Введение к работе
Актуальность темы диссертации обусловлена как пироким применением низкоразмерных систем в юлупроводниковой микроэлектронике, так и богатством фундаментальных явлений, таких как целочисленный и дробный свантовый эффект Холла, композитные фермионы, слабая юкализация и т.п.
Огромный интерес к этим проблемам возник в конце 70-х одов, когда одновременно был открыт квантовый эффект Холла і появилась теория слабой локализации электронов. Несмотря на о, что в эти два десятилетия появилось огромное количество >абот, посвященных исследованиям локализации и квантового іффекта Холла, остается ряд вопросов требующих разрешения.
Диссертационная работа посвящена одному из іктуальнейших направлений физики низкоразмерных систем -[шзике наноструктур на основе кремния и германия, а именно, ісследованию квантовых эффектов в двумерном дырочном газе в шогослойных напряженных гетероструктурах Ge/GeSi.
Работы в области наноструктур на основе кремния и ермания в самое последнее время получили широкое развитие в ^ША, Японии и странах Европы. Крупнейшие компании этих тран развернули собственные SiGe программы, нацеленные на оздание высокочастотных (свыше 100 Гц) гетеробиполярных и юлевых транзисторов. Продемонстрировано, что SiGe ранзисторы по своим характеристикам приближаются к іриборам на основе GaAs. Успехи в этой области сделают ремневую технологию еще более применяемой.
В двумерных гетероструктурах на основе кремния и ермания вследствии размерного квантования и внутренних апряжений, возникающих на границе слоев Ge и GeSi из-за есоответствия постоянных решетки, в энергетическом спектре оявляются особенности, отсутствующие в спектре двумерных истем на основе других полупроводников. Это приводит к ряду номалий гальваномагнитных явлений в режиме квантового ффекта Холла.
Исследования, проводившиеся в ходе выполнения диссертационной работы, определялись желанием получить ответы на наиболее актуальные вопросы и, как мы надеемся, привели к прогрессу в решении соответствующих проблем в физике двумерных систем.
Целью работы являлось экспериментальное исследование квантовых эффектов в проводимости двумерного газа в многослойных напряженных гетероструктурах p-Ge/GeSi, проявляющихся при низких температурах, как в слабых, так сильных магнитных нолях.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Впервые исследованы продольная и холловская компоненты тензора магнитосопротивления в многослойных гетероструктурах Ge/GeSi с дырочной проводимостью по слоям Ge в интервале температур 0.1 - 20К и магнитных полей до 12Т.
Впервые исследована эволюция энергетического спектра валентной зоны германия в условиях комбинированного воздействия: пространственного квантования, внутренней одноосной деформации и квантующих магнитных полей.
Исследована связь продольной и холловской компонент тензора проводимости. Обнаружена немонотонная зависимость пиковых значений магнитосопротивления от температуры. Впервые наблюдалось, что при сверхнизких Т < 2К амплитуда падает с уменьшением температуры по степенному закону и стремится к постоянному значению.
Впервые при исследовании дырочных систем были получены параметры энергетического спектра щели между парами соседних уровней Ландау: ширина полосы локализованных состояний между уровнями Ландау, плотность состояний в щели подвижности.
Исследовано отрицательное магнитосопротивление в слабых магнитных полях, связанное с квантовыми поправками за счет интерференции и электрон-электронного взаимодействия.
Выделен вклад в квантовую поправку, обусловленный электрон-электронного взаимодействия.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем:
Полупроводниковые низкоразмерные системы являются очень перспективными структурами для развития на их базе электроники, действующей на новых принципах. Практически вся современная микроэлектроника развита на основе Si, поэтому исследования сверхрешеток p-Ge/GeSi имеют важное прикладное значение. Полученные результаты могут быть использованы в научно-исследовательских предприятиях, занимающихся разработкой микро- и оптоэлектронных приборов.
На защиту выносятся следующие результаты:
-
Из исследования температурной зависимости осцилляции Шубникова-де-Гааза найдены эффективные массы дырок. Они отличаются от известных масс как легких, так и тяжелых дырок в объемном Ge. Был проведен расчет зависимости энергии от квазиимпульса в пленках p-Ge, плотности состояний, эффективной массы и энергии Ферми при различных значениях толщины и одноосного напряжения. Значения масс хорошо соответствуют экспериментально найденным величинам.
-
Исследования квантового эффекта Холла и продольной проводимости в квантующих полях обнаружили ряд аномалий - нерегулярность целочисленных плато, зависимость от направления магнитного поля, положения уровня Ферми. Показано, что эти аномалии связаны с особенностями дырочного спектра в магнитном поле. Уровни Ландау нелинейны по полю, что приводит к случайному вырождению, которое снимается при изменении толщины, концентрации и других внешних параметров. Прослежена эволюция картины квантового эффекта Холла с изменением этих параметров и показана ее связь с рассчитанными впервые в нашей работе уровнями Ландау.
-
Установлена связь продольной и холловской компонен тензора проводимости, которая носит квазипериодическиі полуэллиптический характер, предсказанный теориеі двухпараметрического скейлинга. Обнаружена немонотонна зависимость пиковых значений магнитосопротивления о температуры. При сверхнизких Т < 2К амплитуда падает уменьшением температуры по степенному закону и стремите к постоянному значению. Этот впервые полученньи экспериментальный результат находится в согласии выводами, следующими из уравнений теории скейлинга.
-
При исследовании температурных зависимосте; проводимости по локализованным состояниям, когда уровен Ферми лежит между уровнями Ландау, были получеш параметры энергетического спектра: щели между парам соседних уровней Ландау, ширина полосы локализованны состояний, плотность локализованных состояний в шел подвижности. Расстояния между уровнями Ланда соответствуют рассчитанным выше (в п. 2), а плотност локализованных состояний имеет значения характерные дл других 2Б-систем с электронной проводимостью.
-
Исследовано отрицательное магнитосопротивление в слабы магнитных полях, связанное с квантовыми поправками за сче интерференции и электрон-электронного взаимодействие/» Сопоставление температурных и полевых зависимосте позволило выделить вклад за счет электрон-электронног взаимодействия.
Апробация работы. Основные результаты, изложенные диссертации, докладывались на 11-й Межд. Конф. по применена сильных магнитных полей в физике полупроводников(Кембрид> США, август 1994); Межд. Симп. "Наноструктуры: физика технология" '95, '96, '97, (С.-Петербург); 5-й Межд. Кош "Электронная локализация и квантовые явления переноса твердых телах ", (Яжовец, Польша, 1996); 23-й Межд. Симп. і многокомпонентным полупроводникам, (С.-Петербург 1996); 2-и 3-й Российской конференциях по физике полупроводников,
Санкт-Петербург - Зелленогорск, 1996; Москва, 1998); Межд. Сонф. "Физика на пороге 2]-века", (Санкт-Петербург, 1998).
Публикации. По теме диссертацииопубликовано 18 печатных >абот. Список основных работ приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит із введения, шести глав и заключения. Общий объем диссертации вставляет 112 страниц. В диссертации содержится 3 таблицы и >2 рисунка. Список цитируемой литературы представлен 63 іаименованиями
Исследования проводились в лаборатории
юлупроводников и полуметаллов Института физики металлов /рО РАН в соответствии с планом научно- исследовательских >абот по проблеме: "Примеси и кинетические эффекты в трех- и пзумерных полупроводниковых структурах" (шифр "Примесь", № .р. 01.96.0003500). Исследования проводились также при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных ісследований (проекты №96-02-16517, 95-02-05769, 98-02-17306) г Межотраслевой научно-технической программы России ;Физика твердотельных наноструктур" (проект № 1 -065/3).
