Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время двумерные (2D) электронные системы являются объектом интенсивного экспериментального и теоретического исследования. Интерес к таким системам объясняется открытием в них новых физических явлений, имеющих фундаментальное значение, а также разнообразными приложениями в микроэлектронике. Исследования 2D электронных систем проводятся на поверхностях различной природы и большом числе слоистых систем. Наибольшие достижения в настоящее время связаны с 2D электронной системой, реализуемой в гетероструктурах GaAs-AIGaAs. Главное отличие этой системы от других твердотельных систем (кремниевые инверсионные слои, дырочные слои у поверхности скола Ge и т.п.) состоит в очень высоких значениях подвижности двумерных носителей. В результате гетероструктуры GaAs-AIGaAs являются одним из основных объектов, используемых при проведении фундаментальных и прикладных исследований.
Следует, однако, заметить, что несмотря на выдающиеся достижения в использовании гетероструктур в высокочастотной электронике (например, для изготовления ВЧ и СВЧ транзисторов), фундаментальные исследования двумерного электронного газа проводятся почти исключительно либо на постоянном токе, либо в инфракрасной и оптической области спектра При этом поведение электронной
системы при низких температурах в промежуточной области частот - в радио н СВЧ диапазонах исследовано весьма незначительно.
К числу важнейших физических явлений, обнаруженных в высокоподвижных 2D электронных системах, относится квантовый эффект Холла (КЭХ). Эффект состоит в том, что в низкотемпературной (Т~1К) холловской проводимости 2D электронного газа, измеренной в зависимости от магнитного поля Н или концентрации носителей п обнаруживается ряд плато оху = ve^/h при целочисленных факторах заполнения v = nh/eH = р, р - целое число. Всем плато отвечают глубокие минимумы в диагональной компоненте тензора статической проводимости о„. Квантование холловской проводимости оху в настоящее время наблюдается с точностью -10"'; такое свойство эффекта позволило использовать его для измерения постоянной тонкой структуры и создания воспроизводимого эталона сопротивления.
Несмотря на многочисленные усилия, природа КЭХ изучена еще недостаточно. Это в значительной мере относится к проблеме динамического отклика системы в условиях КЭХ. Исследование 2D электронной системы в сильном магнитном поле на высоких частотах может дать ряд новых сведений о внутренних свойствах системы, новую информацию о свойствах случайного примесного потенциала, ответственного за КЭХ. Поэтому актуальным является изучение эффектов, связанных с динамическим откликом 2D электронного газа в режиме КЭХ. Одним из таких эффектов являются низкочастотные магнитоплазменные
колебания, связанные с существованием края у 2D системы краевые мггнитоплазменные колебания (КМК), обнаруженные в режиме КЭХ.
Целью данной работы было исследование динамических свойств высокоподвижного двумерного электронного газа в гетеропереходах GaAs-AIGaAs в ВЧ и СВЧ диапазонах частот - исследование циклотронного резонанса в классическом пределе, исследование низкочастотных краевых магнитоплазменных колебаний в режиме квантового эффекта Холла и их взаимодействия с электронной структурой двумерного элек-.'ронного газа.
Научная новизна. Впервые получены следующие основные результаты, которые вычосятся на защиту:
-
Впервые проведены измерения циклотронного резонанса в 2D электронном газе в высокоподвижных гетероструктурах в слабых (менее 0.1Т) магнитных полях.
-
Определена величина циклотронной массы носителей в 2D электронном канале гетероструктуры GaAs-AIGaAs в слабых магнитных голях.
-
Методом циклотронного резонанса определена подвижность носителей в гетероструктурах различного качества. Показано, что полученные таким образом значения близки к определенным из измерений на постоянном токе.
-
Проведен подробный анализ электродинамики двумерного канала в СВЧ резонаторе. На основании измерений и расчетов предложен метод определения
основных транспортных параметров двумерного высокоподвижного электронного газа (массы носителей, их концентрации и подвижности) по измерениям циклотронного резонанса на СВЧ частотах.
-
Впервые проведены измерения спектра краевых магнетоплазмонов в условиях экранирования с помощью металлического электрода кулоновского взаимодействия. Экспернментально исследованы зависимости частоты и затухания плазмона от расстояния между 2D электронным газом и экранирующим электродом. Измерены магнитополевые зависимости частоты и затухания краевого магнетсплазмона в условиях сильного экранирования в режиме квантового эффекта Холла.
-
Определена ширина области, в которой сосредоточен заряд магнетоплазмона в режиме сильного экранирования.
-
Проведены прецизионные измерения спектра краевых магнетоплазмонов при различных целочисленных факторах заполнения в высокоподвижных гетерос-труктурах как с экранирующим электродом, так и без экранирования. Показано, что при факторах заполнения больших 2, наблюдаются отклонения от линейной зависимости частоты плазмона от фактора заполнения
-
Предложена модель, объясняющая наблюдаемые отклонения взаимодействием краевых каналов, образующихся при пересечении уровней Ландау с уровнем Ферми. В рамках предложенной модели определены ширины краевых каналов и расстояние между ними.
Практическая ценность работы. Проведенные в работе исследования дают новую информацию о физических процессах, протекающих в 2D слоях. Результаты исследований высокочастотных свойств гетероструктур GaAs-AIGaAs могут быть использованы в научно-исследовательских учреждениях, занимающихся практическим применением полупроводниковых устройств в современной быстродействующей электронике.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на семинарах Института физики твердого тела РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы, список которых приведен в конце реферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех
глав, заключения, списка цитированной литературы (?_&_ наименований) и
содержит страницу машинописного текста, включая рисунка.