Введение к работе
Актуальность темы исследования. Успехи отечественной технологии в получении монокристаллических полупроводниковых соединений А3В , А В , А В4 и других (в частности тройных соединений) открывают новые возможности как для реализации известных идей, так и проведения фундаментальных исследований. Полупроводники tfn.S>t Уп, fls, a.fis и соединения на их основе уде нашли применения в качестве весьма чувствительных и малоинерционных высокоэффективных преобразователей энергии ИК и СВЧ диапазонов излучения, элементов автономных источников энергии на основе преобразования солнечной энергии d электрическую, лазерных устройствах быстродействующих транзисторах. Новые возможности открылись с появлением технологии синтеза полупроводниковых слоев и структур эпитаксией из молекулярных пучков (МПЭ): были выращены селективно-легированные гетероструктуры a- fifc
Шизика нелинейных явлений переноса в полупроводниках занимает одно из ведущих мест в современной физике твердого тела. Особый интерес вызывают исследования явлений переноса в узкозонных полупроводниках А В . В этих полупроводниках эффективные массы гу)* носителей тока столь малы, а подвинности // столь велики, что сравнительно небольшие по величине поля (й, В) приводят к существенно нелинейным эффектам.
В плане теоретических исследований в физике явлений переноса ц последнее время достигнут значительный прогресс. Построена теория кинетических явлений в широком диапазоне магнитных полей: от классической области до квантового предела, включая сильно неравновесные процессы.
Многочисленные экспериментальные исследования свойств полупроводников А3 в магнитных полях стимулировались как запросами прикладной полупроводниковой электроники, так и поисками физических условий, позволяющих максимально раскрыть те или иные возможности полупроводникового материала.
Наиболее изученными в экспериментальном аспекте являются области классического магнитного поля-и квантового предела для невырожденных электронов, где теория допускает отчетливое понимание явлений. Диапазон магнитных полей квантовых осцилляции Щубниковадо Гааза (ИдГ) исследовался в плане выяснения природы осцилляции и их индентификации, изучения особенностей энергетической структуры, определения величины эффективных.масс, <т - фактора, процессов релаксации. Значительные исследования были выполнены в квантующих магнитных полях при разогреве электронного газа. Необычайно плодотворными оказались исследования эффектов квантующих магнитных полей полупроводниковых систем с электронами пониженной размерности. Специфическая особенность свойств двумерных электронов состоит в реализации родима квантового эффекта Холла, явлении локализации и контакте их с объемными электронами.
Несмотря на многочисленные публикации целый ряд вопросов остается малоизученным: природа конечной амплитуды осцилляции (затухание квантования Ландау), природа монотонного компонента осцилляции и факторы, определяющие их зависимости от магнитного поля; механизмы релаксации энергии импульса электронов в квантующем магнит ном поле в равновесны-': и сильно неравновесных условиях. Следует отметить отсутствие теории разогрева объемных и двумерных вырожден них электронов в квантующем магнитном поле.
В основу настоящей работы полочен единый подход к явлениям переноса в широком диапазоне магнитных полей и концентраций носителей тока как в равновесных условиях, так и при их разогреве. Весь комплекс явлений рассматривается с точки зрения методических возможностей получения информации о параметрах электронов вырожденного полупроводника в магнитном поле. Сопоставление-результатов позволяет проследить динамику трансформации параметров и свойств электронного газа в магнитном поле под действием разогревающего фактора в зависимости от степени "сильности" магнитного поля.Рассмотрение особенностей магнитоперсноса в объемных полупроводниках и двумерных электронных системах позволяет установить общее в свойствах и пыделить особенности, обусловленные понижением размерности электронов.
Целью работы являлось:
- изучение особенностей процессов реалксации энергии и импульса электронов вырожденных полупроводниковых соединений Л В и их проявление в кинетических свойствах в сильном электрическом и
квантующем магнитном поле ; - исследование природы и механизмов затутания квантования Ландау в явлениях диффузии и дрейфа вырожденных электронов узкозонньг*- полупроводников ; - изучение аномалий низкотемпературного магнитотрйнспорта при разогреве вырожденных электронов электрическим полем vi светом в условиях квантования циклотронных орбит ; - исследование особенностей разогрева и механизмов релаксации энергии вырожденных электронов в квантующем (продольном и поперечном) магнитном поле ; - выявление особенностей магнитополевых, фазовых, вольтамперных и вольттемпературных характеристик осцилляции Шубникова-де Гааза в полупроводниковых соединениях пониженной размерности с квантовым эффектом Холла.
Для достижения указанных целей.были исследованы узкозонные полупроводниковые соединения л- faSSvi /t-&/?$ с концентрацией электронов от 3,5*10 см до 4,8"ТО см и селективно-легированная гетеросистема л-№6а./?з,/'&аtfs с поверхностной концентрацией двумерных электронов в пределах 3,4'Ю -3,2'ТО см и подвижностью до т\07*10 см /В*с.
Поставленные задачи решались методом выполнения комплексных экспериментальных исследований фотогальваномагнитных эффектов в широком диапазоне вариаций внешних физических условий: магнитное поле до 7,4 Тл, электрическом поле до 20 В/см, интенсивности излучения ТО квант''см* с и температурном интервале от комнатной до Т.5.К.
Наиболее тонким инструментом воздействия на явления переноса в электронной полупроводниковой системе является магнитное поле, (особенно при низких температурах). Г/агнитное поле привносит в о лек-тронную систему дополнительно к фермиевской и де-бройлепской длинам волн электрона, дсбаевской длине экранирования новый варьируе мый масштаб - квантовую магнитную длину (квантовый радиус Лармора), Этот параметр характерно проявляется в кинетических эффектах диффузии и дрейфа электронов через длину свободного пробега и фазовый об^ом плектрон-фононного взаимодействия, определяемых геометрией опыта и имеющих существенные отличия в продольном и поперечном поле. Естественно поэтому измерение особенностей квантовых осцилляции поперечного и продольного магнетосопротивления, эффекта Кикоина-Носкова в квзнтующих магнитных полях.
Научная новизна работы определяется тем, что в результате выполненных исследований впервые:
- б -
-
В области квантовых осцилляции ЩцГ в кинетических коэффициентах выделен и исследован на соответствие эксперимента известным физическим идеям классический компонент, измерено время релаксации и идентифицированы механизмы релаксации импульса в вырожденных 32? и 22?полупроводниковых соединениях и установлена связь измеренных параметров с технологическими режимами роста селективно-легированных гетероструктур. Обнаружены и исследованы квантовые осцилляции ЭДС Шд на гетеросистеме с 22?электронами.
-
Впервые измерена температура Дингла в зависимости от температуры опыта и концентрации электронов. Обсуздена роль не-столкновительных механизмов в уширении уровней Лацдау. Предложена двухкомпонентная модель уыирения уровней Ландау и показано, что температурно-зависимый компонент обусловлен электрон-электронным взаимодействием. По температуре Дингла выполнены оценки параметров рассеивающих центров.
-
Обнаружена и детально исследована осциллирующая зависимость магнетосопротивления (в экстремумах осцилляции ЩдГ) от электрического поля. Явление объяснено разогревом электронов и обусловлено конкуренцией механизмов релаксации импульса и снятием квантования. Предложен метод и установлена зависимость эффективной электронной температуры Те от электрического и квантующего магнитного поля. Обнаружена осциллирующая зависимость Tg (Е) в магнитном поле для 327 и 22? электронов в экстремумах осцилляции ЩцГ с общей тенденцией охлаздения электронов магнитным полем. Теория разогрева электронов в магнитном поле для области осцилляции ЩцГ отсутствует. Явление качественно объяснено осцилляцмями функции плотности состояний в квантующем магнитном поле.
-
Впервые установлено сильное отличие в эффектах разогрева 32?электронов в поперечном и продольном магнетосопротивления, которое нашло объяснение в разной величине фазового объема элект-
' рон-фононного взаимодействия при ориентациях Е±и )(3. Установлена роль поля Холла в эффектах разогрева вырожденного полупроводника. Измерено время релаксации энергии и установлена зависимость его от электрического и магнитного поля в области осцилляции ЩдГ и квантовом пределе. Наблюдаемые особенности хорошо описываются теорией Казаринова-Скобова.
5. Обнаружена анизотропия кинетических эффектов (низкотем
пературная проводимость, классическое НС,осцилляции ЩдГ) в гете
росистеме с 22?электронами на сильно разориентированных подлок-
ках с большим содержанием остаточных примесей (кислород и углерод) на исходной поверхности. Прямыми опытами показано, что эффект обусловлен анизотропией подвижности по направлениям [II0J и [IIOJ . О анизотропией подвижности коррелируют измерения анизотропии температуры Дингла
-
Исследованы известные "нулевые" осцилляции в рекиме квантового оффекта Холла на гетеросистеме с 2І> электронами и непосредственно показано, что эффект обусловлен детектированием наводки на контактах (3]) - 2j) ) и двумерным электронным каналом. Эффекту "нулевых" осцилляции дано объяснение в представлении обмена электронами ме"'ду двумерным каналом и резервуаром объемных электронов.
-
Обнаружены и исследованы:
- гистерезис вольттемлературной характеристики проводимости
(в условиях В=0) в интервале температур 4,2-20 К в гетероструктуре с 2 электронами. Эффект гистерезиса снимается сильным электрическим полем. Явление объяснено кулоноЕСКой активацией поверхностных состояний, несимметричной по отношению направления изменения температуры. Определена .энергия активации и концентрация поверхностных состояний ;
гистерезис вольтамперной характеристики проводимости (в условиях В=0), обусловленный перераспределением 2]) электронов мегду квантовой ямой и отделенной от нее уровнем энергии - ловушкой для электронов;
гистерерис поперечного магнетосопротивления в экстремумах осцилляции ЩцГ на п.' tfti Л& в зависимости от электрического поля, который обусловлен эффектом фононного "узкого горла". Определены некоторые характерные параметры злектрон-фюнонного взаимодействия.'
Основные положения, выносимые на защиту:
I. Комплексное экспериментальное исследование квантовых осцилляции %бникова-де Гааза поперечного магнетосопротивления, эффекта Холла, ЭДС ФМЭ показали, что фазовые соотношения, магнитополевая и температурная зависимость'амплитуды осцилляции для объемных и дву-, мерных электронов полупроводниковых соединений идентичны. Осцилляции компонентов тензоров^магнетосопротивления и проводимости кор-релированы: максимумам Ру соответствуют максимумы 0'« ; обнаруженные осцилляции ЭДС ШЪ 2 J электронов оперетают по фазе осцилляции Рях
-S-
2. Измерениями магнитополевых, температурных и концентрацион
ные' "арактсрг.стик осцилляции ЩцГ установлено двухкомпонентное по
природе затухание квантования Ландау.'Для вырожденных электронов
методом сопоставления экспериментальных Т»(Т) и теоретических
Тj>t Тс(T)J зависимостей показано, что в области плато ТЪ(Т) 1,ЪйТ6-& К затухание контролируется примесным рассеянием." В области Т> 6 К примешивается сильное электрон-электронное взаимодействие, причем экспериментальные зависимости Тр(Т) в этой области Т хорошо согласуются с теоретическими расчетами лишь для объемных электронов.
-
Воздействие электрического поля и излучения на квантовые осітлляїжи проявляется в эффектах смещения экстремумов и уменьшении амплитуды осцилляции, что обусловлено размытием уровней квантования энергии, электронов. Обнаружены осцилляции магнетосопротив-ления в сильном электрическом поле. Показано, что это явление связано со сменой физических условий для горячих электронов полупроводника п магнитном поле (снятие квантования, реализация условий сильного и слабого магнитного поля). Анализ экспериментальных зависимостей скорости смещения положений экстремумов на Рхх (Е) для известны- из теории механизмов релаксации показал, что причиной осцилляции Рхх (Е) является конкуренция механизмов релаксации импульса на ионизованных примесях, пьезоакустических и оптических фононах. Обнаружен и исследован эффект гистерезиса магнетосопротив ления в экстремумах осцилляции ЩцГ в сильном поле, который объяснен разогревом электронов в условиях фононного "узкого горла". Впе' вые экспериментально исследованы осцилляции ЭДС ШЭ в сильном электрическом поле, которое дополнительно к известным компонентам -Vl и * У 1е возбуждает дрейфовую " th'Qr добавку, что объясняет наблюдаемые в экспериментах аномальные зависимости в ЭДС ШЭ\?{/,В.
-
Предложен метод измерения электронной температуры Тв, состоящий в сопоставлении экспериментальных зависимостей амплитуды и смещения экстремумов осцилляции от электрического поля и температуры, отличающийся от известных возможностью установить оависимост Те от магнитного поля. Обнаружена осциллирующая (для ориентации EJLB) зависимость Тв от магнитного поля В для ЗР и 2J) электронов. Явление объяснено осцилляииями функции плотности состояний в квантующем магнитном поле. Аномальное смещение кривых Те(Е) g^cousi друг относительно друга для ориентации EJ.B и Е//В объяснены ха рактером зависимости фазового объема электрон-фоногаюго взаимодей-
ствия (сфера - Ей В и гилиндр - EJ.B в к -пространстве) в магнитном поле. Эксперименты качественно описываются соотношениями Те(Е,В) и 'Tg(В), известными для области квантового предела и классического поля.
5. Впервые обнаружена анизотропия кинетических эффектов (низко
температурная проводимость, классическое магнетосопротивление, ос
цилляции ШдГ) в гетероструктурах с 2J) электронами, выращенных на
сильноразориентированных подложках и большим содержанием остаточ
ных примасе?' (кислород и углерод) на исходной поверхности. Прямы
ми опытами показано, что эффект анизотропии по направлениям [ПО]
и [noj не связан с перераспределением электронной плотности, а полностью определяется анизотропией подвияности, что коррелирует с данными по измерению температуры Дингла.
-
Впервые выполнены комплексные экспериментальные исследования (магнитополевые, вольтамперные, вольтемпературные и частотные характеристики) известных "нулевых" осцилляции в условиях естественной наводки и искусственного сигнала и показано, что этот эффект в двумерных системах обусловлен детектирующими свойствами 2J - 3J контакта и нелинейностью "объема" двумерного проводящего канала. Показано, что осциллирующий с магнитным полем компонент стационарной ЭДС обусловлен обменом электронными состояниями иеч-ду двумерными электронами и резервуаром объемных электронов. Выполнены численные оценки ожидаемой величины эффекта согласно предложенной модели и показано хорошее согласие с экспериментом.
-
Синтезированы квантоворазмерные структуры с вариациями химического состава,физико-технологических условий роста и геометрической слоевой композиции. Различными методами в.широком темпера— турном интервале измерены фундаментальные характеристики 2]> электронов, а именно:проводимость; концентрация, подвижность, температура Дингла в квантующем, классическом сильном и слабом магнитном поле. Из анализа экспериментальных данных идентифицированы механизмы релаксации импульса, выполнены численные оценки параметров дефектов ограничивающих подвижность электронов в двумерном канале и установлена связь этих параметров с технологическими условиями роста. В результате этих исследований удалось направленными вариациями условий оптимизировать технологию и синтезировать гетерост-руктуры с рекордными для отечественного оборудования молекулярно-лучсвсй єпитаксии параметрами (подвижность дс 1,07-10^ см'УВ-с
-Ю-
при достаточно высокой концентрации 21) электронов; 5,6* Ю^см-^ Т=4,2 К). Результаты этих исследований доказали перспективность применения гетероструктур с 2} электронами в качестве высокоэффективные датчиков магнитного поля с чувствительностью (в»100 раз) лучшей по отношению к объемным аналогам и гомоэпитаксиальным слоям.
Практическая значимость работы определяется тем, что в ней сформулированы научно-методические основы получения количественной информации о параметрах: вырожденных объемных и двумерных электронов полупроводниковых соединений, на примере /t'^kSStitr7rtfis и П' JKCafis /Сл/s из кинетических эффектов в магнитном поле (классическом и квантующем) в квазиравновесных и сильнонеравно-весных условиях.
Комплексные измерения гальваномагнитных эффектов позволили оценить концентрацию, подвижность и параметр затухания \ 2J) электронов независимым образом: - из осцилляции ЩцГ в квантующем магнитном поле ; - по эффектам Холла и ЭДС ФМЭ в классическом слабом и сильном магнитном поле. Установлена связь кинетических параметров tls , И и Тр с условиями синтеза,химическим составом и слоевой композицией гетероструктуры. .Выполнены оценки параметров дефектов, ограничивающих низкополевую подвижность 2J) электронов.
Измерения фото-и гальваномагнитных эффектов, оценки кинетических параметров позволили оптимизировать физико-технологические условия роста для разработки основ технологии создания приборов электронной техники с наперед заданными экстремальными параметрами и широких функциональными возможностями.
Проиллюстрировано преимущество гетероструктур с 2J) электронами как высокоэффективных датчиков Холла (с вариациями в широких пределах выходных параметров) перед объемными и гомоэпитаксиалъными аналогами.
Измерения фотомагнитного эффекта на 2j>электронах показывают перспективность применения полупроводниковой гетеросистемы «/&/
в качестве элементной базы для высокоэффективных фотопреобразователей энергии излучения.
Совокупность результатов по эффектам разогрева электронов (осцилляции магнетосопротивления в электрическом поле, осцилляции электронной температуры, уменьшение времени релаксации энер-
гии.в магнитном поле и,др.) представляются существенными для создания теории нелинейных гальваномагнитных эффектов в вырожденных полупроводниках.
Обнаружена анизотропия явлений переноса в двумерной гетеро-системе, выращенной на вицинальной грани полупроводника, показывает перспективность реализации квазиодномерной проводимости технологией ШЭ.
Результаты исследований нелинейных (детектирующих свойств контактирующей системы 2В -2,1) выроэденных электронов могут быть использованы для создания высокочувствительных широкополосных детекторов излучения и разработки теории контакта электронных систем различной размерности.
Аппробация' работы. Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в 49 работах и докладывались на Всесоюзной конференции по физике, соединений А В3 (1931г. - г.Новосибирск), У-м симпозиуме "Плазма и неустойчивость з полупроводниках" (1903г. - г.Вильнюс),.Всесоюзной конференции "Методы и оборудование для физико-химических исследований поверхности материалов электронной, техники" (1983г. - г.Рязань), У Всесоюзной конференции "Тройные полупроводники и их применение" (1937г. - г.Кишинев), II Ураль ской школе по физике полупроводников (1991г. - г.Свердловск), У Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (1990г. - г.Калуга).
Структура и объем диссертации. Диссретация состоит из Введения, семи Глав и Заключения. Она содержит 363 страницы,включая 117 рисунков, 22 таблицы и список литературы из 303 наименований.
