Введение к работе
Актуальность темы исследования
Устойчивый и все возрастающий интерес к двумерным электронным системам наряду с потребностями электронной техники связан с поиском фундаментальных закономерностей, существенных для физики конденсированного состояния. Примером такого рода закономерностей является квантование холловской проводимости в сильном магнитном поле (квантовый эффект Холла). Существенно новыми особенностями в неупорядоченных двумерных системах обладают локализованные электронные состояния, формирование которых при внешних воздействиях порождает разнообразные переходы металл-диэлектрик. Взаимодействие между электронами также играет особую и весьма значительную роль в двумерных системах и приводит к качественно новым закономерностям в различных явлениях.
В настоящее время полупроводниковая техника затрагивает практически все области жизни. Современная трехмерная технология полупроводников достигла очень высокого развития и уже сейчас понятны пределы (вследствие фундаментальных причин) ее развития. Естественным развитием современной микроэлектроники является переход на новую элементную базу на основе низкоразмерных систем. В настоящее время физика низкоразмерных систем переживает фазу подобную, той, которая была в физике полупроводников в 50-х годах, когда были поняты
основные физические принципы создания полупроводниковых приборов, но шел активный поиск наиболее технологичных и дешевых материалов для промышленной технологии. В настоящее время наиболее развита технология на основе кремния. Вследствие этого огромный интерес представляет изучение гетероструктур на основе германия и кремния. В настоящее время несколько групп изучают гетросистемы на основе Si/Sii-xGex с проводимостью по твердому раствору Sii_xGex. Гетеросистемы на основе германия получены в Нижнем Новгороде (предмет настоящего исследования) и в Милане (выращены позже методом низкоэнергетического плазменного осаждения, и на этих системах не было проведено систематических исследований электронного газа).
Наиболее полно исследованные объекты в физике двумерных систем создаются на основе полупроводниковых соединений А3В5 или оксидных пленок SiC>2 с электронной проводимостью. Малые эффективные массы электронов позволяют получать образцы с
о а
высокой (до 10 см /Вс) подвижностью. В тоже время двумерные системы с дырочной проводимостью на основе германия и кремния, также представляющие интерес с научной и прикладной точек зрения, существенно меньше исследовались. Гетероструктуры на основе германия имеют точку вырождения в электронном спектре (в отличие от систем с электронной проводимостью). Кинетические свойства таких систем обладают принципиально важными отличительными чертами, значительная часть которых оставалась
невыясненной. Именно это обусловило выбор объектов исследований в данной работе.
В настоящей работе решена фундаментальная проблема:
определение закономерностей квантового эффекта Холла и квантовых интерференционных эффектов в проводимости систем со сложным законом дисперсии в пространственно - квантованной вырожденной валентной зоне с симметрией Г8.
Работа выполнялась в лаборатории полупроводников и полуметаллов Института физики металлов Уральского отделения РАН по темам: «электрон» и «примесь».
Проектов РФФИ № 99-02-16256-а, 01-02-17685-а, 01-03-32620-а, 01-02-06131-мас, 02-02-06864-мас и № 68 6-го конкурса-экспертизы РАН, молодежный грант INTAS YS 2001-1/156.
Измерения проводились в центре коллективного пользования «Испытательный центр нанотехнологий и перспективных материалов».
Цели и задачи диссертационной работы
Целью работы являлось экспериментальное исследование квантовых эффектов в проводимости двумерного газа, имеющем точку вырождения в электронном спектре, в гетероструктурах р-Ge/GeSi, проявляющихся в магнитном поле при низких температурах.
Достижение этой цели предполагает решение следующих задач:
исследовать энергетический спектр валентной зоны германия
в условиях пространственного квантования, одноосного напряжения и квантующего магнитного поля;
исследовать характер движения носителей заряда по локализованным и делокализованным состояниям, определяющий картину квантового эффекта Холла;
изучить квантовые интерференционные эффекты в проводимости носителей заряда в слабом магнитном поле.
Научная новизна
-
Учет одноосного напряжения в расчете зависимости энергии от квазиимпульса для двумерных систем позволил объяснить экспериментальные значения масс, которые существенно отличаются от известных масс, как легких, так и тяжелых дырок в объемном Ge.
-
Показано, что аномалии в картине квантового эффекта Холла (нерегулярность целочисленных плато, зависимость от направления магнитного поля) связаны с изученными в работе особенностями дырочного спектра в магнитном поле.
-
Обнаружено, что амплитуда пиков магнитосопротивления с уменьшением температуры падает по степенному закону, стремясь к постоянному значению, соответствующему
минимальной металлической проводимости, в соответствие с зависимостями гипотезы скейлинга.
-
Ширина полосы делокализованных состояний, определяющая ширину перехода плато-плато квантового эффекта Холла, линейно уменьшается с понижением температуры и остается конечной при нулевой температуре. Такое поведение связано с эффектами квантового туннелирования в окрестности седловых точек плавного примесного потенциала.
-
Показано, что параболическое отрицательное магнитосопротивление обусловлено электрон-электронным взаимодействием в условиях циклотронного движения носителей заряда. Предложен способ определения классической примесной проводимости по положению температурно-независимой точки магнитосопротивления.
-
Проведено разделение квантовых интерференционных вкладов в проводимость от эффекта слабой локализации и от электрон-электронного взаимодействия в двумерной системе с сильным эффектом Зеемана.
-
Показано, что немонотонная температурная зависимость сопротивления, обнаруженная в двумерной дырочной системе с проводимостью вблизи перехода металл-диэлектрик, качественно соответствует предсказаниям современной теории ренормгруппы.
Научная и практическая ценность
Полупроводниковые низкоразмерные системы являются 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 научно-исследовательскими предприятиями, занимающимися разработкой микро- и оптоэлектронных приборов.
При исследовании различных эффектов (осцилляции Шубникова -де Гааза, квантовый эффект Холла, квантовые интерференционные эффекты) получены параметры энергетического спектра которые являются согласованными друг с другом и расчетами энергетического спектра носителей заряда. Учет особенностей проявления сложного энергетического спектра в кинетических эффектах позволил выявить новые закономерности динамики движения электронов, которые были невозможны при изучении других структур.
Положения, выносимые на защиту
1. Объяснение экспериментальных значений эффективных масс дырок и других параметров носителей заряда на основе теории, развитой для напряженных двумерных систем.
-
Установлено существование нерегулярности плато квантового эффекта Холла связаной с эволюцией уровней Ландау, изученной в работе.
-
Анализ активационной проводимости для произвольного соотношения энергии активации и температуры позволил определить параметры энергетического спектра и плотности состояний в щели подвижности.
-
Установлена связь между продольной и холловской компонентами тензора проводимости, которая носит характер, предсказанный теорией двухпараметрического скейлинга. Показано, что при температурах Т< 2К амплитуда пиков магнитопроводимости спадает с уменьшением температуры по степенному закону и стремится к постоянному значению в согласии с уравнениями гипотезы скейлинга.
-
Линейная температурная зависимость ширины перехода плато-плато для гетероструктур /?-Ge/Gei-xSix, соответствует конечной ширине полосы делокализованных состояний при Т = 0 и может быть объяснена эффектами квантового туннелирования в условиях плавного примесного потенциала.
-
Обнаружено квадратичное по магнитному полю отрицательное магнитосопротивление, которое связано с вкладом электрон-электронного взаимодействием в условиях
циклотронного движения носителей заряда. Предложен способ определения классической примесной проводимости по положению температурно-независимой точки магнитосопротивления.
-
Метод разделения квантовых интерференционных вкладов в проводимость от эффекта слабой локализации и от модифицированного беспорядком электрон-электронного взаимодействия в двумерной системе с сильным эффектом Зеемана.
-
Исследована немонотонная температурная зависимость сопротивления, которая согласуется с предсказаниями современной теории ренормгруппы. Обнаруженное положительное магнитосопротивление связано с эффективным подавлением триплетного канала ферми-жидкостного взаимодействия вследствие сильного эффекта Зеемана.
Достоверность полученных результатов
Достоверность представленных результатов обеспечивается
применением широко апробированных методов измерения
гальваномагнитных явлений на аттестованных установках,
воспроизводимостью результатов измерений как в стационарных,
так и импульсных магнитных полях и обсуждением результатов
исследования на основе общепринятых представлений физики
двумерных систем.
Личный вклад соискателя
Диссертация является обобщением многолетних исследований автора начиная с 1992 года, выполненных непосредственно им и заключающихся в выборе темы исследования, постановке целей и задач диссертационной работы, проведении гальваномагнитных измерений на гетероструктурах р-Ge/GeSi.
Проведены численные расчеты плотности состояний и эффективных масс дырок в напряженных пленках германия. При исследовании квантового эффекта Холла автор использовал идеи и выводы современной теории скейлинга для тензора проводимости.
При изучении квантовых интерференционных поправок разработаны методы анализа этих явлений в условиях сильного эффекта Зеемана. Результаты исследований неоднократно докладывались лично диссертантом на всероссийских и международных конференциях.
Гетероструктуры p-Ge/GeSi были выращены
О.А. Кузнецовым и подготовлены образцы для измерений Р. А. Рубцовой в Научно-исследовательском физико-техническом институте Нижегородского госуниверситета.
Измерения всех образцов в стационарных магнитных полях до 12Т и температурах 0.1-20К были проведены соискателем в разные годы совместно с Н.А. Городиловым, Г.Л. Штрапениным,
Ю.Г. Араповым, И.В. Карскановым, СВ. Гудиной и М.В. Якуниным.
Часть измерений в импульсных магнитных полях до 42Т и температурах 1.6-4.2К (образцы 13-15) и стационарных магнитных полях до 7Т и температурах 0.4-4.2К (образец 16) были проведены автором совместно с А. де-Висер и Л. Пономаренко в Институте Ван дер-Ваальса Университета Амстердама, Нидерланды.
Обсуждение результатов проводилось совместно с Н.Г. Шелушининой, Г.И. Харусом, Ю.Г. Араповым, М.В. Якуниным, Н.Г. Городиловым, СВ. Гудиной, И.В. Карскановым, Л.К.Орловым и А.Л.Черновым.
Апробация работы
Основные результаты, изложенные в диссертации,
докладывались на 11-й Межд. Конф. по применению сильных
магнитных полей в физике полупроводников (Кембридж, США,
август 1994); 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 12 Международных Симпозиумах
"Наноструктуры: физика и технология" (С.-Петербург 1995, 1996,
1997, 1998, 1999, 2000, 2001, 2004; 15 - Новосибирск 2007); 5-й
Межд. Конф. "Электронная локализация и квантовые явления
переноса в твердых телах", (Яжовец, Польша, 1996); 23-й Межд.
Симп. по многокомпонентным полупроводникам, (С.-Петербург
1996); 2, 3, 4, 5, 6, 7 Российских конференциях по физике
полупроводников, (Санкт-Петербург - Зелленогорск, 1996; Москва,
1997; Новосибирск, 1999; Нижний Новгород, 2001; Санкт-
Петербург, 2003; Звенигород, 2005; ); Совещания по низким температурам (30 - Дубна, 1994; 32 - Казань, 2000; 33 -Екатеринбург 2003; 34 - Лоо, 2006; ); Международной конференции "Физика на пороге 21-века", (Санкт-Петербург, 1998); Всероссийское совещание "Наноструктуры на основе кремния и германия", (Нижний Новгород, 1998); Всероссийские совещания «Нанофотоника» (Нижний Новгород, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004); Международные зимние школы-симпозиумы физиков-теоретиков (27 - Верхнейвинск 1996, 28 - Кыштым 1998); Уральские международные зимние школы по физике полупроводников (12, 13, 14 - Среднеуральск 1997, 1999, 2002; 15, 16 - Кыштым 2004, 2006; 17, 18 - Новоуральск 2008, 2010); 16 Международная конференция сильные магнитные поля в физике полупроводников (Талахасе, США, 2004); 25 Международная конференция по дефектам в полупроводниках (Санкт-Петербург, Россия, 2009)
В 2003 году по циклу работ, вошедших в данную работу, соискателю была присуждена государственная премия в области науки и техники для молодых ученых.
Публикации
Результаты диссертации изложены в 21 публикации в журналах, включенных ВАК в перечень ведущих рецензируемых журналов. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем работы составляет 197 страницы, включая 79 иллюстраций, 2 таблицы и список цитируемой литературы из 148 наименований.
