,_xTe вблизи перехода БФ-УЩФ (х~0,16, Т=4,2К). Исследования, проведенные в полях до 300 кЭ, позволили идентифицировать осцилляционную картину во всем диапазоне магнитных полей. Из периодов поверхностных осцилляций определено 5 заселенных 2D - подзон и оценена суммарная концентрация 2 DEG на поверхности KPT ns ~ 1013 см'2.
7. Периодическое исследование монокристалла Cd016Hg084Te на протяжении более 10 лет показывает, что деградация свойств объема и поверхности приводит к исчезновению осцилляций Шубникова- де Гааза, связанных с трехмерным и двумерным электронным газом, и различным особенностям в поведении компонент тензора сопротивления. При повторном травлении, формирующем качественную поверхность, квантовые осцилляции от 2D - электронов возникают вновь.
14
Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенных в диссертации, докладывались на V,VI,VII Всесоюзных симпозиумах по полупроводникам с узкой запрещенной зоной и полу металлам (Львов, 1980, 1983, 1986 г.г.), Всесоюзных конференциях по физике полупроводников (Баку, 1982, Киев, 1990), 5 Всесоюзной конференции но химии, физике и техническому применению халькогенидов (Баку, 1979), Всесоюзном совещании по химической связи, электронной структуре и физико-химическим свойствам полупроводников и полуметаллов (Калинин, 1985), Координационном совещании по электронной плотности, химической связи и физико-химическим свойствам твердых тел (Москва, 1988), III Всесоюзном и IV Всероссийском совещаниях по физике и технологии широкозонных полупроводников (Махачкала, 1986, 1993), Всесоюзном совещании по физике и химии поверхности (Алушта, 1990), Республиканской конференции но физике и химии поверхности и границ раздела узкощелсвых полупроводников (Львов, 1990), Теплофизической конференции СНГ (Махачкала, 1992), 29 Совещании по физике низких температур (Казань, 1992), II Российской конференции по физике полупроводников (Зеленогорск, 1996), Республиканских конференциях ученых Дагестана (Махачкала, 1977, 1979, 1982, 1985), ежегодных итоговых научных сессиях Дагестанского госуниверситета, а также на научных семинарах в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН и Институте физики им. Х.И.Амирханова ДНЦ РАН.*
Личный вклад автора. Все результаты экспериментов и расчетов, представленные в диссертации, получены непосредственно автором или при его определяющем личном участии. Анализ всего цикла работ, выводы
* Ряд экспериментов автором был проведен в ИФ.
15
диссертации и основные положения, выносимые на защиту, также принадлежат автору. _
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех частей, включающих шесть глав, и заключения, в которых представлены основные результаты исследований и выводов работы.
Объем диссертации составляет 282 страниц машинописного текста, включая 75 рисунков, 4 таблицы и список цитируемой литературы из 208 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.
Во введении обосновывается актуальность темы исследований, сформулированы цель, научная новизна и практическая ценность работы, а также основные положения, которые выносятся на защиту.
В первой части, состоящей из одной главы, изложены методические аспекты эксперимента.
В первом параграфе кратко описывается объект исследования и методика отбора образцов.
Исследовались твердые растворы (сплавы) на основе теллурида ртути - AxHg,_xTe (А - Cd, Мп) в бесщелевой и узкощелевой фазах. Приводятся краткие сведения о зонной структуре и физико-химических свойствах сплавов CdxHg,.xTe (KPT) и MnxHgUxTe (MPI').
Отбор образцов KPT для обнаружения и изучения резонансных эффектов и «особенностей» в фундаментальных процессах электроперсноса, в основном, осуществлялся по исследованию эффекта Холла в магнитном поле.
16
Методика низкотемпературного эксперимента рассмотрена во втором параграфе.
Приведены блок-схемы и краткое описание установок для измерений кинетических явлений, в т.ч. резонансных в сильных магнитных (до 400 кЭ) и электрических (до 100 В/см) полях при криогенных температурах (Т<100 К), включая низкие и сверхнизкие (0,6 - 4,2 К). Стационарные магнитные поля создавались сверхпроводящими соленоидами и постоянным магнитом.
Сильные импульсные магнитные II и электрические Е поля получали с помощью генераторов с длительностью импульсов индукции и тока порядка нескольких мсек.
Для выделения осциллирующей составляющей использовалась методика вычитания сигнала, линейного по магнитному полю и двойного дифференцирования с различными постоянными ЯС - цепочек
При снятии вольт-амперных характеристик в магнитных полях использовались два типа известных методик.
Для исследования явлений электропереноса образцы в форме «креста» или параллелепипеда соответствующих ориентаций вырезались из поли- и монокристалл ических слитков (шайб), полученных модифицированным методом Бриджмена/ Использовались контакты трех типов: прижимные
зонды, пайка индием и токопроводящая серебряная паста.
В конце параграфа приводятся формулы расчета различных кинетических эффектов.
В третьем параграфе рассматриваются условия разогрева электронного газа (горячие электроны) и тепловой режим образцов.
* Основная масть образцов была выращена в ведущих центрах СНГ: Гиридмет (Москва), ФТИ (С.-Петербург), 3-д чистых металлов (Светловодск).
17
Во второй части, состоящей из двух глав, рассмотрен трехмерный электронный газ (ЗЭЕО) в квантовом пределе магнитных полей в условиях электронного разогрева.
Во второй главе, состоящей из двух параграфов, излагаются результаты исследований магнетофононного резонанса (МФР) в узкощелевом Сс1хН§,_хТе (0,2< X < 0,3)на равновесных и неравновесных носителях.
Первый параграф главы II посвящен изучению МФР в слабых электрических полях Е при азотных температурах Т=77’13К. Данный тип резонанса в явлениях переноса связан с резко выраженным нсупругим рассеянием электронов при электрон-фононном взаимодействии с поглощением оптического фонона Ьсо0.
При гелиевых температурах равновесные оптические фононы отсутствуют и остаются только неравновесные. При этом возможен процесс резонансного испускания оптических фононов горячими электронами, создаваемыми электрическим полем.
Во втором параграфе главы II излагаются результаты обнаружения и исследования магнетофононного резонанса в сильных электрических полях Е при гелиевых температурах. МФР обусловлен резонансными процессами испускания Ьсо0 в разогретом электронном газе при Е>10 В/см. (Эти результаты впервые докладывались автором на семинарах во ФТИ им.Иоффе РАН и Институте физики Даг.НЦ РАН в 1987 году, а также координационном совещании по электронной плотности, химической связи и физико-химическим свойствам твердых тел - Москва, 1988 г.).
Расчеты показати, что осцилляционные пики 47кЭ и 85кЭ можно связать с резонансными МФ-переходами горячих электронов с 1 -го уровня
18
Ландау на ионизированный донорный уровень Е, с испусканием 2hco0 и 3h (оо соответственно.
Кроме двух типов МФР и магнитного вымораживания на одном и том же кристалле КРТ (х=0,23) также наблюдались осцилляции Шубникова-де Гааза в полях Н<10кЭ при Т=4,2К. Концентрация электронов, определенная из ОШГ п=2'Ю15см'3 совпадала с концентрацией, оцененной из холловских измерений.
Наибольшая из двух, третья глава посвящена обнаружению и изучению магнетофононного резонанса концентрации (МФРК) в бесщелевом CdxIIg,.xTe (0< х < 0,16) и включает в себя три параграфа.
В первом параграфе главы III кратко рассмотрены вопросы теории МФР концентрации неравновесных носителей тока - нового типа резонанса, наблюдаемого в бесщелевом полупроводника типа HgTe.
Второй параграф главы III посвящен обнаружению и исследованию магнетофононного резонанса концентрации в кристаллах Cc^Hg^Te в бесщелевой фазе (0< х < 0,16).
Изучены компоненты тензора сопротивления pik (р77 - продольное, рхх-поперечное, рху = RH - холловское) поли- и монокристаллических образцов КРТ (0< х < 0,10) при гелиевых температурах в сильных магнитных (Н< 400 кЭ) и электрических (1< Е < 50В/см) полях.
При приложении сильного электрического поля Е (большие плотности тока j) возникает неравновесная концентрация электронов и дырок, созданная ударной ионизацией горячими электронами, и продольное сопротивление р.^ (Н) уменьшается. Когда расстояние между нижайшим уровнем электронов а, и одним из дырочных уровней Ландау становится кратной энергии оптического фонона hco0 происходит рекомбинация электрон-дырочных пар с излучением оптических фононов. При этом концентрация неравновесных носителей падает и магнетосопротивление в
19
ультраквантовом пределе магнитных полей приобретает осцилляционный характер.
Наблюдались пики магнетофононных осцилляций концентрации, связанных с излучением оптических фононов Исо,, при рекомбинационных переходах с нижнего электронного уровня а, на уровни тяжелых дырок а0 и а2. В магнитных полях, превышающих приблизительно вдвое поля однофононных переходов, обнаружены осцилляционные максимумы, которые можно связать с МФ-переходами с испусканием двух оптических фононов с энергией 2Ьо>0.
При исследовании бесщелевых образцов СёхН§,.хТе (0 < х < 0,10) разного состава наблюдался систематический сдвиг как одно- , так и двухфононных МФ-максимумов в область меньших магнитных полей с увеличением состава х.
Предложена формула для резонансного условия МФРК с учетом многофононных процессов, которая дает хорошее согласие с экспериментальными результатами.
Полученные экспериментальные результаты сопоставляются с известными данными о зонной структуре твердых растворов КРТ.
Амплитуда осцилляционных пиков МФРК росла с увеличением плотности тока через образец и падала с увеличением температур Т. В области температур Т= 20-77 К МФР концентрации не наблюдался.
Исследования, проведенные в скрещенных магнитном и электрических полях, показали, что МФ-осцилляции поперечного МС рхх синфазны с осцилляциями продольного МС и находятся в противофазе с
осцилляциями абсолютной величины коэффициента Холла, т.е. в резонансе относительный вклад электронной компоненты в холловскую проводимость аху уменьшается.
20
В третьем параграфе главы III - Анизотрония МФРК в HgTe -рассматриваются результаты исследований магнитофононных осцилляций гальваномагнитных эффектов в условиях разогрева носителей сильным электрическим полем при температуре жидкого гелия в магнитных полях до 360 кЭ на монокристаллических образцах HgTe четырех различных ориентаций: Н || 10011, |1 И], [110] и под углом 27° к оси [001] в плоскости (НО).
Обнаружена значительная анизотропия эффекта, проявляющаяся в смещении осцилляционных максимумов кривой продольного магнетосопротивления рм приблизительно на 40% в сторону сильных Н при переходе от ориентации [111] к [001]. Оценена скорость образования энергетической щели в магнитном поле для трех кристаллографических направлений HgTe.
В ориентации Н || [110] исследованы МФО на горячих носителях поперечного сопротивления и эффекта Холла.
Обсуждается модель МФ- переходов между нижним уровнем Ландау электронов и группой верхних дырочных уровней.
В заключении главы III приводится оценка зонных параметров и структура магнитных подзон бесщелевых полупроводников по данным МФРК.
Тем не менее, в данной работе изучались не только взаимодействия трехмерных электронов, но также и явления, связанные с двумерным электронным газом, возникающим на поверхности КРТ.
Третья часть "Двумерный электронный газ на поверхности CdxHg,.xTe - включает четвертую главу, в которой представлены результаты исследования магнитокинетических явлений в КРТ при размерном квантовании спектра электронов на поверхности.
21
В первом параграфе кратко рассматриваются двумерные состояния на поверхности CdxHg,_xTe. Двумерный электронный газ (2DEG) обусловлен квазидвумерным слоем, образованным в результате естественного окисления поверхности.
Теоретические расчеты показывают, что для CdxHg,_xTe в зависимости от состава, концентрации носителей на поверхности и в объеме возможны различные варианты заполнения 21>подзон вплоть до пяти. При этом с ростом поверхностной концентрации увеличивается глубина залегания двумерных подзон от уровня Ферми.
Во втором параграфе представлены результаты обнаружения и изучения квантовых осцилляций, обусловленных электронами на поверхности CdxHg,.xTe (х=0,16, Т=4,2К) вблизи перехода БФ-УЩФ.
При исследовании компонент тензора сопротивления pik (рхх -поперечное, pz/ - продольное, рху - холловское сопротивления) серии монокристаллов КРТ (0,1<х<0,2) при температуре жидкого гелия на двух из них с х=0,16 впервые были обнаружены квантовые осцилляции,
обусловленные 2DEG на поверхности. В магнитных полях Н<5кЭ на рхх и р наблюдались осцилляции Шубникова - де Гааза, связанные с квантованием трехмерной системы электронов в объеме образца.
В полях Н>5кЭ (квантовый предел для 3DEG) была обнаружена
дополнительная серия квантовых осцилляций, связанных с двумерной
электронной системой. 2DEG.
Итак, в скрещенных магнитном Н и электрическом Е полях в квантовом пределе наблюдалась серия осцилляций с разными периодами ДД1/Н), при этом осцилляционные пики рхх и рХ). противофазны; в продольном
магнетосопротивлении р2/ (а=90°) осцилляции не наблюдались.
Исследования, проведенные в стационарных (до 70кЭ) и импульсных (до ЗООкЭ) магнитных полях, позволили идентифицировать четкую
22
осцилляционную картину во всем диапазоне Н и определить периоды ОШГ As' от пяти заселенных 2D подзон. Из зависимости номера осцилляций N от положения максимума в обратном поле (1/HN) были оценены пять* (i-О - 4) периодов ОШГ ДДЭ'1): (0,85; 1,25; 2,95; 4,4; 13)10 6.
Оценочные расчеты, проведенные нами для твердого раствора КРТ с х=0,16, показали, что при электрическом поле 105 В/см и поверхностном потенциале 0,5эВ в приповерхностном обогащенном двумерном слое под уровнем Ферми находятся пять 20-иодзон.
Из периодов квантовых осцилляций Д8‘ была оценена суммарная
** * ' •’ ' ' "г.*'1 ^ ■ V:' ■ - * ч ‘ *
концентрация 2DEG на поверхности KPT (х=0,16) п8~10,3см'2. . •
В третьем параграфе рассмотрена возможность квантового поглощения ультразвуковых волн 2Э-носителями на поверхности кристалла^ кубической сингонии, к которой относятся сплавы CdxHg,.xTe. Получено выражение для осцилляционного поведения коэффициента электронного затухания волны, связанное с ОШГ проводимости охх 20-носителей на поверхности в магнитном поле.
Представляло несомненный интерес как с фундаментальной, так и с практической точек зрения изучение деградационных явлений при долговременном хранении сплавов КРТ, сопровождавшихся изменением параметров как трехмерного, так и двумерного электронного газа.
Б четвертом параграфе приводятся результаты изучения 2DEG и компонент тензора сопротивления (ТС) pik при долговременной экспозиции кристаллов в атмосфере воздуха.
Эксперименты, проводимые периодически на одном и том же монокристалле Cd0]6Hg0 84Te, показали что со временем происходит спад
* Периоды от ближайших к уровню Ферми размерно-квантованных подзон с i=3 и i=4 определены в стационарном поле до 30 кЭ.
23
амплитуды ОШГ, связанных с 2DEG, вплоть до их исчезновения. После травления и выдержки в атмосфере (формирование качественной зеркальной поверхности) эти осцилляции возникли вновь.
В заключительной, четвертой части, состоящей из 5-й и 6-й глав, рассмотрены особенности в резонансных и монотонных магнитокинетических явлениях твердых растворов AxHg,_xTe (A-Cd, Мп). В пятой главе приведены результаты систематического исследования компонент тензора сопротивления КРТ в квантующих и ультраквантовых магнитных полях. В первом и втором параграфах гл.5 изучены эффекты Шубникова - де Гааза и отрицательного магнетосопротивления в узко щелевой и бесщелевой фазах. В третьем параграфе гл. 5 исследовано магнитное вымораживание носителей в узкощелевом n-CdxHg,.xTe (0,2<х<0,3). Оценена энергия ионизации мелкого донорного уровня, равная Е|=2 мэВ при 30 кЭ (х=0,3) и 100 кЭ (х=0,235). В четвертом параграфе гл.5 выявлены особенности в поведении тензора сопротивления КРТ вблизи перехода узкощелевая-бесщелевая фаза (х=0,165).
В заключительной шестой главе изучены особенности в поведении тензора сопротивления монокристаллов бесщелевых сплавов МРТ и КРТ с составом х=0,05, выращенных в одинаковых технологических условиях. В первом параграфе гл. 6 изложены элементы технологии получения бесщелевых кристаллов CdxHg,.xTe и MnxHg,_xTe, а во втором параграфе -результаты сравнительного исследования их электрофизических свойств.
В конце приводятся выводы и список литературы.
24
Часть L Методика эксперимента. Глава 1. Методические аспекты эксперимента.
Для решения поставленных задач были необходимы:
1) Сильные магнитные поля (Н < 400 кЭ)
2) Сильные электрические поля (1< Е < 100 В/ см)
3) Криогенные температуры (Т < 100 К), в том числе низкие и сверхнизкие (Т-0.6 *4.2К)
4) Однородные по составу и концентрации образцы с высокой подвижностью электронов (р > 105 см2/ В» с)
1.1. Объекты исследования; отбор образцов.
В настоящем параграфе кратко описываются объекты исследования и методика отбора образцов для обнаружения и изучения резонансных эффектов и “ особенностей44 в фундаментальных процессах элекгропереноса.
Исследовались твердые растворы (сплавы) на основе теллурида ртути -AxHgi.xTe ( A- Cd, Мп) в бесщелевой и узкощелевой фазах в диапазоне 0 < х < 0.3 для КРТ и х < 0.07 для МРТ. Структурно-физические свойства твердых растворов замещения CdxHgi.xTe (КРТ) и MnxHgi_xTe (МРТ) рассмотрены в ряде обзоров [1-6].
Впервые свойства сплавов на основе теллурида ртути с добавками немагнитной компоненты кадмия CdxHgi_xTe были исследованы Лоусоном и др. [7]. Было установлено, что HgTe и CdTe образуют непрерывный ряд твердых растворов во всей области составов 0 < х < 1.
25
Твердые растворы замещения СёхНдихТе (х - молярный процент кадмия) кристаллизуются в структуре цинковой обманки (сфалерита). Плотность граничных соединений Е^Те (х=0) и СёТе (х=1) равна 8.12*103 кг/м3 и 6.20* 103 кг/м3, а постоянные решетки - 6.4623 ±0.0001 А и 6.4822±0.0001А, соответственно [8,9].
Твердые растворы на основе Н^Те с добавками магнитной компоненты марганца - МпхН^.хТе были исследованы впервые Дэлвесом и Левисом [10]. Установлено, что хотя Мп и не является элементом второй группы, и в отличие от СёТе, соединение МпТе имеет гексоганальную решетку, но сплавы Мпх^1-хТе кристаллизуются в структуре цинковой обманки вплоть до составов с х < 0.35.
Решетка цинковой обманки состоит из двух взаимопроникающих гранецентрированных кубических решеток, смещенных одна относительно другой но диагонали куба на четверть ее длины. В одной из подрешеток СёхН£1_хТе находятся ионы ртути (Н^+) и кадмия (Сё2+), а в другой - ионы
л
теллура (Те“*), причем каждый ион Те * имеет четыре ближайших соседа, которыми в сплаве могут быть или ионы Н^+ или Сё2+.
Сплавы МпхЩьхТе и СёхТ^.хТе подобны. Марганец, как и кадмий является двухвалентным положительным ионом. Ионный радиус Мп2+ несколько меньше, чем у Н^+, и ионы марганца замещают в решетке теллурида ртути ионы ртути. Атомы Те образуют одну гранецентрированную подрешетку, а атомы Сё и Мп более или менее хаотически распределены по другой подрешетке.
Зона Вриллюэна структуры цинковой обманки имеет форму октаэдра с усеченным шестью вершинами. Для сплавов на основе Т^Те экстремумы зоны проводимости и валентной зоны расположены в точке Г (к= 0).
26
В соединениях А2В6 состояния зоны проводимости с симметрией типа Гб образуется из атомных функций .з - электронов металла, а состояния валентной зоны Г$ - из р- электронов халькогена.
На рис. 1.1 схематично представлена зонная структура твердых растворов СсЫ^.хТе (0 < х < 0.3) при Т= 4.2 К. Энергетический зазор Её между з(Гб) и р(Гз) - зонами практически линейно изменяется с увеличением содержания кадмия. В области составов 0 < х < 0.16 величина Е^= Е(Г6) - Е (Г8) - отрицательна, и не представляет собой ширину запрещенной зоны. При этом запрещенная зона равна нулю, т.е. валентная зона Е VI (зона тяжелых дырок) касается зоны проводимости Ес: бесщелевая фаза (БФ). Такие вещества называются бесщелевыми полупроводниками (БП). От типичных полупроводников их отличает отсутствие порога для рождения электрон -дырочной пары, от металлов - существенно меньшая плотность электронного газа [11,12].
Первые измерения электрических свойств Е^Те, проведенные Регелем и Мокровским [13] в начале пятидесятых годов, показали, что термическая ширина запрещенной зоны в этом соединении необычайно мала.
Широкое исследование гальваномагнитных свойств ЩТе и ряда его сплавов с СсГГе в интервале температур 2 - 500К были проведены Ивановым-Омским и др. [14,15,16] в шестидесятых годах. Из анализа
экспериментальных данных при низких температурах авторы [16] сделали вывод о том, что теллурид ртути - полуметалл.
Экспериментальный и теоретический материал, накопленный к середине семидесятых годов, позволил авторам обзора [17] сделать однозначный вывод, что Е^Те - полупроводник с нулевой запрещенной зоной.
Б 1963 году Гровсом и Полом [18] была предложена инверсная зонная структура для бесщелевого полупроводника ос - Бп (серое олово). Согласно
- Київ+380960830922