Содержание
Введение........................................................5
Глава 1 Электрон-фононное взаимодействие в неупорядоченных металлических пленках и двумерном электронном газе в АЮаАя-СаАв гетероструктурах. Обзор...................................20
1.1 Основные механизмы рассеяния.электронов в металлах.........21
1.2 Явление электрон-фонон-примесной интерференции. Теория 28
1.3 Температурная зависимость сопротивления примесных металлов.......................................................33
1.4 Основные механизмы энергетической релаксации электронов в гетероструктурах...............................................38
1.5 Основные положения теории злектрон-фоііонного взаимодействия в двумерном электронном газе.......................................45
1.6 Обсуждение результатов экспериментальных исследований электрон-фоионного взаимодействия в гетероструктурах......................53
1.7 Выбор объекта исследования и постановка задачи.............60
Глава 2 Разогрев электронов и энергетическая релаксация в тонких свсрхпроводниковых пленках. Обзор................................62
2.1. Механизм возникновения отклика при поглощении одиночных фотонов в сверхпроводниковой тонкой пленке в условиях протекай иятранспортного тока.................................62
2.2. О механизме возникновения темновых отсчетов сверхпроводникового детектора............................73
2.3. Форма и длительность импульса напряжения..................75
2.4. Спектральная зависимость квантовой эффективности..........79
2.5. Выбор объекта исследования и постановка задачи............83
Глава 3 Объекты и методы исследования..........................85
3.1 Методика низкочастотных измерений и технология изготовления тонких пленок N6, А1, Ве.......................................86
2
3.2 Технология изготовления образцов свсрхпроводниковых однофотонных детекторов.......................................94
3.3 Методы измерения квантовой эффективности и скорости темновых срабатываний....................................................99
3.4 Метод измерения спектральной зависимости квантовой эффективности в диапазоне до 6 мкм и диапазоне
температур 2 - 4.9 К...........................................110
3.5 Методика измерения времени релаксации энергии электронов в 2D-канале AlGaAs-GaAs гетероструктур с помощью спектрометра-релаксометра на лампах обратной волны и описание исследуемых
образцов.......................................................112
Выводы.........................................................121
Глава 4 Влияние интерференции элсктрон-фононного и электрон-примесного взаимодействий на проводимость примесных металлов
4.1 Экспериментальные результаты...............................122
4.2. Обсуждение результатов....................................127
4.3 Константы электрон-фононного взаимодействия................135
4.4 Скорости энергетической релаксации.........................136
4.5 Выводы.....................................................141
Глава 5 Время энергетической релаксации двумерных электронов те в гетеропереходах AlGaAs-GaAs при низких температурах...................................................144
5.1. Вольтампсрные характеристики (ВАХ). Осцилляции Шубникова-де Гааза..........................................................144
5.2. Основные экспериментальные результаты.....................148
5.3. Обсуждение результатов....................................153
5.4. Возможности практического применения исследованных гетероструктур для создания приемников субмиллиметрового диапазона......................................................157
5.5. Выводы....................................................158
3 *
Глава 6 Сверхпроводннковые однофотонные детекторы на основе
ультратонкой пленки NbN.......................................160
6.1. Эффект однофотонного детектирования в наноструктурах из тонкой сверхпроводниковой пленки NbN...................................161
6.2. Результаты исследования квантовой эффективности...........166
6.3. Зависимость квантовой эффективности от толщины сверхпроводящей пленки..........................................................174
6.4. Зависимость скорости темнового счета от транспортного
тока...........................................................179
6.5. Квантовая эффективность NbN детекторов на длинах волн 1.26 - 6 мкм и диапазоне температур 2 - 4.9 К..................................183
6.6 Мощность, эквивалентная шуму...............................185
6.7 Применение однофотонных сверхпроводниковых детекторов 189
6.8. Выводы....................................................192
Заключение....................................................194
Приложение....................................................197
Публикации....................................................200
Литература....................................................204
4
Введение
Диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию особенностей энергетической релаксации в тонких неупорядоченных металлических пленках, гстероструктурах с двумерным электронным газом на границе, сверхпроводниковых пленках и разработке детекторов субмиллиметрового* и инфракрасного- диапазонов. В диссертации отражены результаты исследований автора; проведенных в. 1994- 2010 годах.
Одним из базовых элементов современной электроники является'тонкий слой (субмикронной или ианометровой толщины) проводящего материала, в котором носители тока находятся в неравновесных условиях. Эго может быть слой металла, полупроводника или сверхпроводника. Неравновесность создается- внешним воздействием - излучением, током, ультразвуком, что диктуется, принципами работы того или иного электронного устройства, в состав которого- входит подобный тонкослойный элемент. Для разработки адекватных моделей таких устройств чрезвычайно важно понимание механизмов энергетической релаксации носителей тока в таких структурах.
Изучение процессов энергетической релаксации имеет особое значение при создании низкотемпературных устройств, например, сверхвысокочувствительных приемников излучения.
При' низких температурах и в условиях интенсивного электрон-электронного взаимодействия, определяющим каналом* энергетической релаксации является электрон-фононное взаимодействие. Управление процессом электрон-фононного взаимодействия можно осуществлять путем варьирования времени энергетической релаксации, рабочей температуры, количества примесей, размерности. Использование этих возможностей позволяет получать параметры устройств, необходимые для практических применений.
Актуальность исследования Процесс энергетической релаксации зависит от различных факторов: наличия примесей, дефектов решетки, границ, флуктуаций удерживающего
5
потенциала. Исследование энергетической релаксации является фундаментальной проблемой как для* многих разделов' физики конденсированного состояния, так и для большого числа, приложений. Многочисленные исследованиям показывают, что электрон-фононное взаимодействие значительно изменяется в неупорядоченных и низкоразмерных проводниках. Скорость энергетической:релаксации электронов и температурная зависимость сопротивления. в примесных металлах, тонких пленках и полупроводниковых низкоразмерных структурах существенным образом отличаются от тех же величин в чистых объемных материапах.
С одной стороны, это связано с тем, что в неупорядоченных тонких пленках металлов и квантовых ямах спектр фононов может быть сильно модифицирован по сравнению1 с чистыми объемными, металлами, и в зависимости от условий фононы могут быть либо двумерными, либо трехмерными.
С другой стороны, в неупорядоченных проводниках возникают дополнительные каналы» рассеяния. Кроме процесса “чистого” электрон-фоионного рассеяния, которое имеет место в чистых металлах, существует дополнительный процесс: неупругое рассеяние электронов на колеблющихся примесях, дефектах или колеблющихся* границах и удерживающем электронном потенциале. Совместно с' упругим рассеянием электронов и чистым электрон-фонониым рассеянием этот механизм порождает широкое разнообразие интерференционных процессов;
В теоретических работах [18] показано, что в неупорядоченных металлах (#£<1, <7 - волновой вектор теплового фонона, 0. - длина свободного пробега электронов) электрон-фононное взаимодействие должно . ослабляться, и скорость энергетической релаксации тс.рйх оказывается пропорциональной
« | л
(д^)го' (г0‘ ~Т - скорость релаксации в чистом металле). В противоположность, этому выводу многие авторы [19] утверждали, что неупругое рассеяние электронов на примесях должно усиливать электрон-фононное взаимодействие и соответствующая скорость релаксации есть тс.р/1'] ~ (^)"1г0‘1. Разногласие
6
между этими двумя концепциями было разрешено в работе Рейзера и Сергеева [20], где было продемонстрировано, что корректные расчеты- приводят к результату [18]. В частности, было показано, что, благодаря квантовой интерференции при условии; #^<1, вклад неупругого электрон-примесного рассеяния в энергетическую релаксацию электронов отсутствует, поэтому результат работы. [19] ошибочен. Диффузное движение электронов в области рассеивающего' потенциала удлиняет время взаимодействия- и увеличивает электрон-фононную связь,. Однако, большой вклад диффузионно-усиленного чистого электрон-фононного взаимодействия; компенсируется диффузионно усиленным неупругим рассеянием электронов на примесях.
Поправки к остаточному сопротивлению, обусловленные' • неупругим электрон-примесным рассеянием, рассчитывались многими теоретиками; [21-24]. Значительные: расхождения в теоретических результатах связаны, с интерференционным характером рассматриваемых явлений, когда пренебрежение частью процессов приводит не только к изменению численного коэффициента при вычисляемой величине, но-и к изменению знака эффекта. Все интерференционные процессы были рассмотрены в статье Рейзера и Сергеева [25], где были учтены все возможные каналы-рассеяния, и с помощью различных методов (линейный- отклик, квантовое' кинетическое уравнение) было показано,. что; когда </£>!, имеется существенная квадратичная* по температуре поправка к сопротивлению, определяемая электрон-фонон-примесной интерференцией. Вклад продольных фононов; становится отрицательным и существенно меньшим, чем положительный вклад поперечных фононов.
Температурные зависимости сопротивления примесных металлов и тонких пленок измерялись во многих работах, и квадратичный по температуре вклад в сопротивление, который наблюдался в [26-28], мог быть как промежуточной асимптотикой к вкладу чистого электрон-фононного взаимодействия (Блоха-Грюнайзена), так и непосредственно вкладом электрон-фонон-примесной интерференции. Для.окончательного решения вопроса о природе квадратичного1
по температуре вклада в сопротивление примесных металлов необходимо исследовать его зависимость от степени разупорядоченности, т.е. от длины свободного пробега электронов. Кроме того, важную информацию позволят получить эксперименты с различными материалами, и особенно с имеющими высокую температуру Дебая. В этих материалах вклад электрон-фонон-примесного взаимодействия должен оказаться существенным в очень широкой области температур, вплоть до Т=300К.
В- низкоразмерных структурах (квантовых ямах, гетероструктурах) модификация электрон-фоноиного- взаимодействия в основном связана с
изменением энергетического спектра электронов: в частности, в вырожденных
1
структурах благодаря меньшей, по сравнению с металлами, энергии Ферми, становится существенным размерное квантование плотности состояний. В то же время фононы, по крайней мере, в гетероструктурах, остаются трехмерными, так как для фононов отсутствует граница между двумерным слоем и объемным материалом. Примеси и дефекты в двумерных структурах, таюке как и в металле, порождают дополнительные каналы рассеяния.
В вопросе о величине и температурной зависимости вклада чистого электрон-фононного взаимодействия в различных материалах пока нет полной ясности. Эта проблема, в том числе, тесно связана с нахождением предельной подвижности при низких температурах, которая определяется рассеянием на акустических фононах. В настоящее время- даже в лучших структурах, полученных благодаря последовательному усовершенствованию процессов роста гетероструктур в течение ряда лет, измеренная подвижность электронов
7 7
(большая чем 10 см /Вс при гелиевых температурах) обусловлена примесным рассеянием, и предельные, ограниченные фононным рассеянием, величины подвижности вряд ли могут быть достигнуты. До сих пор значение предельной подвижности при низких температурах можно было оценить из измерений мощности энергетических потерь, приходящихся на один электрон, ч условиях сильного разогрева. Прямые измерения времени энергетической релаксации в квазиравновесных условиях, которое определяется только неупругим
8
взаимодействием электронов с фононами и не зависит от упругого рассеяния на примесях, позволяют в конечном итоге определить предельные значения подвижности с большей точностью. Прямые измерения времени энергетической релаксации в полупроводниковых гетероструктурах при низких температурах позволят существенно расширить понимание процессов электрон-фононного взаимодействия в них.
Исследование процессов энергетической’релаксации в сверхпроводниковых тонкопленочных наноструктурах в присутствии тока, близкого к критическому, является одним из самых актуальных вопросов физики сверхпроводников, и обсуждается- во многих работах последнего времени [1-8]. Изучение деталей процесса установления равновесия позволяет выработать более адекватные теоретические- представления. Кроме того, многие устройства криогенной-электроники функционируют в условиях далеких от равновесия и, поэтому, изучение неравновесных процессов в сверхпроводниковых наноструктурах имеет большое фундаментальное и прикладное значение.
Для создания практических приемных устройств важен наибольший квантовый выход, т.е. количество квазичастиц, образующееся после поглощения фотона сверхпроводящей плёнкой. Таким свойством обладают приборы, в которых тсс<тс> где тее - время электрон-электронного неупругого рассеяния; а тс - время релаксации энергии электронов. При этом вся энергия поглощённого излучения сначала распределится только по электронной подсистеме.
В достаточно тонких плёнках наблюдается явление электронного разогрева, когда между электронной и фононной подсистемами не устанавливается термодинамического равновесия [1-8]. Это происходит, если т^<трнс, где тС5 -время ухода энергичных фононов из плёнки, а тР|,е - время неупругого рассеяния фононов на электронах. При электронном разогреве отсутствуют энергетические потери на болометрический нагрев плёнки в целом, и быстродействие прибора полностью определяет величина Tcph. Реализация
обоих из перечисленных условий приводит к высокой чувствительности приёмников с одновременным повышением их быстродействия [9-15].
Цель работы - изучение закономерностей электрон-фононного взаимодействия в тонких неупорядоченных металлических пленках и, гетероструктурах с двумерным электронным газом на границе, исследование неравновесных процессов в сверхпроводниковых наноструктурах и создание на их основе электронных приборов и методов регистрации-субмиллиметрового и-инфракрасного излучения.
Для реализации этой цели были поставлены следующие задачи:
1. Провести экспериментальное исследование особенностей энергетической релаксации носителей и температурной зависимости сопротивления К(Т) в тонких неупорядоченных металлических пленках N6, А1, Ве в. диапазоне температур 4,2 - 300 К.
2. Прямым методом из релаксации фотопроводимости в субмиллиметровом диапазоне экспериментально определить неупругие времена релаксации двумерных носителей в АЮаАз/СаАБ гетероструктурах как в квазиравновесных условиях, так и при разогреве электронов постоянным электрическим полем в интервале температур 1,6-15 К.
3'. Провести экспериментальное исследование неравновесных состояний, вызванных поглощением одиночных фотонов в ультратонких сверхпроводящих пленках ЫЬИ в условиях протекания тока близким к критическому значению.
4. Исследовать характеристики однофотонных сверхпроводниковых детекторов на основе пленок квантовой эффективности, уровня темновых срабатываний, спектральной чувствительности.
Объектами исследования являлись тонкие неупорядоченные металлические пленки ЫЬ, А1, Ве , гетероструктуры на основе АЮаАэ-ОаАз с двумерным электронным газом на границе и узкие (шириной 100 - 200 нм) структуры из сверхпроводящей пленки нитрида ниобия (МЫЧ) толщиной
2
(4 нм - 20 нм), имеющие форму мостика или меандра площадью 4x4 мкм ,
л
либо 10x10 мкм .
Предметом исследований являются процессы энергетической релаксации и диффузии горячих квазичастиц в тонких проводящих слоях металлов; полупроводников, сверхпроводников и однофотонные процессы в очень узких и тонких пленках сверхпроводников.
Методы исследования*
В работе применялись методы исследования* электрического сопротивления тонкопленочных металлических образцов, метод измерения релаксации фотопроводимости гетероструктуры в субмиллиметровом диапазоне волн, метод регистрации фотоотклика сверхпроводниковой наноструктуры в инфракрасном- диапазоне при поглощении одиночных фотонов, а также методы измерения темновых срабатываний сверхпроводниковой наноструктуры и спектральной чувствительности в инфракрасном диапазоне воли. Измерения проводились при криогенных температурах.
В процессе работы были получены новые научные результаты:
1. Исследованы температурные зависимости пленочных образцов примесных металлов (А1, N6, Ве, ЫЬМ), в области температур 4,2 ч- 300 К. Во всех материалах впервые обнаружен' квадратичный, по температуре1 вклад в сопротивление пропорциональный остаточному сопротивлению ро, и. обратно пропорциональный длине свободного пробега (Г1).
2. Впервые определены константы взаимодействия электронов с поперечными фононами. С использованием измеренных значений данных констант проведен расчет скоростей неупругой электрон-фононной релаксации в А1, N6, Ве. Показано, что взаимодействие с поперечными фононами играет ключевую роль в процессе неупругой электрон-фононной релаксации.
3. Прямым методом по регистрации фотоотклика в субмиллиметровом диапазоне волн, определены времена неупругой релаксации двумерных носителей в АЮаАз/СаАБ гегероструктурах в квазиравновесных условиях и
при разогреве электронов постоянным электрическим полем в интервале
1
температур 1,6-15 К. Показано, что времена релаксации энергии при низких
* температурах определяются электронной температурой.
4. Обнаружен и изучен эффект однофотонного детектирования света видимого и ИК диапазонов в« сверхпроводниковых наноструктурах толщиной 4 - 10 нм и шириной ~100 нм при температуре ниже температуры
\ сверхпроводящего перехода в условии протекания электрического- тока,
олизкого по величине к критическому току.
5. На основе ультратонких сверхпроводниковых пленок разработаны однофотоншле детекторы. Исследована квантовая эффективность таких
’ детекторов при температурах 1.8 - 4.2 К в зависимости от транспортного тока.
6. Обнаружена зависимость квантовой эффективности сверхпроводниковых однофотонных детекторов от толщины пленки.
I
7. Исследована зависимость скорости темнового счета сверхпроводниковых однофотонных детекторов от транспортного тока. Показано, что она имеет экспоненциальный характер.
8. Исследована спектральная зависимость квантовой эффективности сверхпроводниковых однофотонных детекторов в видимом, ближнем и среднем
} Ж диапазонах при различных температурах.. Наблюдается^ повышение
*
квантовой эффективности и транспортного тока при*понижении температуры.
л
9. Из экспериментальных данных по квантовой- эффективности и . скорости темпового1 счета, определена мощность эквивалентная шуму ЫЬН
сверхпроводниковых однофотонных детекторов на длинах волн 1,26- 6-мкм в диапазоне температур 2-4,9 К, установлено ее уменьшение при понижении рабочей температуры детектора. Мощность эквивалентная шуму сверхпроводникового однофотонного ЫЬЫ детектора на длине волны 1,26 мкм при Т=2,ЗК достигает значения ~5х 10'21 Вт Гц'1/2.
Научные положения, выносимые на защиту:
[ 1. Вклад в сопротивление примесных металлов (А1, МЬ, Ве) квадратичный
по температуре, пропорциональный остаточному сопротивлению ро, (Г1) и
12
1
обусловленный интерференцией электрон-фононного и электрон-примесного взаимодействий. Этот вклад определяется взаимодействием электронов с поперечными фононами при неупругом рассеянии электронов на примесях. Установлено, что величина интерференционного вклада возрастает в металлах с большим отношением скоростей продольного и поперечногозвука;
2. Константьь взаимодействия электронов с, поперечными'фононами имеют следующие значения: в № величина константы составляет 10,3 в А1 - 4,67, в Ве - 4,3; расчет скоростей неупругой электрон-фононной релаксации в А1, N6, Ве по результатам измерения температурной зависимости сопротивления;
3. Значения времени неупругой релаксации двумерных носителей в АЮаАБЮаАз гетероструктурах в квазиравновесных условиях и при разогреве электронов постоянным электрическим полем в интервале температур 1,6-15К, полученные впервые из измерений фотоотклика в субмиллиметровом диапазоне волн составляют: 1,23 не при Т=1,6 К и 0,93 не при Т=15 К. Установлено, что при Т<5 К преобладает пьезоакустический механизм электрон-фононного взаимодействия в неупругих процессах рассеяния электронов;
4. При- поглощении фотона-, видимого * и ИК диапазонов в сверхпроводниковых однородных Г4ЬЫ наноструктурах толщиной? 4 - 10 нм и шириной ~100? нм при температуре ниже температуры, сверхпроводящего перехода в условии протекания электрического тока, близкого по величине к критическому току возникает импульс напряжения. На основе этого эффекта предложен новый тип однофотонного детектора;
5. Для лучших МэИ сверхпроводниковых однофотонных детекторов квантовая эффективность на длине волны 1.26 мкм достигает значения 30% уже при температуре 4.2К и не испытывает существенного увеличения с понижением рабочей температуры детектора до 1.7К, в то время, как для большинства.детекторов наблюдается повышение квантовой эффективности с 5-10% при 4.2К до 30% при 1.7К. Предельная величина квантовой
13
эффективности ~30% обусловлена максимальным значением коэффициента поглощения пленки NbN в видимом и ИК диапазонах;
6. На длине волны 2,4 мкм квантовая эффективность сверхпроводниковых однофотонных детекторов, из плёнки толщиной ~ 3,5нм при прочих равных условиях на три порядка превышает квантовую эффективность детекторов из* плёнки толщиной Юнм;
7. Мощность эквипатентная шуму NbN сверхпроводниковых однофотонных детекторов на длине волны 1,26 мкм при Т=2,31< достигает значения—5x10"21 Вт Гц‘1/2.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных методов исследования, разумным согласием полученных данных с последующими, экспериментальными и теоретическими исследованиями и функционированием, практических устройств, созданных в результате работы.
Практическая значимость работы
1. На основе проведенных экспериментов предложена методика экспресс-оценки скорости энергетической релаксации в тонких металлических пленках по результатам измерения температурной зависимости сопротивления. Такая методика позволяет быстро тестировать материалы и осуществлять целенаправленный поиск материалов* и структур с заданными значениями времени энергетической релаксации, что является важным при создании быстродействующих электронных устройств.
2. Полученные прямым методом данные о временах энергетической релаксации двумерных электронов позволяют оценить инерционность детекторов, работающих на электронном разогреве в 2И-структурах AlGaAs/GaAs, а также смесителей субмиллиметрового диапазона.
3. Б результате проведенного исследования разработан детектор
одиночных фотонов на основе тонкой сверхпроводящей пленки NbN. Детектор обладает рекордными значениями чувствительности, быстродействия и низким уровнем темновых срабатываний в широком спектральном диапазоне.
Благодаря уникальности характеристик сверхпроводникового однофотонного детектора появился целый ряд новых возможностей для неразрушающего контроля больших интегральных схем, регистрации сверхслабого излучения в сочетании с высоким1 временным разрешением в. телекоммуникационных линиях, в биомедицинских системах создания изображений, в метрологии для измерения-сверхмалых мощностей, излучения.путем счёта единичных фотонов, в системах квантовой криптографии.
В ЗАО «Сверхпроводниковые нанотехнологии» изготовлены приёмные' системы, чувствительным элементом которых является сверхпроводниковый однофотонный детектор. Из динамики заказов видно, что рынок сверхпроводниковых приёмных систем стремительно расширяется. Благодаря высоким характеристикам эти системы, успешно конкурируют с некриогенными аналогами. Кроме того, использование криорсфрижираторов замкнутого цикла для сверхпроводниковых однофотонных детекторов позволяет сделать эти приёмные системы такими, же простыми в эксплуатации для конечного пользователя, как и некриогенные приборы (например, лавинные диоды или фотоумножители).
Фактически, начав десять лет назад исследования- взаимодействия, одиночных фотонов с носителями в узких и тонких сверхпроводящих полосках при протекании в них транспортного тока близкого к- критическому значению, автор данной работы стала одним из основоположников этого направления в. физике неравновесных явлений в сверхпроводниках. Уровень научных результатов и рекордные характеристики, создаваемых в МПГУ приборов, стимулировали развитие данного научно-технического направления в ряде зарубежных научных центров и коммерческих компаний, с которыми МПГУ осуществляет сотрудничество. Многие из них получают пленки или готовые наноструктуры от МПГУ в рамках совместных работ.
Совокупность полученных в диссертации результатов является крупным научным достижением в области физики конденсированного состояния — экспериментальном изучении свойств неупорядоченных металлических пленок
и неравновесных процессов в сверхпроводниковых и полупроводниковых наноструктурах. Таким образом, проведенное исследование соответствует паспорту специальности 01.04.07 - физика конденсированного состояния.
При проведении исследований были получены патенты:
- патент на изобретение № 2300825 зарегистрирован1 10.06:2007 приоритет от 21.12.2005' '"Быстродействующий сверхпроводниковый. однофотонный детектор"; авторы- Гольцман Г.Н., Чулкова Г.М., Окунев 0:В., ВороновБ.М., Каурова Н.С., КорнеевА.А., Антипов A.B., Минаева.О;В.;
- патент на. изобретение № 2327253 зарегистрирован 20.06.2008, приоритет от 15.08.2006' “Быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор с полосковыми резисторами”; авторы Гольцман F. H., Чулкова Г. М., Окунев О: В., Мельников. А. П., Воронов Б. М., Каурова Н. С. Корнеев А. А., Антипов А. В., Минаева О. В., Дивочий А-. В.
- патент на изобретение №2346357 зарегистрирован 10.02.2009; приоритет от 26.06.2007; “Сверхпроводниковый фотонный детектор видимого и инфракрасного диапазонов излучения, различающий число фотонов", авторы Гольцман Г. М., Чулкова Г. М., Корнеев А. А., Дивочий А. В.
Апробация результатов.
Результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на. следующих конференциях: XXX Совещании по физике низких температур (Дубна, 1994); XI конференции по электронным свойствам двумерных систем, Ноттингем, Великобритания (1995); 21 Международной конференции по физике низких температур в Праге, Чехия (1996); 5 научном семинаре "Нанотехнологии в области- физики, химии и биотехнологии” (2002); Международной конференции по квантовой электронике «Nano and Giga Challenges in Microelectronics Research and Opportunities in Russia», Москва, Россия (2003); IV Международной научно-технической конференции МИЭТ, Москва (2004); 6 Европейской конференции по прикладной
16
сверхпроводимости; Пятом международном российско-украинском семинаре «Нанофизика и наноэлектроника», С.-Петербург, Россия; Международной научной конференции «Пленки - 2004» Москва, Россия; 29 Международной конференции по инфракрасным и миллиметровым волнам, Карлсруэ, Германия (2005); 2 Международной конференции по оптоэлектронике и физике лазеров (САОЬ), Ялта, Крым, Украина (2005); Международном симпозиуме* по фотонике (OPERA), Вроцлав, Польша (2006); Международной конференции по инфракрасным и миллиметровым волнам IRMMW 2007, Кардифф, Великобритания; Рабочей встрече по однофотонным детекторам Single-Photon Workshop 2007, Турин, Италия; 12 Международной рабочей встрече по низкотемпературным детекторам, Париж,. Франция (2007); 8 Европейской конференции по прикладной сверхпроводимости EUGAS* - 2007, Брюссель, Бельгия; IX Международной конференция «Опто- наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы», Ульяновск (2007); Рабочей встрече по фундаментальным исследованиям электронных наноситем, Nano Питер 2008, Санкт-Петербург, Россия; Международной конференции «Single Photon Workshop 2009», Boulder, Колорадо, США, 2009; XIII, XIV, XV международных симпозиумах «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород (2009, 2010, 2011); XXI Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения, Москва, (2010); Ш-ей Международной научной конференции «Функциональная компонентная база микро-, опто- и наноэлектроники», Крым, Украина (2010).
Личный вклад автора В диссертации изложены результаты работ, выполненных автором лично и в соавторстве с коллегами. Исследования, связанные с развитием научного направления по изучению интерференции электрон-фононного и электрон-примесного взаимодействий в примесных металлах, проведены в соавторстве с A.B. Сергеевым, автором теоретической модели. Исследования неупругой релаксации двумерных носителей в AlGaAs/GaAs гетероструктурах и эффекта однофотонного детектирования света видимого и ИК диапазонов в
сверхпроводниковых NbN- наноструктурах проведены совместно с Г.Н. Гольцманом, который является научным наставником и коллегой автора на протяжении всей профессиональной деятельности. Все экспериментальные исследования сверхпроводниковых однофотонных детекторов* проводились автором- лично совместно с К.В. Смирновым, О.В. Окуневым и A.A. Корнеевым. Автор- осуществлял анализ и обобщение полученных данных, интерпретировал полученные результаты, и проводил все необходимые расчеты. Все результаты, выносимые на защиту, получены автором-или при его определяющем вкладе.
Публикации
По результатам проведенных исследований опубликовано 69 работ, в том числе 24 в ведущих рецензируемых отечественных и- зарубежных журналах, а также в материалах Всероссийских и международных конференций. Получено 3 патента.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы. Диссертационная работа изложена на 220 страницах, включая 68 рисунков, 10 таблиц, 1 приложение и список литературы из 143 наименований.
В 1 главе представлен обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию электрон-фононного взаимодействия в металлических пленках, содержащих примеси. В этой главе также представлен обзор теоретических и экспериментальных работ по исследованию электрон-фононного взаимодействия в двумерном электронном газе в гетеропереходах AlGaAs-GaAs.
Во 2 главе приведен обзор моделей механизмов возникновения отклика при поглощении одиночных фотонов в сверхпроводниковой тонкой пленке в условиях протекания транспортного тока, близкого к критическому значению.
Глава 3 посвящена объектам и методам исследования и применяемым в данной работе экспериментальным методикам.
В 4 главе представлены экспериментальные результаты по исследованию влияния интерференции электрон-фононного и электрон-примесного взаимодействий на проводимость примесных металлов.
В 5 главе представлены результаты измерения времени энергетической релаксации двумерных электронов гс в гетеропереходах ЛЮдАя-ваАв.
В 6 главе описан эффект однофотонного детектирования оптического , излучения в тонких сверхпроводящих плёнках МЪЫ и исследованы условия его наблюдения. Изложены экспериментальные результаты исследования квантовой эффективности от величины транспортного тока, толщины сверхпроводящей пленки и спектральной зависимости. Приведен краткий обзор методов практического применения сверхпроводникового однофотонного детектора.
19
Глава 1 Электрон-фононное взаимодействие в неупорядоченных металлических пленках и двумерном электронном газе в АЮаАз-СаАэ гетероструктурах
В данной главе представлен, обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию- электрон-фонониого взаимодействия в металлических пленках, содержащих примеси. Основное внимание уделяется-интерференции электрон-фонониого и электрон-примесного рассеяния. В этой главе также представлен-обзор теоретических и. экспериментальных работ по исследованию электрон-фононного взаимодействия в двумерном' электронном газе (2Э-газ). Из обширного материала по этому вопросу мы выделим работы, связанные с электрон-фононным взаимодействием в вырожденном 2Э-газе, возникающем на границе гетероперехода ваАз и АЮаАэ. Этот материал с технологической точки зрения наиболее совершенный,, и в лучших структурах в настоящее время получены наиболее высокие подвижности (>106 см2/В с). Наши исследования также выполнены на этом материале.
Структура этой главы.следующая:
В 1.1 рассмотрены основные механизмы рассеяния электронов в металлах.
В 1.2 рассмотрены выводы теории электрон-фонон-примесной-интерференции.
В' 1.3. описаны результаты исследования температурной зависимости сопротивления примесных металлов.
В 1.4 рассмотрены основные свойства гетероструктур.
В 1.5 рассмотрены основные механизмы рассеяния, определяющие подвижность и энергетическую релаксацию 20-электронов.
В 1.6. представлены основные теоретические результаты по изучению процессов электрон-фононного взаимодействия в 20- газе.
В 1.7 проводится обсуждение результатов экспериментальных
- Киев+380960830922