Содержание к диссертации
Введение 5
Глава 1. Обзор современного состояния проблемы. 12
Квантование Ландау 14
Плотность состояний в магнитном поле 17
Осцилляции магнитосопротивления 23
Информационные возможности эффекта Шубникова - де Гааза. 30
Особенности кинетики электронов в гетероструктурах AlGaAs/GaAs с одиночной квантовой ямой 33
Заполнение подзон размерного квантования 34
Модуляции осцилляции Шубникова - де Гааза в случае заполнения двух подзон размерного квантования 38
Нормированные на конечную температуру опыта магнито-полевые зависимости амплитуды осцилляции Шубникова - де Гааза 5т'р(\1В) (графики Дингла) 41
Классические и квантовые времена релаксации электронов в подзонах размерного квантования 46
Транспортные и квантовые подвижности 51
1.11 Выводы 52
Глава 2. Методы анализа осцилляции поперечного магнитосопротивле
ния и образцы гетероструктур на основе GaAs 57
2.1 Графический метод анализа (метод Сладека) 57
Метод анализа, предложенный в работе [102] 62
Метод спектроскопии Фурье 67
Теоретические основы 67
Методические возможности метода Фурье-анализа при анализе осцилляции Шубникова - де Гааза 69
Ограничения и возможные источники погрешностей метода 79
2.4 Образцы гетероструктур на основе GaAs и эксперименты с
ними 83
2.5 Выводы 87
Глава 3. Результаты анализа осцилляции Шубникова - де Гааза гетеро
структур AlGaAs/GaAs 88
3.1 Разделение гармоник, выделение монотонной компоненты 90
Идентификация пиков (максимумов) осцилляции, спиновое расщепление осцилляционных пиков 93
Магнитополевые зависимости амплитуды осцилляции магнитосопротивления и температуры Дингла 96
Веерные диаграммы. Особенности концентраций электронов
в подзонах размерного квантования 98
3.5 Спектры Фурье осцилляции Шубникова - де Гааза и их свой
ства 102
3.6 Выводы 104
Глава 4. Особенности осцилляции поперечного магнитосопротивления в
селективно легированных гетероструктурах AlGaAs(Si)/GaAs 109
4.1 Концентрационные особенности осцилляции ШдГ в сильно
легированных гетероструктурах AlGaAs(Si)/GaAs 109
Распределение 2D электронов по подзонам размерного квантования 109
Пороговая концентрация и заполнение второй подзоны размерного квантования в предпороговой области 116
Увеличение концентрации электронов в основной подзоне размерного квантования с ростом магнитного поля 121
4.2 Спиновое расщепление 123
Идентификация осцилляции 124
Амплитуда 0+'~ экстремумов 128
Оценка g-фактора 131
4.3 Резонансная модуляция е-е релаксации квантующим магнит
ным полем 133
Структура магнитополевой зависимости амплитуды осцилляции ШдГ ё(\ IB)T=const 133
Времена внутри- и межподзонной релаксации в магнитном поле 139
Полюса магнитополевых зависимостей амплитуды осцилляции магнитосопротивления 145
4.4. Выводы 153
Глава 5. Спектральные особенности осцилляции магнитосопротивления
Шубникова- де Гааза 154
Классификация спектров Фурье по отношению амплитуд пиков 154
Зависимость амплитуды пика в Фурье-спектре осцилляции Шубникова-де Гааза при заполнении электронами одной подзоны размерного квантования 155
5.2.1 Зависимость амплитуды пика в Фурье-спектре от кон
центрации двумерных электронов 158
Зависимости высоты пика в спектре Фурье от температуры опыта. 160
Зависимость высоты пика от температуры Дингла 161 5.2.4. Зависимость высоты пика от фазы осцилляции 161 5.2.5 Выводы 163
Исследование зависимости высоты пика спектра Фурье от параметров двумерного электронного газа в случае заполнение двух подзон размерного квантования 166
Амплитудно-частотная модуляция (интермодуляция) 172
Отношение амплитуд пиков Фурье-спектра 175
5.6 Выводы 179
Общие выводы и результаты работы 181
Библиографический список 183
Введение к работе
Сегодня невозможно представить себе современную физику твердого тела без полупроводниковых гетероструктур. Полупроводниковые гетерострук-туры, включая квантовые ямы, проволоки и точки,.являются сегодня предметом исследования 2/3 исследовательских групп, работающих в области физики полупроводников. Гетероструктуры позволили решить общую проблему управления фундаментальными параметрами (ширина запрещенной зоны, эффективные массы носителей заряда и их подвижности, показатель преломления, и т.д.) в полупроводниковых кристаллах и приборах.
Наиболее яркие электронные явления в полупроводниковых системах низкой размерности связаны с электронными корреляциями. В таких системах пространственные ограничения принуждают частицы находиться на более близких расстояниях, усиливая эффекты обменного и корреляционного взаимодействия. Именно электронные корреляции в низкоразмерных полупроводниковых системах лежат в основе новых явлений и предопределяют возникновение в них неожиданных электронных фаз.
В этой прогрессирующей области фундаментальные научные открытия теснейшим образом переплетены с технологическими достижениями. В свою очередь, фундаментально научные открытия стимулировали реализацию принципиально новых идей и обеспечили прочный фундамент для настоящих прорывов в области технологии. Примерами служат методы селективного и 8-легирования в гетероструктурах, явления самоорганизации при росте квантовых точек на гетерограницах и другое. Основные достижения в нанотехнологии "насквозь пропитаны" идеями, возникшими в результате фундаментальных исследований. Принципиально новые явления, открытые в течение последней четверти XX и начале XXI веков в системе сильно взаимодействующих двумерных электронов, стали возможны благодаря неуклонному повышению качества и структурного совершенства соответствующих низкоразмерных полупроводниковых объектов. На рис. 1 представлены явления, последовательно открытые по мере возрастания подвижности (более чем на три порядка!) и длины
свободного пробега двумерных электронов в этих системах.
у104
Ш
Внпіеровскнй крисіалл
Bio2h
Й о
Дробный
квантовый
Эффект
Хатла
Рис. 1. Корреляционные явления, обнаруженные в системе сильно взаимодействующих двумерных электронов, и электронная подвижность
Целочисленный
квантовый чффекі
Холла
Развитие физики и техно-
1980 1985 1990 1995 2000 2005 год
логии полупроводниковых ге-тероструктур привело к широкому использованию их во многих отраслях науки и техники, например, в телекоммуникационных системах, основанных на лазерах с двойной гетероструктурой (ДГС), в системах спутникового телевидения.
По-прежнему одной из актуальных задач современной физической электроники является создание приборов и устройств, работа которых основана на квантовых свойствах микрочастиц в гетероструктурах. Особый интерес вызывает изучение электронного спектра и процессов релаксации электронов проводимости в наноструктурах в условиях высокой концентрации носителей. Прикладным направлением изучения различных механизмов переноса электронов является реализация сверхбыстрых мощных транзисторов и других составляющих элементной базы современной электроники. Мощность Р и частота следования импульсов/прибора определяются, как известно, выражениями:
Р = ш?///2//2, / = 2щ1Л12,
где пи /л- концентрация и подвижность носителей, U- напряжение на /-длине рабочего канала. Увеличение мощности и расширение частотного диапазона требует одновременного увеличения nviju.
Наиболее простой реализацией гетероструктуры является структура п-AlGaAs(Si)/GaAs. При высоких уровнях легирования в гетеропереходе возникают несколько заполненных уровней размерного квантования. Подвижность электронов пропорциональна транспортному времени релаксации г,, которое
связано с рассеянием носителей тока на большие углы. Важную информацию о свойствах электронов несет квантовое время релаксации rq, связанное с рассеянием на малые углы. Изучение этих времен релаксации позволяет выявить суть физических процессов, протекающих на гетерогранице наноструктуры.
Оказалось, что при увеличении концентрации носителей тока в гетеропереходе при достижении некоторого значения последней происходит уменьшение подвижности носителей. Это уменьшение связано с тем, что в гетеропереходе электронами начинает заполняться возбужденная подзона размерного квантования. Однако конкретные механизмы, ограничивающие подвижность носителей тока, до настоящего времени неизвестны.
Наиболее информативными являются методы измерения компонентов тензора магнитосопротивления в квантующих магнитных полях в условиях низких температур. Они используются для изучения электронных явлений при заполнении электронами подзон размерного квантования в гетероструктурах.
Целью настоящей работы является идентификация механизмов рассеяния, ограничивающих подвижность электронов в наноструктурах А1-GaAs(Si)/GaAs, основанная на анализе аномалий низкотемпературного магни-тотранспорта.
Достижение цели исследования требует решения следующих задач.
Детальное исследование явлений низкотемпературного магнитотранс-порта двумерных электронов и выявление роли электрон-электронного взаимодействия на гетерогранице сильнолегированных наноструктур А1-GaAs(Si)/GaAs.
Модернизация существующих методов исследования низкотемпературного магнитотранспорта для более точного и качественного получения информации.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Показано, что изменения наклона логарифмических зависимостей нормированной амплитуды осцилляции поперечного магнитосопротивления от обратного магнитного поля в сильнолегированных наноструктурах п-
AlGaAs(Si)/GaAs вызваны резонансным характером «включения» магнитным полем межподзонного электрон-электронного взаимодействия.
Обнаружено спиновое расщепление 0 пика низкочастотной гармоники осцилляции поперечного магнитосопротивления. Объяснена причина малых амплитуд пиков 0+ и 0" низкочастотной гармоники осцилляции поперечного магнитосопротивления, обусловленная низкой вероятностью электронных переходов между подзонами размерного квантования с сохранением спина.
Установлено, что наличие в Фурье-спектре осцилляции поперечного магнитосопротивления пиков комбинационных частот при заполнении электронами двух подзон размерного квантования определяется интенсивностью межподзонных переходов.
Установлено, что существенные различия в величинах пороговой концентрации электронов, соответствующей началу заполнения электронами возбужденной подзоны размерного квантования, связаны с наличием дополнительных резервуаров для электронов в гетеропереходе (DX - центров, акцепторных примесей, «хвостов» плотности состояний).
Объяснено скачкообразное изменение концентрации электронов в основной подзоне размерного квантования в условиях, соответствующих квантовому пределу для возбужденной подзоны размерного квантования (выходу за уровень Ферми нижнего по энергии уровня Ландау возбужденной подзоны размерного квантования и переходу электронов в основную подзону размерного квантования).
Научная значимость диссертационного исследования состоит в следующем:
1. Развитые модельные представления о резонансном характере воздействия магнитного поля на межподзонную электрон - электронную релаксацию при большой концентрации носителей тока в гетеропереходе в условиях сильного вырождения электронного газа позволили разработать подходы к объяснению магнитотемпературных аномалий одночастичного времени релаксации электронов в сильнолегированных наноструктурах n-AlGaAs(Si)/GaAs.
Продемонстрирована возможность увеличения подвижности носителей тока без изменения их концентрации в сильнолегированных наноструктурах п-AlGaAs(Si)/GaAs при подавлении межподзонного электрон -электронного рассеяния за счет выбора диапазонов магнитных полей и температур, либо путем изменения слоевого состава наноструктуры.
Предложен комплексный алгоритм обработки экспериментальных зависимостей осцилляции поперечного магнитосопротивления (сортировка осцилляции, независимое применение графического метода и метода Фурье-анализа), позволяющий получать новую информацию о процессах низкотемпературного магнитотранспорта (определять параметры электронного газа из сложных осцилляционных зависимостей).
Практическая значимость диссертационного исследования состоит в следующем:
Результаты исследований по подавлению межподзонного взаимодействия за счет выбора диапазона магнитных полей и температур могут быть использованы при создании и совершенствовании полупроводниковых приборов, в которых необходима высокая подвижность носителей.
Предложена схема гетероперехода, обеспечивающая режим подавления межподзонного электрон-электронного взаимодействия для создания мощных и сверхбыстрых приборов.
Достоверность полученных результатов подтверждается их воспроизводимостью на большом количестве образцов, соответствием результатов, полученных с помощью различных аналитических методов, а также соответствием данных, полученных в рамках исследования, с данными, известными из литературы.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Аномально малые амплитуды расщепленных по спину 0+ и (Г максимумов низкочастотной гармоники осцилляции поперечного магнитосопротивления обусловлены низкой вероятностью переходов электронов из основной подзоны размерного квантования в возбужденную с сохранением спинового
числа s в условиях квантового предела для возбужденной подзоны размерного квантования.
Изменение наклона магнитополевых зависимостей логарифма амплитуды осцилляции поперечного магнитосопротивления вызвано резонансным «включением» магнитным полем межподзонного электрон-электронного взаимодействия.
Присутствие пиков комбинационных частот в Фурье - спектрах осцилляции поперечного магнитосопротивления определяется интенсивностью меж-подзонных переходов.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях:
Международная конференция «Передовые оптические материалы и устройства». (Вильнюс, Литва, 2000).
Третья международная конференция «Физика низкоразмерных структур - 3». (Черноголовка, 2001).
Третья Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2001).
8 Всероссийская научная конференция студентов - физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 2002).
9 Всероссийская научная конференция студентов - физиков и молодых ученых (Красноярск, 2003).
10 Всероссийская научная конференция студентов - физиков и молодых ученых (Москва, 2004)
Вторая Международная конференция «Физика электронных материалов» (Калуга, 2005).
IX конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов (Владивосток, 2005)
По материалам диссертации напечатано 13 печатных работ, из них 5 статей и 8 тезисов докладов.
Исследования, представленные во второй главе, выполнены в сотрудни-
11 честве с С.Н. Лариным и A.M. Устиновым и отражены в работах [2, 3, 9] Приложения 3.
Исследования, представленные в третьей главе, выполнены вместе с A.M. Устиновым, М.М. Афанасовой, Ф.М. Цаххаевым, А.П. Мелеховым, А.Б. Дюбуа, Е.Л. Шангиной, С.Н. Лариным и отражены в работах [1-13] Приложения 3.
Исследования, представленные в четвертой главе, выполнены всем творческим коллективом, при значительной поддержке нашего научного руководителя В.И. Кадушкина и отражены в работах [1,4-12] Приложения 3.
Исследования, представленные в пятой главе, выполнены вместе с A.M. Устиновым, М.М. Афанасовой при поддержке нашего научного руководителя В.И. Кадушкина и отражены в работах [9, 12-13] Приложения 3.
Все материалы, которые по каким-либо причинам не опубликованы в совместных работах, использованы в диссертации с полного согласия научного руководителя и всех соавторов, в том числе коллег из Литвы Ю. Кавалиаускаса, Б. Чечавичуса, Г. Кривайте, А. Галикаса, ответственных за эксперимент в работе [1] Приложения 3.
При выполнении исследований я, С.Н. Ларин, Ф.М. Цаххаев, A.M. Устинов, М.М. Афанасова были ответственными за отработку методов анализа экспериментальных результатов, обработку результатов экспериментов, расчет параметров гетероструктур и электронов в гетероструктурах, построение графических зависимостей, подготовку материалов к публикации. А.Б. Дюбуа отвечал за математические модели изучаемых явлений, В.И. Кадушкин осуществлял научное руководство работой и являлся главным генератором по физическим моделям процессов, протекающих в гетероструктурах. Полученные результаты на всех этапах работы обсуждались совместно, корректировались, дополнялись и уточнялись. В обсуждении результатов работы принимали участие А.П. Мелехов и Е.Л. Шангина.
Исследования выполнены при финансовой поддержке Миннауки и образования РФ (грант № Е02-3.4-319 и Госконтракт № 40.012.1.1.1153).
