Введение к работе
j . r -.:
ІДИССьу Г 'ЧИЙ
исследования свойств двумерных (2D J и квазидвумерных электронных систем, начатые более 20 лет назад, оформились к настоящему времени в один из основных разделов физики полупроводников. Регулярно (раз в два года, начиная с 1975 т.) проводятся Международные конференции по этой тематике. Широким фронтон ведутся как фундаментальные, так и прикладные исследования.
Экспериментально указанные системы реализуются в следующих структурах: в инверсионных и обогащенных слоях в ВДП-структурах, в селективно легированных гетеропереходах, в многослойных гетеро-структурах с квантовыми ямами и сверхрешетках, в тонких пленках. Кроме того, классическая 2D система электронов может существовать на поверхности жидкого гелия и некоторых диэлектриков.
Научный интерес к этим системам связал, в частности, с поиском и изучением новых фундаментальных эффектов, обусловленных понижением эффективной размерности пространства. И такие эффекты были найдены. Достаточно указать на квантовый эффект холла, открытый в 1980 г. и имеющий общефизическое значение.
С другой стороны, полупроводниковые структуры с 2d электронным газон находят важные применения в микроэлектронике, опто-электронике и метрологии, упомянем в этой связи о создании полевого транзистора с двумерным электронным газом (НЕЙ, или tegkbt) , обладающего рекордными параметрами, оптических устройствах на основе гетероструктур с квантовыми ямами, квантовом стандарте сопротивления нэ основе кеэнтового эффекта холла.
Наличие регулярных неодноро^ностей, исследованию влияния которых на электронные свойства посвящена диссертация, вносит новое качество в свойства 2d систем. Так, see '3 системы реализуются
- ц -
вблизи границ раздела. Поэтому исследование влияния границ (в т.ч. боковых) на свойства 2D электронных систем принципиально ванно. Кроне того, периодические структурные неоднородности, естественный путем реализующиеся на высокоиндексных поверхностях полупроводников, приводят к формированию сверхрешетки нового типа. Поэтому исследование неоднородностей этого типа также представляется ак туалькьш.
цель данной диссертационной работы состояла в теоретическом исследовании энергетического спектра одночастичных и коллективных возбуждений и явлений переноса в 2D электронных системах с регулярными неоднородностяма указанного типа.
Научная новизна работы.
Сформулировано и развито обобщение метода эффективной массы, применимое к ограниченным полупроводникам. Его основой является вывод новых граничных условий для эффективных волновых функций (огибающих полной волновой функции).
Впервые исследован вклад границ раздела в эффекты слабой локализации.
Впервые построена теория энергетического спектра возбуждений в высокоиндексных инверсионных слоях и исследованы свойства этой системы в сильных магнитных полях.
Построена корректная теория спектра краевых магнетоплазмонов (КШ), распространяющихся вдоль бокового (или внутреннего} края 2D системы. Ее основой служит впервые полученное точное решение задачи для прямолинейного края 2D системы.
Впервые рассмотрено влияние квантового эффекта Холла на эффект Фарадея.
Среди существенных новых результатов, полученных в диссертации, отметим следующие результаты, выносимые на защиту.
I. получение граничных условий для огибающих на резкой границе полупроводника, формулировка обобщения метода эффективной массы для ограниченных полупроводников, которое заключается в решении известной системы уравнений для огибающих с полученныш граничными условиями.
2- Построение аналитической теории одноэлектронного спектра ограниченных полупроводников в рамках разных зонных моделей (1-зонное и 2-зонное приближение, модели Кейна и Дирака). предсказание существования собственных поверхностных состояний (истинных или квазистационарных) в узкощелевых полупроводниках при любом виде констант, входящих в граничные условия и определяемых микроструктурой поверхности, установление закона дисперсии этих состояний. Предсказание существования состояний с нейтриноподобным спектром.
-
Установление существенного вклада поверхности в эффекты слабой локализации, проявляющиеся в появлении квантовых поправок к классической проводимости неупорядоченных проводников. Расчет плавного перехода с понижением размерности в проводимости и ыагне-гопрозодимоста при уменьшении одного из размеров образца или температуры.
-
Развитие теории энергетического спектра электронов и плаз-ионов в высокоиндексных инверсионных слоях в многодолинных полупроводниках типа кремния. Классификация шницелей. Объяснение всех обнаруженных на эксперименте и предсказание существования новых шницелей. Предсказание качественной перестройки спектра двумерных плазмонов.
-
Создание электронной теории магнитных зон, образующихся в высокоиндексных инверсионных слоях в сильных магнитных полях: расчет спектра электронов и магнетоплазмонов, предсказание нового ти-
па квантования Ваннье-Щіарка в сильных электрических полях, предсказание гигантской анизотропии проводимости по магнитной зоне, вызванной существованием двух иеханизиов проводимости, вычисление тензора проводимости, построение аналитической теории плавного перехода от классического к квантовому эффекту холла в магнитных зо-
H8X.
6. Получение точного решения для .полей и закона дисперсии КШ,
распространяющихся вдоль резкого прямолинейного края двумерных
систем всех типов в произвольном магнитном поле, разработка при-
блиненных методов решения ряда задач о КМП в реальных образцах в
сильном магнитном поле. Предсказание аномально малого затухания
КМП и квантования их характеристик в ренине квантового эффекта
'Холла. Предсказание новых ветвей КМП - акустических.
7. Предсказание нового явления - квантового эффекта фарадея,
установление критериев его существования.
Перечисленные результаты вносят существенный вклад в физику двумерных систем. Они позволяют объяснить ряд экспериментальных данных и предсказать новые эффекты, часть из которых уже обнару-аена на опыте. Теоретические результаты, полученные в диссертации, стимулировали постановку в ИРЭ АН СССР экспериментов по обнаружению и исследованию квантового эффекта фарадея и краевых магнето-шіазнонов в селективно легированных гетероструктурах. результаты экспериментов подтвердили соответствующие полоаения диссертации.
Б прикладном отношении исследования, проведенные в диссертации, открывает перспективы создания новых методов диагностики полупроводниковых устройств с 2D электронным газом. Кроме того,обнаружение квантового эффекта фарадея дает принципиальную возможность создания квантового стандарта угла поворота.
апробация работы и публикации, содержание различных разделов
диссертации докладывалось на DC и X Всесоюзных конференциях по физике полупроводников (Баку, 1982» Шнек, 1985)» ВС-ХШ Всесовз-ных совещаниях по теории полупроводников (Тбилиси, 1978; Новосибирск, 1980; уягород, 1983; Ташкент, 1985; Ереван, 1987;, ІУ-УІ Всесоюзных сиипозиуиах по плазие и неустойчивости в полупроводниках (Вильнюс, 1980; 1983; I986J, XIX и ХХІУ Всесовзных совещаниях по физике низких температур (Шнек, 1976; Тбилиси, I986J» Международной конференции по электродинамике мезфазной границы и квантовый эффектам в адсорбированных слоях и пленках (Телави, I984J» Меадунэродном Симпозиуме по поверхностный волнам в твердых телах и слоистых структурах (Новосибирск, I986J, Ш и ІУ Всесоюзных конференциях по физическим процессам в полупроводниковых гетерострук-турах (Одесса, 1982; І/днск, 1986}» Всесоэзной школе по физике поверхности (Карпаты, I986J, Зимних школах ЛФТИ (Луга, 1985; Ленинград, I987J-, Ian Семинарах по физике двумерных электронных систем (Новосибирск, 1982» 1986), заседаниях секций "физика поверхности" и "Полупроводниковые гетероструктуры" научных советов АН СССР и ряде других конференций, совещаний, икол и семинаров.
Основные результаты диссертации опубликованы в 18 печатных работах,' список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и Ю приложений. Ее объем составляет 232 страницы машинописного текста, включая 2.6 рисунков я список литературы из 169 наименований.
