Особенности перехода металл - диэлектрик в отщепленной примесной зоне двумерных полупроводников. Агринская Н.В., Козуб В.И., Полоскин Д.С., Черняев А.В., Шамшур Д.В.

Хотя проблема перехода металл-диэлектрик обсуждается уже десятки лет, она все еще далека от полного понимания. В частности, можно упомянуть недавние дебаты о переходе в 2D, которые также остаются незавершенными. Понимание природы перехода облегчается, если известен характер исходных локализованных состояний.Поэтому мы обратились к исследованию транспорта по локализованным примесным водородоподобным состояниям, полученным путем легирования ямы и барьеров. Особенности транспорта в легированных 2D связаны : 1)С возможностью как однократного, так и двукратного заполненния примесных состояний в равновесии. 2)С возможностью контролировать степень беспорядка (в частности с реализацией узкой примесной зоны в некомпенсированных материалах - за счет расположения фоновых компенсирующих центров вне области легированного слоя). Согласно скэйлинговой теории слабой локализации, в 2D случае не должно наблюдаться металлической проводимости. (T 0) σ0 Т.е. в сильно легированных образцах можно различить 2 режима: 1. SL –режим, где наблюдается экспоненциальная зависимость σ(T) 2. WL(грязный металл) –режим, где наблюдается слабая логарифмическая зависимость σ(T) при низких температурах. Problem 1- какие еще проявления перехода могут существовать кроме зависимотей σ(T)? Problem 2- где происходит этот кроссовер? Сливается ли примесная зона с зоной проводимости в момент перехода? Эта проблема становится актуальной в 2D, поскольку примесные сотояния (особенно двукратно заполненные) заглубляются вследствие эффектов размерного квантованя.

Выращены структуры GaAs/Al 0,3 GaAs, 1-10 ям (10 and 15 nm) и барьеров ( nm). Легирование – мелкий акцептор Be (E 0 = meV ) зависит от ширины ямы. Два типа легирования 1 –центр ям и центр барьеров-заполняется верхняя зона Хаббарда, беспорядок велик. (A + )– E + =7 and 10 meV функция ширины ям 2 – только центр ям (A 0 ),беспорядок мал– Узкая примесная зона meV 28mev

Мы наблюдали переход от режима SL к WL с ростом концентрации примеси для структур с A + центрами при N> cm -3

Low T behavior of conductivity is in accordance to scaling theory of localization Where L φ – phase breaking length for e-e scattering, τ ~l/v For 2D

Кривые низкотемпературного МС в режиме WL демонстрируют положительный знак и обьясняются значительной ролью спин- орбитального рассеяния в p-GaAs (антилокализация). Это заметно отличается от кривых МС для режима SL. МС – линейное отрицательное в слабых полях м связано с интерференционными эффектами для VRH прыжковой проводимости. Таким образом, изменение знака МС в слабых полях с ростом N свидетельствует о переходе от режима SL к WL.

Positive MR is in accordance to the theoryof weak localization in a presence of s-o antilocalization (Knabb, 1994). From the calculations fitting parameters τ s, τ φ can be obtained. τ φ is in agreement with conventional theoretical picture.

SdH осцилляции наблюдались в режиме WL (Т=0,6K) – из которых была оценена концентрация делокализованных носителей.

Где происходит переход к режиму WL ? В валентной или в примесной зоне? При высоких Т-активационная зависимость эффекта Холла и проводимости. С понижением Т Холловская кривая проходит через максимум а проводимость выполажмвается. Использована 2-зонная модель IB +VB (с большей μ )

Indirect estimate of m ib For scattering by charged impurities (T

1. С ростом концентрации в структурах GaAs/AlGaAS с двукратным заполнением примеси наблюдался переход SL-WL. Критическая концентрация n c ~ cm -3

Особенность двумерных структур ком- пенсирующие дефекты расположены вне легированного слоя, что приводит к подавлению потенциала беспорядка в слое и к сужению примесной зоны (~4 мэВ). В такой узкой зоне критерии для перехода Андерсона и перехода Мотта могут быть различны (делокализация состояний в центре примесной зоны -переход Андерсона начнется раньше). Однако поскольку все состояния заполнены дырками – не происходит перехода к металлу. Делокализованные состояния могут участвовать в проводимости только за счет активации неосновных носителей – электронов с уровня Ферми. Сдвиг уровня Ферми за счет увеличения компенсации также не приведет к металлической проводимости, поскольку вырастет беспорядок и переход Андерсона будет подавлен Поэтому такой переход мы назвали «виртуальным» переходом Андерсона ( по аналогии с виртуальным сегнетоэлектрическим переходом)

Параметры исследованных образцов, K=Nd/Na

Температурные зависимости проводимости - 4 и холловской подвижности h (ее рост с пониженим температуры (30-10K) связан с рассеянием на акустических фононах), свидетельствуют об активации неосновных носителей (электронов) с уровня Ферми из хвоста примесной зоны в зону делокализованных состояний. В случае 3 прыжковой проводимости должен наблюдаться экспоненциальный спад эффективной h.

Наблюдалось изменение знака коэффициента Холла от дырочного о при высоких Т(300К) к электронному при низких Т (4,2К). При этом, концентрация носителей (электронов) оказалась на 3 порядка ниже концентрации дырок при комнатной Т.

Низкотемпературный транспорт в достаточно слабых полях (~3В/см) обнаруживает сильную нелинейность пробойного типа, характеризуемого S- образной вольт-амперной характеристикой. Такой формы ВАХ никогда не проявлялась в прыжковой проводимости. Это поведение обьясняется простой моделью, связанной с ударной ионизацией делокализованными носителями, локализованных неосновных носителей в зону делокализованных состояний. Удалось оценить поле пробоя ~ 10 B/cm. Температурные зависимости сопротивления и ВАХ, снятые в режиме постоянного тока Энергия, набранная в электрическом поле порядка 4

Таким образом, для узкой примесной зоны в легированных некомпенсированных двумерных структурах обнаружен новый тип перехода металл-диэлектрик – «виртуальный» переход Андерсона для неосновных носителей. Доказательства: 1.наблюдаемая в широком температурном интервале активационная зависимость проводимости –ε 4, 2. возрастание холловской подвижности с понижением температуры 3.смена знака низкотемпературного эффекта Холла. 4. нелинейность пробойного типа, характеризуемого S-образной ВАХ.

Выводы Таким образом, в случае заполненной верхней зоны Хаббарда (А + ) с ростом концентрации примеси наблюдается переход SL-WL (диэлектрик-грязный металл). Причем он происходит в отщепленной примесной зоне. В случае заполненной нижней зоны (А 0 ) наблюдается лишь «виртуальный» переход Андерсона в примесной зоне (делокализация состояний не приводит к металлической проводимости).

Список работ 1. Агринская Н.В., Козуб В.И., Полоскин Д.В., Черняев А.В., Шамшур Д.В. Переход от сильной к слабой локализации в отщепленной примесной зоне в двумерных структурах p-GaAs-AlGaAs. Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики, т.80, с (2004) 2. Agrinskaya N.V., Kozub V.I., Chernyaev A.V., Shamshur D.V. Manifestation of Coulomb gap in two-dimensional p-GaAs/AlGaAs structures with filled lower or upper Hubbard bands. Phys. Stat. Sol. (c) v.1, p (2004) 3. N.V.Agrinskaya, V.I.Kozub, A. Chernyaev, D.V Shamshur Magnetoresistance of p-GaAs/AlGaAs structuresin the vicinity of metal-insulator transition: Effect of superconducting leads. Phys.Rev.B, v.72, p , (2005) 4. N. V. Agrinskaya, V. I. Kozub, D. V. Poloskin, A. V. Chernyaev, and D. V. Shamshur Crossover from Strong to Weak Localization in the Split-Off Impurity Band in Two Dimensional p-GaAs/AlGaAs Structures Phys.stat.sol. (C), v.3, p.329, (2006) 5. N. V. Agrinskaya, V. I. Kozub, D. S. Poloskin, D.V.Shamshur, A.V.Chernyaev Evidences of the virtual Anderson transition in a narrow impurity band of p -GaAs/AlGaAs quantum wells: ε4 conductivity and electric breakdown at low temperatures Phys. Stat. Sol. (C) принято к печати (2007) 6. Н.В. Агринская В.И. Козуб, Д.В. Полоскин Виртуальный переход Андерсона в узкой примесной зоне двумерных структурах р-GaAs/AlGaAs. Письма в ЖЭТФ, т.85, с , (2007) 7. N. V. Agrinskaya, V. I. Kozub, D.V.Shamshur Evidence of the virtual Anderson transition in a narrow impurity band of p-GaAs/AlGaAs quantum wells: ε4 conductivity and electric breakdown at low temperatures. ArXiv: v1 [Cond-mat] 5 Okt.(2007) а также Phys. Rev.B (послано в печать)