Введение к работе
Актуальность темы. Требования к современной микроэлектронике, обусловленные развитием информационных технологий, диктуют необходимость повышения быстродействия элементной базы. Одним из способов повышения рабочих частот полупроводниковых приборов является применение систем с пониженной размерностью, таких как двумерные электронные системы (2МЭС), которые образуются на границе раздела двух полупроводниковых материалов. В этом смысле, одними из наиболее перспективных объектов, благодаря высокому качеству гетерограшщы, являются гетерострутоуры GaAs/AlGaAs.
Использование низкоразмерных систем в электронике требует глубокого понимания их фундаментальных физических свойств, тем более, что они сильно отличаются от свойств трехмерных объектов. Наиболее ярким проявлением этих отличий является квантовый эффект Холла.
В 1980 году, изучая транспортные свойства в кремниевой МДП-структуре в высоких магнитных полях при низких температурах, К. фон Клитцинг обнаружил плато на зависимости холловского сопротивления /. эт напряжения на затворе структуры, или, иными словами, концентрации электронов [1]. Оказалось, что значения / на плато с высокой точностью :овпадают с целочисленными значениями h'e". где h - постоянная Планка, е заряд электрона. Открытие этого явления, целочисленного квантового эффекта Холла (ЦКЭХ), привело к тому, что исследование систем с пониженной размерностью в последнее время стало одним из наиболее іктивно развивающихся направлений физики полупроводников.
Фундаментальной характеристикой полупроводниковых объектов шляется осуществляемый в них механизм проводимости. В двумерной >лектронной системе, находящейся в плоскости, перпендикулярной вектору іапряженности сильного магнитного поля, энергетический спектр шектронов представляет собой систему дискретных уровней Ландау. Трисутствие примесей в системе уширяет каждый из уровней. Іодавляющая часть электронов заполняет те состояния на уширенных люстах уровней Ландау, которые соответствуют положению электронов в юкальных "впадинах" или "на вершинах" потенциала примеси. Такие
состояния называют локализованньши. Лишь бесконечно узкая по энергии полоса состояний в центре каждого уровня Ландау отвечает делокализовашюму состоянию.
Особенности локализации в двумерных электрош&гх системах (2МЭС) можно эффективно изучать, исследуя их высокочастотную (ВЧ) проводимость в режиме квантового эффекта Холла. Одним из оправдавших себя методов исследования ВЧ-проводимостк является акустический метод, который позволяет измерять ВЧ-проводимость полупроводников без каких-либо электрических контактов на образце.
Акустические методы успешно использовались при исследовании ВЧ проводимости трехмерного электронного газа в легированных компенсированных полупроводниках при низких температурах [2,3]. Было показано, что если электроны находятся в свободном (делокализованном) состоянии, то коэффициент поглощения ультразвука электронами в полупроводнике, являющемся пьезоэлектриком, в магнитном поле Н полностью определяется его проводимостью с/с(Н), измеренной на постоянном токе. Если же происходит локализация электронов на отдельных примесных центрах или в случайном флуктуационном потенциале примесей, то проводимости в постоянном электрическом поле и в ВЧ поле различаются
В связи с вышесказанным, было полезно распространить акустические методы исследования ВЧ-проводимости на структуры с 2МЗС. В отличке от измерений высокочастотной проводимости 2МЗС s экспериментах с использованием полосковой линии или в СВЧ резонаторе, акустический метод позволяет определять как реальную, так и мнимую компоненты проводимости, что особенно важно в области локализации носителей заряда в режиме ЦКЭХ.
При изучении структур с 2МЭС открывается уникальная возможность в одном цикле измерений и на одном и том же образце изучать механизмы нелинейности в делокализованных и локализованных состояниях электронов, так как в режиме квантового эффекта Холла оба этих состояния осуществляются при изменении магнитного поля.
Перспективным является использование бесконтактного акустического метода для определения параметров двумерного электронного газа и качества гетерострукгур.
Таким образом, использование акустических методов для изучения свойств 2МЭС в реизімє ЦК ЭХ весьма актуально.
Цель данной работы:
1) Определение высокочастотной проводимости из измерений
коэффициента поглощения и относительного изменения скорости
поверхностных акустических волн в пьезодиэлектрике, контактирующем
при малом (относительно длины волны ПАВ) зазоре с гетероструктурами
GaAs/AlGaAs с двумерными электронами в зависимости от частоты волны,
величины вакуумного зазора, магнитного поля и температуры.
Исследование низкотемпературных механизмов ВЧ-проводимости в
области делокализацин электронов и в режиме ЦКЭХ.
2) Изучение механизмов нелинейных эффектов, возникающих при
взаимодействии 2МЭС с высокочастотным электрическим полем
поверхностной акустической волны.
3) Определение параметров двумерного электронного газа
бесконтактным акустическим методом.
Научная повита работы состоит в том, что впервые:
-
Измерения коэффициента поглощения н относительного изменения скорости ПАВ при ее взаимодействии с двумерными электронами использовались для определения ВЧ-проводимости 2МЭС в магнитном поле.
-
Обнаружено, что з гетероструктурах с 2МЗС в области магнитных полей, соответствующих режиму ЦКЭХ, проводимости aJ\H) и aJ\H), полученные из измерений на постоянном токе и из акустических измерений не совпадают. Этот факт связан с локализацией двумерных носителей заряда в режиме ЦКЭХ.
-
Из акустических бесконтактных измерений, в области делокализации электронов, где aJ\H)=aJ\H), определены параметры двумерного электронного газа (подвижность, квантовое и транспортное времена релаксации) и механизм рассеяния электронов.
-
При изучении разогрева двумерного электронного газа электрическим
полем ПАВ показано, что степень разогрева зависит от частоты ПАВ. Акустическим методом определен механизм релаксации энергии двумерных электронов.
-
Показано, что для описания коэффициента поглощения Г и относительного изменения скорости AV/V при взаимодействии ПАВ с двумерными электронами в области малых четных чисел заполнения, где электроны локализованы, необходимо рассматривать как реальную <ть так и мнимую 02 компоненты ВЧ-проводимости 2МЭС.
-
Обнаружено, что в режиме ЦКЭХ, при малых четных числах заполнения и при минимальных температурах, имеет место ВЧ прыжковая проводимость, когда аг1сг\>1, при этом а\ не зависит от температуры.
7) Показано, что в 5-легированных кремнием гетероструктурах
GaAs/AIGaAs в магнитных полях вблизи центров холловских плато
прыжковая проводимость по 5-слою кремния может шунтировать
высокочастотную прыжковую проводимость в дез'мерда.ч канале.
-
Проведен анализ нелинейной по ВЧ электрическому полю ПАВ проводимости <т\ в режиме активации носителей при малых числах заполнения в рамках теории нелинейной перколяционной проводимости Шкловского [4].
-
Обнаружены и проанализированы особенности в поглощении и относительном изменении скорости ПАВ при спиновом расщеплении уровней Ландау. Акустическим (бесконтактным) методом определен эффективный g-фактор двумерных электронов в гетероструктурах GaAs/AIGaAs.
На защиту выносятся следующие положения:
-
В гетероструктурах GaAs/AIGaAs с 2МЭС при низких температурах в области магнитных полей, соответствующих режиму ЦКЭХ, проводимости &аС(Н) и oJ*(H), полученные из измерений на постоянном токе и из высокочастотных акустических измерений, не совпадают, что объясняется локализацией двумерных электронов.
-
В области относительно малых магнитных полей, соответствующих большим числам заполнения, электроны делокализованы, и aJ\H)=aJf{H).
3) В области магнитных полей, соответствующих малым четным числам
заполнения, высокочастотная проводимость имеет прыжковый характер. В
8-легированных гетероструктурах GaAs/AlGaAs в магнитных полях вблизи
центров холловских плато прыжковая проводимость по б-слою Si может
шунтировать высокочастотную прыжковую проводимость в двумерном
канале.
4) Нелинейные эффекты при взаимодействии ПАВ с
делокализовапными двумерными электронами связаны с разогревом
двумерного электронного газа высокочастотным электрическим полем
ПАВ, который можно описать с помощью электронной температуры Те.
При этом баланс энергии электронного газа определяется рассеянием
энергии электронов на пьезозлектрігческом потенциале акустических
фононов, а рассеяние электронов происходит на заряженных примесных
центрах.
5) Нелинейная по электрическому полю ПАВ актпващюнная
проводимость (Т\{Е) хорошо описывается теорией нелинейной
перколяшюнной проводимости Шклопского.
Научно-практическая ценность работы заключается в следующем:
1) Предложена методика определения реальной сг\, и мнимой а2
компонент ВЧ-проводимости 2МЗС из коэффициента поглощения и
относительного изменения скорости ПАВ.
2) Разработан метод разделения прыжковой проводимости в двумерном
канале и по 8-слоями кремния.
3) Предложен метод определения длины локализации электронов в
режиме ЦКЭХ, там,где проводимость на постоянном токе cr„d\H)->0.
-
Выработана методика определения зазора между гетероструктурой и пьезоэлектрической подложкой.
-
Создана методика бесконтактного определили параметров 2МЭС. Это весьма актуально, т.к. определение электрических параметров двумерных электронов в гетероструктурах стандартным методом на постоянном токе связано с использованием достаточно сложной технологии: образец должен быть изготовлен в виде холловского мостика, при этом контакты должны быть низкоомными.
Апробация работы:
Основные результаты работы докладывались на международных и российских конференциях - 11th International Conference on Electronic Properties of Low Dimensional Structures (Дубна, 1995); 14th International Conference on Utilization of Ultrasonic methods in Condensed Matter (Zilina, Slovakia, 1995); International Symposiums on Acoustoelectronics, Frequency Control, Signal Generation (Москва, 1996 и С.-Петербург-Кижи, 1998); 23rd International Symposium on Compound Semiconductors (С.-Петербург, 1997); 7th and 8th International Conference on Hopping and Related Phenomena, (Rackeve, Hungary. 1997; Murcia, Spain, 1999); International Symposiums "Nanostructurcs 95, 97, 98, 99: Physics and Technology, (С.-Петербург 1995, 1997, 1998 and 1999); II, III, IV Всероссийских конференциях по физике полупроводншеов, (Зеленогорск. 1995, Москва, 1997, Новосибирск, 1999); 16th. 17th and 18th General Conferences of the Condensed Matter Division of European Physical Society (Leuven, Belgium. 1997, Grenoble, France, 1998, Montreux, Switzerland, 2000); 31 Совещание по физике низких температур, (Москва, 1998); 2 It и 22d International Conference on Low Temperature Physics (Prague, 1996; Helsinki, 1999); 24th International Conference on the Physics of Semiconductors (Jerusalem, Israel, 1998).
Публикации. Основные результаты исследования изложены в 11 статьях, опубликованных в российских и иностранных физических журналах. Список основных работ по теме диссертации прішеден в конце реферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержит 136 страниц текста, включая 36 рисунков и 2 таблицы. Библиография содержит 83 наименования.
