Interaction between extended and localized electronic states in the region of the metal to insulator transition in semiconductor alloys

Abstract

The interplay between extended and localized electronic states in semiconductor alloys can significantly influence their properties at low temperatures. In the case of donors or acceptors, localized states determine whether a semiconductor appears as an insulator or as a metal at low temperatures. It is well known that the material can undergo an insulator to metal transition when their concentration is raised above some threshold. This phenomenon has been studied extensively during the past decades, but nevertheless many unanswered questions persist. In this context, the material system (B,Ga,In)As turns out to be a very interesting and complex system from a fundamental point of view with manifold interactions of localized and extended states. Isovalent boron is found to generate highly localized states resonant with the conduction band. These states are very close to the conduction band edge, which makes them accessible by applying hydrostatic pressure. The first part of this work addresses the influence of those isovalent localized states on the electronic properties of (B,Ga,In)As. Despite the difficulties brought about by the complexity of the system, its properties can be well explained by the model proposed in this work. Most valuable were the measurements under hydrostatic pressure that revealed a pressure induced metal-insulator transition. One of the main ideas in this context is the trapping of carriers in localized B-related cluster states that appear in the bandgap at high pressure. The key conclusion that can be drawn from the experimental results is that boron atoms seem to have the character of isovalent electron traps, rendering boron as the first known isovalent trap induced by cationic substitution. In the second part, thermoelectric properties of (B,Ga,In)As and (Ga,In)(N,As) are studied.It was found that although the electric-field driven electronic transport in n-type (Ga,In)(N,As) and (B,Ga,In)As differs considerably from that of n-type GaAs, the temperature-gradient driven electronic transport is very similar for the three semiconductors, despite distinct differences in the conduction band structure of (Ga,In)(N,As) and (B,Ga,In)As compared to GaAs. This similar behavior in case of temperature-gradient driven electric transport is caused by the similarity of the dispersions of the extended phonon states of the three semiconductor materials in conjunction with the dominance of the phonon drag effect. The third part addresses the influence of magnetic interactions on the transport properties near the metal-insulator transition (MIT). Here, two scenarios are considered: Firstly the focus is set on ZnMnSe:Cl, a representative of so called dilute magnetic semiconductors (DMS). In this material Mn(2+) ions provide a large magnetic moment due to their half filled inner 3d-shell. It is well known that the resulting interaction between these localized magnetic moments and the electron spins leads to a spin splitting of the band states. However, little is known about the modifications of the impurity band transport due to magnetic interactions. It is shown that magnetic interactions in conjunction with disorder effects are responsible for the unusual magnetotransport behavior found in this and other II-Mn-VI semiconductor alloys.In the second scenario, a different magnetic compound, namely InSb:Mn, is of interest. It is a representative of the III-Mn-V DMS, where the magnetic impurity Mn serves both as the source of a large localized magnetic moment and as the source of a loosely bound hole due to its acceptor character. Up to now, little is known about the influence of magnetic donors or acceptors on the metal-insulator transition. However, as it will be shown, there exists an extremely interesting doping regime close to the metal-insulator transition where localized states of magnetic impurities can dramatically alter the transport properties. This work tries to shed some light on this topic by comparing magnetic InSb:Mn and non-magnetic InSb:Ge which reveal distinct differences in their electric resistivity near the metal-insulator transition and by presenting a model that is able to explain the unusual experimental findings. Das Wechselspiel zwischen ausgedehnten und lokalisierten elektronischen Zuständen kann die Eigenschaften von Halbleitermischkristallen insbesondere bei tiefen Temperaturen entscheidend beeinflussen. Im Falle von Donatoren und Akzeptoren bestimmen die lokalisierten Zustände, ob ein Halbleiter als Metall oder als Isolator erscheint, und es ist eine bekannte Tatsache, dass bei einer bestimmten Störstellenkonzentration ein Metall-Isolator-Übergang stattfindet. Dieses Phänomen wurde während der letzten Jahrzehnte zwar bereits ausgiebig untersucht, dennoch verbleiben viele ungelöste Fragen. In diesem Zusammenhang stellt das Materialsystem (B,Ga,In)As, von einem fundamentalen Standpunkt aus gesehen, ein sehr interessantes und komplexes Materialsystem dar, in dem vielseitige Wechselwirkungen zwischen lokalisierten und ausgedehnten Zuständen auftreten. Isovalent eingebaute Bor-Atome erzeugen stark lokalisierte Zustände innerhalb des Leitungsbandes, welche aber sehr nahe an der Leitungsbandkante liegen, was sie in Experimenten unter hydrostatischem Druck zugänglich macht.Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss dieser lokalisierten Zustände auf die elektronischen Eigenschaften von (B,Ga,In)As. Trotz der Schwierigkeiten, die sich aus der Komplexität des Systems ergeben, können dessen Eigenschaften sehr gut mit Hilfe des in der Arbeit vorgestellten Modells erklärt werden. Von besonderer Bedeutung waren hierbei Messungen unter hydrostatischem Druck, bei denen ein druckinduzierter Metall-Isolator-Übergang beobachtet wurde. Das Einfangen von Ladungsträgern in lokalisierten Bor-Zuständen, die unter Druck innerhalb der Bandlücke erscheinen, ist hierbei die wichtigste Grundlage des Erklärungsmodells. Es kann die Schlussfolgerung gezogen werden, dass Bor-Atome den Charakter isovalenter elektronischer Störstellen besitzen. Dies macht sie zu den ersten isovalenten Störstellen, die durch Substitution auf Kationenplatz gefunden wurden. Im zweiten Teil der Arbeit wurden die thermoelektrischen Eigenschaften von (B,Ga,In)As und (Ga,In)(N,As) untersucht und mit denen von reinem n-GaAs verglichen. Dabei wurde festgestellt, dass der durch einen Temperaturgradienten induzierte elektronische Transport in allen drei Materialsystemen sehr ähnliches Verhalten zeigt. Dies ist bemerkenswert, da sich für den durch elektrische Felder hervorgerufenen Ladungstransport in n-Typ (Ga,In)(N,As) und (B,Ga,In)As große Unterschiede zu GaAs ergeben, was sich auf den starken Einfluss von N und B auf die Leitungsbandstruktur zurückführen lässt.Das thermoelektrische Verhalten ist in der für alle drei Halbleiter vergleichbaren Dispersion ausgedehnter Phononenmoden sowie der Dominanz des sogenannten "phonon-drag"-Effektes begründet. Im dritten Teil der Arbeit liegt das Gewicht auf dem Einfluss magnetischer Wechselwirkungen auf die Transporteigenschaften in der Nähe des Metall-Isolator-Übergangs. Hierbei wurden zwei Szenarien betrachtet:Im ersten Fall das Materialsystem ZnMnSe:Cl, ein Repräsentant der sogenannten verdünnt magnetischen Halbleiter (DMS). In diesem Material erzeugen Mn(2+)-Ionen aufgrund ihrer halbgefüllten inneren 3d-Schale große magnetische Momente. Es ist bekannt, dass die Wechselwirkung zwischen diesen lokalisierten magnetischen Momenten und den Spins der Elektronen zu einer Spin-Aufspaltung der Bandzustände führt. Hier wurden die Auswirkungen magnetischer Wechselwirkungen auf den Störbandtransport untersucht.Es konnte gezeigt werden, dass magnetische Wechselwirkungen in Verbindung mit unordnungsinduzierten Effekten für das ungewöhnliche Magnetotransportverhalten, das in diesem und anderen II-Mn-VI Halbleitern gefunden wurde, verantwortlich sind.Im zweiten Fall ist der Halbleiter InSb:Mn, ein Vertreter der III-Mn-V DMS, von Interesse. In diesen Verbindungen dient die magnetische Störstelle Mn sowohl als Quelle lokalisierter magnetischer Momente, sowie aufgrund ihres Akzeptorcharakters als Quelle schwach gebundener Löcher. Wie in der vorliegenden Arbeit durch den Vergleich von magnetischem InSb:Mn mit nicht-magnetischem InSb:Ge gezeigt wird, ist der Dotierbereich in der Nähe des Metall-Isolator-Übergangs dabei von großem Interesse, da hier lokalisierte Zustände magnetischer Störstellen in entscheidender Weise Einfluss auf die Transporteigenschaften nehmen. Mit Hilfe des in der vorliegenden Arbeit entwickelten Modells gelingt es, alle diese ungewöhnlichen experimentellen Befunde zu erklären.