【外延论文】掺硅 Ga₂O₃ 从无序半导体向无序金属的 Mott 相变中的异常跃迁行为

        由捷克斯洛伐克科学院的研究团队在学术期刊 Physical Review B 发布了一篇名为Anomalous hopping regime at the Mott transition from disordered semiconductor to disordered metal in Si-doped Ga₂O₃（掺硅 Ga₂O₃ 从无序半导体向无序金属的 Mott 相变中的异常跃迁行为）的文章。

摘要

        在非简并的n型半导体中，低温下的电子传导是由于 Efros-Shklovskii 可变范围跃迁作用，该跃迁发生在与导带由受主电离能隔开的窄受主能带中。当施主浓度达到莫特转变的临界浓度（n_c）时，施主电离能趋近于零，从施主处释放的电子在导带中形成简并气体。通常该简并气体的费米能级超过安德森迁移率边界，因此莫特转变伴随着跃迁电导向金属电导的转变。本文通过测量导电率、霍尔效应、Seebeck 系数和光学吸收光谱，并结合结构与化学表征，研究了高硅掺杂的 β-Ga₂O₃ 半导体薄膜。将电活性硅供体（n）的浓度从较低值逐渐增加至 n = n_c（证明 n_c = 5.7×10¹⁸ cm⁻³）及略高于该值。观测到了由施主浓度驱动的莫特相变，系统从非简并无序半导体转变为简并无序金属，其费米能级远低于迁移率边界。在莫特转变的半导体侧低温区域（n < n_c），观测到了具有特征能量 (1 −n/n_c)² 的 Efros-Shklovskii 跃迁，与理论预测一致。同样地，随着 n→n_c，受主电离能趋于减小，且很可能与同一因子成正比。在莫特相变的金属侧（n - n_c），低温输运行为从 Efros-Shklovskii 跃迁转变为莫特可变范围跃迁，这表明莫特相变时 Efros-Shklovskii 库仑能隙已闭合。在高温下，无论 n> n_c 还是 n < n_c，电导率仍表现出局域化输运，但令人惊讶的是，在后一种情况下，当 n 接近 n_c 时，其输运呈现线性温度依赖性。将这种输运机制识别为非简并导带电子在无序中运动的异常可变范围跃迁，其成因并非源于硅掺杂。光学数据确实表明，由于氧空位引起的额外无序导致导带态发生局域化，这一结论也得到了化学成分数据的证实。最后，室温 Seebeck 数据证实了非简并电子输运，并表明在莫特转变时，施主带与导带发生了合并。

原文链接：

https://doi.org/10.1103/khqm-bvwf