Автореферат: Исследование физических свойств гетероструктуры AlSb/InAs/AlSb с двумерным вырожденным электронным газом на основе результатов, полученных из эффекта Шубникова-де Гааза

1. Общая характеристика работы

Актуальность исследования. На протяжении ряда десятилетий повышение функциональной сложности и быстродействия электронных систем достигалось увеличением плотности размещения и уменьшением размеров элементов. При переходе к размерам элементов порядка десятков нанометров возникает новая ситуация, состоящая в том, что квантовые эффекты (размерное квантование, туннелирование, интерференционные эффекты) оказывают главное влияние на физические процессы в наноструктурах и функционирование приборов на их основе.

Одной из двумерных низкоразмерных систем, которая привлекает внимание исследователей, является структура alsb/inas/alsb. Несомненно, привлекательно использовать большую величину разрыва зоны проводимости на гетерогранице (? 1.35 ev) и малую величину эффективной массы (m*/m0? 0.035ч0.055) двумерных электронов в квантовой яме inas. Последнее, в совокупности с высоким качеством гетерограниц, обусловленным хорошим согласованием постоянных кристаллических решеток inas и alsb, обеспечивает высокие величины подвижностей 2d электронов в квантовой яме. В образцах с концентрацией n?1012 см-2 для комнатной температуры достигнуты величины подвижностей порядка 3·104 см2/вс, а при гелиевых температурах величины близки к 106 см2/вс. Разработка наноструктурированных материалов с заданными свойствами, предназначенных для применения в современной электронике, требует анализа свойств, основных физических процессов, присущих объектам нанометровой геометрии и системам пониженной размерности.

Целью настоящей работы является исследование физических свойств гетероструктуры alsb/inas/alsb с двумерным вырожденным электронным газом на основе результатов, полученных из эффекта шубникова-де гааза.

Достижение цели исследований требует решения следующих задач:

1. Установить концентрационный порог заполнения, при котором начинается заселение возбужденной подзоны размерного квантования (прк)

2. Идентифицировать доминирующие механизмы рассеяния в сильнолегированных гетероструктурах типа inas/alsb

3. Объяснить явление интермодуляции осцилляций поперечного магнитосопротивления.

4. Выяснить роль электрон - электронного (e-e) взаимодействия в процессах релаксации носителей. Определить основные причины, приводящие к наличию аномальной зависимости квантового времени релаксации от магнитного поля.

5. Установить влияние межподзонного взаимодействия на явление интермодуляции осцилляций и спиновое расщепление магнитных подзон ландау.

Научная новизна работы:

1. Обнаружено явление сильной амплитудно-частотной модуляции осцилляций поперечного магнитосопротивления в гетеросистеме alsb(-te)/inas/alsb(-te). Установлена и исследована зависимость интермодуляции осцилляций от температуры (т= 4.2ч28.6 к) и концентрации (ns=(0.6ч4.2)·1012 см-2).

2. Немонотонная зависимость амплитуды осцилляций поперечного магнитосопротивления от магнитного поля обусловлена межподзонным электрон - электронным взаимодействием при т= 4.2ч28.6 к.

3. На основе анализа времени релаксации электронов установлена определяющая роль межподзонного е - е взаимодействия в формировании уширения уровней ландау для структур alsb(-te)/inas/alsb(-te) в диапазоне температур т= 4.2ч28.6 к.

4. Установлен немонотонный характер зависимости времен релаксации электронов от магнитного поля (b=2ч7 тл) и температуры (т= 4.2ч28.6 к), отражающий конкуренцию механизмов внутри и межподзонной релаксации импульса.

5. Исследование заселенности 2d электронами прк в интервале концентраций ns=(0.6ч4.8)·1012 см-2 с учетом влияния эффективной массы позволило определить концентрационный порог заполнения второй прк.

6. Показано, что доминирующими механизмами рассеяния электронов в сильнолегированных структурах alsb(-te)/inas/alsb(-te) в условиях низких температур т=(4.2ч10.2) к являются ионы легирующей примеси и неоднородности гетерограниц.

7. Установлено, что рост эффективного g* - фактора (68) в подзонах размерного квантования обусловлен межподзонным e-e взаимодействием. Объяснена зависимость фактора спектроскопического расщепления от магнитного поля (b=2ч7 тл) и концентрации ns=(0.6ч4.2)·1012 см-2.

Научная значимость диссертационного исследования заключается в следующем:

1. Полученные результаты позволили определить параметры вырожденного электронного газа в inas/alsb и выявить основные закономерности его поведения, что может быть применено для дальнейшего развития теории гетероструктур.

2. Разработан комплексный алгоритм обработки осцилляций шубникова - де гааза, заключающийся в выяснении особенности релаксационных процессов носителей в легированных гетероструктурах inas/alsb с сильным межподзонным взаимодействием электронов.

Практическая значимость диссертационного исследования определяется перспективностью исследованных в работе легированных гетероструктур с 2d электронным газом в качестве основы для быстродействующих приборов среднего инфракрасного диапазона (квантово-каскадные лазеры, транзистор) и приборов спинтроники.

Важными с этой точки зрения являются следующие результаты:

1. Определено квантовое время релаксации электронов, которое составляет ~ 10-14 с. В области магнитных полей, где наблюдается спиновое расщепление подуровней ландау, электроны характеризуются временем релаксации ~ 10-15 с, что делает возможным использование данной структуры в качестве основы квантово-каскадных лазеров.

2. Изучено влияние магнитного поля на взаимодействие носителей, что позволяет контролировать и управлять параметрами полупроводниковой наноструктуры.

3. Разработана комплексная методика анализа осцилляций поперечного магнитосопротивления при низких температурах (т=4.2ч10.2 к), позволяющая подробно исследовать особенности релаксации носителей в гетероструктурах с вырожденным электронным газом.

Достоверность полученных результатов подтверждается их воспроизводимостью на большом количестве образцов, соответствием результатов, полученных с помощью независимых аналитических методов, с данными, известными из литературы.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Резонансное межподзонное взаимодействие электронов приводит к осциллирующей зависимости амплитуды поперечного магнитосопротивления в обратном магнитном поле и появлению участков с отрицательной температурой дингла.

2. В легированной гетероструктуре inas/alsb (ns=(0.6ч4.2)·1012 см-2) эффективными рассеивающими центрами электронов проводимости являются ионы примеси те+ - на большие углы, а на малые углы - неоднородности границы раздела.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях:

1. Вторая международная конференция «физика электронных материалов» (калуга, 2005).

2. Ix конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов (владивосток, 2005).

3. V всероссийская конференция «фундаментальные и прикладные проблемы физики полупроводников и источников света» (саранск, 2007).

По материалам диссертации напечатано 10 печатных работ, из них 7- статьи и 3 - тезисы докладов.

Исследования выполнены при финансовой поддержке миннауки и образования рф (грант № е02-3.4-319 и госконтракт № 40.012.1.1.1153)

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы (57 наименований). Текст диссертации изложен на 174 страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц и 71 рисунок.

2. Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цели и задачи исследований, отражена научная новизна полученных результатов, сформулированы положения, выносимые на защиту. Отмечена научная и практическая значимость выполненных исследований.

В первой главе выполнен обзор литературы, посвященной описанию свойств легированных и нелегированных гетероструктур inas/alsb, их энергетического спектра и ряда наиболее важных характеристик. Обзор литературы завершается постановкой конкретных задач исследования.

Во второй главе рассмотрены базовые теоретические аспекты низкотемпературного магнитотранспорта, определены основные характеристики двумерного электронного газа. Кратко описаны методики комплексного аналитического исследования параметров вырожденного электронного газа.

В третьей главе описаны слоевая архитектура исследуемых структур, химический состав слоев, геометрия экспериментальных образцов.

Образцы изготовлены в лаборатории государственного университета аризоны, сша (department of electrical engineering and center of solid state electronic research). Там же проведены низкотемпературные измерения гальваномагнитных эффектов в сильных магнитных полях до 7 тл.

В главе приведены результаты комплексного анализа осцилляций поперечного магнитосопротивления (таблица 1) двумя независимыми методами. В результате анализа обнаружен целый ряд явлений, которые проявляются лишь при определенных физических условиях (магнитное поле и температуры) и связаны с особенностями слоевой структуры, зонной диаграммой энергетических уровней. К ним можно отнести: амплитудно-частотную модуляцию осцилляций, расщепление уровней ландау вследствие спин- орбитального взаимодействия, нелинейность зависимости .

Для получения более подробной информации о квантовом времени релаксации и о его зависимости от магнитного поля и других параметров предложен новый метод идентификации экстремумов, который позволяет выявить особенности в уширении уровней ландау, связанных с относительным расположением уровней основной и возбужденной прк вблизи уровня ферми.

Анализ большого количества образцов позволил установить характер заселения 2d электронами подзон размерного квантования в зависимости от уровня легирования гетероструктуры с учетом концентрационной зависимости эффективной массы. Выполнен расчет порогового значения концентраций, при котором начинается заполнение второй подзоны размерного квантования теоретически и аналитически из зависимостей .

Таблица 1. Параметры гетероструктур inas/alsb, измеренных при 4.2 к.

Исходя из данных таблицы 1, можно выделить связь между концентрациями в основной nm и возбужденной np подзонах размерного квантования. На рис. 1 приведены зависимости nm(nt), и nр(nt), где nt= nm+np . Излом на nm(nt) и аппроксимация nр(nt) на предельное значение nр=0 дают величину пороговой концентрации nс=8.3·1011 см2. Теоретическая оценка порогового значения концентрации для квантовой ямы с d=150 е равна 6.6•1011 см-2.

Можно считать, что в используемом приближении (квантовая яма с бесконечными барьерами и постоянства массы) согласие между численной оценкой nс и экспериментом хорошее.

В четвертой главе, посвященной механизмам рассеяния в легированных и нелегированных структурах inas/alsb, установлена природа затухания квантования ландау и определен вклад межподзонного взаимодействия электронов в процессы релаксации носителей. Идентифицированы основные механизмы рассеяния электронов на большие и малые углы в селективно легированных структурах alsb( - te)/inas/alsb( - te).

Механизмы е - е релаксации, определяющие затухание квантования ландау в структурах alsb(te+)/inas/alsb(te+). Из экспериментальной зависимости поперечного магнитосопротивления от магнитного поля получены магнитополевые зависимости нормированной амплитуды осцилляций ln - графики дингла. Их анализ проведен в широком диапазоне концентраций и магнитных полей для 2d электронов. Обнаружены аномалии в явлении затухания квантования ландау: 1) осциллирующая зависимость нормированной амплитуды осцилляций ln от обратного магнитного поля; 2) участки с отрицательной температурой дингла.