Введение к работе
Актуальность исследуемой проблемы. В последние годы интенсивно исследуются двумерные (2D) электронные системы в полупроводниках. Плазменные волны, которые могут возбуждаться и распространяться в таких двумерных электронных системах, называются двумерными плазменными волнами (2D плазмонами). Экспериментальные исследования 2D плазменных волн на частотах далекого инфракрасного диапазона начались в конце 70-х годов за рубежом, хотя первые теоретические работы по этой проблеме появились гораздо раньше, в том числе в нашей стране. Экспериментальные и теоретические исследования свойств 2D плазмонов находят свое применение в основном для решения задач спектроскопии поверхности и границ раздела полупроводников с помощью электромагнитных волн. Для связи внешней электромагнитной волны с плазменными колебаниями обычно применяются элементы связи типа периодической металлической решетки с периодом, кратным длине возбуждаемой плазменной волны. В субмиллиметровом диапазоне электромагнитных волн период решетки составляет величину порядка микрона.
Двумерные плазменные волны в структурах с периодической металлической решеткой до настоящего времени в основном рассматривались в электростатическом приближении. Это было оправдано для плазменных волн, существующих в инверсионных слоях МДП структур на основе кремния, для которых диссипативные потерн на порядок превышают радиационные, но с появлением гетероструктур GaAs/AlGaAs с высокой подвижностью электронов ситуация изменилась. В рамках электростатического приближения удается объяснить основные особенности спектров возбуждения 2D плазмонов при слабой связи электромагнитных и 2D плазменных волн (то есть при малом радиационном затухании последних). Однако, если ситуация не соответствует случаю слабой связи, электростатическая теория становится неприменимой. В частности, с ее помощью не удается объяснить
экспериментально наблюдаемые ширины линий электронных плазменного и циклотронного резонансов, а также сдвиг плазменного резонанса при изменении геометрических параметров решетки.
Из вышесказанного следует, что исследования взаимодействия электромагнитных и 2D плазменных волн на периодической металлической решетке на основе общего строгого электродинамического подхода представляется актуальным.
Цель данной работы. Основной целью настоящей диссертационной работы является строгое решение электродинамической задачи о колебаниях 2D электронной плазмы в структурах с периодической металлической решеткой.
Научная новизна результатов:
впервые в строгой электродинамической постановке решена задача о спектре колебаний 2D электронной плазмы в открытой полупро-водниково-ди электрической структуре с металлической решеткой для случаев изотропной и магнитоактивной 2D электронной плазмы;
с помощью разработанных алгоритма и программы расчета вычислены дисперсия и затухание 2D плазменных колебаний, распределение неравновесной плотности заряда и амплитуда электрического поля плазменных колебаний в плоскости 2D электронного слоя в зависимости от коэффициента заполнения решетки (отношение ширины проводящей полоски решетки w к ее периоду L ), расстояния от решетки до слоя 2D электронной плазмы и от поверхностной концентрации электронов в слое;
исследовано распространение неизлучающих медленных 2D плазменных волн в открытой полупроводниково-диэлектрической .структуре, содержащей слой 2D электронной плазмы и металлическую решетку.
исследован спектр электромагнитного излучения 2D плазменных волн с учетом радиационных и диссипативных потерь в зависимости от
геометрических и физических параметров структуры для изотропной и магнитоактивной 2D плазмы.
- рассчитаны частота и радиационное затухание циклотронных колебаний 2D электронной плазмы в структуре с частопернодической металлической решеткой.
Обоснование и достоверность полученных в работе результатов. Достоверность полученных в работе результатов численных расчетов подтверждается их совпадением с известными результатами, полученными ранее в аналитической форме для предельных случаев поверхностно однородных структур, а так же соответствием результатов данным экспериментов других авторов.
Практическая значимость результатов.
Полученные в работе теоретические результаты исследований плазменных и электромагнитных колебаний в структурах с 2D электронной плазмой и металлической решеткой позволяют интерпретировать экспериментальные данные спектроскопических исследований 2D электронных систем с помощью электромагнитных волн.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Ширина частотной полосы непропускания на границе зоны
Бриллюэна спектра двумерных плазменных волн в полупроводниково-
диэлектрической структуре с расположенной на ее поверхности часто-
периодической (период решетки намного меньше длины электромаг
нитной волны на данной частоте) металлической решеткой не зависит
от поверхностной концентрации электронов в двумерном электронном
слое в широком диапазоне изменения концентрации. Наибольшая ве
личина ширины частотной полосы непропускания реализуется, при ко
эффициентах заполнения решетки 0.8-0.9.
2. Радиационное затухание двумерных плазменных колебаний в
структуре с периодической металлической решеткой может достигать
значений, сравнимых по величине с диссипативным затуханием, свя-
занным с рассеянием электронов в двумерном электронном слое. Радиационное затухание возрастает при уменьшении ширины щелей решетки.
3. Существует оптимальное значение толщины dm,,, зазора между
металлической решеткой и двумерным электронным слоем, при ко
тором достигается наибольшее радиационное затухание плазменных
колебаний. Величина dmax возрастает при увеличении поверхност
ной концентрации электронов или коэффициента заполнения решет
ки. Уменьшение радиационного затухания при d > dmaz происходит
из-за уменьшения связи плазменных колебаний с полями решетки, а
при d < dmax - связано с шунтированием поля плазменных колебаний
металлическими полосками решетки.
-
В случае частопериодической решетки радиационное затухание циклотронных колебаний практически не зависит от коэффициента заполнения решетки и составляет половину величины, радиационного затухания однородного циклотронного движения в структуре без решетки. Это связано с действием частопериодической металлической решетки в качестве эффективного линейного поляризатора для электромагнитных полей излучения.
-
В сильных магнитных полях (циклотронная частота больше частоты 2D плазменного резонанса в нулевом магнитном поле) эффективное время электронной релаксации магнитоплазменных колебаний в общем случае не совпадает с циклотронным временем релаксации.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:
1. Международной конференции молодых ученых "Горячие элек
троны и коллективные явления в полупроводниках" (Нида, Литва, 23-
27 апреля 1990);
2. III Всесоюзной школе-семинаре "Взаимодействие электромагнит
ных волн с твердым телом" (Саратов, 2-8 сентября 1991);
-
1-ом Украинском симпозиуме "Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн" (Харьков, 15-18 октября 1991);
-
1-ой Российской конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород, 10-14 сентября, 1993);
-
International Kharkov Simposium "Physics and Enginering of Millimeter and Submillimeter Waves" (Kharkov, 7-10 June 1994);
6. NATO Advanced Study Institute on Fabrication, Properties and
Applications of Low-Dimensional Semiconductors (Bulgaria, Sosopol, Sep
tember 1995);
-
Всероссийской научно-технической конференции "Электроника и информатика" (Зеленоград, 15-17 ноября 1995);
-
2-ой Российской конференции по физике полупроводников (Зеле-ногорск, 26 февраля-1 марта 1996);
9. 4th International Conference on Electrical Transport and Optical
Properties of Inhomogeneous Media (Moscow - St.Petersburg, 23-30 July
1996).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, из которых 4 статьи в центральной российской печати, 2 статьи в зарубежных журналах, 7 тезисов докладов. В указанных работах Полищук О.В. решены поставленные научным руководителем задачи, совместно интерпретированы численно полученные автором результаты.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения, содержит 23 рисунка и изложена на 120 страницах текста. Список литературы содержит 88 наименований цитируемых источников, в толі числе 13 пу- ' бликаций автора по теме диссертации.
