Введение к работе
Актуальность теш.Исследования двумерных (2D )электронных систем
продолжаются ухе около 20 лет/1/. В последнее время интерес к ним резко возрос. Изучение различных структур с 2D газом(единичный гетеропереход, квантовая яма,сверхрешетка и т.п.) сейчас является наиболее быстроразгивающейся областью физики полупроводников. Это объясняется открытием в них новых физических явлений,имеющих фундаментальное значение,а также возможностью применения таких структур в микро-и оптоэлектронике/2/ . Главное отличие 2D системы,реализуемой в гетеропереходе, от других твердотельных 2 dсисгем(кремниевые инверсионные слои,бикристаллы германия) состоит в очень высоких значениях электронной подвижности. Наибольшие достижения в настоящее время связаны с системой GaAs - AlGaAs 3 результате гетеропереходы GaAa -AiGaAs являются одним из основных объектов,используемых при проведении фундаментальных и прикладных исследований 2 D систем.
К числу важнейших физических явлений,недавно обнаруженных в вырожденных 2D системах, относится квантовый эффект Холла(КЭХ); открыт в 1980г. Нобелевская премия в 185г. Подробное исследование КЗХ чрезвычайно актуально как с Фундаментальной,так и прикладной(метрология) точек зрения и является важной задачей современной физики/3,4/.
Хотя многие закономерности поведения 2 о системы в условиях КЭХ выяснены,еще остаются неизученными некоторые важные вопросы. Это относится к проблеме динамического отклика 2 D системы в условиях КЭХ. Изучение высокочастотных свойств 2 D электронного газа в квантующих магнитных полях монет дать новую i-нформацию об эффекте,например,установить граничную частоту его существования,определить частотную дисперсию квантованной холловской проводимости б^„ Можно ожидать,что такие исследования позволят получить сведения о свойствах случайного примесного потенциала,ответственного за КЭХ. Это очень важно для создания теории эффекта применительно к объектам,исследуемым в экспе-
рименте. В связи со сказанным актуальным является поиск и изучение явлений,характеризующих динамическое поведение 2D системы в сильном магнитном поле Н. Наиболее пригодными для этого представляются два эффекта - эффект Фарадея и магнитоплазменные колебания 2 D электронного газа.
Эффект Фарадея позволяет изучать динамическую б! бесконтактнш»: способом. Это особенно важно при измерениях на высоких частотах,где следует ожидать дисперсии о" и где другие методы исследования не-применимы.
Изучение магнитоплазменных колебаний также может принести важные результаты. Здесь может стать полезным выяснение роли границы 2D слоя. Дело в том,что наличие в спектре обычных 2D магнитоплазмонов щели,равной циклотронной частоте (ос ,не позволяет использовать маг-нитоплазмешшй резонанс для изучения КЭХ.' Существование границы может привести к появлению новых мод - краевых магнитоплазмонов(КМП),аналогично тому, как назшчие границы в трехмерной(3 0 )плазме приводит к пояз ленив поверхностных магнитоплазмонов. При условии существования Ш на частотах.при которых КЭХ не разрушается,возникает возможность использовать их для изучения 2d системы в условиях КЭХ. Кроме того,изучение таких новых мод представляет и самостоятельный интерес. Поглощение энергии определяется вещественной частью диагональной компоненты б s6 тензора проводимости, В сильных Н б^ мала, что может способствовать существованию низкочастотных слабозатухающих краевых колебаний в замагниченной 2 Юплазме. Одним из известных колебательных эффектов,в которых частота много меньше обратного времени упругой релаксации,являются геликоны. Такая же ситуация может реализоваться и для КШІ.
При проведении фундаментальных исследований в 2 в электронной системе в гетеропереходах GaAs - AlGaAs и,особенно,при использовании их в прикладных целях возникает ряд проблем,связанных с отсутствием необходимой информации об активной области вблизи гетерограницы(на тол-
щинах ~I0 см). Проведение фундаментальных исследований требует знания формы 2D потенциальной ямы к положения уровней размерного квантования. Создание приборов связано с оптимизацией большого числа параметров, важнейшими из которых являются высота и форма потенциального барьера на гетерогранице. Очень важным является определение разрыва зоны проводимости дВс(валентной зоны дЕу)на границе раздела. Несмотря на длительные исследования, ясности относительно истинного значения дК не имеется. Объясняется это тем,что методы определения дЕ„ не являются прямыми и дЕ0 чувствительна к моделям,по которым обраба -тывается эксперимент. Таким образом,актуальны поиск и исследование эффектов,позволяющих определять важнейшие параметры гетерограницы в гетеропереходах с 2D электронным газом. Представляется,что для этого может быть использован процесс пространственного перехода фотовозбужденных электронов из 2D канала в AiGaAs . Можно полагать,что спектральная зависимость возникающей при этом отрицательной фотопроводи-мости(ОФП) будет отражать особенности энергетической диаграммы границы раздела.
Настоящая работа началась одновременно с работами по получению первых в стране гетеропереходов с 2D электронным газом. Поэтому было необходимо разработать метод диагностики 2D системы,более удобный по сравнению с обычно используемым для этой цели эффектом Шубникова-де Гааза,требующим низких температур Т и сильных Н. Первоначально исследуемые образцы содержали помимо 2D системы также и 3D систему. Поэтому было необходимо решить задачу разделения вкладов в проводимость образца от каждой подсистемы. Проведение исследований в сильных Н потребовало изучения эффекта Шубникова - де Гааза.
Иель работы состояла в экспериментальном исследовании высокочастотных и оптических явлений в 2D электронном газе в гетеропереходах GaAa - AiGaAs и в определении основных энергетических параметров границы раздела в этих гетеропереходах. Основные задачи состояли в
исследовании гальваномагнитных свойств электронной системы, состоящей из подсистем разной размерности;
исследовании эффекта Шубникова - де Гааза;
обнаружении и исследовании отрицательной фотопроводимости 2 D электронного газа,вызванной пространственным переходом фотовозбужденных электронов из 2D канала в AiGaAs ;
обнаружении и исследовании в условиях КЭХ краевых магнитоплаз-менных колебаний 2 Dэлектронного газа;
исследовании динамической холловской проводимости 2 D электронного газа с помощью эффекта Фарадея на частотах,при которых существенна" дисперсия б ,
Научная новизна работы состоит в следующем.
І.Впервне исследованы гальваномагнитные свойства систем--,состоящей из подсистем разной размерности. Обнаружена характег.аач .угловаз анизотропия магнитосопротивления.проявлявдаяся уже в слабых К и существующая вплоть до комнатных температур.
2.Обнаружено сильное' различие (до 10 раз)времен релаксации,определенных из монотонной и осциллирующей частей магнитопроводимости. Отношение времен растет с ростом подвижности и не зависит от Т во всем диапазоне существования осцилляции.
3.Обнаружена ОФП,вызванная переходом фотовозбужденных электронов из 2D канала в слой AiGaAs . Исследование эффекта позволило найти высоту потенциального барьера,величину размытия границы раздела,форму 2D потенциальной ямы,величину разрыва зоны проводимости на гетеро-границе. Развита феноменологическая теория ОФП.
4.Дрвдлоквн и реализован метод исследования КШ,основанный на измерении отклика образца на внешнее переменное электрическое поле в зависимости от Н.
5.В условиях КЭХ обнаружены собственные методы краевых магнитоплаз-ыенных колебаний - КМП,частота которых много меньше циклотронной час-
тоты и обратного времени упругой релаксации.
6.Предложен и реализован метод количественного анализа результатов эксперимента,основанный на описании отклика 2D системы на внешнее воздействие с помощью обобщеняой восприимчивости. Получено феноменологическое выражение для обобщенной восприимчивости.
7.Впервые определены частоты и затухания основной и высших мод НМЛ и их зависиности от Н в условиях КЭХ. Исследован закон дисперсии. Изучено распределение поля КМП.
8.Предложен и реализован метод исследования динамической 6^_, основанный на эффекте Фарадея. Метод позволил изучить раздельно поведение действительной и мнимой частей б до частот 70ГГц.
9.Обнаружено квантование СВЧ эффекта Фарадея,которое выражается в существовании плоских участков(плато) на полевой зависимости сигнала, пропорционального сумме квадратов угла фарадеевского вращения и эллиптичности. Положение плато и величина сигнала на плато определяются целочисленным значением фактора заполнения уровня ЛандауУ.
10.Обнаружена и исследована частотная зависимость КЭХ. Найдена граничная частота существования эффекта. Исследована ее зависимость от номера плато,величины Н.подвижности электронов.
II.Обнаружено изменение полевой зависимости сигнала в эффекте фарадея при возбуждении КМП. Исследование эффекта позволило найти значения компонент тензора проводимости 2 D электронного газа на час-тотах,дри которых КЭХ разрушается.
Основные положения,выносимые на защиту.
І.Для гетеропереходов GaAa - AlGaAa с двупя грушами электронов разной размерности - двумерной на гетерогранице и трехмерной в объеме GaAa я AlGaAa .полевые зависимости компоненты тензора сопротивления позволяют выделить вклад от каздой группы в полную проводимость структуры.
2.Угловая анизотропия шгнитосопротивления гетероперехода с элек-
тронными подсистемами разной размерности позволяет диагностировать 2Бподсистмеу в слабом магнитном поле и высокой температуре.
3.Времена релаксации,определенные из монотонной и осциллирующей частей магнитопроводимости 2 Dэлектронного газа,в гетеропереходах GaAs - aiq&As сильно различаются. Существующие теории,в которых рассматривается рассеяние на S-образном потенциале,не объясняют наблюдающегося расхождения.
4.0Ш вызывается пространственным переходом фотовозбужденных электронов из 2D потенциальной ямы в слой AiGaAs . Красная граница эффекта примерно соответсвует энергетическому расстоянию от 2 D подзоны до вершины гетеробарьера.а вид спектральной зависимости эффекта вблизи границы зависит от степени размытия границы раздела. Исследование ОФП позволяет найти основные энергетические параметры границы раздела в гетеропереходах GaAs - AiGaAa с 2d электронным газом.
5.В ограниченной 2D электронной системе в условиях КЭХ существуют собственные моды краевых магнитоплазменных колебаний,частоты которых меньше циклотронной частоты и меньше обратного времени упругой релаксации.
6.Метод,основанный на измерении отклика образца с 2D электронным газом на внешнее переменное электрическое поле в зависимости от Н и анализе полученных зависимостей при помощи феноменологического выражения для обобщенной восприимчивости позволяет получить количественную информацию о спектре КМП и его зависимостей от Н.
7.Зависимость частоты КМП от Н в условиях КЭХ в целом аналогична зависимости СҐ__(Н),измеренной на постоянном токе,кроме участков, соответствующих холловским плато,где поведение зависимости становится немонотонным. Частота КМП практически не зависит от подвижности /л . Характер зависимости затухания КМП от Н в условиях КЭХ определяется подвижностью: при малой /л зависимость имеет участки с почти
постоянным затуханием, с увеличением /* зависимость становится осциллирующей с резким уменьшением затухания в области плато.
8.Зависимость частоты от периметра образца(закон дисперсии КШ) сублинейна. Характерный размер области локализации поля ІШП вблизи границы 2 D слоя практически не зависит от Н и не является пренебрежимо малым по сравнению с размерами 2 Dсистемы.
9.Поведение б_ в области плато зависит от частоты. С увеличением
^У
частоты протяженность плато уменьшается и на некоторой граничной час-, тоте плато исчезает - КЭХ разрушается. При дальнейшем росте частоты бх1Ю стремится к зависимости вида Н . Граничная частота зависит от подвижности электронов, номера плато и величины Н. Динамическая б
в области сильных Н содержит в основном действительную компоненту, отношение мнимой и действительной частей б не превышает 0,2.
І0.СВЧ эффект Фарадея в 2 D электронном газе имеет выраженный квантованный характер: на полевой зависимости сигнала,пропорционального сумме квадратов угла фарадеевского вращения и эллиптичности,существуют плато,положение и величина сигнала на которых определяются целочисленным значением фактора заполнения.
II.Возбуждение краевых магнитоплазменных колебаний в 2D электронном газе вызывает искажение эффекта Фарадея,что выраяается в появлении на полевой зависимости измеряемого сигнала резонансного максимума, положение и величина которого зависят от размера 2 Dслоя,частоты излучения и концентрации электронов. Изучение эффекта позволяет получить информацию о поведении КШ и определить значения компонент тензора проводимости на частотах,при которых КЭХ разрушается.
В этих положениях заключается научная ценность работы.
Практическая ценность состоит в следующем.
I.Разработан метод диагностики гетеропереходов с 2Dэлектронным газом, liro внедрение способствовало получению методом жидкофазной эпи-таксии гетеропереходов GaAa - AiGaAs с высокой подвижностью электронов
2,Метод определения основных параметров границы раздела в гетеропереходах GaAs - AlGaAs на основе пространственного перехода фото-возбужденных электронов из 2d канала в AlGaAs используется в отраслевой организации при изготовлении некоторых микроэлектронных элементов.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались на 9-ой и 10-ой всесоюзных конференциях по физике полупроводников(Баку,1982г,-Минск,
1985г.);10-ой всесоюзной конференции по физическим процессам в полу-
провдниковых гетероструктурах (Минск,1986г.){Первом и Втором семинарах по физике двумерных систем (Новосибирск,1982г.,1986г.);24-ом всесоюзном совещании по физике низких температур (Тбилиси,1386г.); Первой всесоюзной конференции "Физические и физико-химические основы микроэлектроники"(Вильнюс,1987г.);заседании секции "Полупроводниковые гетероструктуры" научного совета "Физика и химия полупроводников" (Херсон, 1984г.) заседании секции "Физика поверхности"научного совета "Физика,химия и механика поверхности"(Махачкала,1987г.);10-ой, 11-ой и 12-ой всесоюзных школах по физике полупроводников (Ленинград, 1983г.,1985г. и 1987г.);на научных семинарах в ФТИ АН СССР.ФИАН СССР, ИФТТ АБ СССР.ИФП СО АН СССР.ИРЭ АН СССР,отраслевых организациях; в ряде университетов за рубежом. Публикации.
По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ.
Структура и объем диссертации.
