Способ определения эффективного -фактора носителей заряда в полупроводниках

1 1005Изобретение 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 1 О фективного д-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 ния СМФР является равенство энергийоптического фонона и спинового расщепления уровня Ландау"%=9 (цвН 20 ф 30 где Нщ - напряженность магнитногополя, при котором наблюдается пик в магнитосопротивлении,био - энергия оптического фонона;35- магнетон Бора;дф - эффективный д-фактор,Из выражения (1) расчетным путемопределяют значение д" на дне зоныразрешенных энергий Ц .Недостатком способа является то,что эффективный д-фактор определяютлишь при энергии, соответствующейдну зоны . Кроме того не представляется возможным исследовать зависимость.д от энергии. Способ не дает возможности локального определения 9 , поскольку получаемый Результат является усредненным по области,обьем которой определяется произведением поперечного сечения образца50на расстояние между контактами (влучшем случае Ч -(10 -10) см. Ин"терпретация наблюдаемых осцилляцийзатруднена наличием большого числамаксимумов, не связанных со спинмагнитофононным резонансом. В ре альных условиях требуются большие магнитные поля (Н- (3-5) 10 Гс) для Ц 7 2выполнения условия наблюдения спин-.магнитофононного резонанса. Дляопределения дф необходимо знать энергию оптического Фонона 6 и цто требует дополнительных измерений,Наиболее близким к предлагаемомупо технической сущности являетсяспособ определения эффективного дфактора носителей заряда в полупроводниках, основанный на помещенииобразца в магнитное поле, приложениик образцу электрического напряжения,регистрации осцилляции параметра об.разца, определении д-Фактора расчетным путем 12 Д.В способе измеряют зависимостьмагнитосопротивления исследуемоговырожденного полупроводника от магнитного поля, Вследствие спиновогорасщепления уровней Ландау наблюдается расщепление максимумов магнитосопротивления. По положению компонентрасщепленных максимумов определяютэффективный 9-фактор носителей заряда с использованием выраженияРн 1 + е 2%Е Ьге соз(Г - 9 ) со 5(с - Г"Р 1 2 до-), (2)Рнгде - - относительная амплитуда осцилляций магнитосопротивления;а - эффективная масса носителейв полупроводнике;в - масса свободного электроона;-. энергия Ферми полупроводГника;Ьи " циклотронная энергия;Ьг - коэффициент, не зависящийот д-фактора.Однако дф определяют лишь при одной, фиксированной для исследуемого материала энергии - энергии Ферми, кроме того, невозможно измерить энергетическую зависимость 9.Способ дает усредненное по образцу значение эффективного д-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 д необходимо знать величину эффективной: массы но1040547 25,3сителей заряда, определяемую независимо,Цель изобретения - обеспечение.локальности измерений и расширенияфункциональных возможностей путемобеспечения определения энергетической зависимости д-фактора.Поставленная цель достигается согласно способу определения эффективного д-фактора носителей заряда в 10полупроводниках, основанному на помещении образца в магнитное поле,приложении к образцу электрического, напряжения, регистрации осцилляциипараметра образца, определении д-фактора расчетным путем, на исследуемом образце изготавливают локальныйтуннельный контакт, регистрируют зависимость дифференциального.магнитосопротивления от напряжения на туннельном, контакте и по величинеспинового расщепления уровня Ландау ,определяют эффективный д-фактор носителейзаряда,для ЭнергииеЧ 1 еЧФ2где Ер - энергия Ферми материала ис-,следуемого образца;е - заряд электрона;Ч( и ЧФ - значения напряжений на тун- З 0нельном контакте,при которыхнаблюдается осцилляции, связанные со спиновыми подуровнями уровня Ландау, при этом;знак напряжения соответствует знаку потенциала на полупроводнике.На чертеже приведен график экспериментальной зависимости дифференциальногомагнитосопротивления от напряжения натуннельном контакте для магнитных полей20,30,40 кГс (кривые 1-3 соответственно).Сущность способа заключается вследующем.Туннельный ток системы металл-тун 45нельный барьер-полупроводник описывается выражением) (и):я чЫ) и(яЫЬ (50где Ч(Я) - прозрачность барьера;М(Я) - плотность состояний полу"проводника;А - константа (для наглядностивыбран случай низких температур Т=0, однако выводысправедливы для любой тем- пературы 4Для туннельной проводимости (величины, обратной дифференциальному сопротивлению) из (3) можно получить6 (Ч)= - = А Ы(Е еН)-М(ГеН)М (Ч)(4)Таким образом, дифференциалцное . сопротивление туннельного контакта при напряжении смещения Ч обратно пропорционально плотности .состояний полупроводника при энергииЯ = +еЧ.Р. 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 1 еЧ 1 -еЧ 4 определяет величину эффективного д-Фактора 1 еЧ 1-еЧФ (9Величина 9, определенная с помо-.щью расчетной формулы (5), соответст- .еЧ еЧФвует энергииЕ= 2 + не равной энергии ферми. Исследуя .расщепление разных уровней Ландау, можноопределить энергетическую зависимостьэффективного д-фактора.Исследуемый предлагаемым способомобъем материала определяется произве"дением площади туннельного контактана длину свободного пробега и составляет Ч, "- (10 -1(Г ) см, поэтому способ пригоден для локальных измерений.П р и м е р. Определение величиныэффективного д-фактора электронов вр-Н 91 Сд)(Тее х 0,19. Туннельные контакты р-Й 91 СдТе-А 120-РЬ изготав"ливают по известной методике. Исследуемый образец механически шлифуюти полируют, травят в полирующем травителе 104-ном раствс)ре брома в метаноле. После тщательной промывки образца на него термическим распылениемв вакууме (1-2) 10 Т наносят 30-506 Аалюминия, который затем полностьюокисляют в атмосфере кислорода. Свинец наносят термическим распылениемчерез маску в вакууме ( 1-2) . 10 6 Т,образец имеет при этом комнатную температуру. Омические контакты кр-Нд, Сд),Те изготавливают вплавлением индия,т5 . 1040547. 6Во 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 соленоидаОсцилляции диф-30 кГс 3-40 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 Ч и Щ . следования малых нелинейностей во- используемые в формуле (5) для раслотамперных характеристик туннель- чета д . Значения энергии, которымцдных структур позволяющего осущест соответствуют рассчитанные таким обР4 вить запись на двухкоординатном са- разом величины д , были определены иописце аависиности дифференциала-, . о Ро мгле Р+Е .(длЯ данного магнитосопротивления (или его Р 2 производной по току) от напряжения . ного образца Г =-50 мэВ). на туннЕльном контакте при фиксиро Результаты представлены в таблице. 4т, мэВ 12 25 50в 75 100 125 д" 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 д-Факторносителей"заряда. в полупроводниках З 0 при энергиях как больших, так и меньших энергии Ферми, определяемых вели" чиной приложенных к контакту напряжения и магнитного поля; позволяет исследовать энергетическую зависимость З 5 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 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 д"фактора не требуется знания других характеристикисследуемого материала (например.,эффективной массы (и),Предлагаемый способ позволяет повысить эффективность труда при науч"ных исследованиях для изучения энергетической зависимости эффективногод-фактора не требуется серии образ-цов с разной концентрацией носителейзаряда) и дает возможность исследовать влияние легирования на энергети-ческий спектр полупроводника.