Введение к работе
Актуальность темы диссертации обусловлена широким применением двумерных электронных систем в полупроводниковой технике и богатством фундаментальных явлений, демонстрируемых ими, что привело к тому, что физика двумерных электронных систем составляет значительную часть современной физики полупроводников. Особые транспортные свойства двумерных электронных систем определяются следующими факторами. 1. Пограничное положение между одномерными системами, в которых все электронные состояния считаются локализованными, и трехмерными, в которых имеется порог подвижности, делает задачу о локализации электронных состояний в двумерных электронных системах весьма деликатной. 2. Появление щелей в энергетическом спектре двумерных носителей в квантующих магнитных полях и возможность переноса бездис-сипативного холловского тока полностью заполненными уровнями Ландау приводят к существованию целочисленного квантового эффекта Холла. 3. Сравнительно малая плотность носителей в двумерных электронных системах определяет большую величину эффектов, связанных с электрон-электронным взаимодействием. Одним из наиболее ярких эффектов, обусловленных этим взаимодействием, является дробный квантовый эффект Холла. 4. Экранирование электрического поля в двумерных электронных системах происходит на гораздо больших масштабах чем в трехмерном случае, что приводит к возникновению в них дополнительных эффектов, связанных с неоднородностью плотности носителей по образцу. Одним из важных проявлений этой особенности являются краевые эффекты, возникающие в режиме квантового эффекта Холла. 5. Вследствие размерного квантования в энергетическом спектре двумерных систем появляются особенности, отсутствующие в объемном спектре. К ним относятся скачки
плотности состояний при начале заполнения очередных подзон размерного квантования, снятие четырехкратного вырождения валентной зоны при нулевом волновом векторе, а также снятие спинового вырождения в материалах с центром инверсии в объеме за счет асимметрии квантовой ямы. Следует еще отметить важную дополнительную степень свободы для исследований, которую предоставляет возможность плавно менять плотность двумерных носителей в полевых транзисторах на основе двумерных систем. Огромный интерес к этим проблемам существует примерно с 1980 г., когда одновременно был открыт квантовый эффект Холла, и появилась теория слабой локализации электронов. Исследования, проводившиеся в ходе выполнения диссертационной работы, имели целью получение ответов на наиболее актуальные вопросы и привели к значительному прогрессу в решении ряда проблем.
Целью работы являлось исследование квантовых эффектов в проводимости двумерных электронных систем, определяющих их особые транспортные свойства и проявляющихся при низких температурах и в сильных магнитных полях.
Научная новизна диссертационной работы обеспечивается следующими оригинальными результатами.
1. Выполнено исследование широкого круга эффектов, связанных с неоднородным распределением токов в режиме квантового эффекта Холла. Изучено влияние бездиссипативных краевых токов на магнетосопроти-вленис в областях переходов между различными состояниями квантового эффекта Холла. Разработан метод исследования пространственного распределения проводимости двумерных электронных систем в структурах с затворами. В состояниях квантового эффекта Холла обнаружены резко неоднородные распределения, возникающие как за счет собственных <|>."i\ ктуацнн потенциала в образцах, так и за счет градиента потенциала.
создаваемого измерительным током в нелинейном режиме ("шнурование" холловского тока).
-
Проведены исследования аномалий в осцилляциях Шубникова - де Гааза, частным случаем которых являются переходы между состояниями квантового эффекта Холла и диэлектрическим состоянием, а также влияния на них параллельной компоненты магнитного поля. В рамках модели с длиннопериодной модуляцией потенциала для невзаимодействующих электронов предсказаны осцилляции холловской проводимости нового типа, объясняющие наблюдавшиеся аномалии. В частности, модель позволяет объяснить возникновение диэлектрических состояний между состояниями квантового эффекта Холла и зависимость этого эффекта от соотношения между зеемановским и циклотронным расщеплениями. Установлено существование холловских диэлектрических состояний в квантующих магнитных полях.
-
При помощи метода емкостной спектроскопии выполнено прямое наблюдение скачка плотности состояний при начале заполнения второй подзоны размерного квантования.
-
В состоянии дробного квантового эффекта Холла на факторе заполнения 1/3 установлено соотношение между скачком химпотенциала и энергией активации квазичастиц, соответствующее согласно теории Ла-флина дробному заряду квазичастиц е* = е/3.
-
Выполнены исследования эффекта биений осцилляции Шубникова - де Гааза, возникающего в результате снятия спинового вырождения в двумерных электронных системах, а также влияния на него различных экспериментальных параметров. Проанализирована картина осцилляции Шубникова - де Гааза для двумерных систем с линейным по волновому вектору спиновым расщеплением в нулевом магнитном поле (спектр Бычкова - Рашба), и разработан метод определения параметров энергетиче-
ского спектра для таких материалов.
-
Обнаружена и объяснена значительная анизотропия g-фактора двумерных дырок, связанная с ориентацией магнитного поля по отношению к плоскости канала.
-
Экспериментально обнаружен эффект "пиннинга" дна второй размерно - квантованной подзоны около уровня Ферми. Показано, что вторая подзона размерного квантования в дырочных каналах на поверхности (110) кремния является возбужденной подзоной тяжелых дырок.
Перечисленные результаты составляют основу следующих положений, которые выносятся на защиту.
1. В режиме квантового эффекта Холла сильная зависимость дисси-
пативной проводимости от плотности носителей приводит к резко неод
нородным распределениям токов. Установлено существование (а) бездис-
сипативных краевых токов; (б) эффекта шнурования тока, возникающего
вследствие перераспределения плотности носителей по образцу, вызван
ного самим током; (в) "скин" - эффекта, состоящего в концентрации пе
ременного тока около краев образца на масштабе, зависящем от частоты
тока.
2. Квантование движения электронов в сильных магнитных полях
стимулирует переходы в диэлектрическое состояние. Положение точки
перехода зависит от соотношения между зеемановской и циклотронной,
энергиями. При наличии состояний дробного квантового эффекта Холла
точка перехода может определяться именно этими состояниями. Пере
ход в диэлектрическое состояние в сильных магнитных полях зачастую
не сопровождается изменением холловского сопротивления, которое оста
ется близким к своему классическому значению.
3. Наличие в образцах длиннопериодной модуляции потенциала ради
кально меняет картину квантовых осцилляции компонент тензора магне-
топроводимостн и делает возможными повторяющиеся переходы между состоянием квантового эффекта Холла и диэлектрическим состоянием.
-
Однопараметрическое скейлинговое описание зависимости проводимости от плотности носителей и температуры при значениях безразмерного кондактанса, близких к единице, применимо к ряду двумерных электронных систем. Существуют, однако, системы, в которых такое описание невозможно.
-
Аномальное магнетосопротивление, наблюдающееся в двумерных системах в классически слабых магнитных полях, хорошо описывается теорией слабой локализации при учете зависимости времени спин - орбитальной релаксации от спинового расщепления на уровне Ферми.
-
В дробном квантовом эффекте Холла сравнение скачка химпотен-циала с энергией активации диссипативной проводимости позволяет проверять важные предсказания теории этого эффекта. Соотношение между этими величинами, полученное для фактора заполнения 1/3, согласуется : дробным зарядом квазичастиц е* = е/3, предсказанным для этого состояния.
-
Снятие спинового вырождения за счет спин-орбитального взаимодействия может приводить к появлению биений осцилляции Шубникова - де Гааза. Существуют материалы, в которых взаимное расположение 'злов биений и их зависимость от параллельной компоненты магнитного юля полностью описывается моделью, основанной на спектре с линей-:ым по волновому вектору спиновым расщеплением (спектр Бычкова 'ащба). В таких системах использование модели, разработанной в дис-ертншюнной работе, позволяет определить величину спинового расщеп-ення в нулевом магнитном поле и величину g-фактора.
8. В дырочных каналах полевых транзисторов на поверхности Si (ПО)
зучены эффект биения осцилляции Шубникова - де Гааза и влияние на
него различных параметров. Эффект является очень чувствительным к деталям энергетического спектра этой системы. Полученные результаты могут быть использованы для апробации методов расчета энергетического спектра двумерных дырок.
-
В большинстве полупроводниковых материалов зеемановское расщепление в основной подзоне размерного квантования двумерных дырок в основном определяется компонентой магнитного поля, перпендикулярной к двумерной системе. Это расщепление может уменьшаться при увеличении полной величины магнитного поля, происходящем за счет роста его параллельной компоненты.
-
В дырочных каналах полевых транзисторов на поверхности Si (ПО) вторая подзона размерного квантования является возбужденной подзоной тяжелых дырок, а не основной подзоной легких дырок, как это считалось ранее.
Научная и практическая ценность диссертационной работы состоит в решении целого ряда проблем, связанных с квантовым транспортом в двумерных электронных системах, определении параметров энергетического спектра для нескольких материалов, установлении важных отличий двумерных дырочных систем от электронных.
Апробация работы. Многие из результатов, впервые полученных в ходе выполнения диссертационной работы, позднее были подтверждены экспериментами и расчетами других авторов. Результаты, вошедшие в диссертацию, опубликованы в виде 28 статей в ведущих физических журналах (список публикаций приведен в конце автореферата), а также докладывались на XXIV (Тбилиси, 1986 г.) и XXV (Ленинград, 1988 г. Всесоюзных совещаниях по физике низких температур; Всесоюзных школах по физике поверхности (Ташкент, 1983 г.), (Карпаты, 1986 г.); X Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Кишинев. 1988 г.)
IX и XII Международных конференциях по применению сильных магнитных полей в физике полупроводников (Германия, г.Вюрцбург, 1990 и 1996 г.г.); Международной конференции " Физика двумерных систем" (Швейцария, г.Нойшатель, 1991 г.); Международной конференции "Физика низко -размерных систем" (Черноголовка, 1993 г.); I (Нижний Новгород, 1993 г.) и III (Москва, 1997 г.) Всероссийских конференциях по физике полупроводников; XXIII Международной конференции по физике полупроводников (Берлин, 1996 г.); Международном симпозиуме "Наноструктуры: физика и технология" (Санкт-Петербург, 1997 г.); Международной конференции "Мезоскопические и сильно-коррелированные системы" (Черноголовка, 1997 г.); Международном совещании "Новые достижения в физике низко - размерных электронных систем" (Дрезден, 1997 г.), а также на ряде других международных совещаний и семинаров.
Объем и структура диссертации
