Исследование электронных транспортных свойств двумерных систем Ge(III) и GaAs-AlGaAs тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

«3 П = Я о 7

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛЛ

На правах рукописи

БАТОВ Игорь Евгеньевич

УДК 621.317

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СВОЙСТВ ДВУМЕРНЫХ СИСТЕМ Ое(1П) И СаАэ—АЮаАв

Специальность 01.04.07 — физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Черноголовка 1992

Работа выполнена в Институте физики твердого тела РАН.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Гражулис В. А.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Неизвестный И. Г., доктор физико-математических наук Тулин В. А.

Ведущая организация: Институт полупроводников АН Украины (г. Киев)

Защита состоится „_^ " _СрСоЬаМ 1РР9 г. в час.

па заседании специализированного сорета Д.003.12.01 при Институте физики твердого тела РАН по адресу. 142432, Московская обл., Ногинский р-н, Черноголовка, ИФТТ РАН.

С диссертацией .можно ознакомиться в библиотеке Института физики твердого тела РАН.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета доктор

физико-математических наук

В. Д. Кулаковский

© Институт физики твердого тела РАН

• . .я ! Общая характеристика работы. Актуальность тем. В настоящее время двумерные (21)) электронные системы являются объектом интенсивного экспериментального и теоретического исследования. Интерес к таким системам объясняется открытием в них новых физических явлений, имеющих фундаментальное значение, а также разнообразными приложениями в микроэлектронике. Исследования 20 электронных систем проводятся на поверхностях различной природы и большом числе слоистых систем. Наиб льшие достижения в настоящее время связаны с 21) электронной системой, реализуемой в гетероструктурах ОаАэ-А1СаАа. Главное отличио этой системы от других твердотельных систем (кремниевые инверсионные слои, дырочные слои у поверхности скола Се и т.п.) состоит в очень высоких значениях подвижности двумерных носителей. В результате гетероструктуры СаЛз-ЛЮаАз являются одним из основных объектов, используемых при проведении фундамен-.' тальных и прикладных исследований.

К числу ь^кнейших физических явлений, обнаруженных в • высокоподеикшх 2В электрошшх системах, относится квантовый эффект Холла (КЭХ) /1/. Эффект состоит в том, что в низкотемпературной (Г ~ 1К) холловской проводимости 2д электронного газа, измеренной в 'зависимости от магнитного поля Н или концентрации носителей пп

обнарузкивается ряд плато о = уег/п при целочисленн;,"':.

¿¿у

факторах заполнешя V = п3Ь/еН ~ р, р - целое число. Всем плато отвечают глубокие минимумы в диагональной компоненте тензора статической проводимости а^. Квантование холловской проводимости а„. в настоящее время наблюдается

„с ^У

с точностью ~ю ; такое свойство эффекта позволило использовать его для измерения постоянной тонкой структуры и создания воспроизводимого эталона сопротивления.

Несмотря на многочисленные усилия, природа КЭХ изучена еще недостаточно. Это в _ значительной мере относится к проблеме динамического отклика системы . в. условиях КЭХ. Исследование 2Г> электронной системы • в

_1_

сильном магнитном поле на высоких частотах мокет дать ряд новых сведений о внутренних свойствах системы, новую' информации о свойствах случайного примесного потенциала, ответственного за КЭХ. Поэтому весьма актуальным является изучение ' эффектов", связанных с динамическим отюгпсом 21» электронного газа в режиме КЭХ. Одним из таких аффектов являются низкочастотные магнитоплазменше колебания, связанные с существованием края у 20 системы -краевые магнитоплазменше колебания (КМК), обнаруженные в рехаже КЭХ /2/. Значительный интерес представляет изучение частотной зависимости компонент тензора магнитопроводи-' моста.

Целью работы являлось исследование динамических свойств высокоподвижного 21) электронного газа в гетеропереходах Скйа-АЮаАз в сильных магнитных полях - изучение частотной зависимости дпссипатит.ий компоненты тензора проводимости а (и) ¡¡Не о^ы) в квантующем магнитном поле в диапазоне частот 59-600 МГц, исследование низкочастотных ::раевых магнитоплазмегошх колебаний в реккме КС.Х.

Часть работы была посвящена исследованию электронных транспортных явлений на поверхности скола Се(111). Поверхности скола Се(111) являются традиционным объектои исследования в физике двумерных систем. В проводящих ' каналах, образующихся на сколотых поверхностях СгОИ), были подробно изучены явления слабой л андорсоног ко!г локализации /3/, процессы рассеяния носителей на Юнонах /4/, кулоновегахх центрах /5/. Вместе с том, оставался нерешенным ряд ' принципиально ваглшх вопросов, касающихся механизма формирования шеокоцроводозде 2£ каналов на поверхности Се(111), ьосшоюстп ".кучанзиия ¡: качества. Основные задачи, ■ реиаешо в втоу части работы,' погашались и чсслэдоваши. процессов форяроаания ьроволздих копалов на сколотых з условиях сворхшсокого вакуума ш-¿орхксстях гер:,шш!я; асслодсвакш шпяшю -па перенос структурных дефектов тга поверхности; ' изучена: ОДСОрбЩЮИИЫХ процессий из • поверхности в свк?»п . с

их определяющим влиянием на электронный перенос. Научная новизна. Впервые получены следующие основные результаты, которые выносятся на защиту:

1. Проведены экспериментальные исследования 1п -з1Ш низкотемпературной электропроводности а3 22) каналов бе(111) в условиях сверхвысокого вакуума и при адсорбции

02. Показано, что максимальной электропроводностью а3 ~ Ю~5-Ю~4 ом-1/а обладают 2В каналы на низкодефектных поверхностях 60(111)- Обнаружено, что процессы адсорбции 02, ' приводящие к увеличению а3, могут протекать при температурах Т — В К; значительное увеличение а3 при адсорбции наблюдается па дефектных поверхностях. Процессы адсорбции 02, приводящие к уменьшению од, протекают при ■ тешературах . Т I 40 К. Уменьшение од при адсорбции-происходит практически одинаково как на зеркально-гладких, так и на дефектных поверхностях.

2. Предложена модель, объясняющая механизм формирования 20 каналов Се (111) и влияния на их свойства низкотемпературной адсорбции о2.

3. Проведены исследования диссипативной проводимости о^ 20 каналов гетероструктуры ваАз-АЮсАэ в квантущгас магнитных полях (до 8 Т) и частотном диапазоне 50-600 КГц. Установлено, что в условиях квантового эффекта Холла высокочастотная проводимость _ существенно превышает проводимость, измеренную на постоянном токе. ВЧ проводи- -мость в режиме КЭХ увеличивается с частотой почти линейно и слабо зависит от температуры в интервале 1.7 - 4.'2 К.

4. Исследованы спектр и затухание низкочастотных .краевых магштоплазменных колебаний в гетероструктурах. ОаАз-МСаЛэ в режиме квантового эффекта Холла. Обнаружена линейная зависимость резонансных частот колебаний от величины фактора заполнения уровней Ландау. Эта зависимость выполняется для узких линий КМК (добротность колебаний <3 £" 30),. которые -реализуется в высокоподвияшнх гетероструктурах СаЛз-Л1СаЛз.

'5. Исследованы температурные зависимости частоты и зату-

-3- , . ■

хаки я крайних млпштошшпчешшх колебаний в режиме КЭХ. Показано, что псишенио тошорятурц в интервале 0.4 - 4 К приводит к незначительному Г "Ж) потжошш резонансной частота КМК. уатухашю КМК возрастает с тешоратурой по закону, близкому к линейному; относительное ira .онение затухания КМК при измоношш температуры от 0.4 до 4 К составляет ~Ю07>.

6. Обнаружено влияние диа-актрического окружения на характер пространстпо"ного распределения магпитонлазмспного колебания. Показано, что в зависимости от формн диэлектрика, на котором находится двуморний канал, колебапио можот быть как ратгределшшш, так и локализоиа: вблизи края капала. Определен размер области вблизи границы 2D копала, в которой локализован основной заряд КМК. Практическая ценность работы. Нроппдипнш в работе иссло-допянкя дают-Тюпую^ш'^оргии'. • о Физических процессах, протокапэдих в ZI) слоях. Результата исследований высокочастотных свойств готероётруктур Ga/le-AlGa Аз могут бить нешлыюншш в научно -исследовательских учреждениях, затмапцихся практическим прпмопонием иолупроводннковнх устройств в современной бистро до II СТхуМцОП электронике. Апробация рьботи. Результаты диссертационной работы wiCnnwïïnMrich lin X] Всесоюзной конференции по физику полупроводников (Кишинев, 1У80), Всесоюзной конференции "Иовирлюсть-НЭ" (Черноголовка. 19В9), .vin Могуширодоой конференции по гзлоктроиним свойствам дпуморнпх систем (Гренобль, 1ШУ ), совотоко-западногормаиском совощапии "Гиектрошшо свойства полупроводниковых структур" (Гурзуф, 1 дао ). •

Публикации. Но теме дйссортацш. опубликов-но 8 печатных работ!"список которых приводен в конце рофо'рата. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введенииччтУф)х~*г!лп)Т,-^)7нйшч1)1шя, списка цитированной литературы (107 наименований), и содержит 121 страницу нпшшмгшсного текста, включая 43 рисунка.

-4-

Краткое содержание работы.

По вводеййп обоснована актуаЖйость теш диссертации, сформулировa j ш и.ель работы, основные задачи, поставленные и решенные в диссертации, их научная новизна, содержание основных разделов диссертанта и основные положения, вынои-ше на защиту.

■¡3 первой главе кратко изложены основные сведения, относящуюся к двумерным системам в полупроводниках и способам их создания. Дан необходимый для ношшания оригинальных частой работы обзор гальвпиемьгштшх явлений и плазменных колебаний в двумерных системах.

Во второй главе приведены „результаты исследований In ottu низкотемпературной олоктрогцюяодиости oq поверхностных конп.псь Се(111) в условиях сшрхонсокого вакуума и при адсорбции 0?.

Дырочные каналы, возникшею па поверхности скола Се(111), являются удобный кодолышгд объектом для исследования кинетических процессов в 21) системах и кнтенсихлю изучр'тся, начиная с юбо г. Тем не менее, до сих пор пет однозначного объяснения ких.чпизка образования таккх каналов. По нее того, пментсл рпгличтю точки прения в вопросе о тем, существует ли днрочга:! канал на ндепль-иой (не содермощ л структур них дефектов) атомарно-чистой поверхности (7е(111) /С,7/. Остается пешясношам та-п'л вопрос о р:\';л здсорСции кислорода в формировании ВЫСОКОПРОБОД;;Щ'1;Х ' p-KC;jia,fiOD 113 ПСБЙрХЛССТН ¿КОЛО 0'©(111) при низких (Г < 77 К) температурах /3/.

Для прсводс-пия КССЛСД02ШГЙ нами была разработана и

сослана сверхвысоковакуумпая установка, позволяющая

измерять электропроводность атомарно-чистых поверхностей

скола полупроводников в интервале температур 6-80 Я и

вакууме р < ю-10 торр. Установка допускает подведение к

поверхности полупроводника различных газов для изучения

хемосорбции. В работе использовались образцы р-гермвния',

легированного глубоким центрам! (золе/ом), с концентрани-1 s -Р

ей- доноров Hp = 2'Ю см и концентрацией акцепторов

-5-

Ид = 3'1о15 ом"2- Объемной проводимостью таких образцов при 1 < 80 К можно было пренебречь. Скалывание образцов производили в сверхвысоком (< 'О-10 торр) вакууме при температурах 8 и 80 К. Использовался способ скалывания, при котором на поверхности скола возникали две области -зеркально-гладкая и с развитым рельефом. Измерялась проводимость образца мевду контактами, примыкающими как к 'зоркалыю-гладкой, так и к дефектной областям.

Непосредственно сразу после скола "при -Т - 80 К проводимость ад зеркально-гладких областей была порядка ю-4 - ю-5 см-1 / □ и имела слабую температурную зависимость. Разброс значений о. для двфгшшх областей

С О

существенно больше (Ю~э-Ю ом /□), зависимость о3(Г) при этом более резкая. Результаты измерений од, полученные на сколотых при Т = 8 К образцах Се,' в целом аналогичны приведенным выше. Однако отмечен ьзсколько больший разброс величины ад для зеркально-гладких областей поверхности (5"Ю-5 - ю-6 ом-1 /□). Кроме того, в значительном числе опытов для дефектных областей поверхности бы.л получеш значения о„ < ю-9 ом-1/О. Важно отметить, что во всех наших экспериментах проводимость зоркалыю-гладкой области поверхности была выше, чем проводимость дефектной, *т.е. проводимость падает с повышением дефектности скола.

Адсорбция кислорода в области температур Т < 40 К ' приводит. к необратимому уволичешю провода,¡ости о3. Установлено, что зтот процесс может протекать при самых низких исследованных температурах (Т - В К). Б процессе низкотемпературной адсорбции значительное уволичешю о£ наблюдается на дофактшх участках поверхности скола. На зеркально-гладких участках поверхне зти, изначально обладавши достатоадо высокой поверхностной олоктропроводностью •оп, эффект увеличения. электропроводноега при адсорбции оказывается выракэшшм слабо. Максимальные значения оа, достигаемые при экспозиции сколотых образцов и кислорода, составляют ~ ом-1/О.

: При температурах ш-ла 40 Я и дкательшас ввдеракга; -'.'• -б- '.

зОразцов в кислороде наблюдается уменьшение поверхностной гроводимости од. Измерения показали, что.. этот процесс фоисходит грактичгски одинаково как на зеркально-гладких, рак и на дефектных участках поверхности скола.

Д.* я объяснения полученных результатов предложена годель, согласно которой ад опр деляется степенью сомпенсации собственных (не связанных с дефектами) акцепторных поверхностных состояний, находящихся под потолком залентной зоны, и дефектных донорных поверхностных зоотояаЛ, находящихся в запрещенной зоне. Предполагается, 1то плотность дефектных состояний вследствие структурной »однородности сколотой поверхности неравномерно распределена по площади скола. На участках скола с малой мотностью дефектны' состояний (<< ю12 см-2) нескомпенси-рованные собственные акцепторные состояния захватывают электроны из валентной зоны и вблизи поверхности возникает дарочный канал с од ~ ю-4 ом-1/П. На участках скола с достаточна большой плотностью дефектных состояний собственные акцепторные состояния оказываются скомпенсиро-занными и канал отсутствует. Высказывается также тредполокение, что в результате адсорбции происходит гейтрализация электрической активности (способности обмениваться зарядами с объемом полупроводника) кате дефектных, так и собственных поверхностных состояний, тричем процесс адсорбции на дефектные поверхностные состояния требует меньшей энергии активации (и" гложет "Происходить при более низких температурах), чем на собственные состояния. В этом случае необратимое увеличение а3 в процессе адсорбции 02 при Г < 40 Я можно объяснить хемосорбцией на дефектные поверхностные состояния, а уменьшение аа при Г ^ 40 К - хемосорбцией на собственные поверхностные состояния.

Глава 3 ^ посвящена исследованию диссипативной • проводимости ост(ш) 25 электронного канала гетероструктуры ТаАз-АЮаАэ в квантующих магнитных полях до 8Г в диапазоне частот 50-600 МГц. '

-7-

В настоящее время большинство экспериментов по измерению проводимости 21) электрошшх систем в квантую;;;зм магнитном поле выполнено либо на постоянном токе, либо на высокой частоте, близкой к циклотронному резонансу. В то г.о время измерения на конечной, низкой по сравнению с циклотронной, частоте представляют интерес для шясношш природа локализации электрошшх состояниЛ, ответственной, в частности, за квантовнГ эффект Холла (КЭХ). Имеется ряд работ /9-11/, в которцх измерялась 'динамическая

недиагональная компонента тензора нроводжостп о„,.

¿у

Считается, что квантование холловскпП проводимости о сохраняется, хотя, возможно, и с меньшей точностьй, вплоть до частота 34 ГГц. Диагональная компонента тензора проводимости а^ экспериментально изучалась в диапазона от ■ ЮО Гц до 20 кГц /12/. Прямых измерений о (со) па более высоких частотах, насколько ном известно, не существует.

Измерения проводились на образцах геометрии Корбипо с радиусами внутреннего и внешнего контактов 1 и 1.3'мм, соответственно. Омические контакты к образцам изготавливались вплавлением индия в вакууме при температуре 500°С. Исследовались структуры с концентрацией электронов в двумерном .слое Я = (2-3.5) чо''/ см'" и подотностм» ц (1-2.2) "Ю5 см2/в'с при Г = 4.2 К. Образец помещался г. колебательный контур, индуктивно связанный с приемной к , породаицвй коаксиальными линиями. Намерялась амплитуда прешедшего ВЧ сигнала (которая пропорциональна нагруженной . добротности контура) и резонансная частота в зависимости от магнитного поля. Лри стоп использовалась овтоподстроГлса частоты гоператора по частоте контура. Образиц мокно было отсоединять от контура в процессе измерений и таким образом определять 'собственную добротность "контура. Для калибровки схемы в контур помещали известный резистор вместо образца. Линейность отклика образца всегда проверялась. Величина ВЧ электрического полк в образце па . превышала ечсГ3 В/сы-'. На рис.1а,0 предстпвлоте результат;; иоыброшш дячго« • , ■ -в-

з ,т

С1

ю

1=г ¡-б

Г, МГц

ь

Рис. 1. Зависимость о^ для образца с концентрацией носителей З.Б'1011 си~2 и подвижностью 2.2'105 см2/в'с. Г=4.2 Я.

а) от магнитного поля: сплошная линия - изкореиия на частоте 330 [¿Гц, пунктирная линия - измерения па постоянном токе.

б) от частоты при факторах заполнение * t = 2, 4, 6.

-9-

нальной проводимости а^. Видно, что при целочисленных факторах заполнения уровней Ландау, соответствующих режиму КЭХ, высокочастотная проводимость существенно превышает проводимость, измеренную на постоянном токе. В частотном диапазоне 50-600 МГц ВЧ проводимость в режиме КЗ.- имеет сильную частотную зависимость и увеличивается с частотой почти линейно.

Мы наблюдали слр'ую температурную зависимость проводимости о^'ш) в режиме КЭХ. Понижение температуры от 4.2 К до 1.7 К приводило к уменьшению о^и) менее, чем в полтора раза.

В экспериментах наблюдался существадный (на порядок) разброс значений а^ш) в режиме КЭХ от образца к образцу без явно выраженной корреляции с данными на постоянном ■ токе. Однако во всех случаях ¿еличйна о^ы) в режиме КЭХ была много больше величины 0^(0) и почти линейно увеличивалась с ростом частоты. Отметим, что наши частотные зависимости качественно схожи с зависимостями, полученными на более низких частотах в /12/. Температурные ае зависимости в /12/ гораздо более . сильные, чем в нашей работе.

' Было проведено сравнение полученных экспериментальных данных с имеющимися теориями. Высокочастотная проводимость 20 системы, находящейся в условиях КЭХ, рассматривалась в . /13.14/ в рамках квазиклассического приближения. Согласно /13,14/ дисперсию диссипативной проводимости о^ш) можно . объяснить поглощением энергии внесшего высокочастотного ноля при совпадении частоты ы с частотой обращения электронов и дырок, дройфувсдих в магнитном поле по замкнутым эквипотенциальным' трас .сториям в шло случайного потенциала примесей. В работах /13,14/ - используютс« некоторые конкретные. представления о свойствах случайного крж:есного потешцюяа. Полученные зкскеркшягааыие результаты по удается согласовать с расчотои /13/». Выражение для с^ы), получошюо с рас'ото /14/'» сэдорш» ' два подгоночных пораглртра и при доста еочно разила.'« • . ■ . -ч'о-

значениях -тих параметров достигается неплохое согласие.с экспериментом.

В настоящее время нельзя исключить и другие, механизмы, приводящие к ВЧ поглощению. В /15/ обсуждается прыжковый механизм проводимости 2D электронов на постоянном токе. В принципе, этот механизм может иметь сильную частотную зависимость. Наконец, если в AlGaAa существуют несвязные области с "Ьуразз" проводимостью, то они могут проявляться в ВЧ поглощении и не давать вклада в измерения на постоянном токе.

В четвертой главе исследуются низкочастотные" (шх «

1, т - время релаксаги импульса в нулевом магнитном поле) краевые магнитоплазменные колебанья (КМК) в 2D электронном канале гетероструктуры GoAa-AlGaAa. Изучены закон дисперсии КМК, пространственное распределение электрического поля кмк. Измерены резонансные частоты и затухание КМК в режиме КЭХ при температурах ниже 1 К. Исследовано влияние температуры и степени заполнения электронных состояний на уровнях Ландау на спектр и затухание 'колебаний. Проведено сравнение полученных экспериментальных результатов с существующим! теориями. .

В начале главы приведены основные теоретические представления о ЮЖ. КМК представляят собой волну зарядовой плотности, распространяющуюся вдоль тсрая 22? системы /16-18/. Омичосккэ тот (т.е. токи, направленные •здоль электрического поля) долкин быть . много меньше колдовских, чюбы КИС было слабозатухапцим возбуждением. 3 /17/ получено точное ресенио задачи о КМК в однородном 2D ошктрошюгд канале, тзмеием форму полуплоскости. Расчет ¡YU проведен в рамках феноменологического подхода, з яотороч 2D электронный копал характеризуется •локаяьнни ■гейзером'• электропроводности о (о), предполагается, что •CKcieini тензора одлтропрогод-'остп скажем пзгзнявтся •о '"'-/ля на границе'2D кшала. Согласно /17/, частота ГС'ЛС > TO-¿~}ln(i/ql) - (i), запханяэ Г сэ.о^л"1!"1.»

* 14 1 -VvV

' 'яП/оиГ {?.), гдо q - волновой вектор КМ", е -

-и-

диэлектрическая проницаемость окружающей следа, I - ширина области вблизи границы 2С канала, в которой локализован заряд КМК. Как следует из /17/, в 22) канале с резкой границей I = 2%\ахх\/Еш (3). Собственные частоты и

затухание КМК в 20 канале конечных размеров, согласно /1?/, определяются правилом квантования: = =

Г(ди), qn = 2ил/Р (4), где Р - периметр 22) канала,

п - целое число. Правило квантования (4) применимо для описания КМК в образцах конечных размеров в том случае, когда ширина области вблизи границы 2д канала, в которой локализовано электрическое поле КМК, мала по сравнению с характерными размерами 22) канала.

В /18/ 'отмечена ограниченность существующей теории КШ /Г7/ со стороны силышх магнитных полей. Высказано ЗЛгЩрздение, что в достаточно силышх В ( > 1 2') йсййяыюсть закона Ома вблизи края 20 канала мозиет нарушаться и что роль длины I, на которой сосредоточен заряд КМК, начнет играть ларморовский радиус электрона гс. На наш взгляд, " настоящее время разумно рассматривать I как феноменологический параметр, подлежащий определению из эксперимента.' В данной работе мы подробно исследсзали свойства КМК в квантующем магнитном поле и сравнила полученные результаты с теоретическими предсказаниями /17,18/.

В разделе 4.1 приведен" результаты экспериментов по исследованию пространственного распределения электрического поля КМК в режиме КЭХ.

• В методической части раздела описаны экспериментальная установка, типы использованных в работе образцов, резонаторная методика измерений частоты и затухания краевых магнйтоплазме'йных -колебаний.

Исследовались готеросгруктуры СаАз-АХОаАз с 'Концентрацией и подвижностью "носителей - Э'Ю11 см-2 и 5'1о4 Ш2/в"с, соответственно. измерения проводились при Т = 4.-2 'Образец помещался в прохгтной коаксиальный четвертьволновой ¡реаойатор в пучность СВЧ электрического

-12-

полл. Измерялась зависимость амплитуды прошедшего через резонатор сигнала от магнитного поля на частоте резонанса. Нормированное на единичное внешнее СВЧ электрическое поле, поглощение в образце Р(ш,В) ~ (Л(ш,о)/Л(и,В) -1) (5),

где Л(и,В) - амплитуда прошедшего через резонатор сигнала в резонансе на частоте ш в поле В. Из экспериментальных зависимостей Л (В), измеренных н." разных частотах со, с помощью (5) мо;;ж> восстановить нормированное поглощение в образце как функцию частоты для различных фиксированных В и по полсненг'о максимума резонансной кривой Р(со) определить собственную частоту, а по ширине резонансной кривой - затухание кс :ебаний.

Измерения проводили на обраоцах с различной формой диэлектрической подложки.

Распределение шля в КМК исследовали качественно с помощью метода "возмущающего диэлектрика". На поверхность 20 канала помещали "возмущающий" диэлектрик (тонкая пластинка йаАэ) и измеряли возникающий сдвиг частоты ЮЖ. Этот сдвиг частоты характергиует интенсивность шля в месте расположения "возмущающего" диэлектрика.

Экспериментально изучались тайке зависимости частоты ЧМС от размеров и формы 20 электронного канала п диэлектрической подлоккч.

На основании проведешшх измерений били сделаны заключения о распределении полл з различных случаях.

Было показано, что диэлектрическое . скру.-'эниэ 20 канала сущэстионно влияет на характер прострзнстнегаюго распределегая электрического поля 1ШК. В образцах с подлоккой больших размеров, моделирующей "дчэлег.тричв-сксе полупространство",' поле ШС локализовано вблизи края 20 канала на длинах, пренебрегло малых по сравнении с линейными размерами 20 канала. В образцах с тонкой ди-элсмгрич слой подлоаяо.» ^Л - о.1 - 0.2, <3 - то.тзста под-лохзга) характерней' размер области локализация тюлп КгН вблизи кран 20 канала ямвот мэсатаб порядка для?« водш

-г}-

Существующее различие в характере пространственного распределения КМК в образцах с тонкий подложкой и в образцах с подложкой, моделирующей полупространство, объясняется в диссертации особенностями деполяризующего действия подложки. Тонкая подложка существенно уменьшает поле КМК вблизи края 20 канала и незначительно - на расстояниях от края 20 канала порядка дгшы волны КМК, делая тем самым КМК распределенным по 20 каналу. Подложка в форме полупространства не искажает распределение поля КМК, а лишь всюду уменьшает его в (е+1)/2 раз и КМК оказывается локализованным вблизи края 20 канала.

В заключительной части раздела 4.1 исследуется закон дисперсии краевого магнитоплазменного колебания в образцах с подложкой, моделирующей диэлектрическое полупространство. Из сравнения дисперсионной кривой с расчетом /17/ определен размер области вблизи границы 20 канала, в которой локализован заряд ЮЖ. В исследованных образцах (ц = 5'Ю4" см^/в'с) при заполнении V = 4 1-20 мкм.

В разделе 4.2 описаны измерения затухания и частоты КМК в условна*. КЭХ на образце с подложкой, моделирующей диэлектрическое полупространство. Проведено сравнение полученных экспериментальных результатов с феноменологической теорией /17/. "!з измеренных величин Шр _ и Г по формулам из /17/ вычислялись "действительная о^ш) и мнимая 0^.(0)) составляющие диагональной проводимости на частоте КМК-резонанса. Порученные в результате вычислений значения величин о__(ш) и о__(и) при у=4, о)=8.5"108 с-1 соответственно равны 2.240 и 4.5 "10 ом /□. Отмечено, что расчетное значение о^Ли) по порядку величины согласуется с соответствующими значениями, измеренными прямым методом в /19/ (см. глаьу 3).

Раздел 4.3 посвящен изучению температурных и магни-тополевых зависимостей затухания и собственных частот КМК. Измерения проводились в диапазоне температур 4.2-0.4 К в магнитных полях до 14 Г на образцах гетероструктур тАз-ДОаЛ^ с родошюстыо электронов ц > ю5 с^/в'сек.

-14-

ч

Исследовал: зь образцы квадратной и прямоугольной формы со стороной Ь = Зт5 км и толщиной подложки 0.4 мм.

В методической части раздела 4.3 описан метод-экспериментального исследования КМК, позволяющий измерять частоту и затухание основной и высших мод колебаний при фиксированном заполнении уровней Ландау. КМК возбуадались и детектировались с помощью двух г-шшатюрных коаксиальных кабелей, осуществляющих связь образца с генератором ч приешшком СВЧ колебаний. Разомкнутые концы кабелей располагались вблизи границы 2Т> канала (без гальванического контакта к каналу). С точки зрения теории цепей использованная - схемг. является схемой с проходным резонатором, причем СВЧ резонатором служит сам 20 канал. Изучались зависимости модности Р прошедшей СВЧ волны от частоты ш при фиксированных значеш!ях внешнего мапгатного-поля (рис.2),

На рис.2 показаны спектры КМК в условиях

239 МГц

с

.^ЧяуН^^У/ к,'-'/ 'У';¡у'' 119 МГц 09 МГц { 'ЯТ(ТЧ

П=ОТ У*1

о ел 1:а гл за <-.<я Г, Я Гц,

и

•ио.2. Спотстш Ш5К для образца П1 с п3 = Э.г'Ю1 см п 1 - З-Ю*5 с^гУБ'а. Око до розопгшсгак ГП'КОП СХема'г.ТЧОС'Н! •.оксзкш ргопределения тока с розл?пна г:одпх Й.Я.

-13

точностью (определяемой разрешающей способностью эксперимента (=1%)) резонансные частоты КМК прог, лрциопалыш V. Проведенные нами исследования показал!, что при целых

V линейная (~г>) зависимость выполняется для узких линий КШС (добротность колебаний Я _> 30), которые реализуются в достаточно совершенных гетироструктурах тти низких (<1 К) температурах. При добротностях колебаний £> 20 мы

'наблюдали отклонения от линейной зависимости ^(у) ~ V (для целочисленных V) в сторону уменьшения резонансной частоты КШ1.

Результаты измерения магнитополешх и температурных зависимостей частоты затухания КМК в области КЭХ показаш на рис.3.

Видно, что затухание КМК немонотонно зависит от V и минимально в условиях целочисленного заполнения уровней Ландау. Резонансная частота К),Ж, достигает максимума при целочисленном V и незначительно уменьшается при отклонении

V -от целочисленного значения.

МГц 22С 2К 200 (90

Рис.3. Зависимости частоты и ширины линии основной моды КЫК от магнитного поля (а) и те тюратуры (б). Поло 5.5 Т соответствует фактору заполнения v = 2. Образец кг, п3 = ц =ю5 cvP/B'C.

-16-

г.гчо11 см.2

Повы-этю температуры в интервале 0.4-4 Я приводит к незначительному (~3%) понижению резонансной частоты К?/К. Затухание КМК возрастает с температурой по зако~ у, близкому к линейному; относительное изменение затухания КМК при изменении температуры от 0.4 до 4 К составляет ~1СОЯ.

Обнаруженные особенности низкотемпературного поведе-1шя резонансных частот и затухания КМК можно объяснить, полагал, что ширина распределения краевого заряда игеет вид 1 = 1 + /(о^) (6), где lQ - не зависит от В 11 Т, а / - возрастающая функция a' [v>). Кроме того, мь. предполагаем, что в условиях КЭХ, когда о^Дю) достаточно мала. •/ << I . D отом случае I « I , логарифмический пнеютоль в вырпжэщтн для часта и КМК перестает зависеть от v и w (v) ~ V. При достаточно большой величине ^¿¿.(ш) уг-еньшение ш , связанное со вторым слагаемым в (6), можзт стать бельке эксперикен.лльной саибки. Этш, на наш взгляд, объясняется уменьшение ш при швыпении температуры от 0.4 до 4 К, немонотонный ход зависимости ш (v) в окрестности целечи ленных факторов заполнчтпя. Можно утезрадгть, что величина ! п-з определяется лармо-рогеккм радиусом, т.к. в этом случае было бы I ~ В-1, что не согласуется с экспериментом. Енракшо для г, полученное в работе /17/, ус:г.о согласовать- с *;ксиерге.!ентсм только при услсвкп, что в режиме КЭХ a ffi!) >> o^do) ¡i о^-М/ш не зависит от v.

Следуот отмзтить, ЧТО в03к073ш ii другие !-гахаШЗ!.!Ы, определяющие IQ: наличие переходного слоя (аиртшоЯ ~1Q) Еблиуи ¡epan 2D кпналп, в которо" гонлэгел концентрация носителей, либо наличие флуктуацкй примесного потенциала с длиной корреляции "í0.

В эшигоченш сформулированы основные результаты роботь* внносйшоПнГ защиту.

-17-

Основной материал диссертации опубликован в следующих работах:

1. Батов И.Е., Кулешов В.Ф., Тальянский В.И. Электропроводность чистой поверхности Се(111), образованной скалыванием при низких температурах. Поверхность. Физика, химия, механика, 1987, N1, с.94-99.

2. Батов U.E., Тальянский В.И. О влиянии адсорбции 0? на электропроводность поверхности G©(111). - В кн.: Тезисы докладов • Всесоюзной конференции "Поверхность-89" Черноголовка, 1989, с.108.

3. Батов U.E., Говорков С.А., Медведев Б.К., Мокеров В.Г., Тальянский В.И. О распределении поля в краевых маг'нитоплазменных колебаниях в ZD канале гетероструктуры CaA3-AlGaAs. - ЖГФ, 1989, т.59, в.8, с.136-138.

4. Батов И.Е., Медведев Б.К., Мокеров В.Г., Тальянский

B.К. Исследование краевых магнитоплазмешшх колебаний в двумерном электронном канале гетероструктуры GaAs-AlGaAs. - В im. : Тезисы докладов ■ XI Всесоюзной конференции по физике полупроводников. - Кишинев, 1988, т.1, с.176.

5. Тальянский В.И., Батов И.Е., Медведев Б.К., Коттхауз И., Вассермайер М., Виксфорд А., Вайманн Дк., Шлап в., Никель X. О спектре низкочастотных краевых мапштоплазменных колебаний в режиме квантового аффекта Холла. - Письма В ВЭТФ, 1989, Т.50, в.4, с.196-198.

6. Батов U.E., Тальянский В.И. О распределении поля в краевых магнитоплазменкых колебаниях в 2D канале Гетероструктуры GqAs-AlGoAa. ~ ФТТ, 1S90, т.32, в.2,

C,503-503.

7. Tal'yanskii V.l., Waccerceior Ii., ïïisforth A., Ochinov/o ¡¡,, Kotthaus «J.R., Batov I.E., Weijnanrx G., Nickel H., ßciü-зрр ïï. Edge Magnetoplasmons in the Quantua ЙаХ1 Effect Regtae, ^ Surface Scienoe, 1990, v.229, N1, p.40-42.

B, Batov I.E., PolisBkii A.Y., Reznikov M.I., Tal'yanskii Sc'f V.I, High-frcijuenoy Conductivity of a 2D Electron Channel

of tho GaAs/AlGaAB Heterostructure in tho OHE Regirr.o. -Solid State Соям.. 1990, v.76, N1, p.25-27.

-18-

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. v.Klltzlng К., Dorda 0., Peper M.//Phys.Rev.Lett. 19ВО. 7.45. П6. P.494-497. '

2. Говорков С.А., Резников И.И., Сеничкин АЛ.. Тальялсккй В.П. //Лиси.J В КЭТФ. 1986. Т.44. К8. С.380-382.

3. Вул В.М., Заварицкая Э.И., Заварицкий В.Н.//Письма в ГОТФ. 1981. Т.34. N6. С.371-374.

4. АОессонова Л.Н., Добровольский Ь.Н., Иаргах Ю.С.//ФТП. 1975. N5.С.957-960.

5- Картах Ю.С., Лысоченко С.В.//Письма в ЛИТ®. 1982. Т.35. II?. С.204-206.

6. Катрич Г.А., Сарбетг О.Г., Таращешсо Д.Т.//ФТТ. 1965. 'Г.7. N5. С.1352-1361 .

7. Заварицкая Э.И., Сокол Б.Г.//Письма в ИЭТО. 1991. 'Т.53. 114. С.196-200.

8. Вул В.М., Заварицкая Э.И., Заварицкий В.Н.//Письма в. дЭТФ. 1982. Т.35. N5. С.209-212.

9. Kuchar F., Meiseis R., íYeirnann u., Sohlapp V/.// Phys.Rev.B. 1986. Y.33. 114. P.2S'5~2967.

10. Волков В.Л., Галчешсов Д.В., Галченков Л.А., Грозненская И.М.,. Матов О.Р., Сеничкин A.n., Старостин ТС.Л.//Письма В "ЭТЭ. 1936. Т.43. Н5. С.255-257.

м, ^тттешсов Л.А., Гродненский ИЛ,!., ТСостовешшй М.В., ...UT0L1 О.Р. //Письма в ЛЭТ0.1987. Г.4б. 411. С.430-432. 12. Loo J.I., Goldberg В.Б., Heiblun ГЛ., 3tile3 ?.J.//Solid, otate Сокп. 1937. V.64. iU. P,447-450.

П. .Joynt K.//J Phys.C: Gol.Stats Plxys. !?05. 7.13. N13. P.L331-L336.

!.', .SJTOIKO C.M., Лозовшс D.E.//SOT"'. 1905. T.U9. Iß.

0.ТП-ЗО 3.

"obcrS 4.1,,, Raymond Л-, ÍTuloi; -T.Y., Bousquot 0., "¿rx-StiHl П., 'íubina Ц., .todri .T.r.//íhytí.Hcv.B. 1939. 7 ,У). ЛЗ. 1032-1036.

iíi.. "o~i£cn D.A., ТйхаОлов O.A.//It'.ci-ra з 7.42.

'.'"! i - С.',50-453.

'.7- Подзов 9.Л., ¡"чхс'Ьюо СТ.94. йз!

0.217-241.

18. Шшшн В.Б.//Письма В ЖЭТФ. 198£. T.4V. N9. С.471-473.

19. Batov I.E., Polieskii A.V., Reznikov M.I., Tal'yanskü V.l.//Solid..State Comm. 19S •• v.76. N1. p.25-27.

,26.I2.-I95-Ij„ :3aк,. 766 Объё 1,25п.л. Тир. ЮОгкз.

Типогра^ик ИХФЧ РАН