Способ определения эффективного @ -фактора носителей заряда в полупроводниках Советский патент 1983 года по МПК H01H21/66 

Изобретение относится к исследов нию физических свойств и определению параметров кристаллических веще в частности к изучению энергетического спектра полупроводников, и мож быть использовано при исследовании параметров материалов, применяемых полупроводниковой электронике, а та же для научных исследований. Известен спо.соб определения эффективного д-фактора носителей заряда в полупроводниках с- помощью спин-магнитофононного резонанса (СМФР). В способе невырожденный полупроводник помещают в магнитное поле и регистрируют осцилляции .магнитосопротивления образца при изменении 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 наблюдения СМФР является равенство энергий оптического фонона и спинового.расщепления уровня Ландау , (1) где Н - напряженность магнитного поля, при котором наблюдается пик в магнитосопротив лении; hwp - энергия оптического фонона Ug - магнетон Бора; эффективный д-фактор. Из выражения (1) расчетным путем определяют значение д на дне зоны разрешенных энергий pj. Недостатком способа является то, что эффективный д-фактор определяют лишь при энергии, соответствующей дну зоны. Кроме того не представля ется возможным исследовать зависимость д от энергии. Способ не дает возможности локального определения д, поскольку получаемый резуль тат является усредненным по области объем которой определяется произведением поперечного сечения образца на расстояние между контактами (в лучшем случае () см. Интерпретация наблюдаемых осцилляции затруднена наличием большого числа максимумов, не связанных со спинмагнитофононным резонансом. В реi альных условиях требуются большие м нитные поля (Н-(3-5)) для выполнения условия наблюдения спинг магнитофононного резонанса. Для определения д необходимо знать энергию оптического фонона hw, что требует дополнительных измерений. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ определения эффективного дфактора носителей заряда в полупроводниках, основанный на помещении образца в магнитное поле, приложении к образцу электрического напряжения, регистрации осцилляции параметра образца, определении д-фактора расчетным путем 2. л В способе измеряют зависимость магнитосопротивления исследуемого вырожденного полупроводника от магнитного поля. Вследствие спинового расщепления уровней Ландау наблюдается расщепление максимумов магнитрсопротиаления. По положению компонент расщепленных максимумов определяют эффективный д-фактор носителей заряда с использованием выражения АРн , т . flnSf о cos f br.cos(r Y g )cos(c-ЧPO ги ьрн где --Готносительная амплитуда ос1° цилляций магнитосопротивления; . m - эффективная масса носителей в полупроводнике; Шд -масса свободного электро на; Cf - энергия Ферми полупроводника;hwg - циклотронная энергия; Ьг -коэффициент, не зависящий от д-фактора. Однако д определяют лишь при одной, фиксированной для исследуемого материала энергии - энергии Ферми, кроме того, невозможно изме{)ить энергетическую зависимость ,д. Способ дает усредненное по образцу значение эффективного д-фактора (ограничение на объем такое же, как и для способа-аналога) и не позволяет производить локальных измерений. Спосрб пригоден лишь для вырожденных полупроводников и не может быть использован для невырожденных материалов. Для определения g необходимо знать величину эффективной: массы носителеи заряда, определяемую независимо. Цель изобретения обеспечениелокальности измерений и расширения функциональных возможностей путем обеспечения определения энергетичес кой зависимости д-фактора. Поставленная цель достигается согласно способу определения эффектив ного д-фактора носителей заряда в Полу про водниках, основанному на помещении образца в магнитное поле,приложении к образцу электрического напряжения, регистрации осцилляции параметра образца, определении д-фак- iS ные тора расчетным путем, на исследуемом образце изготавливают локальный туннельный контакт, регистрируют зав симость дифференциального.магнитосопротивления от напряжения на туннельном, контакте и по величине спинового расщепления уровня Ландау определяют эффективный д-фактор носителей заряда .для энергии е V.-..V , -Hgp; где fp - энергия Ферми материала исследуемого образца; е - заряд электрона; V - значения напряжений на туннельном контакте,при которы наблюдаются осцилляции, свя занные со спиновыми подуров нями уровня Ландау, при это знак напряжения соответствует знаку потенциала на полупроводнике. На чертеже приведен график экспериме тальной зависимости дифференциального магнитосопротивления ot напряжения на туннельном контакте для магнитных полей 20,30, кГс (кривые 1-3 соответственно Сущность способа заключается в следующем. Туннельный ток системы металл-тун нельный барьер-полупроводник описыва ется выражением ep+ev, l(V)Ajw(E)N(e)dL. (3) , .ер , где W(f) - прозрачность барьера; N() - плотность состояний полупроводника;А - константа /для наглядност выбран случай низких температур , однако выводы CJ paвeдливы для любой температуры . .

пературу. Омические контакты к p-Hg|.,Cd.Te изготавливают вплавле нием индия. Л Для туннельной проводимости (величины, обратной дифференциальному сопротивлению) из (З) можно получить 0(v A-W(8p4eV)-N(ep4eV) (М Таким образом, дифференциальное сопротивление туннельного контакта при напряжении смещения V обратно пропорционально плотности состояний полупроводника при энергии 5 Если контакт помещают в магнитное поле, в плотности состояний полупроводника появляются максимумы, связансо спиновыми подуровнями уровней Ландау. Это приводит, согласно выражению С), к появлению минимумов в зависимости дифференциального ма1- нитосопротивления от приложенного к туннельному контакту напряжения. Расстояние между минимумами |eVt-eVj| определяет величину эффективного д-фактора Ч г f e /j-e Mf Величина д, определенная с помо-. щью расчетной формулы (5), соответствует энергииЬ р равной энергии Ферми. Исследуя .расщепление разных уровней Ландау, можно определить энергетическую зависимость эффективного д-фактора. . Исследуемый предлагаемым способом объем материала определяется произведением площади туннельного контакта на длину свободного пробега и составляет см, поэтому способ пригоден для локальных измерений. Пример. Определение величины эффективного д-фактора электронов в p-Hg.,Cd,(Tee X гО,19. Туннельные контакты p-Hg.Cd Te-Al205-Pb изготавливают по известной методике. Исследуемый образец механически шлифуют и полируют, травят в полирующем травителе 10%-ном раствйре брома в метаноле. После тщательной промывки образца на него термическим распылениех в вакууме (1-2) наносят 30-50° А алюминия, который затем полностью окисляют в атмосфере кислорода. Свинец наносят термическим распылением 10-6 Т, через маску в вакууме (1-2) образец имеет при этом комнатную тем 5 . . 1 Во время измерений образец с туннельным контактом помещают в магнит: ное поле - в рабочий объем сверхпроводящего соленоида. Осцилляции дифференциального магнитосопротивления (или его производной по току) регист |рируют с помощью устройства для ис-следования малых нелинейностей волотамперных характеристик туннельных структур, позволяющего осуществить запись на двухкоординатном самописце зависимости дифференциаль-ного магнитосопротивления (или его производной по току) от напряжения на туннельном контакте при фиксиро7. ванном магнитном поле. Экспериментальные зависимости приведены на фиг. 1 для магнитных полей 1-20 кГс, 2-30 кГс, B-tO кГс. Стрелками указаны положения спиново-расщепленных подуровней уровней Ландау. Им соответствуют значения, напряжения V} и , используемые а формуле (5) для расчета д. Значения энергии, которым соответствуют рассчитанные таким обра-зом величины д, были определены eV1 + г- / +f j: (для данno формуле ного образца fp -50 мэВ). Результаты представлены в таблице;

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

1дЧ 150+10 110+7 70+7 48±5 35+5 30+5

После измерений туннельный контакт Удаляют, при этом исследуемый :образец не претерпевает изменений и свойства его остаются идентичными свойствами исходного материалаФ

Использование предлагаемого способа по сравнению с базовым позволяет определять эффективный д-фактор носителей за ряда.в полупроводниках при энергиях как больших, так и меньших энергии Ферми, определяемых вели чиной приложенных к контакту напряжения и магнитного поля; позволяет исследовать энергетическую зависимость эффективного g-фактора на одном образце с фиксированной концентрацией свободных носителей .и примесных центров а также с фиксированным химичес КИМ составом, что особенно удобно

при изучении, твердых растворов; позволяет осуществлять локальные измерения; дает возможность определять 1Эффектив ный д-фактбр как в вырожден-, ных, так и в невырожденных полупроводниках.

Для определения д-фактора не требуется знания других характеристик исследуемого материала (например., эффективной массы т).

Предлагаемый способ позволяет повысить эффективность Т|эуда при научных исследованиях (для изучения-энергетической зависимости эффективного .д-фактора не требуется серии образцов с разной концентрацией, носителей заряда и дает возможность исследовать влияние легирования на энергетический спектр полупроводника.

tOfn/f. eff.

rao

4- т

tr.ffff