Электрически детектируемый электронный парамагнитный резонанс точечных центров в полупроводниковых наноструктурах

Гец, Дмитрий Станиславович

Электрически детектируемый электронный парамагнитный резонанс точечных центров в полупроводниковых наноструктурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Гец, Дмитрий Станиславович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Электрически детектируемый электронный парамагнитный резонанс точечных центров в полупроводниковых наноструктурах»

Автореферат диссертации на тему "Электрически детектируемый электронный парамагнитный резонанс точечных центров в полупроводниковых наноструктурах"

На правах рукописи

ГЕЦ ДМИТРИЙ СТАНИСЛАВОВИЧ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ДЕТЕКТИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС ТОЧЕЧНЫХ ЦЕНТРОВ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ НАНОСТРУКТУРАХ

специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

11 АПР 2013

Санкт-Петербург - 2013

005051602

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук.

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук Баграев Николай Таймуразович ФТИ им. А.Ф. Иоффе

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор Вывенко Олег Федорович Санкт-Петербургский государственный университет

Доктор физико-математических наук, профессор Гасумянц Виталий Эдуардович Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)».

Защита состоится «20» марта 2013 г. в 17ч. ЗОмин. на заседании диссертационного совета Д 212.229.29 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, ГУК, ауд. 118.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан «Й» февраля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н.

Ермакова Н.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Электрическое детектирование электронного парамагнитного резонанса (ЭДЭПР) является хорошо известным методом идентификации точечных и протяженных дефектов в полупроводниковых объёмных, низкоразмерных и приборных структурах [1-7]. Методики ЭДЭПР основаны на использовании внешних резонаторов и источников СВЧ излучения в условиях сканирования магнитного поля. Однако в этом случае индуцированные переходы между зеемановскими подуровнями носителей исследуемого центра регистрируются не по поглощению СВЧ мощности, как в рамках классического ЭПР, а по резонансному изменению тока, протекающего через образец, или магнетосопротивления [1-3,5]. Причем различные версии ЭДЭПР предусматривали наличие оптической накачки или инжекции носителей, что сделало возможным изучение не только примесных и структурных дефектов со спином 5=1/2, но и их возбужденных высокоспиновых состояний, 5>1, возникающих вследствие селективного заполнения магнитных подуровней [4,6,7]. Вместе с тем, неравновесные условия регистрации ЭДЭПР не позволили однозначно определить его механизм, поскольку резонансное изменение тока или магнетосопротивления фотовозбужденных носителей может быть обусловлено влиянием спинозависимой рекомбинации и спинозависимого рассеяния соответственно на величину их плотности и подвижности [1,2,4,6,7].

Важным шагом в разрешении данной проблемы явилось наблюдение ЭДЭПР ОХ-центров в процессе регистрации квантового эффекта Холла в гетеропереходе А1хСа|.хАя/ОаАя, которое проводилось в условиях стабилизированного тока исток-сток, хотя и в этом случае использовалась предварительная оптическая накачка [8,9]. Эти результаты представляют собой практически первую регистрацию ЭДЭПР точечных центров в краевых каналах с высокой спиновой поляризацией носителей, возникающих в низкоразмерных полупроводниковых структурах в условиях сильного магнитного поля. Поэтому целесообразно рассмотреть возможность реализации ЭДЭПР точечных центров в условиях спинозависимого транспорта носителей в краевых каналах топологических изоляторов и сверхпроводников, которые существуют в отсутствие внешнего магнитного поля [10,11]. Кроме того, эти исследования представляют значительный интерес, поскольку сверхпроводящие низкоразмерные топологические структуры могут быть источниками джозефсоновской генерации, которая может быть усилена в присутствии встроенных микрорезонаторов. Таким образом, появляется возможность регистрации ЭДЭПР в низкоразмерных структурах путем измерения магнетосопротивления в отсутствие внешнего резонатора, источника и приемника СВЧ излучения. Вышесказанное определяет актуальность темы данной диссертационной работы.

Цель работы заключалась в исследовании процессов спинозависимого транспорта носителей тока в сверхузких полупроводниковых квантовых ямах, ограниченных

сверхпроводящими 5-барьерами, для регистрации электрического детектирования

ЭПР точечных центров и циклотронного резонанса по измерению полевых

зависимостей магнетосопротивления в отсутствие внешнего источника и приемника

СВЧ излучения, а также - внешнего резонатора.

В задачи работы входило изучение следующих вопросов:

1. Обнаружение и исследование осцилляции Шубникова - де Гааза в слабых магнитных полях в сверхузких кремниевых квантовых ямах (СККЯ) /;-типа, ограниченных сильнолегированными бором 8-барьерами, на поверхности п-

(100).

2. Изучение характеристик осцилляций Шубникова - де Гааза в СККЯ р-типа на поверхности и^ (100) в условиях изменения плотности двумерных дырок в зависимости от величины внешнего магнитного поля вследствие сверхпроводящих свойств 8-барьеров, сильнолегированных бором.

3. Исследование полевых зависимостей продольного магнетосопротивления квантовых ям р-типа со встроенными микрорезонаторами, ограниченных сильнолегированными бором сверхпроводящими 5-барьерами, на поверхности и-81 (100) и и-бН-БКГ.

4. Идентификация спектров электрически детектируемого ЭПР (ЭДЭПР) точечных центров в СККЯ р-типа, ограниченных сверхпроводящими 8-барьерами, на основании результатов измерений полевых зависимостей магнетосопротивления в отсутствие внешнего резонатора, источника и приемника СВЧ излучения, а также - исследований процессов джозефсоновской генерации.

5. Обнаружение спектров ЭДЭПР ЫУ-дефекта и У3|, формирующихся в условиях получения планарной структуры, представляющей собой сверхузкую квантовую яму р- типа на поверхности и-бН^С, без предварительного радиационного облучения.

6. Обнаружение и исследование электрически детектируемого циклотронного резонанса (ЭДЦР) двумерных дырок в СККЯ р-типа на поверхности «-81 (100) по измерению резонансного отклика магнетосопротивления вследствие влияния краевых каналов на процессы спинозависимого транспорта и локализации носителей.

Научная новизна работы

1. Наличие микрорезонаторов, встроенных в плоскость сверхузкой кремниевой квантовой ямы (СККЯ), ограниченной сверхпроводящими сильнолегированными бором 5-барьерами, являющимися источником джозефсоновской генерации, позволили впервые зарегистрировать спектры электрически детектируемого ЭПР (ЭДЭПР) точечных центров посредством измерения магнетосопротивления в отсутствие внешнего источника и приемника СВЧ излучения.

2. Исследования ЭДЭПР и ЭПР показали, что ИУ-дефект и изолированная кремниевая вакансия (У5|) формируются в сверхузкой квантовой яме р-типа, ограниченной сильнолегированными бором 8-барьерами, непосредственно в процессе ее получения на поверхности кристалла и-6Н-Б1С без последующего радиационного облучения.

3. Регистрация электрически детектируемого циклотронного резонанса (ЭДЦР) путем измерения продольного магнетосопротивления в отсутствие внешнего резонатора, а также - источника и приемника СВЧ излучения, позволила определить малые значения эффективной массы легкой и тяжелой дырок в различных двумерных подзонах СККЯ р-типа благодаря наличию встроенных микрорезонаторов и джозефсоновской генерации ограничивающих её сильнолегированных бором 6-барьеров.

4. Впервые эффект Шубникова - де Гааза был зарегистрирован в слабых магнитных полях вследствие малой эффективной массы и большого времени релаксации момента двумерных дырок в СККЯ р-типа, ограниченных сильнолегированными бором 5-барьерами.

Достоверность полученных результатов подтверждается сравнительным анализом экспериментальных данных, полученных с помощью различных методик, а также их соответствием с имеющимися на сегодняшний день экспериментальными и теоретическими результатами изучения спинозависимого транспорта носителей тока в низкоразмерных полупроводниковых структурах. Научная и практическая значимость диссертационного исследования определяется результатами регистрации спектров ЭДЭПР точечных центров в полупроводниковых квантовых ямах, ограниченных сверхпроводящими сильнолегированными бором 5-барьерами, а также - ЭДЦР носителей тока путем измерения магнетосопротивления без использования внешнего резонатора, внешнего источника и приёмника СВЧ излучения. Полученные результаты свидетельствуют, что методика измерения ЭДЭПР и ЭДЦР позволяют идентифицировать остаточные точечные центры, а также определять малые значения эффективной массы в различных подзонах двумерных дырок в сверхузких кремниевых квантовых ямах. Защищаемые положения:

1. Осцилляции Шубникова - де Гааза в сверхузких кремниевых квантовых ямах (СККЯ) р-типа на поверхности (100), ограниченных сильнолегированными бором 8-барьерами, регистрируются в слабых магнитных полях вследствие малой эффективной массы и большого времени релаксации момента двумерных дырок.

2. Электрическое детектирование ЭПР (ЭДЭПР) точечных центров в СККЯ р-типа на поверхности п-81 (100), ограниченных сильнолегированными бором 5-барьерами, реализуется по измерению магнетосопротивления в отсутствии внешнего резонатора, источника и приемника микроволнового излучения. Данная методика ЭДЭПР основана на джозефсоновской генерации СВЧ

излучения из сильнолегированных бором 8-барьеров при наличии микрорезонаторов, встроенных в плоскость СККЯ.

3. Спектры ЭДЭПР и ЭПР демонстрируют, что NV-дефект и изолированная кремниевая вакансия (Vs¡) формируются в сверхузкой квантовой яме р-типа, ограниченной сильнолегированными бором 8-барьерами, непосредственно в процессе ее получения на поверхности кристалла бН-SiC и-типа без последующего радиационного облучения.

4. Спектры электрически детектируемого циклотронного резонанса (ЭДЦР) и их угловые зависимости, полученные с помощью измерений магнетосопротивления СККЯ ¿»-типа, ограниченной сильнолегированными бором 8-барьерами, идентифицируют малые значения эффективной массы в двумерных подзонах легкой и тяжелой дырки.

Апробация результатов работы. Полученные в работе результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 25-й Международной конференции по дефектам в полупроводниках (ICDS-25, St. Petersburg, Russia, 20-24 July, 2009), 10-й Международной конференции по наноструктурированным материалам (NANO-2010, Roma, Italy, September 13-17, 2010), 11-й Международной конференции по физике нелинейного взаимодействия излучения с наноструктурами (PLMCN-11, Berlin, Germany, April 4-8, 2011); 8-й Международной конференции «Кремний-2001 » (Москва, Россия, Июль 5-8, 2011); 10-й Российской конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород, Россия, Сентябрь 19-23, 2011), 31-й Международной конференции по физике полупроводников (ICPS-31, Zurich, Switzerland, July 29 - August 3, 2012), Международной конференции по нанофизике и нанотехнологиям (ICN+T 2012, Paris, France, July 23-27, 2012), 7-й Международной конференции по физике и применению спинозависимых явлений в полупроводниках (PASPS VII, Netherlands, Eindhoven, Netherlands, August 5-8,2012). Публикации: по результатам исследований, изложенных в диссертации, имеется 9 публикаций в ведущих отечественных и международных журналах. Список публикаций приведен в конце диссертации.

Структура диссертации: Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения.

Во Введении определяется актуальность темы диссертационной работы, перечислены основные новые результаты, обосновывается их научная и практическая значимость, представлена структура диссертации и приведены положения, выносимые на защиту.

Первая глава представляет собой обзор литературы, посвященный квантованию транспортных характеристик носителей в твердых телах, находящихся в магнитном поле, и резонансным явлениям в условиях СВЧ накачки, таким как циклотронный резонанс (ЦР) и электронной парамагнитный резонанс (ЭПР). Кроме того, в первой главе описываются критерий "сильного поля", который определяет условия наблюдения ЦР в зависимости от величины внешнего магнитного поля и температуры, а также - рассматриваются правила отбора и сверхтонкое электронно-

ядерное взаимодействие, составляющие основу ЭПР спектроскопии точечных и протяженных дефектов в твердом теле.

В первом параграфе кратко приводится теоретическое описание квантования энергетического спектра свободных электронов в твердом теле в условиях магнитного поля, перпендикулярного направлению их движения. Рассмотрены основные транспортные характеристики образцов, являющиеся следствием квантования Ландау, проявляющиеся в виде осцилляции продольного магнетосопротивления, осцилляции Шубникова - де Гааза, и магнитной восприимчивости, осцилляции де Гааза - ван Альфена [12-14].

Во втором параграфе описан критерий "сильного поля", выполнение которого необходимо для наблюдения осцилляции Шубникова - де Гааза и де Гааза - ван Альфена, а также - циклотронного резонанса.

Третий параграф состоит из нескольких частей, в первой части описываются энергетические характеристики системы с одним неспаренным электроном и одним ядром (/=1/2). Вторая часть посвящена правилам отбора энергетических переходов. В третьей части рассматривается сверхтонкое взаимодействие неспаренных электронов (5^=1/2, 5=1) с ядрами, приводящее к сверхтонкому расщеплению зеемановских подуровней атома, которое определяет характеристики спектров ЭПР [15].

Четвертый параграф посвящен исследованиям циклотронного резонанса (ЦР) в монокристаллическом кремнии. Анализируются угловые зависимости спектров ЦР, с помощью которых идентифицируется тензор эффективной массы электронов и дырок, который составляет основу структуры зоны проводимости и валентной зоны [16].

Во второй главе представлен обзор основных свойств кремниевых сандвич-наноструктур, исследуемых в данной работе. Сандвич-наноструктура представляют собой сверхузкую кремниевую квантовую (СККЯ) яму /ьтипа проводимости, ограниченную сильнолегированными бором 8-барьерами, которая получена на поверхности (100) н-типа.

Первый параграф описывает получение сандвич-наноструктур с помощью прецизионного управления потоками вакансий и собственных междоузельных атомов, генерируемых границей раздела БьвЮг, что приводит к самоорганизации микродефектов на поверхности монокристаллического кремния. С помощью измерений угловых зависимостей циклотронного резонанса (ЦР), ЭПР, сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) и масс-спектрометрии вторичных ионов (ВИМС) было показано, что на начальной стадии окисления на поверхности кремния (100) формируются сандвич-наноструктуры, ограниченные двумерными слоями микродефектов, состоящих из собственных междоузельных атомов [17]. Далее, в рамках планарной диффузионной нанотехнологии проводится легирование бором из газовой фазы с целью пассивации двумерных слоев микродефектов, которые трансформируются в 5-барьеры. Проведенные исследования показали, что

сильнолегированные бором, 5-1021 см"3, 8-барьеры представляют собой чередующуюся последовательность нелегированных микродефектов и легированных квантовых точек с размерами 2 нм [18]. Причем каждая легированная квантованная точка по данным ЭПР содержит два примесных атома бора, реконструированных в тригональный дипольный центр. В рамках предложенной модели, реконструкция мелких акцепторов бора, приводящая к образованию нейтральных дипольных центров, сопровождается формированием

корреляционной энергетической щели в плотности состояний вырожденного двумерного дырочного газа. Угловые зависимости величины амплитуды ЦР, зарегистрированные на разных стадиях получения сандвич-наноструктур, показывают, что СККЯ располагается в плоскости 51 (100) [18].

Во втором параграфе описываются электрические и оптические свойства кремниевых сандвич-наноструктур. Представлены спектры электролюминесценции, отражения и пропускания, а также - демонстрируется туннельная вольтамперная характеристика сандвич-наноструктуры. Спектры электролюминесценции и туннельные вольт-амперные характеристики выявляют переходы между различными подуровнями размерного квантования тяжелой и легкой дырки. На основании этих данных предлагается зонная схема исследуемой кремниевой сандвич-наноструктуры [18].

В третьем параграфе рассматриваются сверхпроводящие свойства сандвич-наноструктур, обусловленные сильнолегированными бором 5-барьерами. Показана диаграмма статической магнитной восприимчивости в зависимости от температуры и магнитного поля, из которой определялась величина сверхпроводящей щели, равная 2Д = 0,044 эВ, что соответствует значению критической температуры, Тс = 145К, определенному из температурных и нолевых зависимостей удельного сопротивления, коэффициента Зеебека и скачка теплоемкости, и подтверждается данными измерений туннельной вольт-амперной характеристики [19].

В четвертом параграфе описан джозефсоновский переход, сформированный сверхпроводящими 5-барьерами, ограничивающими СККЯ, наличие которого идентифицируется регистрацией ступенек Фиске и Шапиро, демонстрирующих генерацию в гигагерцевом диапазоне длин волн.

В пятом параграфе приводится обзор работ по спинозависимой рекомбинации и спинозависимому рассеянию носителей в полупроводниках, которые являются основой методов электрически детектируемого электронного парамагнитного резонанса (ЭДЭПР) и оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР). Отмечается, что в рамках различных методик ЭДЭПР и ОДМР используются внешние резонаторы и источники СВЧ в условиях сканирования магнитного поля. Однако регистрация ЭПР, в отличие от классических методик, осуществляется не по поглощению образцом СВЧ излучения, а по измерению степени поляризации люминесценции и спектров пропускания света (ОДМР) [20], а также - регистрации изменения величины магнетосопротивления или протекающего тока (ЭДЭПР) [5,6]. Причем методы ЭДЭПР и ОДМР обладают

высокой чувствительностью, но в неравновесных условиях, при оптической накачке или инжекции носителей, не позволяют разделить вклады спинозависимых рекомбинации и рассеяния на точечных и протяженных центрах в полупроводниках. Показано, что важным шагом в разрешении данной проблемы явилось наблюдение ЭДЭПР ОХ-центров в условиях стабилизации тока исток - сток в процессе регистрации квантового эффекта Холла, который возникает вследствие формирования краевых баллистических каналов в сильном магнитном поле. Таким образом, был идентифицирован вклад спинозависимого рассеяния на точечных центрах в механизм ЭДЭПР в полупроводниковых наноструктурах. [3,8]

В шестом параграфе описываются спиновые свойства транспорта дырок в краевых каналах кремниевой сандвич-наноструктуры.

В первой части приведены данные исследований спинозависимого транспорта носителей через кремниевую сандвич-наноструктуру в отсутствие разогрева вследствие фиксации тока исток - сток на уровне менее 10 нА, проявляющегося в кратности продольной проводимости величине 2е2//; и осцилляциях Аарон ова-Кашера в зависимости от величины напряжения вертикального затвора [21].

Во второй части показано, что значение продольной проводимости в энергетическом интервале сверхпроводящей щели соответствует "0.7(2с "//))-особенности" квантовой лестницы проводимости, что указывает на наличие спиновой поляризации дырок в краевых каналах сандвич-наноструктуры. Эти результаты были рассмотрены в рамках топологических состояний, представляющих собой сверхпроводящие краевые каналы, содержащие квантовые точечные контакты. Предложенная в работе [21] модель основана на самоунорядоченной системе одиночных тригональных дипольных центров бора с отрицательной корреляционной энергией, сформированных внутри 5-барьеров.

В третьей части приведены данные исследований продольной и поперечной (холловской) проводимости, свидетельствующие о наблюдении квантового спинового эффекта Холла в отсутствие внешнего магнитного поля. Обнаруженное соотношение продольной, 4е'/к, и холловской, е"//;, проводимости свидетельствует о наличии спиновой поляризации дырок в краевых каналах кремниевых сандвич-наноструктур.

Таким образом, спиновая поляризация дырок, возникающая в краевых каналах кремниевых сандвич-наноструктур вследствие многократного андреевского отражения и спонтанной спиновой поляризации, представляет интерес для изучения спиновой интерференции, проявляющейся в регистрации квантового спинового эффекта Холла и осцилляций продольной проводимости Ааронова-Кашера. С учетом джозефсоновской генерации СВЧ излучения из сверхпроводящих 5-барьеров со встроенными микрорезонаторами, управление характеристиками спиновой интерференции является основой для регистрации ЭДЭПР в краевых каналах полупроводниковых сандвич-наноструктур по изменению магнетосопротивления в отсутствие внешнего резонатора, СВЧ источника и

приемника. Вышесказанное определяет цель и задачи данной работы, которые сформулированы в конце второй главы.

В третьей главе приведены экспериментальные данные по обнаружению и исследованию осцилляций Шубникова - де Гааза (ШдГ) в слабом магнитном поле в кремниевой сандвич-наноструктуре.

Первый параграф посвящен исследованиям ШдГ осцилляций в классических квантово-размерных структурах, таких как структуры металл-окисел-полупроводник. Отмечено, что для наблюдения ШдГ осцилляций необходимо выполнение критерия "сильного поля" ыст = В-ц» 1. Кроме того, в квантово-размерных структурах спектр уровней Ландау зависит от энергетических позиций уровней размерного квантования. Показано, что исследование ШдГ осцилляций в низкоразмерных системах представляет большой интерес, поскольку с помощью измерений их периода и температурной зависимости амплитуды можно определить соответственно плотность и эффективную массу носителей.

Во втором параграфе приведены данные измерений ШдГ осцилляций в кремниевых сандвич-наноструктурах в слабых магнитных полях при Т= 77К. Зависимости магнетосопротивления неожиданно проявили две последовательности ШдГ осцилляций с различным периодом. Из полученных значений периода ШдГ осцилляций определялась плотность двумерных дырок. Показано, что эти две последовательности ШдГ осцилляций возникают вследствие нелинейной зависимости распада куперовских пар на границе СККЯ - сверхпроводящий 5-барьер от магнитного поля, что приводит к нелинейному изменению плотности дырок в СККЯ. Поэтому могут возникать несколько интервалов значений магнитного поля, в которых реализуется критерий "сильного поля" и проявляются ШдГ осцилляции, соответствующие одному и тому же номеру уровня Ландау. Обнаружение ШдГ осцилляций в слабом магнитном поле стало возможным благодаря низкой эффективной массе двумерных дырок в СККЯ, т* = 2.5 • 10_47по, где т0 - масса свободного электрона, величина которой контролировалась посредством измерения температурных измерений осцилляций де Гааза - ван Альфена (дГвА). Таким образом, малая величина эффективной массы двумерных дырок в сочетании с достаточно большим временем релаксации момента, 10"'°с, которое следует из величины полуширины пиков ШдГ осцилляций и линий циклотронного резонанса, свидетельствует о выполнении условия "сильного поля" в слабых магнитных полях при высоких температурах.

Рассмотрение структуры максимумов ШдГ осцилляций показывает наличие спинового расщепления уровней Ландау, величина которого практически не изменяется с увеличением магнитного поля, что указывает на важную роль обменного взаимодействия в его формировании. Наблюдается тонкая структура пиков ШдГ осцилляций, которая также мало меняется при изменении номера уровня Ландау. Подобная модуляция характеристик продольного транспорта носителей объясняется в рамках резонансного туннелирования дырок между

краевыми каналами СККЯ через локализованные состояния на ее границе с 8-барьерами [22].

В четвёртой главе представлены результаты по обнаружению и исследованию электрически детектируемого электронного парамагнитного резонанса (ЭДЭПР) путем измерения магнетосопротивления полупроводниковых сандвич-наноструктур со встроенными микрорезонаторами без использовании внешнего резонатора, источника и приемника СВЧ излучения.

Первый параграф посвящен регистрации ЭДЭПР спектров в кремниевых сандвич-наноструктурах, которая стала возможным благодаря СВЧ генерации в условиях джозефсоновского перехода, сформированного сверхпроводящими 8-барьерами, ограничивающими СККЯ. Частота СВЧ генерации джозефсоновского перехода, 9.3 ГГц, контролировалась посредством измерения ступенек Фиске и Шапиро. Важную роль в экспериментальной реализации данного метода ЭДЭПР играли спиновая поляризация двумерных дырок вследствие многократного андреевского отражения и наличие микрорезонатора, встроенного в плоскость СККЯ. Длина резонатора, 4.74 мм, соответствовала частоте джозефсоновской генерации, 9.3 ГГц; Ь = Х/2п, где коэффициент преломления, п, в кремнии равен 3.4. Измерения продольного и поперечного магнетосопротивления сандвич-наноструктур проводились при Т= 77К в рамках холловской геометрии в условиях стабилизированного тока исток - сток, 10 нА. Анализируются полученные ЭДЭПР спектры центров фосфора, кислородного термодонора N1.8, водородсодержащего термодонора ЫЫО и его сверхтонкого расщепления, центров Ре+ и РеН. Кроме того, показаны спектры ЭДЭПР этих же центров, зарегистрированных вдвое меньшем магнитном поле при активном участии второй гармоники, что практически невозможно реализовать в рамках классического ЭПР метода. Регистрация ЭДЭПР по измерению магнетосопротивления позволила впервые идентифицировать точечный центр эрбия в кремнии, тригональная симметрия которого была подтверждена также с помощью измерения угловых зависимостей методом ОДМР. Каждая линия сверхтонкой структуры центра эрбия (/=7/2) оказалась расщепленной еще на четыре линии, что свидетельствует о присутствии бора (/=3/2) в его составе. Таким образом, обнаруженный точечный центр, по-видимому, сформирован на основе тригоналыюго дипольного центра бора в 8-барьере, путем замещения одного из его атомов эрбием.

Во втором параграфе обсуждается механизм регистрации ЭДЭПР по измерению магнетосопротивления в условиях встроенного микрорезонатора и наличии джозефсоновской генерации из 8-барьеров, ограничивающих СККЯ. Описывается спинозависимое рассеяние поляризованной дырки на точечном центре в краевом канале сандвич-наноструктуры. Описание строится на сравнении времен фазовой релаксации, тф, спин-решеточной релаксации, т„ и времени релаксации момента (транспортного времени), т]П, вне и в условиях регистрации ЭДЭПР по измерению магнетосопротивления. Предполагается, что вне резонанса выполняется

соотношение т8 > тф > тт, тогда как вследствие индуцированных ЭПР переходов между зеемановскими подуровнями время спин-решеточной релаксации дырок резко уменьшается: тф > т5 > тт. Таким образом, возникают условия слабой локализации, которые приводят к наличию пика магнетосопротивления при значении магнитного поля, соответствующего регистрации ЭПР.

В третьем параграфе приведены результаты измерений ЭДЭПР по измерению магнетосопротивления сандвич-наноструктур на основе карбида кремния и-бН-БЮ при Г=77К. Данная сандвич-наноструктура представляет собой квантовую яму /7-типа проводимости, ограниченную сильнолегированными бором 5-барьерами, на поверхности н-бН^С. Характеристики джозефсоновской генерации контролировались путем измерений ступенек Фиске при наличии микрорезонатора, встроенного в плоскость квантовой ямы. Показаны ЭДЭПР спектры мелкого центра бора, а также - кремниевой вакансии и ЫУ-дефекта, впервые полученные непосредственно в процессе роста сандвич-наноструктуры на основе и-бН^С без использования радиационного излучения. Полученные результаты анализируются, принимая во внимание данные изучения точечных центров объеме бН-БЮ методами ЭПР и фото-ЭПР [23-25].

В пятой главе приведены экспериментальные данные по регистрации электрически детектируемого циклотронного резонанса (ЭДЦР) дырок с помощью измерений магнетосопротивления кремниевых сандвич-наноструктур со встроенными микрорезонаторами, в отсутствие внешнего резонатора, источника и приемника СВЧ излучения. Частота джозефсоновской СВЧ генерации из сильнолегированных бором 5-барьеров, 9.3 ГГц, контролировалась посредством измерения ступенек Фиске и Шапиро.

В первом параграфе приводятся характеристики кремниевых сандвич-наноструктур, полученные при измерении классического ЦР при Т= 3.8К. Анализ узких линий ЦР легкой и тяжелой дырок свидетельствует о достаточно большом значении транспортного времени, тт = 5-10'шс, которое соответствует их высокой подвижности в кремниевых сандвич-наноструктурах.

Во втором параграфе обсуждаются зарегистрированные экспериментальные зависимости ЭДЦР, что стало возможным благодаря наличию краевых каналов с высокой подвижностью двумерных дырок в кремниевых сандвич-наноструктурах на поверхности и^ (100). Полученные спектры ЭДЦР, а также их угловые зависимости, измеренные в слабом магнитном поле, идентифицируют малые значения эффективной массы легкой и тяжелой дырок в различных двумерных подзонах СККЯ. На основании ширин линий ЭДЦР двумерных дырок была проведена оценка значения транспортного времени, 2.5 10"'°с, которое находится в хорошем согласии с результатами, полученными при измерении классического ЦР, что указывает на возможность участия краевых каналов с высокой подвижностью носителей в механизме ЭДЦР. Причем условия наблюдения ЭДЦР возникают каждый раз при полном заполнении уровня Ландау, ближайшего к уровню Ферми,

что соответствует режиму слабой локализации и приводит к наличию пика магнетосопротивления. Принимая во внимания полученные значения транспортного времени, были оценены длина свободного пробега, длина фазовой релаксации и значение плотности, соответствующие различным подзонам тяжелой и легкой дырки.

В Заключении приводятся основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Осцилляции Шубникова - де Гааза (ШдГ) были обнаружены при высоких температурах в слабых магнитных полях с помощью измерений продольного магнетосопротивления сверхузкой кремниевой квантовой ямы (СККЯ) р-типа на поверхности кремния (100) «-типа, которая ограничена сильнолегированными бором 5-барьерами, проявляющими сверхпроводящие свойства.

2. Показано, что квантование характеристик продольного транспорта двумерных дырок в СККЯ реализуется благодаря их малой эффективной массе и большому времени релаксации момента. Значение плотности двумерных дырок, определенное из частоты осцилляций ШдГ, увеличивается с ростом магнитного поля вследствие разрушения куперовских пар дырок на границе СККЯ - сверхпроводящий 8-барьер. Обнаруженные осцилляции ШдГ демонстрируют наличие спинового расщепления уровней Ландау, величина которого практически не изменяется с увеличением магнитного поля, что указывает на важную роль обменного взаимодействия в его формировании.

3. Показано, что электрическое детектирование ЭПР точечных центров в полупроводниковых квантовых ямах (ЭДЭПР), ограниченных сверхпроводящими 5-барьерами, проводится непосредственно путем регистрации полевых зависимостей магнетосопротивления в условиях стабилизации тока исток-сток в отсутствии внешнего резонатора, источника и приемника СВЧ излучения.

4. Предлагаемый метод ЭДЭПР реализуется при наличии микрорезонаторов, встроенных в плоскость квантовой ямы, и джозефсоновской генерации из ограничивающих ее сверхпроводящих 5-барьеров. С помощью данного метода ЭДЭПР были идентифицированы центры фосфора, кислородные термодоноры N1.8, водородсодержащие термодоноры, остаточные центры РеН и Ре+, а также тригональные центры эрбия в СККЯ, ограниченных 5-барьерами сильнолегированными бором.

5. Показано, что механизм ЭДЭПР основан на изменении магнетосопротивления, которое возникает вследствие режима слабой локализации в краевых каналах в полупроводниковой квантовой яме. В частности, положительный отклик магнетосопротивления является

результатом резкого уменьшения т5 в условиях магнитного резонанса, тф > xs > тт, тогда как вне резонанса - т5 > тф > тт; где тт - время релаксации момента, г,, - время фазовой релаксации, т5 - время спин-решеточной релаксации.

6. Посредством регистрации полевых зависимостей магнетосопротивления были обнаружены спектры ЭПР NV-дефекта и VSi в сверхузкой квантовой яме /;-типа проводимости, ограниченной сильнолегированными бором 6-барьерами, на поверхности кристалла 6H-SiC и-типа, которые формируются непосредственно в процессе получения планарной структуры в условиях инжекции кремниевых вакансий на границе раздела Si02/6H-SiC без последующего радиационного облучения. Данные измерения ЭДЭПР были подтверждены с помощью высокочувствительного спектрометра ЭПР (X-band), несмотря на малое число регистрируемых спинов (>10'°) в исследуемой сверхузкой квантовой яме, ограниченной 5-барьерами.

7. Полевые зависимости продольного магнетосопротивления СККЯ р-типа, ограниченной сверхпроводящими сильнолегированными бором 8-барьерами на поверхности w-Si (100), которые измерялись в отсутствии внешнего источника и приёмника СВЧ излучения, а также - внешнего резонатора, демонстрируют спектры циклотронного резонанса (ЦР), соответствующие различным подуровням двумерных дырок.

8. Электрическое детектирование циклотронного резонанса (ЭДЦР) стало возможным благодаря наличию микрорезонаторов, встроенных в плоскость СККЯ, и джозефсоновской генерации из сверхпроводящих ö-барьеров. Спектры ЭДЦР и их угловые зависимости, измеренные в слабом магнитном поле, идентифицируют малые значения эффективной массы легкой и тяжелой дырок в различных двумерных подзонах СККЯ, что указывает на возможность участия краевых каналов с высокой подвижностью носителей в механизме резонансного изменения магнетосопротивления.

ЛИТЕРАТУРА

1. Schmidt J. Modulation De La photoconductivite dans le magnetique électronique des impuretes peu profondes [Text] / Schmidt J. and Solomon I. // Compt. Rend. Acad. - 1966. - V.263. - P. 169.

2. Honig A. Neutral-Impurity Scattering and Impurity Zeeman Spectroscopy in Semiconductors Using Highly Spin-Polarized Carriers [Text] / Honig A. // Phys. Rev. Letters. - 1966. - V. 17. - P. 186.

3. Lepine D. Spin-Dependent Recombination on Silicon Surface [Text] / Lepine D. // Phys. Rev. B. - 1972. - V.6. - P.436.

4. Kaplan P. Explanation of the large spin-dependent recombination effect in semiconductors [Text] / Kaplan P., Solomon I., and Mott N. E. // J. de Phys. Letters. - 1978,-V.39.-P.L51.

5. Кведер B.B. Спин-зависимая рекомбинация на дислокационных оборванных связях в кремнии [Текст] / Кведер В.В., Осипьян Ю.А., Шалынин А.И. // ЖЭТФ. - 1982. - Т.83. - С.699.

6. Vlasenko L.S. Electron paramagnetic resonance versus spin-dependent recombination: Excited triplet states of structural defects in irradiated silicon [Text] / Vlasenko L.S., Martynov Yu.V., Gregorkiewicz Т., and Ammerlaan C.A.J. // Phys. Rev. B. - 1995. - V.52. - P.l 144.

7. Баграев H.T. Спин-зависимая рекомбинация в полупроводниках [Текст] / Баграев Н.Т., Машков В.А. // Известия АН СССР, сер. Физическая. - 1988.

- Т.52. - С.471.

8. Dobers М. ESR in the two-dimensional electron gas of GaAs-AlxGai_xAs heterostructures [Text] / Dobers M., von Klitzing K., and Weimann G. // Phys. Rev. B. - 1988. - V.38. - P.5453.

9. Nefyodov Yu.A. g-factor anisotropy in a GaAs/AlxGai xAs quantum well probed by electron spin resonance [Text] / Nefyodov Yu.A., Shchepetilnikov A.V., Kukushkin I.V., Dietsche W., and Schmult S. // Phys. Rev. B. - 2011. - V.88. -P.041307(R).

10. Hasan M.Z. Colloquium: Topological insulators [Text] / Hasan M.Z. and Kane C.L. // Rev. Mod. Phys. - 2010. - V.82. - P.3045.

11. Buttiker M. Edge-state physics without magnetic fields [Text] / Buttiker M. // Science. - 2009. - V.325. - P.278.

12. Ландау JI.Д. Диамагнетизм металлов [Текст] / Ландау Л.Д. // Zs. Phs. - 1930.

- Т.64. - С.629.

13. Schubnikow L. Magnetische Widerstandsvergrosserung in Einkristallen von Wismut bei tiefen Temperaturen [Text] / Schubnikow L., de Haas W.J. // Leiden Commun. - 1930. - V.207a. - P.3.

14. de Haas W.J. Note on the dependence of the susceptibility of diamagnetic metals on the field / de Haas W.J., van Alphen P.M. [Text] // Leiden Commun. - 1930.

- V.208d. - P.31.

15. Вертц Дж. Теория и практические приложения метода ЭПР [Текст] / Вертц Дж., Болтон Дж. // Москва, Изд. "Мир". - 1975. - С.550.

16. Dresselhaus G. Cyclotron Resonance of Electrons and Holes in Silicon and Germanium Crystals [Text] / Dresselhaus G., Kip A.F., and Kittel С. // Phys. Rev. - 1955. - V.98. - P.368.

17. Bagraev N.T. Quantum-Well Boron and Phosphorus Diffusion Profiles in Silicon [Text] / Bagraev N.T., Gehlhoff W„ Klyachkin L.E., Naeser A., Rykov S.A. // Defect and Diffusion Forum. - 1997. - V.143. -P.1003.

18. Баграев H.T. Сверхпроводящие свойства кремниевых наноструктур [Текст] / Баграев Н.Т., Клячкин Л.Е., Кудрявцев A.A., Маляренко A.M., Романов В.В. // ФТП. - 2009. - Т.43. - С. 1481.

19. Bagraev N.T. Superconductor properties for silicon nanostructure [Text] / Bagraev N.T., Klyachkin L.E., Kudryavtsev A.A., Malyarenko A.M., Romanov

V.V. // Superconductivity - Theory and Applications, ed. by A. Luiz. - SCIYO 2010.-chap4.-P.69.

20. Cavenett B.C. Optically detected magnetic resonance (O.D.M.R.) investigations of recombination processes in semiconductors [Text] / Cavenett B.C. // Advances in Physics. - 1981,-V.30.-P.475.

21. Баграев H.T. Спиновая интерференция дырок в кремниевых наносандвичах [Текст] / Баграев Н.Т., Даниловский Э.Ю., Клячкин Л.Е., Маляренко A.M., Машков В.А. // ФТП. - 2012. - Т.46. - С.77.

22. Geim А.К. Resonant tunnelling between edge states in mesoscopic wires [Text] // Geim A.K., Main P.C., Brown C.V., Taborski R., Carmona H., Foster T.J., Lindelof P.E., Eaves L. // Surface Science. - 1994. - V.305. - P.624.

23. Baranov P.G. Acceptor Impurities in Silicion Carbide: Electron Paramagnetic Resonance and Optically Detected Magnetic Resonance Studies [Text] / Baranov P.G. // Defect and Diffuson Forum. - 1997. - V. 148-149. - P.129.

24. Muzafarova M.V. Identification of the triplet state N-V defect in neutron irradiated silicon carbide by electron paramagnetic resonance [Text] / Muzafarova M.V., Il'in I.V., Mokhov E.V., Sankin V.I., Baranov P.G. // Materials Science Forum. - 2006. - V.527-529. - P.555.

25. Вайнер В. С. ЭПР на вторичных термодефектах в триплетном состоянии в 6H-SiC [Текст] / Вайнер В. С., Вейнгер А. И., Ильин В. А., Цветков В. Ф. // ФТТ. - 1980. - Т.22. - С.3436.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ РАБОТЫ

1. Bagraev N.T. EDEPR of impurity centers embedded in silicon microcavities [Text] / Bagraev N.T., Gehlhoff .W., Gets D.S., Klyachkin L.E., Kudryavtsev A.A., Malyarenko A.M., Mashkov V.A., Romanov V.V. // Physica B. - 2009 -V.404.-P.5140-5143.

2. Bagraev N.T. EDESR and ODMR of Impurity Centers in Nanostructures Inserted in Silicon Microcavities [Text] / Bagraev N.T., Mashkov V.A., Danilovsky E.Yu., Gehlhoff W., Gets D.S., Klyachkin L.E., Kudryavtsev A.A., Kuzmin R.V., Malyarenko A.M., Romanov V.V. // Appl. Magn. Reson. - 2010. -V.39-P.113-135.

3. Баграев H.T. Квантование характеристик продольного транспорта дырок в кремниевых наноструктурах [Текст] / Баграев Н.Т., Брилинская Е.С., Гец Д.С., Клячкин Л.Е., Маляренко A.M., Романов В.В., // НТВ СПбГПУ, физмат науки СПбГПУ. - 2011. - Т.2. - С.41-47.

4. Баграев Н.Т. Осцилляции Шубникова-де Гааза и де Гааза - ван Альфена в кремниевых наноструктурах [Текст] / Баграев Н.Т., Брилинская Е.С., Гец Д.С., Клячкин Л.Е., Маляренко A.M., Романов В.В. // ФТП. - 2011. - Т.4. -С.1503-1508.

5. Bagraev N.T. EDESR and ODMR of impurity centers in nanostructures inserted in silicon microcavities [Text] // Bagraev N.T., Mashkov V.A., Danilovsky

E.Yu., Gehlhoff W., Gets D.S., Klyachkin L.E., Kudryavtsev A.A., Kuzmin R.V., Malyarenko A.M., and Romanov V.V. // Journal of Modern Physics. - V.2. - P.544-558.

6. Bagraev N. EDESR of impurity centers in nanostructures inserted in silicon microcavities [Text] // Bagraev N., Danilovsky E., Gehlhoff W., Gets D., Klyachkin L., Kudryavtsev A., Kuzmin R., Malyarenko A., Mashkov V., Romanov V. // Phys. Status Solidi B. - 2012. - V.249 - P.1242-1246.

7. Bagraev N. The Shapiro steps revealed by Josephson junctions embedded in silicon microcavities [Text] / Bagraev N., Danilovsky E., Gets D., Klyachkin L., Kudryavtsev A., Kuzmin R., Malyarenko A. // Phys. Status Solidi B. - 2012. -V.249.-P.1247-1252.

8. Bagraev N., ODMR of single point defects in silicon nanostructures [Text] // Bagraev N., Danilovsky E., Gets D., Klyachkin L., Kudryavtsev A., Kuzmin R., Malyarenko A. // Phys. Status Solidi B. - 2012. - V.249. - P.1236-1241.

9. Баграев H.T. Электрическое детектирование циклотронного резонанса дырок в кремниевых наноструктурах [Текст] / Баграев Н.Т., Гец Д.С., Даниловский Э.Ю., Клячкин JI.E., Маляренко A.M. // ФТП. - 2013. - Т.47. -С.503-509.

Подписано в печать 12.02.2013. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 10305Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Гец, Дмитрий Станиславович, Санкт-Петербург

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук

на правах рукописи

04201355149

ГЕЦ ДМИТРИИ СТАНИСЛАВОВИЧ

(специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния)

диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель - д. ф.-м. н. Баграев Н.Т.

Санкт-Петербург - 2013

Оглавление

Введение 5

Глава 1. Квантование характеристик продольного транспорта

носителей в полупроводниках в условиях внешнего магнитного поля 21

1.1. Уровни Ландау 21

1.2. Экспериментальные условия наблюдения квантования Ландау 29

1.3. Электронный парамагнитный резонанс в полупроводниках 30

1.3.1. Правила отбора 31

1.3.2. Сверхтонкое взаимодействие 32

1.4. Циклотронный резонанс в монокристаллическом кремнии 37

Глава 2. Получение и свойства сверхузких кремниевых квантовых ям 47

2.1. Самоупорядоченные кремниевые квантовые ямы на поверхности 8і (100) 47

2.2. Электрические и оптические свойства сверхузких

кремниевых квантовых ям 60

2.3. Сверхпроводимость 8-барьеров, ограничивающих

сверхузкие кремниевые квантовые ямы на поверхности 8 і (100) 68

2.4. Джозефсоновские переходы в краевых каналах кремниевых сандвич-наноструктур. Отрицательное дифференциальное сопротивление, ступени Фиске и Шапиро 80

2.5. Электрическое детектирование спинозависимой рекомбинации и спинозависимого рассеяния носителей на

точечных и протяженных дефектах в полупроводниках 89

2.6. Спинозависимый транспорт носителей в

кремниевых сандвич-наноструктурах 96

2.6.1. Спинозависимые эффекты в кремниевых сандвич-наноструктурах

2.6.2. Квантовые точечные контакты в сверхпроводящих

краевых каналах кремниевых сандвич-наноструктур 101

2.6.3. Квантовый спиновый эффект Холла 105 Выводы 109

Постановка задачи 110

Глава 3. Осцилляции Шубникова - де Гааза в кремниевых наноструктурах 112

3.1. Осцилляции Шубникова - де Гааза в низкоразмерных полупроводниковых структурах 112

3.2 Осцилляции Шубникова - де Гааза в кремниевых сандвич-наноструктурах 116

Выводы 124

Глава 4. Электрически детектируемый электронный парамагнитный резонанс в полупроводниковых сандвич-наноструктурах 125

4.1. ЭДЭПР спектры точечных центров: фосфора, кислород содержащих термодоноров ТчО и ШЛО, нейтрального железа,

эрбия в кремниевых сандвич-наноструктурах 125

4.2. Механизм регистрации ЭДЭПР по изменению магнетосопротивления в полупроводниковой сандвич-наноструктуре 139

4.3. Электрически детектируемый электронный парамагнитный резонанс точечных центров сильнолегированных бором сандвич-наноструктурах на основе 6Н-8ІС 145 Выводы 170

Глава 5. Электрическое детектирование циклотронного резонанса дырок в кремниевых сандвич-наноструктурах 172

5.1. Циклотронный резонанс в кремниевых сандвич-наноструктурах 172

5.2. Электрическое детектирование циклотронного резонанса

двумерных дырок в сверхузких кремниевых квантовых ямах 175

Выводы 185

Заключение 186

Список литературы 187

Список публикаций автора по теме работы 209

Введение.

Актуальность темы

Электрическое детектирование электронного парамагнитного резонанса (ЭДЭПР) является хорошо известным методом идентификации точечных и протяженных дефектов в полупроводниковых объёмных, низкоразмерных и приборных структурах [Schmidt, 1966; Honig, 1966; Lepine, 1972; Kaplan, 1978; Кведер, 1982a; Vlasenko, 1995; Баграев, 1988]. Методики ЭДЭПР основаны на использовании внешних резонаторов и источников СВЧ излучения в условиях сканирования магнитного поля. Однако в этом случае индуцированные переходы между зеемановскими подуровнями носителей исследуемого центра регистрируются не по поглощению СВЧ мощности, как в рамках классического ЭПР, а по резонансному изменению тока, протекающего через образец, или магнетосопротивления [Schmidt, 1966; Honig 1966; Lepine, 1972; Кведер, 1982а]. Причем различные версии ЭДЭПР предусматривали наличие оптической накачки или инжекции носителей, что сделало возможным изучение не только примесных и структурных дефектов со спином 5=1/2, но и их возбужденных высокоспиновых состояний, S> 1, возникающих вследствие селективного заполнения магнитных подуровней [Kaplan, 1978; Vlasenko, 1995; Баграев, 1988]. Вместе с тем, неравновесные условия регистрации ЭДЭПР не позволили однозначно определить его механизм, поскольку резонансное изменение тока или магнетосопротивления фотовозбужденных носителей может быть обусловлено влиянием спинозависимой рекомбинации и спинозависимого рассеяния соответственно на величину их плотности и подвижности [Schmidt, 1966; Honig, 1966; Kaplan, 1978; Vlasenko, 1995; Баграев, 1988].

Важным шагом в разрешении данной проблемы явилось наблюдение ЭДЭПР DX-центров в процессе регистрации квантового эффекта Холла в гетеропереходе AlxGa].xAs/GaAs, которое проводилось в условиях стабилизированного тока исток-сток [Dobers, 1988; Nefyodov, 2011]. Эти

результаты представляют собой практически первую регистрацию ЭДЭПР точечных центров в краевых каналах с высокой спиновой поляризацией носителей, возникающих в низкоразмерных полупроводниковых структурах в условиях сильного магнитного поля. Поэтому целесообразно рассмотреть возможность реализации ЭДЭПР точечных центров в условиях спинозависимого транспорта носителей в краевых каналах топологических изоляторов и сверхпроводников, которые существуют в отсутствие внешнего магнитного поля [Hasan, 2010; Buttiker, 2009]. Кроме того, эти исследования представляют значительный интерес, поскольку сверхпроводящие низкоразмерные топологические структуры могут быть источниками джозефсоновской генерации, которая может быть усилена в присутствии встроенных микрорезонаторов [Ozyuzer, 2007]. Таким образом, появляется возможность регистрации ЭДЭПР в низкоразмерных структурах путем измерения магнетосопротивления в отсутствие внешнего резонатора, источника и приемника СВЧ излучения.

Вышесказанное определяет актуальность темы данной диссертационной работы.

Цель работы заключалась в исследовании процессов спинозависимого транспорта носителей тока в сверхузких полупроводниковых квантовых ямах, ограниченных сверхпроводящими 8-барьерами, для регистрации электрического детектирования ЭПР точечных центров и циклотронного резонанса по измерению полевых зависимостей магнетосопротивления в отсутствие внешнего источника и приемника СВЧ излучения, а также -внешнего резонатора.

В задачи работы входило изучение следующих вопросов: 1. Обнаружение и исследование осцилляций Шубникова - де Гааза в слабых магнитных полях в сверхузких кремниевых квантовых ямах (СККЯ) р-типа, ограниченных сильнолегированными бором 5-барьерами, на поверхности n-Si (100).

2. Изучение характеристик осцилляций Шубникова - де Гааза в СККЯ р-типа на поверхности и-Б! (100) в условиях изменения плотности двумерных дырок в зависимости от величины внешнего магнитного поля вследствие сверхпроводящих свойств 5-барьеров, сильнолегированных бором.

4. Идентификация спектров электрически детектируемого ЭПР (ЭДЭПР) точечных центров в СККЯ р-типа, ограниченных сверхпроводящими 5-барьерами, на основании результатов измерений полевых зависимостей магнетосопротивления в отсутствие внешнего резонатора, источника и приемника СВЧ излучения, а также - исследований процессов джозефсоновской генерации.

5. Обнаружение спектров ЭДЭПР Ы-У-дефекта и У§ь формирующихся в условиях получения планарной структуры, представляющей собой сверхузкую квантовую яму р-типа на поверхности п-бН-БЮ, без предварительного радиационного облучения.

6. Обнаружение и исследование электрически детектируемого циклотронного резонанса (ЭДЦР) двумерных дырок в СККЯ р-типа на поверхности и-81 (100) по измерению резонансного отклика магнетосопротивления вследствие влияния краевых каналов на процессы спинозависимого транспорта и локализации носителей.

Научная новизна работы

1. Наличие микрорезонаторов, встроенных в плоскость сверхузкой кремниевой квантовой ямы (СККЯ), ограниченной сверхпроводящими сильнолегированными бором 8-барьерами, являющимися источником джозефсоновской генерации, позволили впервые зарегистрировать

спектры электрически детектируемого ЭПР (ЭДЭПР) точечных центров посредством измерения магнетосопротивления в отсутствие внешнего источника и приемника СВЧ излучения.

2. Исследования ЭДЭПР и ЭПР показали, что И-У-дефект и изолированная кремниевая вакансия (УзО формируются в сверхузкой квантовой яме р-типа, ограниченной сильнолегированными бором 8-барьерами, непосредственно в процессе ее получения на поверхности кристалла п-бН-БЮ без последующего радиационного облучения.

3. Регистрация электрически детектируемого циклотронного резонанса (ЭДЦР) путем измерения продольного магнетосопротивления в отсутствие внешнего резонатора, а также - источника и приемника СВЧ излучения, позволила определить малые значения эффективной массы легкой и тяжелой дырок в различных двумерных подзонах СККЯ /?-типа благодаря наличию встроенных микрорезонаторов и джозефсоновской генерации ограничивающих её сильнолегированных бором 5-барьеров.

Научная и практическая значимость диссертационного исследования определяется результатами регистрации спектров ЭДЭПР точечных центров в полупроводниковых квантовых ямах, ограниченных сверхпроводящими сильнолегированными бором 8-барьерами, а также - ЭДЦР носителей тока путем измерения магнетосопротивления без использования внешнего

резонатора, внешнего источника и приёмника СВЧ излучения. Полученные результаты свидетельствуют, что методика измерения ЭДЭПР и ЭДЦР позволяют идентифицировать остаточные точечные центры, а также определять малые значения эффективной массы в различных подзонах двумерных дырок в сверхузких кремниевых квантовых ямах. Защищаемые положения;

1. Осцилляции Шубникова - де Гааза в сверхузких кремниевых квантовых ямах (СККЯ) /7-типа на поверхности «-81 (100), ограниченных сильнолегированными бором 5-барьерами, регистрируются в слабых магнитных полях вследствие малой эффективной массы и большого времени релаксации момента двумерных дырок.

2. Электрическое детектирование ЭПР (ЭДЭПР) точечных центров в СККЯ р-типа на поверхности (100), ограниченных сильнолегированными бором 5-барьерами, реализуется по измерению магнетосопротивления в отсутствии внешнего резонатора, источника и приемника микроволнового излучения. Данная методика ЭДЭПР основана на джозефсоновской генерации СВЧ излучения из сильнолегированных бором 5-барьеров при наличии микрорезонаторов, встроенных в плоскость СККЯ.

3. Спектры ЭДЭПР и ЭПР демонстрируют, что Ы-У-дефект и изолированная кремниевая вакансия (У$0 формируются в сверхузкой квантовой яме р-типа, ограниченной сильнолегированными бором 5-барьерами, непосредственно в процессе ее получения на поверхности кристалла бН-БЮ и-типа без последующего радиационного облучения.

4. Спектры электрически детектируемого циклотронного резонанса (ЭДЦР) и их угловые зависимости, полученные с помощью измерений магнетосопротивления СККЯ р-типа, ограниченной сильнолегированными бором 5-барьерами, идентифицируют малые значения эффективной массы в двумерных подзонах легкой и тяжелой дырки.

Апробация результатов работы. Полученные в работе результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 25-й Международной конференции по дефектам в полупроводниках (ICDS-25, St. Petersburg, Russia, 20-24 July, 2009), 10-й Международной конференции по наноструктурированным материалам (NANO-2010, Roma, Italy, September 1317, 2010), 11-й Международной конференции по физике нелинейного взаимодействия излучения с наноструктурами (PLMCN-11, Berlin, Germany, April 4-8, 2011), 8-й Международной конференции «Кремний-2001» (Москва, Россия, Июль 5-8, 2011), 10-й Российской конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород, Россия, Сентябрь 19-23, 2011), 31-й Международной конференции по физике полупроводников (ICPS-31, Zurich, Switzerland, July 29 - August 3, 2012), Международной конференции по нанофизике и нанотехнологиям (ICN+T 2012, Paris, France, July 23-27, 2012), 7-й Международной конференции по физике и применению спинозависимых явлений в полупроводниках (PASPS VII, Netherlands, Eindhoven, Netherlands, August 5-8, 2012).

Публикации: по результатам исследований, изложенных в диссертации, имеется 9 публикаций в ведущих отечественных и международных журналах. Список публикаций приведен в конце диссертации. Структура диссертации; Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения.

критерий "сильного поля", который определяет условия наблюдения ЦР в зависимости от величины внешнего магнитного поля и температуры, а также - рассматриваются правила отбора и сверхтонкое электронно-ядерное взаимодействие, составляющие основу ЭПР спектроскопии точечных и протяженных дефектов в твердом теле.

Во втором параграфе описан критерий "сильного поля", выполнение которого необходимо для наблюдения осцилляций Шубникова - де Гааза и де Гааза - ван Альфена, а также - циклотронного резонанса.

Третий параграф состоит из нескольких частей, в первой части описываются энергетические характеристики системы с одним неспаренным электроном и одним ядром (/ = 1/2). Вторая часть посвящена правилам отбора энергетических переходов. В третьей части рассматривается сверхтонкое взаимодействие неспаренных электронов (5 = 1/2, 5 = 1) с ядрами, приводящее к сверхтонкому расщеплению зеемановских подуровней атома, которое определяет характеристики спектров ЭПР [Вертц, 1975].

Во второй главе представлен обзор основных свойств кремниевых сандвич-наноструктур, исследуемых в данной работе. Сандвич-наноструктура представляют собой сверхузкую кремниевую квантовую (СККЯ) яму р-типа проводимости, ограниченную сильнолегированными бором 8-барьерами, которая получена на поверхности (100) и-типа.

Первый параграф описывает получение сандвич-наноструктур с помощью прецизионного управления потоками вакансий и собственных междоузельных атомов, генерируемых границей раздела 8ь8Юг, что приводит к самоорганизации микродефектов на поверхности монокристаллического кремния. С помощью измерений угловых зависимостей циклотронного резонанса (ЦР), ЭПР, сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) и масс-спектрометрии вторичных ионов (ВИМС) было показано, что на начальной стадии окисления на поверхности кремния (100) формируются сандвич-наноструктуры, ограниченные двумерными слоями микродефектов, состоящих из собственных междоузельных атомов [Ва§гаеу, 1997]. Далее, в рамках планарной диффузионной нанотехнологии проводи�