Список сокращений
• ДЭГ - двумерный электронный газ
• МЛЭ - молекулярно-лучевая эпитаксия
• QPC - quantum point contact, квантовый точечный контакт
• КЭХ - квантовый эффект Холла
• ACM - атомно-силовой микроскоп
• МС - магнитосопротивление
• АБ - Ааронова-Бома (осцилляции)
• ААС - Альтшуллсра-Аронова-Спттвака (осцилляции)
• СПМС - соизмеримые пики магнитосопротивлсния
• ШдГ - (осцилляции) Шубникова-де Гааза
2
Содержание
1 Введение и обзор литературы 4
1.1 Введение.................................................... 4
1.2 Двумерный электронный газ в гетеропереходе АЮаАв/СаАз . . 12
1.2.1 Гетеропереход АЮаЛв/СаАв как удобный полигон для
изготовления наноструктур.............................12
1.2.2 Уменьшение глубины залегания ДЭГ .....................14
1.3 Квантовые проволоки.........................................16
1.3.1 Баллистический и квантовый транспорт..................16
1.3.2 Причины квантования кондактанса. Модель электронного волновода......................................19
1.3.3 Одномерная модель Вюттикера-Лаидауэра.................23
1.3.4 Причины разрушения квантования........................25
1.4 Кольцевые интерферометры ...................................29
1.5 Сверхрешетки антиточек......................................37
2 Образцы и методика эксперимента 46
2.1 Высокоподвижиый двумерный электронный газ в
гетеропереходе ЛЮйАз/СаЛв с малой глубиной залегания ... 46
2.1.1 Основные свойства.....................................46
2.1.2 Влияние затвора на параметры ДЭГ с малой глубиной
залегания.............................................48
2.2 Технологии модификации поверхности..........................51
2.3 Влияние глубины залегания ДЭГ на электростатический
потенциал изготавливаемых структур..........................55
2.4 Методика низкотемпературного эксперимента...................61 I
2.4.1 Измерение сопротивления методом
фазочувствительного детектирования....................64
3 Экспериментальные результаты измерения электронного
транспорта в одномерных структурах 67
3.1 Транспорт в баллистических неадиабатических проволоках с
резкими границами...........................................67
3
3.2 Эффект многократного отражения в баллистическом
интерферометре ..............................................74
4 Электронный транспорт в сверхрешетках антиточек 83
4.1 Сверхрешетки антиточек с резкими границами с периодом 180-
200 нм.......................................................83
4.2 Сверхрешетки антиточек с резкими границами с периодом 80 нм 91
5 Заключение 101
5.1 Основные результаты и выводы ...............................101
5.2 Список публикаций в рецензируемых журналах..................103
6 Список используемой литературы 105
1 Введение и обзор литературы
1.1 Введение
Исследования квантовых явлений, возникающих при движении электрона в искусственном потенциальном поле, уже более двадцати лет находятся в центре неослабевающего внимания физиков, изучающих конденсированные системы. Во многом это связано с успехами современной полупроводниковой технологии, позволившими создавать самые различные модификации модулированного потенциала, что привело к появлению целого ряда новых квантовых объектов, таких как, к примеру, квантовые проволоки, интерферометры, сверхрешетки и точки. Не менее важен И' тот факт, что эффекты, возникающие при взаимодействии электронов с таким потенциалом, оказались неожиданно разнообразными и глубокими. Достаточно вспомнить квантование кондактанса баллистической проволоки, осцилляции Ааронова-Вома в кольцах и кулоновскую блокаду в квантовых точках. Электронные системы, помещенные в тот или иной заданный потенциал, являются настоящим полигоном физики конденсированного состояния. В этих системах эффекты, обусловленные квантовой интерференцией и элсктрои-электронным взаимодействием, проявляются в наиболее ярком виде.
До настоящего времени практически все эксперименты велись с образцами, в которых характерный масштаб изменения электростатического потенциала значительно превышал длину волны электрона на уровне Ферми, равной (20—70 нм) в наиболее часто используемом диапазоне (10й —1012 см“2) концентрации двумерных электронов. Это было связано с тем, что двумерный
5
электронный газ (ДЭГ) в гетеропереходе АЮаАз/СаАв, на основе которого изготавливались исследуемые структуры, всегда располагался на значительном (сі ~ 100 нм) расстоянии от ее поверхности, что приводило к образованию областей латерального обеднения такого же порядка. В этих структурах интерференционные эффекты были подавлены плавностью потенциала.
В данный момент одним из самых интересных продолжений описанного направления исследований является переход к изучению взаимодействия электрона с модулированным потенциалом, характерный масштаб изменения которого сравним с длиной волны электрона. Увеличение резкости потенциала приведет к усилению всех интерференционных эффектов, однако очевидно, что для реализации такого потенциала необходимо существенным образом уменьшить глубину залегания ДЭГ. В недавних работах [А1, 1) было показано, что ДЭГ с относительно высокой подвижностью (1-2 х 105 см2/В-с) можно реализовать при расстоянии 20-25 нм от границы гетероперехода АЮаАз/СаАв до его поверхности. Использование указанного ДЭГ позволит существенным образом увеличить резкость потенциала изготавливаемых на его основе структур и создать целый ряд новых модельных квантовых объектов, таких как нсадиабатическая квантовая проволока, сверхмалый квантовый интерферометр или латеральная сверхрешетка, и на основе этого изучить новые особенности и проявления как квантовой интерференции, так и взаимодействия между электронами.
Целью диссертационной работы является всестороннее экспериментальное изучение электронного транспорта в латеральных наноструктурах с резким электростатическим потенциалом, характерный
размер изменения которого сравним или меньше длины волны электрона. Реализация такого потенциала позволит заметно продвинуться в направлении уменьшения размера наноструктур, а также, что более важно, может существенным образом повлиять как на квазиклассический транспорт, так и усилить эффекты квантовой интерференции. Решение указанной задачи было проведено на основе экспериментального исследования следующих объектов: 1) короткой баллистической проволоки с неадиабатическими границами; 2) сверхмалого (радиус« 70нм) кольцевого интерферометра Ааронова-Бома; 3) короткопериодных латеральных сверхрешеток антиточек с периодом 180 им и 80 нм.
Научная новизна работы состоит в том, что все исследуемые объекты впервые были изготовлены на основе высокоподвижного ДЭГ в гетеропереходе АЮйАз/СаАз с малой (25 нм) глубиной залегания. Как следствие, изготовленные структуры обладали существенно большей резкостью электростатического потенциала, чем в предыдущих работах: удалось достичь характерного масштаба изменения потенциала, сравнимого с длиной волны электрона. Такой переход позволил приблизить реальные структуры к модельным (с бесконечными вертикальными стенками и идеал ыюп резкостью потенциала) и произвести непосредственное экспериментальное исследование влияния резкости на электронный транспорт. В частности, в исследуемых структурах впервые были обнаружены следующие эффекты:
• Разрушение квантования кондактанса в короткой баллистической проволоке с неадиабатическими границами
• Возникновение й/пе-квазигармоник осцилляций Ааронова-Бом а с
большими (более 40) номерами в малых кольцевых интерферометрах (эфф. радиус 65 — 70нм). Ранее наблюдаемые квазигармоники характеризовались только п = 2 — 4.
• В свсрхрешетке антиточек с периодом 180 им впервые одновременно наблюдались классические и квантовые осцилляции в слабых и сильных магнитных нолях. Выло показано, что поведение как квазиклассических пиков магнитосопротивления, так и квантовых осцилляций принципиальным образом зависит не только от периода решетки и размера антиточек, но также от плавности потенциала на границе ДЭГ-антиточка. Впервые была реализована и исследована сверхрешетка антиточек с рекордно малым периодом 80 нм. В ней были обнаружены аномальные осцилляции Шубникова-де Гааза, а также аномальный к ваз 11 к л асси чески й пик магнитосопротивления.
Научная и практическая ценность работы. В диссертации обнаружены различные эффекты, возникающие в условиях, когда масштаб характерного изменения электростатического потенциала сравним или меньше дебройлевской длиной волны электрона. Исследованные эффекты важны не только для фундаментальной физики низкоразмерных электронных систем, но и с практической точки зрения, поскольку влияние резкости потенциала на транспорт неизбежно придется учитывать при дальнейшем уменьшении размеров любых электронных устройств на основе полупроводниковых гетеропереходов.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Неадиабатичность баллистической квантовой проволоки приводит к подавлению квантования кондактанса и к возникновению ярко
выраженных интерференционных эффектов, обусловленных как когерентным рассеянием на краях проволоки (интерференция Фабри-Перо), так и на случайных примесях (мезоскопическая интерференция), расположенных в областях ДЭГ, прилегающих к выходам проволоки.
2. В квазибаллистических кольцах сверхмалого размера, (эффективный радиус г = 60 нм-75 нм) благодаря тому, что размер квантовых точек на входе и выходе кольца уже сравним с длиной волны электрона, возникает многократное обратное рассеяние электронных волн. Это многократное рассеяние приводит к возникновению сверхвысоких к/пе квазигармоник осцилляций Ааронова-Бома с номерами п, достигающими значений п = 40 — 45.
3. В сверхрешетках антиточек поведение квазиклассических пиков магнитосопротивленпя и квантовых осцилляций принципиальным образом зависит от плавности потенциала на границе ДЭГ-антиточка.
4. В магиитосопротивлении сверхрешетки антиточек с рекордно малым периодом 80 нм имеется аномальный квазиклассический пик магнитосопротивленпя. предположительно обусловленный эффектами немонотонного рассеяния. Осцилляций Шубникова-де Газа в этой сверхрешетке имеют необычный переход от аномального периода, постоянного по магнитному полю, к нормальному - постоянному по обратному магнитному полю. Поведение аномальных осцилляций связано с влиянием модулирующего потенциала антиточек на неоднородное уширение уровней Ландау.
Апробация работы. Основные результаты докладывались как
- Київ+380960830922