Low-temperature magnetoresistance of GaSb whiskers

Transverse and longitudinal magnetoresistancies in n-type GaSb whiskers with different doping concentration (Te) in the vicinity to the metal-insulator transition (MIT) from metal side of the transition were studied in the temperature range 1.5–60 K and magnetic field 0–14 T. Shubnikov-de Haas oscillations in GaSb whiskers at low temperatures were revealed in magnetic field range 2–12 T. The oscillation period 0.025 T⁻¹ was found at various doping concentration in GaSb whiskers. The effective mass of electrons m c = 0.041 m ₀ and Dingle temperature of about 7.5 K were found in GaSb whiskers with impurity concentration in the vicinity to MIT. The presence of negative magnetoresistance in GaSb whiskers with the impurity concentration in the nearest approximation to MIT with resistivity ρ ₃₀₀ K = 0.0053 Ω cm was observed and associated with weak localization. Besides for the whiskers a resistance minimum was observed at temperature about 16 K that is connected with Kondo effect. Magnetoresistance studies of n-type conductivity for GaSb whiskers revealed the crossover from weak localization to antilocalization in the temperature range of 1.4–4.2 K and magnetic fields below 1 T

Negative magnetoresistance in indium antimonide whiskers doped with tin

Negative magnetoresistance of InSb whiskers with different impurity concentrations 4.4 × 10 ¹⁶–7.16 × 10 ¹⁷ cm −³ was studied in longitudinal magnetic field 0–14 T in the temperature range 4.2–77 K. The negative magnetoresistance reaches about 50% for InSb whiskers with impurity concentration in the vicinity to the metal–insulator transition. The negative magnetoresistance decreases to 35 and 25% for crystals with Sn concentration from the metal and dielectric side of the transition. The longitudinal magnetoresistance twice crosses the axis of the magnetic field induction for the lightly doped crystals. The behavior of the negative magnetoresistance could be explained by the existence of classical size effect, in particular boundary scattering in the subsurface whisker layer

Investigation of the stability of polysilicon layers in SOI-structures under irradiation by electrons and hard magnetic field influence

The properties of recrystallized polysilicon on insulator layers of p-type conductive SOI-structures with different carrier concentration irradiated with high-energy electrons flow about 1017 сm–2 in temperature range 4,2—300 К and high magnetic fields were investigated. It was found that heavily doped laser recrystallized polysilicon on insulator layers show its radiation resistance under irradiation with high-energy electrons and magnetoresistance of such material remains quite low in magnetic field about 14 T does not exceed 1—2%. Such qulity can be applied in designing of microelectronic sensors of mechanical values operable in hard conditions of exploitation

Спін-орбітальне розщеплення валентної зони в кремнієвих ниткоподібних кристалах під дією деформації

Магнітопровідність ниткоподібних кристалів Si з концентрацією легуючої домішки 2 x 1018 см – 3 досліджували в інтервалі магнітних полів 0-14 Тл при кріогенних температурах за деформації стиску до – 2 x 10 – 3 відн. од. Легування кристалів бором здійснювали у процесі росту методом хімічного парофазного осадження і концентрація носіїв заряду, згідно холлівських вимірювань, становила порядку 2 x 1018 см – 3. Одновісну деформацію ниткоподібних кристалів здійснювали шляхом їх закріплення на підкладках з використанням термічної деформації за рахунок різниці коефіцієнтів термічного розширення кристала і матеріалу підкладки. Досліджено поздовжній магнітоопір для недеформованих і деформованих зразків Si в інтервалі температур 4.2 ÷ 70 К. Недеформовані зразки мають квадратичну залежність магнітоопору від індукції магнітного поля. Деформація приводить до появи великого від’ємного магнітоопору з максимальною величиною до 15 %. Обговорюються можливі причини цього ефекту. Найбільш вірогідною причиною виникнення від’ємного магнітоопору є слабка локалізація носіїв заряду. Згідно з розрахунками у моделі слабкої локалізації носіїв заряду показано, що довжина когерентності Lφ і довжина спін-орбітальної взаємодії Lso пропорційна T– 0.53 і T – 0.45, відповідно, що відповідає теоретичним даним T– 1/2 для двовимірної системи. Це свідчить про те, що основний внесок у провідність ниткоподібних кристалів Si вносить транспорт носіїв заряду у приповерхневих шарах кристалів. Досліджено вплив деформації на спін-орбітальне розщеплення та спектр валентної зони ниткоподібних кристалів. В результаті розрахунків згідно k-p-методу виявлено значне розщеплення гілок легких і важких дірок під дією деформації стиску. Отримано енергію спін-орбітального розщеплення підзони важких дірок ∆SO, яка становить 1.8 меВ.Silicon whiskers with doping concentration of 2 × 1018 cm– 3 were chosen to investigate magnetoconductance in the range of 0-14 T at cryogenic temperatures under compressive strain up to – 2 × 10– 3 rel. un. The whiskers were doped with boron during the growth process by chemical vapor deposition method, and the concentration of charge carriers, according to Hall studies, was about 2 × 1018 cm– 3. The uniaxial strain of whiskers was carried out by fixing them to the substrates using thermal strain due to the difference between the coefficients of thermal expansion of the crystal and the substrate material. Longitudinal magnetoresistance for unstrained and strained Si whiskers was studied in the temperature range of 4.2 ÷ 70 K. The unstrained whiskers have a quadratic dependence of the magnetoresistance on the magnetic field induction. The strain leads to the appearance of negative magnetoresistance with sufficiently large magnitude (up to 15 %). The possible reasons of the effect were discussed. The most probable reason of negative magnetoresistance appearance is weak localization (WL) of the charge carriers. According to calculations within the WL model, the coherence length Lφ and spin-orbit length Lso are proportional to T− 0.53 and T− 0.45, respectively. The latter one is closed to T− 1/2 expected from the theoretical data for a twodimensional system. This fact is the evidence of the conclusion that conductance in Si whiskers mostly occurs in the subsurface layers of crystals. Strain influence on spin-orbit splitting and the valence band spectrum was studied. As a result, the splitting of light and heavy hole branches was found under compressive strain according to the k-p-method. The spin splitting energy for sub-band of heavy holes ∆SO was found to be 1.8 meV

Суперпарамагнетизм в ниткоподібних кристалах Si1 – xGex <B, Hf>

Стаття присвячена дослідженню намагніченості та магнітної сприйнятливості ниткоподібних кристалів Si1 – xGex (x = 0,05) діаметром близько 1 мкм в діапазоні температур 77-300 К та магнітних полях до 4,28 кЕ. Отримані результати показали, що магнітна сприйнятливість ниткоподібних кристалів суттєво відрізняється від типового діамагнітного об'ємного матеріалу. Основна відмінність пов'язана з існуванням парамагнітних центрів, локалізованих в нанопористому покритті, так званій структурі ядро-оболонка, ниткоподібних кристалів Si1 – xGex. Це призводить до виникнення їх магнітного впорядкування та появи парамагнітної складової в магнітній сприйнятливості. Збільшення парамагнітної складової спостерігалося завдяки введенню домішок Hf як окремих парамагнітних центрів. Було також виявлено наявність кисню в структурі "ядро-оболонка" відповідно до результатів Оже-спектроскопії, що пов'язано з ПРК-механізмом росту ниткоподібних кристалів Si1 – xGex. В результаті відбувається утворення HfO2-кластерів як об'ємного матеріалу, що характерно для діамагнетиків. Поведінка польової залежності магнітної сприйнятливості має суперпарамагнітний характер, що є типовим для насичення намагніченості суперпарамагнетизму та відсутності гістерезису в інтервалі температур 77-300 К. Отже, виявлені явища пояснюються наявністю обірваних зав'язків, а також кластерів HfO2 в нанопористій оболонці ниткоподібних кристалів, що приводить до магнітного впорядкування та появи суперпарамагнетизму в зразках Si1 – xGex .The paper deals with studies of magnetization and magnetic susceptibility of Si1 – xGex (x = 0.05) whiskers with a diameter of about 1 μm in the temperatures range 77-300 K and magnetic fields up to 4.28 kOe. The obtained results have showed that the whisker magnetic susceptibility differs substantially from the typical diamagnetic bulk material. The main difference is connected with the existence of paramagnetic centers localized in the nanoporous coating, the so-called core-shell structure, of Si1 – xGex whiskers. This leads to the emergence of magnetic ordering in them and appearance of a paramagnetic component in the magnetic susceptibility. An increase in the paramagnetic component was observed due to the introduction of Hf dopants as separate paramagnetic centers. The oxygen presence in the whisker coreshell structure was also found due to Auger spectroscopy associated with the VLS mechanism of the Si1 – xGex whisker growth. As a result, HfO2 clusters are formed as a bulk material typical of diamagnets. The field behavior of the magnetic susceptibility component has a superparamagnetic character, which is characteristic of superparamagnetism saturation of magnetization and hysteresis absence in the temperature range 77-300 K. Therefore, the observed phenomena are explained by the existence of dangling bonds, as well as HfO2 clusters, in the whisker nanoporous coating according to magnetic ordering and the superparamagnetism appearance in Si1 – xGex whiskers

Magnetoresistance of Ge-Si Whiskers in the Vicinity to Metal– Insulator Transition

The magnetoresistance of GeхSi1-х (x = 0.002 ¸ 0.11) whiskers with an acceptor concentration(Na = 3.1018 ¸ 2.1019 cm-3) near the metal-insulator transition (MIT) was studied at low temperatures (4.2 - 77 K)in magnetic fields up to 14 T. It is shown that at 4.2 K the magnetoresistance of the Ge-Si whiskers on thedielectric side of the MIT is quadratic, while the magnetoresistance of the crystals on the metal side of the MIThas an exponential dependence on the magnetic field. In the samples in the immediate vicinity to the MIT on thedielectric side, negative magnetoresistance was detected, whereas in metal samples with a high germaniumcontent (x = 11 at.%) an anomalous positive magnetoresistance occurs. The resulting anomalous dependences arerespectively explained by the conductivity with respect to the delocalized A+ states of the upper Hubbard bandand the increase in the electron-electron interaction in Ge-Si whiskers at increasing germanium content.Key words: magnetoresistance, whiskers, Ge-Si solid solutions, metal-insulator transition.</p

A study of the frequency dependence of conductivity of silicon whiskers at cryogenic temperatures as basis for the temperature sensors

Studies of low-temperature features of semiconductor silicon whisker conductivity play a significant role in the development of electronic devices, such as temperature sensors. The results of studies of the active component of impedance Z' for silicon whiskers obtained at cryogenic temperatures, indicating the increase of its value under temperature decreasing, and showing the frequency dependence in the range from 0 to 250 kHz. It was found that in temperature range 4.2–20 K at a frequency ωкр which can amount from 8 to 20 kHz, depending on resistivity and temperature, the hopping conduction with the participation of phonons is observed in whisker samples, resulting in a significant reduction of Z' value at frequencies up to 250 kHz. For example, at a temperature of 4.2 K for the sample with resistivity ρ300K=0.0168 Ohm • cm the frequency ωкр is equal to 8 kHz, and in frequency range up to 250 kHz the active component of impedance is reduced approximately by half. Such behavior of the frequency response for these samples is kept up to 20 K, whereas at 25 K the value of Z' is almost independent of frequency, and at higher temperatures with the increasing of frequency, it slightly increases. Reducing the resistivity of the samples leads to a narrowing of the temperature range, where the hopping conduction is observed, and at ρ300K= 0.0143 Ohm • cmit is observed only at a helium temperature. Offset of the frequency ωкр from 8 to 20 kHz at the hopping conduction beginning, depending on temperature and the value of resistivity for studied silicon crystals, can be attributed to the change of free charge carriers concentration in such samples, because it determines the effect of Coulomb gap on ωкр. Experimental study of low-temperature conductivity of silicon whiskers allowed proposing the temperature sensor operable at temperature range 4.2–100 K. The sensor works on alternating current, because it avoids the sell-heating of sensitive element and the occurrence of «parasitic» thermopower, which also affects the accuracy of temperature measurement

Sensitive element of multifunctional sensor for measuring temperature, strain and magnetic field induction

Sensitive element of multifunctional sensor for measuring temperature, strain and magnetic field induction has been developed based on the studies of electrical conductivity and magnetoresistance of silicon and germanium microcrystals in the temperature range 4.2—70 K, strain ±1.5*10–3 rel.un. and magnetic fields of 0—14 T. The feature of the sensitive element is the using of the p- and n-type conductivity germanium microcrystals as mechanical and magnetic field sensors, respectively, and the p-type silicon microcrystal — as temperature sensor. That allows providing the compensation of temperature influence on piezoresistance and on sensitivity to the magnetic field

Berry phase in strained InSb whiskers

Strain influence on the longitudinal magnetoresistance for the n-type conductivity InSb whiskers doped by Sn to concentrations 6·10¹⁶–6·10¹⁷ сm⁻³ were studied at temperatures from 4.2 to 50 K and magnetic field up to 10 T. The Shubnikov–de Haas oscillations at low temperatures were revealed in the strained and unstrained samples with all range doping concentration. Some peaks of the longitudinal magnetoresistance split as a doublet in the InSb whiskers with doping concentration in the vicinity to metal-insulator transition. Taking into account peak splitting giant g-factor from 30 to 60 was defined for strained and unstrained samples. The magnetoresistance oscillation period of the InSb whiskers doesn’t differ under strain for all doping concentration, but Fermi energy increases and electron effective mass mс decreases and consists 0.02 m₀. Berry phase presence was also revealed in strained n-InSb whiskers that shows their transition under a strain to topological insulator phase.Досліджено вплив деформації на поздовжній магнітоопір ниткоподібних кристалів InSb з провідністю n-типу, легованих оловом в концентраціях 6·10¹⁶–6·10¹⁷ сm⁻³ , при температурах від 4,2 до 50 К та магнітних полях до 10 Тл. При низьких температурах осциляції Шубнікова–де Гааза виявлено в деформованих й недеформованих зразках у всьому діапазоні концентрацій допування. Деякі піки поздовжнього магнітоопору розщеплюються в дублети в ниткоподібних кристалах InSb з концентрацією допанта, близькою до переходу метал–ізолятор. Беручи до уваги розщеплення піків, для деформованих та недеформованих зразків визначено гігантський g-фактор від 30 до 60. Період осциляцій магнітоопору ниткоподібних кристалів InSb не змінюється в деформованому стані для всіх концентрацій допанта, але енергія Фермі зростає, а ефективна маса електрона mс зменшується і становить 0,02 m₀. Присутність фази Беррі було також виявлено в деформованих ниткоподібних кристалах n-InSb, які демонстрували перехід в фазу топологічного ізолятора під дією деформації.Исследовано влияние деформации на продольное магнитосопротивление нитевидных кристаллов InSb с проводимостью n-типа, легированных оловом в концентрациях 6·10¹⁶–6·10¹⁷ сm⁻³ , при температурах от 4,2 до 50 К и магнитных полях до 10 Тл. При низких температурах осцилляции Шубникова–де Гааза обнаружены в деформированных и недеформированных образцах во всем диапазоне концентраций допирования. Некоторые пики продольного магнитосопротивления расщепляются в дублеты в нитевидных кристаллах InSb с концентрацией допанта, близкой к переходу металл– изолятор. Принимая во внимание расщепление пиков, для деформированных и недеформированных образцов определен гигантский g-фактор от 30 до 60. Период осцилляций магнитосопротивления нитевидных кристаллов InSb не изменяется в деформированном состоянии для всех концентраций допанта, но энергия Ферми возрастает, а эффективная масса электрона mс уменьшается и составляет 0,02 m₀. Присутствие фазы Берри было также обнаружено в деформированных нитевидных кристаллах n-InSb, которые демонстрировали переход в фазу топологического изолятора под действием деформации

ДОСЛІДЖЕННЯ НИЗЬКОТЕМПЕРАТУРНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ШАРІВ ПОЛІКРЕМНІЮ НА ІЗОЛЯТОРІ ДЛЯ СТВОРЕННЯ СЕНСОРІВ ТЕПЛОВИХ І МЕХАНІЧНИХ ВЕЛИЧИН

The properties of boron doped polysilicon-on-insulator layers, unrecrystallized and after laser recrystallization, in the temperature range 4.2-300K and in high magnetic fields up to 14T were studied. Temperature dependencies of resistance for unrecrystallized and recrystallized polysilicon layers with different carrier concentration from 3×1017см-3 до 1.7×1020см-3, piezoresistance of recrystallized layers with carrier concentration 4.8×1018см-3 і 1.7×1020см-3 as well as the magnetoresistance of all studied layers at liquid helium temperatures were measured. There were determined carrier concentrations of polysilicon-on-insulator layers sutiable to create on their basis the temperature  sensors and piezoresistive mechanical sensors, operating at cryogenic temperatures and in high magnetic fields.Исследовано свойства слоев поликремния на изоляторе, нерекристаллизованых и после лазерной рекристаллизации, легированых бором, в температурном диапазоне 4,2÷300К и в сильных магнитных полях до 14Т. Проводились измерения температурной зависимости сопротивления нерекристаллизованых и рекристаллизованых слоев поликремния с разной концентрацией носителей от 3×1017см-3 до 1,7×1020см-3, п’езосопротивления рекристаллизованых  слоев с концентрацией носителей 4,8×1018см-3 и 1,7×1020см-3 в интервале температур  4,2-300К, а также магнитосопротивления всех исследованых образцов при гелиевых температурах. Определено концентрации носителей заряда слоев поликремния на изоляторе, пригодных для создания сенсоров температуры и пьезорезистивных сенсоров механических величин, работоспособных при криогенных температурах и в сильных магнитных полях. Досліджено властивості шарів полікремнію на ізоляторі, нерекристалізованих та після лазерної рекристалізації, легованих бором, в температурному діапазоні 4,2÷300К і в сильних магнітних полях до 14Т. Проводились вимірювання температурної залежності опору нерекристалізованих і рекристалізованих шарів полікремнію з різною концентрацією носіїв від 31017см-3 до 1,71020см-3, п’єзоопору  рекристалізованих  шарів з концентрацією носіїв 4,81018см-3 і 1,71020см-3 в інтервалі температур 4,2-300К, а також магнітоопору всіх досліджуваних зразків при гелієвих температурах. Визначено концентрації носіїв заряду шарів полікремнію на ізоляторі, придатних для створення сенсорів температури і п’єзорезистивних сенсорів механічних величин, працездатних при кріогенних температурах і в сильних магнітних полях