Введение к работе
Актуальность темы. Одной из наиболее актуальных задач современной физической электроники является создание приборов и устройств, работа которых основана на квантовых свойствах низкоразмерных микрочастиц. Особый интерес вызывает изучение электронного спектра и процессов релаксации двумерных электронов проводимости в условиях высокой концентрации носителей. В прикладном направлении исследования различных механизмов переноса электронов важны для реализации сильноточных сверхбыстрых транзисторов и других составляющих современной элементной базы.
В приборах с высоким уровнем мощности для получения больших токовых значений необходимо одновременно повышать концентрацию п, и подвижность р. электронов. Однако с увеличением щ падает подвижность электронов, а при уменьшении концентрации подвижность растет только до определенного предела. Исследования процессов релаксации электронов при больших концентрациях позволяют выявить, какие физические процессы несут ответственность за ограничение подвижности носителей заряда.
Наиболее простой реализацией двумерного электронного газа является n-AlGaAs/GaAs наноструктура. При больших уровнях легирования в низкоразмерной области возникают несколько заполненных уровней размерного квантования. Как известно, подвижность электронов пропорциональна транспортному времени релаксации т,, которое определяется рассеянием носителей на большие углы. Кроме того, важную информацию несет одночастичное время релаксации тч, которое связано с рассеянием на малые углы. Изучение ^ и тч позволяет выявить суть физических явлений на гетерогранице наноструктуры. Исследования структур с 5-легированием на вицинальной
2 грани i-GaAs также представляют большой интерес, как в фундаментальном аспекте, так и для дальнейших приборных реализаций.
Наиболее информативными методами являются измерения компонентов тензора магнитосопротивления в квантующих магнитных полях в условиях низких температур, исследования спектров низкотемпературной фотолюминесценции, а также вольтамперных характеристик и температурных зависимостей проводимости при сильных и слабых электрических и магнитных полях в области низких и сверхнизких температур. Подобные эксперименты использованы для изучения электронных явлений при существовании в низкоразмерных областях нескольких подзон размерного квантования.
Цель настоящей работы заключается в идентификации механизмов рассеяния, ограничивающих подвижность низкоразмерных электронов в наноструктурах различного химического и слоевого состава, в которых обнаружены аномальные низкотемпературные и магнитополевые характеристики.
Достижение цели исследований требует решения следующих задач:
1. Детальное исследование явлений низкотемпературного
транспорта двумерных электронов и выявление в особенностях
релаксации носителей заряда роли электрон-электронного взаимодействия
на гетерогранице сильнолегированных наноструктур n - AlGaAs(Si)/GaAs.
2. Исследование явлений низкотемпературного магнитотранспорта
двумерных электронов проводимости в GaAs(5-Sn,Si) структурах на
вицинальной грани, определение количественных параметров и их
магнитотемпературньгх зависимостей.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Обнаружено изменение наклона логарифмических зависимостей (изломы) нормированной амплитуды осцилляции поперечного магнитосопротивления от обратного магнитного поля (графики Дингла) в сильнолегированных наноструктурах n-AJGaAs(Si)/GaAs (ns>810nCM"2). Данные аномалии связаны с температурной зависимостью одночастинного времени релаксации электронов и объяснены изменением (конкуренцией) парциального вклада внутриподзонного и межподзонного электрон-электронного взаимодействия.
-
Установлено сильное воздействие температуры и магнитного поля на характер немонотонных зависимостей одночастичных времен релаксации в сильнолегированных наноструктурах n-AlGaAs(Si)/GaAs. Увеличение магнитного поля сжимает радиальную составляющую волновой функции электронов, а повышение температуры делокализует ее. Это приводит к сложной зависимости нормированной амплшуды осцилляции Шубникова - де Гааза от обратного магнитного поля.
-
Впервые выявлена аномалии и анизотропия явлений переноса GaAs(5-Sn,Si) структур на вицинальной грани: (5*7)% для [ПО] направления и до 28% для [НО] направления. По результатам вычислений зонной диаграммы GaAs(5-Sn) структуры под уровнем Ферми обнаружено две подзоны размерного квантования, модулированные по [110] направлению. Найдено, что аномалии в зависимостях Да/ао(Т) и Др/ро(В) для [110] и [ПО] направлений связаны с модулированием потенциального рельефа.
Научная и практическая значимость диссертациоиной работы состоит в следующем:
1. Развитые модельные представления о конкуренции внутриподзонной и межподзонной электрон-электронной релаксации при
4 большой концентрации двумерных носителей в условиях сильного вырождения электронов позволили разработать подходы к объяснению магнитотемпературных аномалий одночастинного времени релаксации электронов в сильнолегированных наноструктурах n-AlGaAs(Si)/GaAs.
-
В сильнолегированных наноструктурах n-AlGaAs(Si)/GaAs при подавлении межподаонного электрон-электронного рассеяния существует возможность увеличить подвижность носителей технологическими методами без изменения их концентрации.
-
В структурах с 6-легированием на вицинальной грани i-GaAs матрицы, созданных в реализуемых технологических условиях и условиях экспериментов, предоставленных для исследования, не обнаружено существование квазиодномерных каналов. Теория квантовых поправок позволила объяснить аномалии и анизотропию кинетических свойств электронов проводимости эффектами слабой локализации и электрон-электронного взаимодействия и определить характерные времена релаксации электронов как в продольном , так и в поперечном магнитных полях. Обнаруженная сильная анизотропия GaAs(6-Sn,Si) структур допускает возможность создания на их основе твердотельных переключателей.
Достоверность полученных результатов подтверждается их воспроизводимостью на большом количестве исследуемых образцов и соответствием результатов, полученных с помощью различных аналитических методов.
На зашиту выносятся следующие положения:
1. Анализ осцилляции Шубникова - де Гааза для сильнолегированных наноструктур n-AlGaAs(Si)/GaAs и структур с 5-легированием на вицинальной грани i-GaAs матрицы позволяет
5 экспериментально определить величины одночастичных времен релаксации электронов в подзонах размерного квантования.
-
Изменение наклона зависимостей логарифма нормированной амплитуды осцилляции Шубникова - де Гааза от обратной величины индукции магнитного поля вызвано разрушением внешним магнитным полем межподзонной электрон-электронной релаксации и сменой механизмов рассеяния электронов в сильнолегированных наноструктурах n-AlGaAs(Si)/GaAs. Рост температуры делокализует волновую функцию электронов и восстанавливает межподзонную электрон-электронную релаксацию.
-
Структуры с 5- легированием на вицинальной грани i-GaAs матрицы обладают сильной анизотропией и аномалиями проводимости и магнитосопротивления, достигающими относительных величин (5-7)% для [110] направления и 28% для [110] направления.
Апробация работы.
Результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и симпозиумах:
1.Международная конференция студентов и аспирантов "Ломоносов -97".(Москва, 1997).
2. 12 Уральская международная зимняя школа по физике
полупроводников. (Екатеринбург, 1997).
-
3 Всероссийская конференция по физике полупроводников "Полупроводники - 97", (Москва, 1997).
-
24 Международная конференция по физике полупроводников (Иерусалим, Израиль, 1998).
-
10 Международный симпозиум по сверхбыстрым явлениям в полупроводниках.(Вильнюс, Литва, 1998).
-
7 Литовско - Польский семинар " Физика твердого тела и технология" (Каунас, Литва, 1998).
-
Европейская научно- исследовательская конференция "Вычислительная физика для нанотехнологии'Х Кастельвичио Пасколи, Италия, 1998).
8.194 семинар электрохимического общества (Бостон, США, 1998).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них 5 статей и 7 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации.
