ч
2
Содержание
Список обозначений..............................................4
Введение.......................................................6
1. Обзор литературы и постановка задачи........................15
1.1. Двумерный электронный газ в полупроводниковых структурах .............................................. 15
1.2. Свойства двумерного электронного газа в магнитном поле23
1.3. Магнитотранспорт в GaAs/AlGaAs гетероструктурах с высокой электронной подвижностью в присутствии микроволнового излучения .................................28
1.4. Механизмы микроволновой фотопроводимости в двумерных электронных системах в сильных магнитных полях.....................................................33
1.5. Магнито-межподзонные осцилляции сопротивления . . . 43
Постановка задачи.......................................‘ . . 47
2. Исследуемые образцы и методика эксперимента.................48
2.1. Технология изготовления образцов.......................48
2.1.1. Изготовление Ga As квантовых ям с Al As/Ga As сверхрешёточными барьерами............................48
2.1.2. Изготовление образцов для магнитотранспортных измерений ........................................51
2.2. Методика магнитотранспортных измерений.................58
<
} /
I
3
3. Магнитотранспорт в одиночных ваАБ квантовых ямах с боковыми А1АзДЗаА$ сверхрешёточными барьерами в присутствии микроволнового излучения ........................64
3.1. Индуцированные микроволновым излучением магнитополевые осцилляции сопротивления и бездиссипатив-ное состояние..............................................65
3.2. Микроволновое фотосопротивление в двумерной электронной системе с анизотропной подвижностью.........70
3.3. Абсолютное отрицательное сопротивление двумерного электронного газа в присутствии микроволнового излучения .....................................................78
Основные результаты и выводы главы 3.......................83
4. Магнитотранспорт в двойных ОаАэ квантовых ямах с боковыми А1А$ЛЗаА$ сверхрешёточными барьерами...................85
4.1. Магнитосоиротивление квазидвумерной электронной системы.............................................86
4.2. Микроволновое фотосопротивление квазидвумерной электронной системы.................................92
Основные результаты и выводы главы 4.......................100
Заключение....................................................102
V
Список обозначений
ДбаБ — расщепление подуровней размерного квантования.
Г — уширение уровня Ландау.
Н — постоянная Планка.
р — подвижность электронов.
и — плотность состояний.
ис — циклотронная частота.
р — удельное сопротивление, сопротивление «на квадрат».
о — проводимость.
тч — квантовое время релаксации.
Пг — транспортное время.
В — магнитное поле.
с — скорость света.
П — коэффициент диффузии.
е — заряд электрона.
Ер — энергия Ферми.
Еп — уровни Ландау.
/(Е) — неравновесная функция распределения.
/о(Е) — функция распределения Ферми-Дирака.
/ас ~ переменный ток, прикладываемый к образцу.
^ = а;/и;с — целочисленное значение, отвечающее циклотронному резонансу и его гармоникам.
&в — постоянная Больцмана.
I = си$Аз/^с — целочисленное значение, отвечающее максимумам
^БАз/^с-осЦилляций МС.
т — эффективная масса электрона.
7По — масса свободного электрона.
N — количество заполненных уровней Ландау. пе — плотность электронов, рр — импульс Ферми.
Рх> Ру ~ проекция импульса на ось х, у.
К — сопротивление.
Т — температура электронного газа.
ТЬ — температура Дингля.
V — напряжение. х, у, г — оси ортогональной системы координат.
20 — двумерный.
— двойная квантовая яма.
— одиночная квантовая яма.
ДЭГ — двумерный электронный газ.
КПСР — короткопериодная сверхрешётка.
МЛЭ — молекулярно-лучевая эпитаксия.
МС — магнитосопротивление.
ШдГ — Шубникова-де Гааза осцилляции.
6
Введение
Двумерный электронный газ (ДЭГ) в полупроводниковых структурах уже много десятков лет остается предметом всестороннего экспериментального и теоретического изучения [1]. Обусловлено это, с одной стороны, фундаментальной значимостью физических явлений, проявляющихся в двумерных (20) электронных системах, а с другой — тенденциями современной микроэлектроники, направленными на всё большую миниатюризацию и быстродействие приборов на основе полупроводниковых гетероструктур. Одной из 20 электронных систем, ставшей к настоящему времени уже классической, является ДЭГ в селективно-легированном СаАэ/АЮаАэ гетеропереходе [2]. В 2001 году в такой системе был открыт новый тип осцилляций магнитосопротивления (МС), возникающих под действием микроволнового излучения [3].
В отличие от осцилляций Шубникова-де Гааза (ШдГ), период которых определяется отношением химического потенциала к циклотронной частоте соС} период осцилляций МС, индуцированных микроволновым излучением, зависит от отношения частоты излучения со к сос. Вскоре после обнаружения о;/о;с-осцилляций МС было установлено, что в СаАэ/АЮаАБ гетеропереходах с высокой электронной подвижностью сопротивление в минимумах этих осцилляций зануляется [4-6]. Этот неожиданный и необычный экспериментальный факт стимулировал всестороннее теоретическое изучение обнаруженного феномена [7-9]. Выяснилось, что осциллирующее в магнитном поле поведение фотопроводимости было предсказано более 30 лет назад [10]. Однако и до настоящего времени многие аспекты электронного транспорта в 20 системах в присутствии микроволнового излучения остаются дискуссионными и требуют дальнейшего изучения [11, 12].
/
//
К настоящему времени основные экспериментальные результаты в области магнитотранспортных явлений в двумерных системах в присутствии микроволнового излучения получены на селективно-легированных СаАэ/АЮаАз гетеропереходах с высокой электронной подвижностью. Высокая подвижность в таких гетероструктурах достигается селективным легированием, то есть разделением областей легирования и электронного транспорта толстым нелегированным спейсером. Гакой способ подавления рассеяния на случайном потенциале легирующей примеси позволяет получать высокую подвижность лишь при сравнительно малой концентрации Пе^Зх 10й см-2, так как для сё увеличения необходимо уменьшать толщину спсйсера, что неизбежно ведет и к уменьшению подвижности. Таким образом остается актуальным экспериментальное наблюдение и исследование гигантских осцилляций МС, индуцированных микроволновым излучением, в 20 системах с более высокой электронной концентрацией.
Анализ научной литературы показал, что наиболее оптимальными для этих исследований являются СаАэ квантовые ямы с А1Аз/СаАз сверхрешёточными барьерами [13]. Подавление электронного рассеяния на случайном потенциале ионизованных примесей в СаАз/А1Аз гетероструктурах достигается не только пространственным разделением областей легирования и транспорта, но ещё и экранирующим действием X-электронов, возникающих в боковых А1Аз/СаАз сверхрешёточных барьерах. Такой способ подавления рассеяния на случайном потенциале легирующей примеси позволяет увеличивать электронную концентрацию в СаАз/А1Аз гетероструктурах, по сравнению с СаАз/АЮаАэ гетеропереходами, без проигрыша в подвижности. Таким образом селективнолегированные СаАэ/ А1Аз гетер о структуры существенно расширяют экс-
8
периментальиые возможности для изучения электронного транспорта в системах пониженной размерности [14, 15].
Наибольшую распространённость получили методы исследования электронных систем пониженной размерности, основанные на оптических измерениях в инфракрасной и видимой областях спектра, либо на измерениях на постоянном токе. 11ри этом поведение электронной системы в промежуточной области частот — СВЧ диапазоне — исследовано весьма незначительно. В это же время взаимодействие электромагнитного излучения данного диапазона даёт возможность изучения анизотропных эффектов и ряда резонансных и коллективных явлений: электронного парамагнитного, циклотронного, плазменного резонанса. Кроме того, СВЧ исследования имеют большое практическое применение в плане развития бесконтактных методов измерения в случаях, когда изготовлению омических контактов препятствуют технологические ограничения или принципиальные причины. Для современной полупроводниковой промышленности СВЧ методы представляют интерес при проектировании и разработке ключевых устройств для беспроводных вычислительных сетей.
Несмотря на очевидные преимущества бесконтактных СВЧ методов, они до сих пор не получили широкого распространения. Главным образом это связано с особой сложностью и трудоемкостью абсолютных измерений на СВЧ, требующих очень точной калибровки системы и постоянного контроля за ней, особенно при низких температурах. В связи с этим актуальным является развитие методик, позволяющих определять параметры материалов из относительных измерений отклика системы на СВЧ поле, а также комбинированные методы, основанные на взаимодействии носителей заряда с СВЧ излучением в присутствии внешнего возмущения, например магнитного поля.
Цель диссертационной работы состоит в экспериментальном изучении магнитотранспорта в СаАэ/АЬАз гетероструктурах в присутствии микроволнового излучения в широком диапазоне измерительных токов с целью обнаружения ц;/с17с-осцилляций сопротивления в этих системах, обнаружении занулений сопротивления а;/а>с-осцилляций, выявлении роли анизотропии электронной подвижности в формировании и>/и;с-осцилляций, исследовании влияния микроволнового поля на межподзонные осцилляции сопротивления.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые обнаружены гигантские о;/и;с-осцилляции МС в СаАэ/А^в гетероструктурах с электронной подвижностью менее 10с см2/Вс. Впервые методом ван дер Пау исследовано влияние электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн на электронный транспорт в 20 системе с анизотропной подвижностью. Установлено, что в присутствии микроволнового излучения уменьшение измерительного тока в СаАз/А1А5 гетероструктурах приводит к появлению магнитополевых состояний ДЭГ с полным отрицательным сопротивлением. Обнаружено, что в двойной СэАб квантовой яме внешнее электромагнитное возмущение приводит к существенной модификации магнито-межподзонных осцилляций диссипативного сопротивления.
Научная и практическая ценность работы. В диссертации показано, что при увеличении концентрации ДЭГ индуцированные микроволновым излучением состояния с нулевым сопротивлением проявляются в СаАв/АЬ^ гетероструктурах при средней величине подвижности. Полученные в работе данные делают реальным перенесение исследований природы индуцированных электромагнитным полем состояний с нулевым сопротивлением в 20 электронных системах в область субмиллиметровых
- Київ+380960830922