Оглавление
Введение 3
1 Квантовые эффекты в проводимости двумерных (20) систем в классически слабых и сильных магнитных полях (общие представления) 9
1.1 Квантовые поправки к проводимости...................................... 9
1.1.1 Классическая проводимость........................................ 9
1.1.2 Интерференционные квантовые поправки......................... 11
1.1.3 Время сбоя фазы ................................................ 12
1.1.4 Отрицательное магнитосопротивление........................... 13
1.1.5 Квантовые поправки за счет электрои-элсктронного взаимодействия 14
1.1.6 Влияние эффекта Зеемана на мсжэлсктронное взаимодействие . . 18
1.2 Квантовый эффект Холла................................................ 18
2 Описание экспериментальной установки. Образцы: методы получения, приготовления и измерения 25
2.1 Общее описание установки для исследования галызаномагнитных явлений
в полупроводниковых структурах........................................ 25
2.2 Образцы: метод получения, приготовление............................... 26
3 Особенности квантовых поправок к проводимости в гетероструктурах
р — Сс/Сеі_х5іх 30
3.1 Введение к главе 3. Влияние пространственного квантования и одноосного
напряжения на спектр валентной зоны германия.......................... 30
3.2 Разделение вкладов слабой локализации и электрон - электронного взаимодействия в проводимость гетероструктур р — (7е/(?еі-хБгх................ 33
3.3 Влияние сильного зеемаповского расщепления на магнетосопротивление
двумерного дырочного газа в гетероструктуре р — Єе/Се\-х5іх........... 40
3.4 Выводы к главе 3 .................................................... '51
1
4 Квантовые интерференционные аффекты в проводимости гетероструктур n — InyGai_y As/Ga As 52
4.1 Введение к главе 4. Квантовые поправки к проводимости 2D систем за
счет электрон - электронного взаимодействия в диффузионном и баллистическом режимах........................................... 52
4.2 Температурная зависимость подвижности электронов в системе
71 — JtivGa\-vAs/GaAs............................................ 54
4.3 Разделение вкладов в проводимость от двух типов носителей заряда в
двойных квантовых ямах п — InyGa\-vAs/GaAs ......................... 57
4.4 Выводы к главе 4................................................ 60
5 Особенности квантового эффекта Холла в гетероструктурах
р - Ge/Gci_xSixH квантовых ямах n — InyGa!_yAs/GaAs 62
5.1 Введение к главе 5. Скейлинг в режиме квантового эффекта Холла ... 62
5.1.1 Двухпараметрический скейлинг............................... 62
5.1.2 Температурная зависимость ширины полосы дслокализованных состояний....................................................... 66
5.2 Переходы плато-плато в режиме квантового эффекта Холла.......... 67
5.2.1 Гетероструктуры п — InvGa\-vAs/GaAs........................ 68
5.2.2 Гетероструктуры р - GejGe^xSix............................. 69
5.3 Выводы к главе 5................................................ 73
Основные результаты 75
А Приложение. Спин-орбитальное взаимодействие в р — Ge/Gei_xSix 77
В Приложение. Два типа носителей заряда 79
Публикации 80
Литература 83
2
Введение
Актуальность темы. Развитие технологии изготовления структур с пониженной размерностью методом молекулярно - лучевой эпитаксии позволило получать слоистые структуры с точно заданными составом и толщиной слоев вплоть до атомных. Наиболее физически интересные из них - двумерные электронные системы, в частности, квантовые ямы. Такие ямы могут быть созданы в одиночном и двойном гетеропереходах или в структурах типа металл-изолятор-полупроводник. К наиболее изученным в настоящее время относятся квантовые ямы на основе гетероструктур п - Зг МОБРЕТ, п - СаАэ/АЮаАз, р - СаАэ/АЮаАз, вг/р - р - Се/*5гСс.
Постоянно растущий интерес к двумерным электронным системам обусловлен их широким применением в современной технике для построения элементной базы современной и перспективной электроники (полупроводниковые лазеры). Помимо очевидной связи этого направления с вопросами технологии в нем можно выделить отдельную область, представляющую интерес с фундаментальной точки зрения. В двумерных электронных системах наблюдается необычайное богатство фундаментальных физических явлений - квантовые эффекты на макроскопическом уровне, например, целочисленный и дробный квантовый эффект Холла (КЭХ), квантовые интерференционные эффекты в проводимости, квантовые фазовые переходы, вигнеровская кристаллизация, переход металл-диэлектрик, и т.п., и поэтому изучение такого рода объектов и явлений составляет фундаментальную задачу физики конденсированного состояния и отнесено к приоритетным направлениям физических исследований. Это привело к тому, что физика низкоразмерных электронных систем составляет значительную часть современной физики полупроводников.
Особое место в физике двумерных электронных систем занимают исследования транспортных и магнитотранспортных свойств. Особые транспортные свойства 20-электронных систем определяются следующими факторами:
• Пограничное положение между одномерными системами, в которых все электронные состояния считаются локализованными, и трехмерными, в которых имеется
3
порог подвижности, делает решение задачи о локализации электронных состояний в двумерных электронных системах (20ЭС) трудно предсказуемой.
• Легирующие примеси в двумерных электронных системах могут находиться как внутри квантовой ямы, так в барьерах (при этом двумерный газ отделен от рассеивающих примесей, так называемым, спейсером), и следовательно, рассеивающий потенциал изменяется от короткодействующего до плавного.
• Сравнительно малая плотность носителей заряда в двумерных электронных системах, которая может быть достигнута сегодня без ущерба для подвижности в структурах с очень низким уровнем беспорядка, определяет большую величину эффектов, связанных с электрон-элекгронным взаимодействием. Одним из наиболее ярких эффектов, обусловленных этим взаимодействием, является дробный квантовый эффект Холла.
• В двумерных электронных системах с затворами или при облучении электромагнитным излучением появляется возможность плавно изменять плотность носителей заряда, а значит, и дополнительная степень свободы исследований. Можно заполнять следующие подзоны пространственного квантования, получая, так называемые, квазидвумерные электронные системы и исследовать роль квазидву-мерности в квантовых эффектах, таких как, например, квантовые поправки к друдевской проводимости и КЭХ.
• Плавное изменение концентрации электронов позволяет изменять в широких пределах силу межэлоктронного взаимодействия. Степень взаимодействия между электронами обычно характеризуется отношением потенциальной кулоновской энергии взаимодействия на характерном между электронами расстоянии к энергии Ферми, что совпадает с безразмерным радаусом Вигнера-Зейтца (г3). Взаимодействие возрастает с уменьшением щ. Для «плохих» металлов га < 1. В настоящее время переход металл-диэлектрик исследуется уже на 2Б-структурах с г5 порядка 80.
• В последнее время количество эффектов, в происхождении которых явно замешано межэлектронное взаимодействие, постоянно растет. В частности, «металлическое» поведение температурной зависимости проводимости, наблюдаемое при
4
концентрациях в области перехода металл-диэлектрик, также связывают с сильным (т\. ^ 10) межэлектронным взаимодействием в условиях слабого беспорядка.
• Интересные свойства у двумерного электронного газа возникают при приложении сильного магнитного поля как вдоль нормали к плоскости свободного движения электронов, так и в самой плоскости. Это неудивительно, если учесть, что магнитное поле благодаря квантованию Ландау приводит к тому, что двумерные электронные системы становится полностью дискретным объектом. Интенсивные исследования этих свойств ознаменовались открытием квантового эффекта Холла.
Реализация двумерных электронных систем с сильным взаимодействием и о ткрытие «металлическое» поведения температурной зависимости проводимости стимулировали появление потока экспериментальных и теоретических работ, в которых анализировался вопрос - к чему должно привести одновременное присутствие сильного взаимодействия и слабого беспорядка. В настоящее время существует два класса теорий, претендующих на объяснение экспериментальных данных, полученных при исследовании перехода металл-диэлектрик: теории, основанные на фермн-жидкостном подходе и не ферми-жидкостные теории, в частности, модель макроскопического разделении жидкой и твердой электронных фаз в силыго-взаимодействующей системе. Однако все они лишь качественно объясняют транспортные свойства двумерной системы электронов в нулевом магнитном поле. В системе с сильным межэлектронным взаимодействием применение общеизвестных формул, полученных для случая слабого взаимодействия, само по себе требует экспериментального подтверждения. В связи с этим каждый параметр теории, полученный на эксперименте, должен быть подтвержден несколькими независимыми способами в независимых экспериментах для как можно большего количества двумерных электронных систем на основе разных полупроводниковых материалов.
Несмотря на почти тридцатилетшою историю - с момента экспериментального подтверждения скейлинговой теории локализации и открытия квантового эффекта Холла -полного понимания соответствующих физических явлений до сих пор нет и необходимо продолжать интенсивные теоретические и экспериментальные исследования.
Целыо настоящей работы является систематическое исследование эффектов электрон-электронного (е-е) взаимодействия в гальваномагннтных явлениях в двумерных полупроводниковых гетероструктурах р- и 71-типа, как в классически сла-
5
бых(квантовые интерференционные эффекты), так и в квантующих магнитных полях (режим квантового эффекта Холла).
Структура диссертации. Диссертация содержит введение, пять глав, основные выводы и два приложения. Объем диссертации составляет 92 страницы, включая 28 рисунков. Список литературы содержит 87 наименовании.
Практическая ценность проведенных исследований состоит в том, что выявлена принципиальная недостаточность одпоэлектронного подхода при интерпретации температурных и магнитополевых зависимостей продольного и холловского сопротивлений в двумерных полупроводниковых гетероструктурах. Обоснована необходимость учета межэлсктронного взаимодействия как в области квантовых интерференционных эффектов в классически слабых магнитных полях, так и в области квантовых фазовых переходов плато-плато в режиме целочисленного квантового эффекта Холла.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые проведен анализ особенностей квантовых интерференционных эффектов в двумерных системах с большим анизотропным ^-фактором (системы р — Ge/Ge\-xSix). В таких системах необходимо учитывать сильное зее.мановское расщепление уровней энергии электронов, приводящее к существенной зависимости интерференционного е-е вклада от магнитного ноля.
2. Исследование гетероструктур п — InyGai-yAs/GaAs в широком интервале температур позволило на одном и том же образце наблюдать интерференционный вклад в проводимость от межэлектронного взаимодействия в различных режимах: при низких температурах - в диффузионном режиме, при высоких температурах - в баллистическом режиме, а также в промежуточной области.
3. Сравнительный анализ температурных зависимостей ширины перехода плато-плато в режиме квантового эффекта Холла для двумерных гетероструктур р — Ge/Ge\-xSix и п — InyGcii-yAs/GaAs позволил выявить принципиальную разницу в экспериментальных проявлениях квантового фазового перехода в зависимости от характера примесного потенциала, а именно, от соотношения характерного масштаба потенциала d и магнитной длины Л: короткодействующий (d Л) или плавный (d ^ Л) примесный потенциал.
6
- Київ+380960830922