Делокализация электронных состояний В n-Si при низких температурах

Приводятся данные измерений транспортных свойств Si, легированного Sb, в температурном диапазоне 1,9 - 3,0 К и при плотностях токов J< 0,2 А/см2. На основе анализа вольт-амперных характеристик получены значения сопротивления при разных плотностях токов. Обнаружено, что с увеличением тока изменяется знак температурного коэффициента сопротивления. При значениях J < 0,045 А/см² температурный коэффициент сопротивления положительный, а с превышением плотности тока значения 0,045 А/см² он становится отрицательным. Для объяснения этого токового кроссовера в знаке температурного коэффициента сопротивления были проведены холловские измерения при температуре 2 К, позволившие определить значения концентрации носителей заряда и их подвижность. На основе этих измерений и с учетом модели концентрационной нестабильности были получены токовые зависимости таких параметров, описывающих электрический транспорт в полупроводниках, как энергия активации, неравновесная концентрация носителей заряда, подвижность и время рассеяния электронов проводимости. В результате проведенного анализа было установлено, что изменение знака температурного коэффициента сопротивления с ростом тока можно объяснить обменом электронами между верхней зоной Хаббарда, формирующейся за счет захвата инжектируемых электронов нейтральными атомами примеси, и краем зоны проводимости. При этом происходит делокализация электронных состояний с ростом тока. Полученные данные хорошо согласуются с выдвинутой гипотезой. Проведено рассмотрение возможных механизмов делокализации путем анализа времени рассеяния электронов. В результате установлено, что электрон-электронные взаимодействия, вызванные кулоновским потенциалом, являются доминирующими.

1. Dobrosavlievic V., Trivedi N., Valles J.M.Jr. Conductor-Insulator Quantum Phase Transitions. Oxford University Press; 2012.

2. Huang B., Monsma D.J., Appelbaum I. Experimental Realization of a Silicon Spin Field-Effect Transistor. Appl. Phys. Lett. 2007;91(7):072501. DOI: 10.1063/1.2770656.

3. Dery H., Dalal P., Cywinski L., Sham L.J. Spin-Based Logic in Semiconductors for Reconfigurable Large-Scale Circuits. Nature. 2007;447:573-576. DOI: 10.1038/nature05833.

4. Moraru D., Udhiarto A., Anwar M., Nowak R., Jablonski R., Hamid E., Tarido J.C., Mizuno T., Tabe M. Atom Devices Based on Single Dopants in Silicon Nanostructures. Nanoscale Res. Lett. 2011;6(1):479. DOI: 10.1186/1556-276X-6-479.

5. Danilyuk A.L., Trafimenko A.G., Fedotov A.K., Svito I.A., Prischepa S.L. Negative Differential Resistance in n-Type Noncompensated Silicon at Low Temperature. Appl. Phys. Lett. 2016;109(22):222104. DOI: 10.1063/1.4968825.

6. Danilyuk A.L., Trafimenko A.G., Fedotov A.K., Svito I.A., Prischepa S.L. Low Temperature Conductivity in n-Type Noncompensated Silicon below Insulator-Metal Transition. Adv. Cond. Matt. Phys. 2017;2017:5038462. DOI: 10.1155/2017/5038462.

7. Сандомирский В.Б., Сушанов А.А., Ждан А.Г. Феноменологическая теория концентрационной нестабильности в полупроводниках. ЖЭТФ. 1970;58(5):1683-1694.

8. Петров П.В., Иванов Ю.И., Аверкиев Н.С. Спиновые и зарядовые явления, связанные с положительно заряженными акцепторами в квантовых ямах GaAs/AlGaAs. Физика низких температур. 2015;41(2):119-128.

9. Sze S.M. Physics of Semiconductor Devices. 2nd Edition. New York: John Wiley and Sons; 1981.

10. Pajot B., Kauppinen J., Anttila R. High Resolution Study of the Group V Impurities Absorption in Silicon. Sol. St. Comm. 1979;31(10):759-763. DOI: 10.1016/0038-1098(79)90784-1.

11. Abakumov V.N., Perel V.I., Yassievich I.N. Nonradiative Recombination in Semiconductors, Modern Problems in Condensed Matter Sciences, Vol. 33, edited by Agranovich V.M. and Maradudin A.A. North Holland, Amsterdam; 1991.

12. Ridley B.K. Quantum Processes in Semiconductors. Clarendon Press, Oxford; 1982.

13. Abrahams E. Electron-Electron Scattering in Alkali Metals. Phys. Rev. 1954;95(3):839-840. DOI: 10.1103/PhysRev.95.839.