Введение к работе
Актуальность темы. В современной физике полупроводников гетероструктуры с модулированным легированием на основе соединений А В являются объектом всесторонних научных исследований и базой для разработки новых твердотельных электронных приборов. Основными экспериментальными методами изучения таких низкоразмерных структур до сих пор остаются магнетотранспортные, базирующиеся на общеизвестных эффектах Холла и Шубникова - де Гааза [1, 2]. Несмотря на то, что основополагающие открытия в полупроводниковых системах пониженной размерности были сделаны на инверсионных слоях кремниевых полевых транзисторов [3, 4], технологические успехи в изготовлении низкоразмерных электронных систем на ос-нове соединений А В уже многие годы определяют основные тенденции экспериментальных исследований в этой области физики твердого тела.
Лидирующее положение в этих исследованиях занимают системы пониженной размерности на основе гетероструктур GaAs/AlGaAs [5, 6], изготовленных методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Наиболее ярким и значимым фундаментальным явлением, обнаруженным в них, является дробный квантовый эффект Холла [6]. Это открытие было сделано в значительной степени благодаря достижениям в области технологии МЛЭ и использованию идеи селективного легирования [5], позволившими существенно увеличить подвижность двумерных (2D) электронов в гетероструктурах GaAs/AlGaAs по сравнению с её величиной в кремниевых структурах металл-окисел-полупроводник (МОП) [7].
Одной из основных причин, уменьшающих подвижность носителей заряда в полупроводниковых структурах, является рассеяние на случайном потенциале ионизованных центров легирующей примеси. В гетероструктурах GaAs/AlGaAs высокая подвижность \х достигается благодаря пространственному разделению областей легирования и переноса носителей заряда нелегированным спейсером. Такой способ увеличения подвижности ведет к неизбежному уменьшению электронной концентрации пе в проводящем канале, так как для увеличения \i нужно увеличивать толщину спейсера, а для увеличения концентрации пе её нужно уменьшать. Таким образом, в гетероструктурах GaAs/AlGaAs получить одновременно высокие значения ряе невозможно.
Этот недостаток отсутствует в селективно-легированных гетероструктурах GaAs/AlAs, в которых в качестве боковых барьеров к квантовым ямам GaAs используются короткопериодные сверхрешётки AlAs/GaAs [8]. В таких структурах высокая подвижность Г-электронов в квантовой яме GaAs достигается не только пространственным разделением областей легирования и переноса носителей заряда, но ещё и экранировкой рассеивающего потенциала Х-электронами, локализованными в слоях AlAs. Поэтому в квантовых ямах GaAs с боковыми сверхрешёточными барьерами, в отличие от гетероструктур GaAs/AlGaAs, можно получать одновременно высокие значения \i и пе, что расширяет возможности для экспериментального изучения электронного транспорта в низкоразмерных полупроводниковых системах.
Технологические достижения в изготовлении совершенных полупроводниковых структур, а также фундаментальные научные результаты, полученные при их экспериментальном изучении, сформировали к настоящему времени новое направление в физике твердого тела - физику полупроводниковых систем пониженной размерности. Особое место в этом направлении занимают явления переноса носителей заряда в 2D системах с высокой электронной подвижностью, что обусловлено, с одной стороны, прикладным значением полупроводниковых структур с высокой проводимостью 2D электронного газа, а с другой - фундаментальной значимостью обнаруженных транспортных явлений.
Несколько последних десятилетий основные усилия в этой области были сосредоточены на изучении электронных свойств высокоподвижных систем в квантующих магнитных полях, когда под уровнем Ферми находится несколько уровней Ландау, разделенных интервалами запрещенных энергий. Вначале эти исследования были мотивированы открытием целочисленного квантового эффекта Холла, а затем дробного. Около десяти лет назад значительное внимание исследователей привлекла к себе область магнитных полей В, в которой уровни Ландау в высокоподвижных 2D системах перекрываются, а их количество под уровнем Ферми является большим (более 10). В этих условиях фактор заполнения v = nJ(2eBlh)» 1, а расстояние между уровнями Ландау меньше их ширины TL = Й/тч, где xq - квантовое время жизни.
Интерес к исследованию транспорта при больших факторах заполнения возник в связи с открытием гигантских осцилляции магнетосопротивления (МС), индуцированных микроволновым излучением в высокоподвижных гетероструктурах GaAs/AlGaAs [9]. Вслед за их открытием было обнаружено, что сопротивление в минимумах этих осцилляции принимает значение, близкое к нулю [10]. При всей схожести с занулениями сопротивления в квантующих магнитных полях [4, 6], открытое явление возникало в условиях перекрывающихся уровней Ландау, что было весьма необычным и требовало всестороннего изучения магнетотранспортных явлений в низкоразмерных полупроводниковых системах при больших факторах заполнения.
К моменту начала данной работы экспериментальные исследования магне-тотранспорта в высокоподвижных полупроводниковых системах при больших факторах заполнения ограничивались гетероструктурами GaAs/AlGaAs с одной заполненной подзоной размерного квантования с относительно низкой концентрацией элек-тронов we~3xl0 м" . Оставались неизученными неравновесные явления в высокоподвижных модулированных структурах с двумя заполненными подзонами размерного квантования.
Цель работы заключалась в установлении природы магнетотранспортных явлений, возникающих под действием постоянного электрического поля или микроволнового излучения в полупроводниковых системах пониженной размерности при больших факторах заполнения. Конкретная задача состояла в исследовании неравновесных явлений в гетероструктурах GaAs/AlAs с более высокой электронной концентрацией, по сравнению с высокоподвижными гетеропереходами GaAs/AlGaAs, в том числе и в условиях, когда заполнено две подзоны размерного квантования.
Объекты и методы исследования. В качестве объектов исследования использовались одиночные и двойные квантовые ямы GaAs с боковыми сверхрешёточными барьерами AlAs/GaAs. Гетероструктуры изготавливались методом МЛЭ в ИФП СО РАН. Изучение магнетотранспопртных явлений, возникающих в гетероструктурах GaAs/AlAs под действием постоянного электрического поля или микроволнового излучения, базировалось на измерениях сопротивления и проводимости в диапазоне температур от 0.3 до 30 К в магнитных полях до 2 Тл.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Впервые показано, что в двухподзонной электронной системе магнето-
межподзонные осцилляции сопротивления сосуществуют с осцилляциями, индуциро
ванными акустическими фононами. Экспериментально обнаружено увеличение ам
плитуды магнето-межподзонных осцилляции в максимумах магнетофононных, что
свидетельствует об интерференции упругих и неупругих процессов межподзонного
рассеяния. Установлено, что температурное подавление магнето-межподзонных и
магнетофононных осцилляции сопротивления в гетероструктурах GaAs/AlAs обу
словлено уширением уровней Ландау вследствие электрон-электроного рассеяния.
Экспериментально обнаружен новый квантовый нелинейный эффект - подавление сопротивления двумерного электронного газа постоянным электрическим полем. Эффект позволил впервые определить время неупругого электрон-электронного рассеяния т;п в магнитном поле и квантовое время жизни электронов xq в температурном диапазоне, в котором эффект Шубникова - де Гааза полностью подавлен и базирующийся на нём метод определения xq неприменим.
Экспериментально обнаружено низкотемпературное магнетополевое состояние с нулевым дифференциальным сопротивлением, возникающее в двумерной электронной системе под действием постоянного электрического тока выше некоторой критической величины. Переход в состояние с нулевым дифференциальным сопротивлением в гетероструктурах GaAs/AlAs происходит в перпендикулярном магнитном поле при температуре ниже 2 К и сопровождается резким провалом в зависимостях дифференциального сопротивления от величины постоянного электрического тока.
Обнаружены магнетополевые состояния с нулевым сопротивлением и нулевой проводимостью, возникающие в гетероструктурах GaAs/AlAs с концентрацией элек-тронов пе « 8x10 м" и подвижностью ц = (60-200) м /В-с при температурах ниже 4.2 К под действием микроволнового излучения в диапазоне частот от 130 до 150 ГГц. Тем самым установлено, что эти состояния, открытые ранее Р. Мани с соавторами в гетероструктурах GaAs/AlGaAs с электронной концентрацией пе « 3x10 м" и суще-ственно большей подвижностью ц « 1500 м /В-с при температуре 1.3 К, обусловлены не специфическими особенностями высокоподвижных гетероструктур GaAs/AlGaAs с толстым спейсером, а носят универсальный характер.
Научная и практическая значимость работы.
Научная ценность работы состоит в том, что расширен круг полупроводниковых систем пониженной размерности, в которых выявлены гигантские осцилляции магне-тосопротивления и состояния с нулевым сопротивлением, возникающие под действием микроволнового излучения в высокоподвижном 2D электронном газе при большом числе заполненных уровней Ландау. Таким образом доказана общефизическая значимость этих магнетотранспортных явлений.
Полученные в работе экспериментальные данные стимулировали развитие теории переноса носителей заряда в электронных системах пониженной размерности:
— Результаты исследования магнетофононных осцилляции сопротивления в гетерост-
руктурах GaAs/AlAs послужили толчком для построения теории этого явления, осно
ванной на модели взаимодействия двумерных электронов с объемными акустически
ми фононами [О. Е. Raichev, Phys. Rev. В 80, 075318 (2009)];
— Результаты исследования двухподзонного транспорта послужили стимулом для
разработки теории магнето-межподзонных осцилляции сопротивления, учитывающей
электрон-фононное взаимодействие [О. Е. Raichev, Phys. Rev. В 81, 195301 (2010)];
— Обнаружение магнетополевого состояния с нулевым дифференциальным сопротив
лением инициировало развитие теории нелинейных явлений в двумерных системах в
сильных магнитных полях [A. Kunold, М. Torres, Phys. Rev. В 80, 205314 (2009)].
Разработан метод измерения квантового времени жизни тч, основанный на эффекте подавления сопротивления двумерного электронного газа постоянным электрическим полем. Новый метод позволяет измерять квантовое время жизни в высокоподвижных двумерных системах при температурах, когда эффект Шубникова - де Гааза не проявляется и метод измерения тч, базирующийся на анализе квантовых осцилляции магнетосопротивления, неприменим.
Практическая значимость работы состоит в том, что фотоэлектрические явления, обнаруженные в гетероструктурах GaAs/AlAs в поперечном магнитном поле, могут быть использованы для создания приемников микроволнового и терагерцового излучения. Двухподзонные электронные системы на основе таких полупроводниковых структур могут быть использованы для создания принципиально новых датчиков магнитного поля.
Положения, выносимые на защиту.
При больших факторах заполнения в гетероструктурах GaAs/AlAs наблюдаются осцилляции магнетосопротивления, обусловленные резонансным рассеянием двумерных электронов на объемных акустических фононах. Амплитуда этих осцилляции зависит от температуры немонотонно. Рост амплитуды обусловлен температурной зависимостью времени рассеяния электронов на акустических фононах, а падение -температурной зависимостью времени электрон-электронного рассеяния.
Заполнение второй подзоны размерного квантования в одиночных и двойных квантовых ямах GaAs с боковыми сверхрешёточными барьерами AlAs/GaAs приводит к осцилляциям диссипативного сопротивления значительной амплитуды, период которых определяется отношением величины межподзонного расщепления к циклотронной энергии. Амплитуда магнето-межподзонных осцилляции сопротивления определяется уширеним уровней Ландау.
Магнето-межподзонные осцилляции диссипативного сопротивления сосуществуют с осцилляциями, обусловленными рассеянием двумерных электронов на акустических фононах. В максимумах осцилляции, индуцированных акустическими фононами, амплитуда магнето-межподзонных осцилляции увеличивается. Обнаруженное явление обусловлено интерференцией процессов межподзонного рассеяния электронов на примесях и фононах.
В перпендикулярном магнитном поле диссипативное сопротивление двумерного электронного газа уменьшается при увеличении постоянного электрического поля. Величина электрического поля, необходимого для проявления этого нелинейного эффекта, пропорциональна температуре. Обнаруженный эффект обусловлен неоднородной спектральной диффузией электронов, возникающей в неупорядоченной двумерной системе в скрещенных электрическом и магнитном ПОЛЯХ.
При больших факторах заполнения двумерный электронный газ переходит в магнетополевое состояние с нулевым дифференциальным сопротивлением под действием постоянного электрического тока, величиной выше некоторого порогового значения. Величина этого порогового значения пропорциональна магнитному полю. Обнаруженное электронное состояние обусловлено локальной нестабильностью электрического тока в условиях отрицательного дифференциального сопротивления.
Индуцированные микроволновым излучением магнетополевые состояния с нулевым сопротивлением и нулевой проводимостью, наблюдавшиеся ранее только в гетероструктурах GaAs/AlGaAs с высокой подвижностью (ц ~ 1000 м7В-с) и низкой концентрацией электронов (we~3xl0 м" ), в GaAs квантовых ямах с боковыми сверхрешёточными барьерами AlAs/GaAs проявляются при существенно меньшей подвижности (|а ~ 200 м /В-с) и большей концентрации (пе ~ 8x10 м"). Эти состояния обусловлены развитием неустойчивости в системах с абсолютным отрицательным сопротивлением или абсолютной отрицательной проводимостью.
В дисках Корбино с двумерным электронным газом под действием микроволнового излучения возникают магнетополевые осцилляции фото-ЭДС, период которых определяется отношением частоты излучения к циклотронной частоте. Амплитуда осцилляции фото-ЭДС пропорциональна величине микроволновой фотопроводимости. Обнаруженный фотогальванический эффект обусловлен асимметрией встроенного электрического поля в областях двумерного электронного газа, прилегающих к внутреннему и внешнему кольцевым электродам.
В квантовых ямах с двумя заполненными подзонами размерного квантования под действием микроволнового излучения возникают два типа магнетополевых осцилляции фотосопротивления и фотопроводимости. Период первого типа осцилляции определяется отношением частоты излучения к циклотронной частоте, а второго - отношением величины межподзонного расщепления к циклотронной энергии.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 16і International conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems. July 10-15, 2005. Albuquerque, New Mexico USA; 7 Российская конференция по физике полупроводников. Полупроводники 2005. Москва, 18-23 сентября 2005 г. (Звенигород, пансионат «Ершово»); International conference: "Nanoelectronics 2006. Novel Nanomaterials, Quantum Transport, and Noise of Electrons and Photons", Lancaster University, UK, 8-11 January 2006; 14th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology", St Petersburg, 2006; 15th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology", Novosibirsk, 2007; 8 Российская конференция по физике полупроводников. Полупроводники 2007. Екатеринбург, 30 сентября - 5 октября 2007; 2007 APS March Meeting. March 5-9, 2007, Denver, Colorado; 2008 APS March Meeting. March 10-14, 2008, New Orleans, Louisiana; 2009 APS March Meeting. March 16-20, 2009, Pittsburg, Pennsylvania; 18 Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников. 15-20 февраля 2010. Екатеринбург - Новоуральск; 18th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology", St Petersburg, 2010.
Личный вклад автора. Основная часть экспериментальных результатов, представленных в диссертации, получена автором. Часть научных результатов, вошедших в диссертационную работу, получена автором совместно с профессором С. А. Витка-ловым в лаборатории колледжа города Нью-Йорка. В процессе изучения магне-тотранспортных явлений в гетероструктурах GaAs/AlAs под научным руководством автора защищено пять диссертаций на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук:
Бакаров А. К. «Морфология гетерограниц и транспорт двумерных электронов в GaAs квантовых ямах с AlAs/GaAs сверхрешёточными барьерами»;
Горан А. В. «Магнетотранспотрные свойства непланарного двумерного электронного газа в модулированных полупроводниковых структурах»;
Номоконов Д. В. «Электронный транспорт в субмикронных кольцевых интерферометрах на основе GaAs полупроводниковых гетероструктур»;
Калагин А. К. «Электронный транспорт в GaAs/AlAs гетероструктурах при большом числе заполненных уровней Ландау»;
Исламов Д. Р. «Магнитотранспорт в GaAs/AlAs гетероструктурах в присутствии микроволнового излучения».
Совокупность новых научных результатов, полученных в ходе выполнения диссертационной работы, можно характеризовать как существенное достижение в направлении исследования магнетотранспортных явлений в полупроводниковых системах пониженной размерности.
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 35 работ, перечень которых приведен в конце автореферата [А1-А35], из них 31 работа в рецензируемых научных журналах и 4 работы в рецензируемых трудах конференций.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объём диссертации составляет 265 машинописных страниц, в том числе 120 рисунков и список литературы на 200 наименований.
Похожие диссертации на Магнетотранспортные явления в гетероструктурах GaAs/AIAs при больших факторах заполнения
