Способ определения эффективнойМАССы НОСиТЕлЕй B пОлупРОВОдНиКАХи пОлуМЕТАллАХ Советский патент 1981 года по МПК H01L21/66 

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ МАССЫ НОСИТЕЛЕЙ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ И ПОЛУМЕТАЛЛАХ Недостатком этого способа является его непригодность.для измерения эффективной массы носителей при энер гии, отличающейся от энергии Ферми. Цель изоб Цель изобретения - расширение функциональных возможностей способа. Поставленная цель достигается тем, что измерение амплитуд осцилляции магнитосопротивления осуществляют на туннельном контакте металлисследуемый материал при напряжении смещения, определяемом по формуле V % , (2) где Е .- энергия, при которой определяют эффективную массу носителей тока; Е - энергия Ферми; е - заряд электрона; V - напряжение смещения со знаком, соответствующим знаку потенциала на металлическом электроде. На чертеже приведена энергетическая диаграмма туннельного контакта. Сущность изобретения заключается в следующем. Туннельныйток системы металл-ту нельный барьер-полупроводник (полуметалл) описывается выражением +00 . -I )Ру, t)(T,t)-(Т,-ev)de, где p(yv(E) и р,(„ (Е) - плотности сое тояний металла и полупроводника соот ветственно, W(E) - вероятность туннелирования, f(Т,Е)- функция распре деления Ферми-Дирака при темпёратуре Т. Плотность состояний металла в ис следуемой области энергий можно счи тать постоянной величиной, поэтому для туннельной провод ИМОСТ И (T,ev).,eTpH, в магнитном поле плотность .состояний полупроводника (полуметгшла) осциллирует, что приводит к появле нию осциллирующего магнитосопротивле ния туннельного контакта. Отношение амплитуд осцилляции при двух темпера турах описывается выражением (1). В эффекте Шубникова-де Гааза температурная зависимость амплитуды осцилляции магнитосопротивления возникает из-за того, что с ростом температуры размывается фермиевская ступенька функции респределения элек тронов в полупроводнике, которую по мере увеличения магнитного поля пере секают уровни Ландау плотности состояний. В этом случае в проводимость дают вклад электроны вблизи уровня Ферми полупроводника, а по формуле (1) определяют их массу, т.е. m(Ef). В туннельной проводимости температурная зависимость амплитуды осцилляции возникает из-за размытия с ростом температуры фермиевской ступеньки распределения электронов в металле (см. энергетическую диаграмму на чертеже, , где Е. - энергия, соответствующая дну зоны проводимости полупроводника), и при фиксированном смещении V вклад в дифференциальную проводимость туннельного контакта дают электроны с энергией Ер - ev, поэтому по формуле (1) определяют массу именно этих электронов, т.е. m(Ep-eV)., Меняя смещение V, можно менять энергию электронов, дающих вкпад в дифференциальную туннельную проводимость, а следовательно, можно определять эффек- . тивную массу носителей в полупроводнике при энергиях, не равных энергии Ферми. Пример . Предлагаемый способ используется для определения эффективной массы при различных энергиях в вырожденном п - InAS с онцентрацией ng 2-10 см3. Туннельный контакт изготовлен по известной методике. При этом образец исследуемого материала технически шлифуют и полируют, травят в полирующем травителе (5ч НР,ц+Зч. ледяной уксусной кислоты), затем обезгаживают в вакууме при 5 ч и окисляют в атмосфере сухого кислорода при нормальном давлении и 120°С 36 ч с .целью получения на поверхности туннельного тонкого окисла. После этого в вакууме 10 торр на полученную поверхность напыляют свинец. Во время измерений туннельный контакт помещают в сосуд Дьюара, вставленный в рабочий объем сверхпроводящего соленоида. Внутри сосуда с помощью стабилизатора температуры, поддерживают требуемую фиксированную температуру в интервале 4,18-ЗОК с точностью не хуже 1%. Осцилляции магнитосопротивления измеряют с помощью устройства для исследования малых нелинёйностей вольт-амперныххарактеристик туннельных структур. рактеристик туннельных структур. При этом на двухкоординатном по.тенциометре ПДС-021 записывают магнитосопротивление туннельного контакта . в зависимости от напряженности магнитного поля (О - 50 кэ) при нескольких (5 -, 7) фиксированных значениях температуры из вышеуказанного- интервала. Из отношения амплитуд при разных температурах определяют эффективную массу по формуле (1). Результаты приведены в таблице. Как видно из таблицы, относительная ошибка определенной таким образом эффективной массы находится в . пределах - 5%.

Использование предлагаемого способа дает следующие преимущества по сравнению с известными способами: позволяет определить- эффективную массу полупроводника и полуметалла в зоне разреиенных знергий при энергиях, не равных энергии Ферми иссле-5

-15

,мэВ

дуемого материала позволяет исследовать энергетическую зависимость эффективной массы на образце с неизменной концентрацией свободных носителей и примесных центров7 а также; влияние концентрации свободных носителей и примесных центров на закон дисперсии полупроводников и полумет дпов..+80

+60

+30

+5