-2-
ОГЛА ВЛЕНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ........................................................... 5
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ........................................ 13
1.1. Размерное квантование энергии в электронных системах 13
1.2. Экспериментальное наблюдение целочисленного
квантового эффекта Холла (ЦКХЭ)......................... 18
1.3. Температурная зависимость диагональной компоненты проводимости двумерных электронов
в области ЦКХЭ.......................................... 23
1.4. Взаимодействие двумерного электронного газа
с поверхностной акустической волной (ПАВ)............... 27
1.5. Выводы................................................ 36
Глава 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА................................... 37
2.1. Акустический метод как бесконтактный способ введения переменного электрического поля в образец с
двумерными электронами.................................. 37
2.2. С'фуктура образцов.................................... 41
2.3. Методика низкотемпературных измерений в магнитном иоле. 42
2.4. Выводы................................................ 47
Глава 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ПРОВОДИМОСТИ ДВУМЕРНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ ИЗ КОЭФФИЦИЕН ТА ПОГЛОЩЕНИЯ ПАВ В МАГНИТНОМ ПОЛК................................................. 48
3.1. Поглощение поверхностных акустических волн двумерным электронным газом в гетероструктурах в магнитном поле 48
3.2. Определение проводимости двумерной электронной системы
-3-
(Тхх из коэффициента поглощения 11АВ.................... 51
3.3. Определение параметров двумерной электронной системы акустическим методом....................................... 59
3.4. Выводы................................................. 67
I лава 4. НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭФФЕКТЫ 11РИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ДВУМЕРНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ГАЗА С ПАВ В ОБЛАСТИ ДЕЛОКАЛИЗАЦИИ НОСИТЕЛЕЙ.................................. 68
4.1. Экспериментальные данные............................... 68
4.2. Разогрев двумерных электронов.......................... 75
4.2.1. Статический режим................................. 75
4.2.2.Разо1 рев элекгронов поверхностной акустической волной.. 78
4.2.3.Времена релаксации энергии электрона и
электрон-элсктронлого взаимодействия................ 80
4.3. Обсуждение экспериментальных результатов.............. 81
4.4. Выводы................................................. 86
Глава 5. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛОКАЛИЗОВАННЫХ ДВУМЕРНЫХ
ЭЛЕКТРОНОВ С ПАВ....................................... 87
5.1. Проявление эффектов локализации при взаимодействии двумерной электронной системы с ПАВ........................ 87
5.2. Двумерная высокочастотная прыжковая проводимость (теория)................................................... 98
5.2. Определение длины локализации двумерных электронов
в режиме IЦСЭХ из акустических измерений............... 101
5.4. Сравнительный анализ акустического и других методов определения высокочастотной проводимости двумерной электронной системы....................................... 105
5.5. Нелинейность акустических эффектов и высокочастотной проводимости в гегерое фуктурах СаАэ/АЮаАз в режиме целочисленного квантового эффекта Холла................... 110
-4 -
5.5.1. Нелинейности в области активационной проводимости {(7\1ог»\)............................................ 47
5.5.2. Нелинейности в области высокочастотной прыжковой проводимости (о\1ат)я$Л.............................. 120
5.6 Выводы.............................................. 122
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................... 124
ЛИТЕРАТУРА................................................... 128
-5-
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Требования к современной микроэлектронике, обусловленные развитием информационных технологий. диктуют необходимость повышения быстродействия элементной базы. Одним из способов повышения рабочих частот полупроводниковых приборов является применение систем с пониженной размерностью, таких как двумерные электронные системы (2МЭС), которые образуются на границе раздела двух полупроводниковых материалов. В этом смысле, одними из наиболее перспективных объектов, благодаря высокому качеству гстерограницы, являются гетероструктуры GaAs/AIGaAs.
Использование низкоразмерных систем в электронике требует глубокого понимания их фундаментальных физических свойств, тем более, что они сильно отличаются от свойств трехмерных объектов. Наиболее ярким проявлением этих отличий является квантовый эффект Холла.
В 1980 году, изучая транспортные свойства в кремниевой МДГІ-структуре в высоких магнитных полях при низких температурах, К. фон Клитцинг обнаружил плато на зависимости холловского сопротивления рху от напряжения на затворе структуры, или, иными словами, концентрации электронов [1]. Оказалось, что значения р^ на плато с высокой точностью совпадают с целочисленными значениями h/e\ где h - постоянная Планка, е - заряд элеюрона. Открытие этого явления, целочисленного квантового эффекта Холла (ЦКЭХ), привело к тому, что исследование систем с пониженной размерностью в последнее время стало одним из наиболее акгивно развивающихся направлений физики полупроводников.
Фундаментальной характеристикой полупроводниковых объектов является осуществляемый в них механизм проводимости. В двумерной электронной системе, находящейся в плоскости перпендикулярной вектору напряженности сильного магнитного поля, энергетический спектр электронов представляет собой систему дискретных уровней Ландау. Присутствие примесей в системе уширяет каждый из уровней.
-6-
Подавляющая часть электронов заполняет те состояния на уширенных хвостах уровней Ландау, которые соответствуют положению электронов в локальных “впадинах” или "на вершинах” потенциала примеси. Такие состояния называют локализованными. Лишь бесконечно узкая по энергии полоса состояний в центре каждого уровня Ландау отвечает дел окал изован ном у состоя 11 ию.
Особенности локализации в двумерных электронных системах (2МЭС) можно эффективно изучать, исследуя их высокочастотную (ВЧ) проводимость в режиме квантового эффекта Холла. Одним из оправдавших себя методов исследования ВЧ-проводимости является акустический метод, который позволяет измерять ВЧ-проводимость полупроводников без каких-либо электрических контактов на образце.
Акустические методы успешно использовались при исследовании ВЧ проводимости трехмерного электронного газа в легированных компенсированных полупроводниках при низких температурах [2,3]. Было показано, что если электроны находятся в свободном (делокализованном) состоянии, то коэффициент поглощения ультразвука электронами в полупроводнике, являющемся пьезоэлектриком, в магнитном поле Н полностью определяется его проводимостью с^с(Н), измеренной на постоянном токе. Если же происходит локализация электронов на отдельных примесных центрах или в случайном флуктуационном потенциале примесей, то проводимости в постоянном электрическом поле и в ВЧ поле различаются
В связи с выше сказанным было полезно распространить акустические методы исследования В Ч-проводи мости на структуры с 2МЭС. В отличие от измерений высокочастотной проводимости 2МЭС в экспериментах с использованием полосковой линии или в СВЧ резонаторе, акустический метод позволяет определять как реальную, так и мнимую компоненту проводимости, что особенно важно в области локализации носителей заряда в режиме ЦКЭХ.
При изучении структур с 2МЭС открывается уникальная возможность
-7-
в одном цикле измерений и на одном и том же образце изучать механизмы нелинейности в делокализованных и локализованных состояниях электронов, так как в режиме квантового эффекта Холла оба этих состояния осуществляются при изменении магнитного поля.
Перспективным является использование бесконтактного акустического метода для определения параметров двумерного электронного газа и качества гетероструктур.
Таким образом, использование акустических методов для изучения свойств 2МЭС в режиме IЦСЭХ весьма актуально.
Цель данной работ ы:
1) Определение высокочастотной проводимости из измерений коэффициента поглощения и относительного изменения скорости поверхностных акустических волн в пьезодиэлектрике, контактирующем при малом (относительно длины волны ПАВ) зазоре с гетероструктурами ОаАз/АЮаАз с двумерными электронами в зависимости от частоты волны, величины вакуумного зазора, магнитного поля и температуры. Исследование низкотемпературных механизмов ВЧ-проводимости в области делокализации электронов и в режиме ЦКЭХ.
2) Изучение механизмов нелинейных эффектов при взаимодействии 2МЭС с высокочастотным электрическим нолем поверхностной акустической волны.
3) Определение параметров двумерного электронного газа бесконтактным акустическим методом.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые:
1) Измерения коэффициента поглощения и относительного изменения скорости ПАВ, при ее взаимодействии с двумерными элекфонами, использовались для определения ВЧ-проводимости 2МЭС.
2) Обнаружено, что в гетероструктурах с 2МЭС в области магнитных полей, соответствующих режиму ЦКЭХ, Проводимости (7ХХ0<(Н) и ст^Щ, полученные из измерений на постоянном токе и из высокочастотных акустических измерений не совпадают. Этот факт связан с локализацией
-8-
двумерных носителей заряда в режиме ЦКЭХ.
3) Из акустических измерений, в области делокализации электронов, где ахх<1с(Н)=сГж\Н)у определены параметры 2МЭС (подвижность, квантовое и транспортное времена релаксации) и механизмы рассеяния двумерных электронов.
4) При изучении разогрева двумерного электронного газа электрическим нолем ПАВ показано, что степень разогрева зависит от частоты ПАВ. Акустическим методом определен механизм релаксации энергии двумерных электронов.
5) Показано, что для описания коэффициента поглощения Г и относительного изменения скорости ДУ/У при взаимодействии ПАВ с двумерными электронами в области малых четных чисел заполнения, где электроны локализованы, необходимо рассматривать как реальную о\9 так и мнимую <72 компоненты вч-проводимости 2МЭС.
6) Обнаружено, что в режиме ЦКЭХ, при малых четных числах заполнения и при минимальных температурах, имеет место ВЧ прыжковая проводимость, когда с^/о1>1, при этом <т\ не зависит от температуры.
7) Показано, что в 5-лсгированных кремнием гетероструктурах ОаАз/АЮаАв в магнитных полях вблизи центров холловских плато прыжковая проводимость но 5-слою кремния может шунтировать высокочастотную прыжковую проводимость в двумерном канале.
8) 11роведен анализ нелинейной по ВЧ электрическому полю ПАВ проводимости <7\ в режиме активации носителей при малых числах заполнения в рамках теории нелинейной перколяционной проводимости Шкловского.
9) Обнаружены и проанализированы особенности в поглощении и относительном изменении скорости ПАВ при спиновом расщеплении уровней Ландау. Акустическим (бесконтактным) методом определен эффективный ё-фактор двумерных электронов в гетероструктурах ОаАз/АЮаАБ.
.9.
На защиту выносятся следующие положения:
1) В гетероструктурах с 2МЭС при низких температурах в области магнитных полей, соответствующих режиму I [КЭХ, проводимости ст^іН) и <Ь?(Н)9 полученные из измерений на постоянном токе и из высокочастотных акустических измерений не совпадают. Этот фаю связан с локализацией двумерных носителей заряда.
2) В области относительно малых магнитных нолей электроны делокализованы. При этом а^1с(И)=стхх,((Н).
3) В области магнитных полей, соответствующих малым четным числам заполнения, высокочастотная проводимость имеет прыжковый характер. В 5-лсгированных гетероструктурах ОаА.ч/АЮаАя в магнитных полях вблизи центров холловских плато прыжковая проводимость по 5-слою йі может шунтировать высокочастотную прыжковую проводимость в двумерном канале.
4) Нелинейные эффекты при взаимодействии ПАВ с делокал изованны ми двумерными электронами связаны с разогревом двумерного электронного газа высокочастотным электрическим полем ПАВ, который можно описать с помощью электронной температуры Те. При этом баланс энергии электронного газа определяется рассеянием энергии электронов на пьезоэлектрическом потенциале акустических фононов, а рассеяние электронов происходит на заряженных примесных центрах.
5) Нелинейная по электрическому нолю ГІАВ активационная проводимость СГ\(Щ хорошо описывается теорией нелинейной перколяционной проводимости Шкловского.
Научно-ппактнческаи ценность работы заключается в следующем:
1) Предложена методика определения реальной ої, и мнимой ог компонент ВЧ-проводимости 2МЭС из коэффициента поглощения и относительного изменения скорости ПАВ.
2) Разработан метод разделения прыжковой проводимости в двумерном канале и по 5-слоями кремния.
- 10-
3) Предложен метод определения длины локализации электронов в режиме 1 ЦСЭХ, там г де проводимость на постоянном токе сг^Л(Я)—>0.
4) Выработана методика определения зазора между гстероструктурой и пьезоэлекгрической подложкой.
5) Создана методика бесконтактного определения параметров 2МЭС. Это весьма актуально, т.к. определение элеюрических параметров двумерных элекфонов в гетеросфуктурах стандартным методом на постоянном токе связано с использованием достаточно сложной технологии: образец должен быть изготовлен в виде холловского мостика, при этом контакты должны быть низкоомными.
Апробация работы:
Основные результаты работы докладывались на международных и российских конференциях - 11th International Conference on Electronic Properties of Low Dimensional Structures (Дубна, 1995); 14th International Conference on Utilization of Ultrasonic methods in Condensed Matter (Zilina, Slovakia, 1995); International Symposiums on Acoustoelectronics, Frequency Control, Signal Generation (Москва, 1996 и С.-Петербург-Кижи, 1998); 23rd International Symposium on Compound Semiconductors (С.-Петербург, 1997); 7th and 8th International Conference on Hopping and Related Phenomena, (Rackeve, Hungary, 1997; Murcia, Spain, 1999); International Symposiums “Nanostructures95, 97, 98, 99: Physics and Technology, (С.-Петербург1995, 1997, 1998 and 1999); II, III, IV Всероссийских конференциях по физике полупроводников, (Зеленогорск, 1995, Москва, 1997, Новосибирск, 1999); 16th, 17th and 18th General Conferences of the Condensed Matter Division of European Physical Society (Leuven, Belgium, 1997, Grenoble, France, 1998, Montreux, Switzerland, 2000); 31 Совещание по физике низких температур, (Москва, 1998); 2It и 22d International Conference on Low Temperature Physics (Prague, 1996; Helsinki, 1999); 24th International Conference on the Physics of Semiconductors (Jerusalem, Israel, 1998).
Публикации Основные результаты исследования изложены в 11 статьях, опубликованных в российских и иносфанных журналах.
-11 -
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, содержит 136 страниц текста, включая 36 рисунков и 2 таблицы. Библиография содержит 83
наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе отражены современные представления о природе
целочисленного квантового эффекта Холла. Рассмотрены литературные данные о зависимости проводимости о** от температуры в режиме ЦКЭХ. Дан обзор литературы, посвященной взаимодействию 2МЭС с
высокочастотным электрическим полем поверхностной акустической волны. Сформулирована задача диссертационной работы.
Во второй главе приведено описание автоматизированной низкотемпературной экспериментальной установки для измерения
коэффициента поглощения и относительного изменения скорости ПАВ при ее взаимодействии с 2МЭС в гетероструктурах в температурном диапазоне Т=1.5-4.2К в магнитных полях до 70кЭ, на частотах 30-210МГц. В главе приведены параметры исследованных в работе гегероструктур с 2МЭС.
В третьей главе проведен анализ экспериментальных зависимостей коэффициента поглощения ПАВ Г в зависимости от магнитного поля, частоты, температуры и величины зазора а. Определена высокочастотная проводимость электронов в двумерном канале исследуемой гетероструктуры
и ее зависимость от магнитного поля. Проведено сравнение
ьг
высокочастотной проводимости двумерных электронов <тхх , определенной из акустических измерений, с проводимостью сгхх'к, которая вычислялась из гальваномагнитных измерений зависимостей р^<(Н) и />*>(/7) на постоянном токе. Описан метод определения бесконтактным способом параметров гетероструктуры: концентрации электронов, их подвижности при /7=0, транспортного и квантового времен релаксации, температуры Дингла.
В четвертой главе нелинейные эффекты при взаимодействии двумерного электронного г аза с ПАВ в области делокализации носителей связываются с
- Київ+380960830922