Кинетика электронов в композитной наноструктуре на основе соединения InAs/AlSb тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

На правах рукописи

АФАНАСОВА Марина Михайловна

Кинетика электронов в композитной наноструктуре на основе соединения 1пА§/А18Ь

01 04.04 - физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

003150768

Рязань - 2007

003158768

Работа выполнена на кафедре общей и теоретической физики и МПФ Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рязанский государственный университет имени С А Есенина»

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор

КАДУШКИН Владимир Иванович

доктор физико-математических наук, профессор СТЕПАНОВ Владимир Анатольевич Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук, профессор

ВОЛКОВ Степан Степанович

кандидат физико-математических наук, доцент ШАНГИНА Елена Леонидовна

Ведущая организация - Научно Производственное Объединение "Плазма"

Защита диссертации состоится « » н^лбрл- 2007 г. в часов на заседании диссертационного совета К212.212.02 в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина» по адресу 390000, г Рязань, ул Свободы, 46, ауд. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рязанский государственный университет имени С А. Есенина»

Автореферат диссертации размещен на сайте университета (www. rspu ryazan u)

Автореферат разослан C&MJl&pds 2007 г. Ученый секретарь

диссер1ационного совета M^^L' А Б. Ястребков

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 AISb/InAs/AlSb Несомненно, привлекательно использовать большую величину разрыва зоны проводимости на

гетерогранице (и 1 35 eV) и малую величину эффективной массы (т*/тп~ О 035-0 055) 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 ц 2D электронов в квантовой яме В образцах с концентрацией и~1012 см'2 для комнатной температуры достигнуты величины подвижностей порядка 3 104 см2/Вс, а при гелиевых температурах величины /л 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 AISb/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 на-

чинается заселение возбужденной подзоны размерного квантования (ПРК)

2. Идентифицировать доминирующие механизмы рассеяния в сильнолегированных гетероструктурах типа InAs/AlSb

3 Объяснить явление интермодуляции осцилляций поперечного маг-нитосопротивления

4 Выяснить роль электрон - электронного (е-е) 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

i. Обнаружено явление сильной амплитудно-частотной модуляции осцилляций поперечного магнитосопротивления в гетеросистеме AlSb{<5-Te)/InAs/AlSb(<y -Те) Установлена и исследована зависимость интермодуляции осцилляций от температуры (Т= 4 2-28.6 К) и концентрации (пН0 6-4 2) 1012 см'2)

2 Немонотонная зависимость амплитуды осцилляций поперечного магнитосопротивления от магнитного поля обусловлена межподзонным электрон - электронным взаимодействием при Т— 4 2-28 6 К

3 На основе анализа времени релаксации электронов установлена определяющая роль межподзонного е-е взаимодействия в формировании уши-рения уровней Ландау для структур AlSb( S -Te)/InAs/AlSb( S -Те) в диапазоне температур Т= 4 2-28 6 К

4 Установлен немонотонный характер зависимости времен релаксации электронов от магнитного поля (В=2-7 Тл) и температуры (Т= 4 2-28 6 К), отражающий конкуренцию механизмов внутри и межподзонной релаксации импульса

5 Исследование заселенности 2D электронами ПРК в интервале кон-

центраций ns=(О 6-4.8) 1012 см"2 с учетом влияния эффективной массы позволило определить концентрационный порог заполнения второй ГТРК.

6 Показано, что доминирующими механизмами рассеяния электронов в сильнолегированных структурах AlSb( S -Te)/InAs/AlSb( S -Те) в условиях низких температур 1 =(4.2-10.2) К являются ионы легирующей примеси и неоднородности гетерограниц

7 Установлено, что рост эффективного g* - фактора (68) в подзонах размерного квантования обусловлен межподзонным е-е взаимодействием Объяснена зависимость фактора спектроскопического расщепления от магнитного поля (5=2-7 Тл) и концентрации «s=(0 6-4 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 Шубнико-ва - 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 2-10.2 К), позволяющая подробно исследовать особенности релаксации носителей в гетерострук-турах 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 ГпАв/АШЬ (^=(0.6-4 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

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 Electncal 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 проявляют-

ся 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 тч(В)

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 2П 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 ра (В)

Таблица 1 Параметры гетероструктур ¡пАв/АШЬ, измеренных при 4 2 К

№ серий образц л*/и*, 10,2см"2 тт/гр, 14' Ю-'4 с г, Ю-'2 с м ю5 см2/ В с К. 1018см"3 т*/ /щ Е, эВ

1 0 61/- 8 3/- 3 46 1 84 - 0.033 0 046

4 0.83/- 8 7/- 90 4.40 - 0.036 0 056

5 1 8/0 6 6 2/5 0 2 39 1 00 0.86 0 042 0 137

6 2 2/1 0 6 5/5 2 1 54 0.63 1 5 0 043 0 179

7 2 7/1 1 7 1/5 8 1 50 0 55 20 0 048 0 194

9 3.6/0.62 12 0/5.5 1.70 0.53 24 0 056 0 194

Исходя из данных таблицы 1, можно выделить связь между концентрациями в основной пт и возбужденной пр подзонах размерного квантования. На рис. 1 приведены зависимости пт(пТ), и пр(пт), где пт= пт+пр Излом на пт(щ) и аппроксимация пр(пТ) на предельное значение пр=0 дают величину по-

роговой концентрации гъ=8 3 10" см2 Теоретическая оценка порогового значения концентрации для квантовой ямы с с!=\50 А равна 6 6 10п см"2

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

В четвертой главе, посвященной механизмам рассеяния в легированных и нелегированных структурах ¡пАз/АШЬ, 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 А1БЬ(д' - Те)ДпАз/А18Ь(£ - Те)

Механизмы е - е релаксации, определяющие затухание квантования Ландау в структурах А!8Ь(Те+)/1пА8/А15Ь(Те+) Из экспериментальной зависимости поперечного магнитосопротивления от магнитного поля получены магнитополевые зависимости нормированной амплитуды осцилляций 1п£„,Д1 /£),„„,„ - графики Дингла Их анализ проведен в широком диапазоне концентраций и магнитных полей для 2В электронов Обнаружены аномалии в явлении затухания квантования Ландау. 1) осциллирующая зависимость нормированной амплитуды осцилляций 1п<?„ Д1/в);=«».« от обратного магнитного поля, 2) участки с отрицательной температурой Дингла

Характерный для структуры АШЬЛпАб/АШЬ с двумя заполненными подзонами осциллирующий вид зависимости 1п<5„, Д1 /В),,„,„„, представленный на рис 2, указывает на сложный характер уширения Ит и Ир уровней Ландау Точки максимумов и минимумов \пдт=/(1/В) в магнитном поле В определяются областью локализации функций плотности состояний Отр(Е) для основной и возбужденной подзон размерного квантования О(Е) описывается несимметричной 6 - функцией с уширением кТ»+кТ и имеет резкие границы Перекрытие функций плотности состояний Ор(Е) и От(Е) приводит к инициированию межподзонного взаимодействия

Магнитное поле, соответствующее резонансному выходу И„ и Л^ уров-

g

ней Ландау на уровень Ферми и «включению» межподзонного е-е взаимодействия, определяется формулой

Bmp=*hbnmp/e ANmp, (3)

где Аптр=пт-пр, AN„n = Nm-Np.

Выполнены оценки резонансных полей согласно (3) и данным рис 2 Для серии образцов гетероструктуры InAs/AlSb с разностью концентраций в основной и возбужденной подзонах - дптр =(1 2±0 15)-1012 см"2 оценки величин 1/Втр согласно (3) для указанных значений &лтр и an„ р следующие 0 40, 0 32, 0 24 и 0.16 Тл"1. Из рис 2 следует, что резонансы следует ожидать для величин ANmp, близких к (л^.А^) (15,5), (12;4), (9;3), (6;2), в магнитных полях. 0 40, 0 32, 0 22, 0.14 Тл"1

Сравнивая результаты, полученные по формуле (3) и из графика -рис.2, отметим, что наблюдается хорошее совпадение теоретического расчета резонансных магнитных полей и экспериментальных данных

Таким образом, в резонансных условиях создается возможность исследовать межподзонное е-е взаимодействие, вызывающего осциллирование зависимости логарифма нормированной амплитуды осцилляций поперечного магнитосопротивления в обратном магнитном поле

Ломаная зависимость \xid(l/B)T=Const аппроксимируется системой линейных участков серии 1(а, с, е, g) графиков Дингла Рассмотрим механизмы релаксации, формирующие каналы рассеяния в области магнитных полей, когда под уровнем Ферми находится некоторое число магнитных подзон Ландау в Ет и Ер подзонах размерного квантования

Участки серии I соответствуют магнитным полям, в которых на уровне Ферми перекрываются максимумы функций плотности, приводя к инициированию магнитным полем межподзонного е-е взаимодействия Суммарное квантовое время определено по правилу Маттисена из выражения-

(2)

где г™ ( tI¡) - время взаимодействия внутри подзоны Ет (Ер), т™ - время меж-

подзонного взаимодеиствия электронов

о

2 0-

фс. Ч\ 2 3 4 5 N

\ \\ I I1 I I I1 I I t I I t—r-í

о|/ ^

0 1 0 2 0 3 0 п„10'2 сш"2 Рис 1 Заполнение Ет и Ер подзон размерного квантования (А18Ь/1пА5/А18Ь) при изменении суммарной концентрации пт =ит+пр с

1-2

-2 0

0 0 1 0 2 0 3 1/В, Тл1

ростом концентрации легирующей примеси рис 2 Зависимости нормированной на в S - Те слое Штрихпунктирные линии- за- конечную температуру (Т—4 2 К) ампли-висимости \-п„(пг), 2-пр(пт) штриховая линия туды осцилляции In[5 (1/В)] от обратного

Параметр , входящий в соотношение (2) для областей «а», «с» и «е» различен Наклон участков I (а, с, е, g) на рис 2 позволил установить параметрическую зависимость времени столкновительного уширения от магнитного поля тц ~ В'06 (рис 3) Уменьшение г„ при увеличении В связано с "примешиванием" к внутриподзонному е-е взаимодействию (на участках серии / г„ определяется величинами г" и ) другого механизма. На участках магнитных полей «Ъ», «d» и «f» (рис 1), когда максимумы плотности состояний Ц„(Я) с номером Nm в Е„ подзоне попадают в энергетический зазор между Г>Г(Е) Np и Np,i уровней Ландау, время нетеплового уширения г*'" определяется временем внутриподзонной релаксации 2D электронов Е„ и Ер из выражения

- единичная биссектриса

магнитного поля 1/В образца для структуры ¡пАй/АЙЬ основной Е„ (I) и возбужденной Ер (2) ПКР »,♦(□, о)-тах(тт) ос-цилляций ШдГ

i/C=i/r;+i/i

(3)

Из соотношений (2) и (3) определяется время межподзонной релаксации для участков «а», «с», «е», относительно участков «о», «а», «/» и его зависимость от магнитного поля Исследования показали, что для структуры {пАэМЛБЬ невозможно определить время столкновительного уширения на участках серии II ть/ ' Подавление межподзонного взаимодействия магнитным полем является настолько резким, что приводит к изменению наклона графика Дингла с инверсией знака, наблюдаются участки \пёп „(У в)г.111т, с отрицательной температурой Дингла То А1пг>'(1/5)/Д(1/й)<0 На участках «Ь», «ё», <ф> параметр То, не имеет физического смысла

Оценка погрешности результатов, представленных на рис 2, составила не более 10%, включая погрешность графического метода и коэффициентов в методе наименьших квадратов

Исследования затухания квантования Ландау в сильнолегированных структурах А18Ь/1пА8/А18Ь позволяют сделать вывод, о том, что наблюдаемая осциллирующая зависимость в магнитном поле определяется в резонансных условиях сильным межподзонным взаимодействием х»

я

0 50 40 3" 0 2"

о;

5 <В>.Тл

и,10,2ст2

Рис 3 Зависимость времени релакса- Рис 4 Фурье-спектр осцилляции поперечно-ции на участках а, с, е от В для об- го магнитосопротивления разцов с разной концентрацией

Существенно большая контрастность резонансов на ¿(Ш^ол* рис 2 обусловлена двумя причинами:

1 В исследуемой гетероструктуре ЫАв/А^Ь электроны Ет и Ер подзон двумерные и функции плотности состояний Отр(Е) имеют 3 - образную форму

(с уширением к(Т+Тп))

2 С другой стороны, распределение электронной плотности в

квантовой яме гетероструктуры 1пАз/А18Ь симметрично и возмущающий потенциал ионизованных примесей д -Те воспринимает вся 20 электронная т -и р - система

Идентификация доминирующих механизмов рассеяния Аппроксимация экспериментальных зависимостей 1 и 2 (рис 2) зависимостями /* и 2* позволяет противопоставить сложному процессу релаксации в системе 2В электронов подзон в исследуемом интервале магнитных полей некий гипотетический процесс с усредненным механизмом и уширением кТ°' и кТ^ для каждой из подзон размерного квантования

Основной механизм, определяющий релаксацию 20 электронов в активном канале, - это рассеяние электронов на большие и малые углы при взаимодействии с потенциалом ионизированных примесей Характерным масштабом, на котором Ю электроны чувствуют кулоновский потенциал, является длина экранирования /„' = 2—, где gv - коэффициент долинного

а*

вырождения (gv = 1), а* =-5--эффективный радиус Бора, а0=—

ш*/т0 тйе"

е(е0) - диэлектрическая проницаемость среды (вакуума), т* - эффективная масса, т0 - масса свободного электрона. Для структуры 1пАз/А18Ь с учетом изменения эффективной массы т*/ =0 033-0.055 длина экранирования 10=

/ то

190-120 нм Так как ионизированные примеси Те находятся на расстоянии 150 А от гетерограниц квантовой ямы, в пределах длины экранирования (1Р > Ь), ионы примеси являются эффективными рассеивателями 20 электронов в квантовой яме 1пАб

Источником рассеяния 20 электронов являются дефекты гетерограни-цы, которые искажают потенциальный рельеф В данной структуре постоянные решеток 1пАв и А1БЬ рассогласованы на 15 % Среди основных можно

отметить следующие дефекты' 1) трехмерные, обусловленные неупорядоченностью атомов выше границы раздела, 2) одномерные дефекты (ступеньки границы раздела) обусловлены обменом элементов, 3) точечные дефекты (антисостояния, вакансии и примеси)

Таким образом, можно выделить два источника рассеяния электронов: кулоновское и рассеяние на шероховатостях гетерограниц Подтверждением являются результаты, полученные из осцилляций ШдГ графическим методом и Фурье-спектроскопии

Фурье - спектр осцилляций ШдГ представлен на рис 4 Здесь присутствуют пики основных частот Рт(а) и Рр(Ь), соответствующих основной и возбужденной подзонам, пики комбинационных частот суммарной - пик с1, разностной - пик с

Таблица 2 Соотношения параметров электронного газа в Ет и Ер подзонах, полученных

графическим методом - 2 и 3 столбцы, методом Фурье - 4 и 5

№ серий обр параметр Ту 4 / К 4 /к

5 081 <1 1 2 >1 1 13 >1 0 88 <1

6 0 63 <1 1 60 >1 1 8 >1 0 57 <1

7 0 81 <1 1 2 >1 2 44 >1 0 41 <1

9 044 <1 23 >1 5 40 >1 0 19 <1

Для всех исследованных образцов (таблица 2), отличающихся только уровнем легирования и температурой опыта, выполняются соотношения л1т1л,г>\ (5) и т;/т;>1 (6)

Где А, (А, )- амплитуда пика Фурье-спектра, соответствующего основной

(возбужденной) подзоне размерного квантования Допустив, что транспортные времена в Ет и Ер подзонах определяются рассеянием на кулоновском потенциале примесей г" 1т'> 1, тогда соотношения (5) и (6), объясняются тем, что транспортное время т,я р электронной системы контролируется кулонов-ским рассеянием электронов на ионизированных примесях, а малоугловое

время - рассеянием на шероховатостях гетерограниц

Пятая глава посвящена исследованию явления интермодуляции в ге-тероструктуре InAs/AlSb Для изучения причин, ее обуславливающих, использовались спектры Фурье осцилляций магнитосопротивления Изучены частотные и амплитудные особенности спектров Фурье для данного соединения

Анализ Фурье - спектров (рис 4) и данных таблицы 2 показал:

1 Для образцов InAs/AlSb во всем интервале температур выполняется неравенство. а'~/а >1 Соотношение пиков лк и а,г в спектрах определяется

механизмом восприятия возмущения от внешних источников

2 В результате возрастания числа электронов в Ет подзоне размерного квантования внутриподзонное е-е взаимодействие становится более интенсивным На Фурье - спектре увеличение интенсивности отражается в росте амплитуды пика основной гармоники.

3. В спектрах Фурье осцилляций (рис 4) для образцов InAs/AlSb хорошо разрешимы комбинационные частоты суммарная Fm + Fp (с) и разностная Fm -Fp (d) Выяснено, что амплитуда пиков Fm±Fp зависит от интенсивности переходов электронов между подзонами, вызванных переходами внутри подзоны и интенсивности внутриподзонных переходов Наличие комбинационных пиков и их амплитуда определяются межподзонным взаимодействием

В этой же главе проведен анализ фактора спектроскопического расщепления в легированных и нелегированных структурах InAs/AlSb.

В гетероструктуре InAs/AlSb было обнаружено расщепление уровней Ландау в основной и возбужденной подзонах в системе 2D вырожденных электронов, вследствие спин- орбитального взаимодействия Фактор спектроскопического расщепления в сильных магнитных полях принимал значения |g*¡=68 в Ет подзоне, |g*|= 60 в Ер подзоне

В структурах с двумя заполненными подзонами изменение эффективного g- фактора зависит от взаимного расположения уровней Ландау основ-

ной (Ет) и возбужденной подзон (Ер) вблизи уровня Ферми Вследствие сильного е-е взаимодействия эти уровни не являются независимыми При совпадении максимума плотности состояний (дна уровня Ландау) Ер подзоны с минимумом спин - расщепленных уровней, на уровне Ферми число состояний резко возрастает и е - е взаимодействие усиливается, что дает рост эффективного g — фактора Увеличение магнитного поля вызывает рост фактора спектроскопического расщепления Последовательный выход уровней Ландау за уровень Ферми сопровождается опустошением уровней и переходом электронов на ниже расположенные уровни Ландау, приводя к увеличению числа состояний Рост числа состояний на уровнях приводит к усилению е-е взаимодействия, следовательно, увеличению эффективного ^-фактора

Анализ большого числа образцов показал, что уменьшение значения g - фактора с ростом концентрации носителей до |g*¡= 15, характерного для объемного полупроводника InAs, является результатом уменьшения длины кулоновского рассеяния

Основные выводы и результаты диссертационной работы

1 Рассмотрены аномалии малоугловой релаксации электронов в сильнолегированных наноструктурах InAs/AlSb с двумя заполненными ПРК. Показано, что такой характер зависимости обусловлен сильным межподзонным электрон - электронным взаимодействием

2 Установлен характер заселения 2D электронами подзон размерного квантования в зависимости от уровня легирования гетероструктуры InAs/AlSb с учетом концентрационной зависимости эффективной массы

3 Установлено, что повышение затухания квантования Ландау в структуре InAs/AlSb, относительно арсенид - галлиевой системы обусловлено архитектурой слоев гетероструктуры, а именно S - Те слой находится на расстоянии в пределах длины экранирования от гетерограницы

4. Показано, что сильная контрастность резонансного модулирования амплитуды осцилляции основной Fm гармоники осцилляциями возбужденной гармоники зависит от соотношения концентраций основной и возбужденной

подзон размерного квантования

5 Обнаружена и объяснена зависимость эффективного §* - фактора от концентрации и магнитного поля для структуры ¡пАб/АШЬ с несколькими заполненными ПРК

6 Показано, что доминирующие механизмы рассеяния в селективно легированных структурах А18Ь(<5-Те+)/1пАз/А18Ь(<5-Те+) определяются пространственным распределением зарядов и шероховатостями гетерограниц

7 Предложен новый метод идентификации экстремумов, который позволяет выявить особенности в уширении уровней Ландау, связанных с относительным расположением подуровней вблизи уровня Ферми основной и возбужденной ПРК

8 Большая величина £-фактора ( > 60) второй ПРК определяется интенсивным межподзонныме-е взаимодействием

Основные результаты диссертации изложены в публикациях автора общим объемом 5 п л

1 Афанасова М М, Горбунова Ю Н , Устинов А М Особенности проявления межподзонной е-е релаксации в Фурье-спектрах осцилляции маг-нитосопротивления Шубникова - де Гааза// Труды IX конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов, Владивосток - Владивосток, 2005 - с 29-32 (0,2 п л.)

2 Кадушкин В.И, Афанасова М М , Горбунова Ю Н, Устинов А М Резонансная модуляция е-е релаксации квантующим магнитным полем// Материалы 2-ой Международной конференции «Физика электронных материалов», Калуга - Калуга, 2005 -Т 1 - с. 248-251 (0,2 п л)

3 Кадушкин В.И., Афанасова М М Низкотемпературный магни-тотранспорт 2Э и ЗО электронов// Рязанский государственный университет им С А. Есенина.-Рязань, 2006-21 с ,ил, библ20- Рус.-Деп в ВИНИТИ 17 05 06 №667-В2006(1 3 п л )

4 Афанасова М М Механизмы рассеяния в сильно легированных

структурах AlSb(£-7е+ )/InAs/AlSb(<?-7e+) с вырожденным 2D электронным газом//Электроника1 сборник научных трудов. Рязань РГРТУ 2006 С 108-120(0.8 пл)

5 Афанасова М М Эффективный g*-фактор спектроскопического расщепления в нелегированных и селективно легированных структурах AiSb/InAs// Электроника сборник научных трудов Рязань РГРТУ 2006 С 99-107 (05 пл)

6 Афанасова М М., Степанов В А Аномалии затухания квантования Ландау в гетероструктурах AlSb(Te+)/InAs/AlSb (Те+) с вырожденным 2D электронным газом // Материалы 5-ой Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики полупроводников и источников света», -Саранск - 2007 - С 60 (0 1 п л)

7 Кадушкин В И, Афанасова М М, Горбунова Ю Н Эффективный g*-фактор спектроскопического расщепления в селективно легированных гетероструктурах AlGaAs/GaAs и AlSb/InAs// zhurnal gpi ra/articles/2006/ 205 pdf (0 6 п л )

8. Афанасова M M, Степанов В А Особенности Фурье-спектров ос-цилляций Шубникова де Гааза в гетеросистеме InAs/AlSb// Вестник Рязанского государственного университета имени С А Есенина Рязань 2007, №2 С 114-120 (05пл)

9 Афанасова М М,, Степанов В А Роль электрон - электронного взаимодействия в явлениях низкотемпературного магнитотранспорта вырожденных 2D электронов// Вестник Рязанского государственного университета имени С А Есенина Рязань 2007, №3 - С 91 -93 (0 3 п л )

10 Афанасова М М, Степанов В А Сравнительный анализ параметров и свойств вырожденного двумерного электронного газа в структурах InAs/AlSb AlxGai.xAs/GaAs// Вестник Рязанской радиотехнической академии РГТУ Рязань 2007 Вып 22 С 52 - 59 (0 5 п л )

Отпечатано с готовых диапозитивов В ООО фирма «Интермета» г Рязань, ул Семинарская, 5

тел 25-81-76 заказ № 985 тираж 120 экз

Введение.

Глава 1. Анализ состояния проблемы и постановка задач исследования.

1.1 Обзор современного состояния проблемы.

1.2 Выводы и постановка задач исследования.

Глава 2. Теоретические аспекты теории вырожденных электронов в квантующих магнитных полях и методы исследования параметров носителей в гетероструктурах.

2.1 Теоретические выводы из квантовой теории электропроводности вырожденного электронного газа в сильном магнитном поле.

2.1.1 Квантование Ландау.

2.1.2 Плотность состояний электронов в магнитном поле.

2.1.3 Основные эффекты, влияющие на уширение функции плотности состояний.

2.1.4 Физическая природа осцилляций Шубникова де Гааза.

2.1.5 Квантовое и классическое времена релаксации электронов.

2.1.6 Информационные возможности осцилляций.

Шубникова-де Гааза

2.2 Методы исследования осцилляций магнитосопротивления.

2.2.1 Графический метод анализа (метод Сладека).

2.2.2 Метод Фурье анализа.

2.3 Выводы.

Глава 3. Описание образцов InAs/AlSb и определение основных параметров структуры.

3.1 Экспериментальные образцы и методика эксперимента.

3.2 Общая характеристика наноструктуры InAs/AlSb.

3.3 Зонная диаграмма исследуемой структуры InAs/AlSb.

3.4 Заполнение подзон размерного квантования.

3.4.1 Экспериментальные оценки пороговой концентрации носителей.

3.4.2 Теоретические оценки порогового значения концентрации носителей.

3.5 Общие закономерности поведения вырожденного электронного газа

3.6 Идентификация экстремумов осцилляций.

3.7 Выводы.

Глава 4. Механизмы рассеяния в нелегированных и селективно - легированных структурах InAs/AlSb.

4.1 Природа затухания квантования Ландау в структуре InAs/AlSb 2D электронным газом.

4.2 Резонансная модуляция амплитуды осцилляций поперечного магни-тосопротивления.

4.3 Времена внутри - и межподзонной релаксации в квантующих магнитных полях.

4.4 Доминирующие механизмы релаксации в нелегированных и селективно легированных структурах InAs/AlSb.

4.5 Выводы.

Глава 5. Амплитудно-частотная модуляция осцилляций поперечного магнитосопротивления для нелегированных и селективно легированных гетеростру ктур In As/ AlSb.

5.1 Спектральные особенности осцилляций магнитосопротивления.

5.1.1 Частотные характеристики Фурье - спектров.

5.1.2 Амплитудные характеристики Фурье спектров.

5.1.3 Анализ Фурье - спектра для структур с одной заполненной подзоной.

5.1.4 Анализ Фурье - спектра для структур с двумя заполненными подзонами.

5.1.5 Выводы.

5.2 Эффективный g*-фактор спектроскопического расщепления в нелегированных и селективно легированных структурах AlSb/InAs.

5.2.1 Оценка эффективного g^-фактора.

5.2.2 Выводы.

Развитие нанотехнологий стимулировано разработкой полупроводниковых структур, выращиваемых методами молекулярно-лучевой эпитаксии, и созданием на их основе принципиально новых приборов и устройств электроники среднего инфракрасного диапазона, оптоэлектроники и спинтроники, широко используемых сейчас в системах хранения, передачи и обработки информации.

При создании любого прибора, основным элементом которого является наноструктура, требуется знание транспортных и оптических свойств данной гетероструктуры. Эти элементы размером в несколько десятков нанометров состоят из слоев различных полупроводниковых материалов. Физические процессы в них определяются квантовыми свойствами частиц и их взаимодействием, которые проявляются при столь малых размерах структуры. Пространственные ограничения принуждают частицы находиться на более близких расстояниях, усиливая эффекты обменного и корреляционного взаимодействия.

Получение конкретных технических решений по созданию элементной базы приборов наноэлектроники не может быть проведено без теоретических и экспериментальных исследований квантовых эффектов в наноразмерных структурах.

Одной из низкоразмерных систем, которая привлекает внимание исследователей, но еще мало изучена, является структура AlSb/InAs/AlSb. Несомненно, привлекательно использовать большую величину разрыва зоны проводимости на гетерогранице 1.35 eV) и малую величину эффективной массы двумерных 2D (т*/т0~ 0.035^-0.055) 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. Так, в образцах с концентрацией и«1012 см"2 для комнатной температуры достигнуты величины подвижностей порядка 3-104 см2/Вс, а при гелиевых температурах величины // близки к 106 см2/Вс [1].

Изучение низкотемпературного магнитотраспорта носителей заряда позволяет определить такие параметры, как подвижность и транспортное время релаксации, связанное с рассеянием электронов на большие углы. Особый интерес представляет определение квантового времени релаксации, которое в исследуемой структуре составляет rq ~ 10'14 с. Изучение процессов релаксации позволяет выявить суть физических процессов, протекающих в наноструктуре.

Целью настоящей работы является исследование физических свойств гетероструктуры InAs/AlSb/InAs с двумерным вырожденным электронным газом на основе результатов, полученных из эффекта Шубникова-де Гааза. Достижение цели исследований требует решения следующих задач:

1. Установление концентрационного порога заполнения, при котором начинается заселение возбужденной подзоны размерного квантования (ПРК)

2. Идентификация доминирующих механизмов рассеяния в сильнолегированных гетероструктурах типа InAs/ASb

3. Объяснение явления интермодуляции осцилляций поперечного магнитосопротивления.

4. Выяснение роли электрон - электронного взаимодействия в процессах релаксации носителей. Определение основных причин, приводящих к аномальной зависимости квантового времени релаксации от магнитного поля.

5. Установление влияния межподзонного взаимодействия на интермодуляцию осцилляций и спиновое расщепление магнитных подзон Ландау.

Научная новизна работы:

1. Обнаружено явление сильной амплитудно-частотной модуляции осцилляций поперечного магнитосопротивления в гетеросистеме AlSb(<5-Te)/In As/AlSb( 8 -Те). Установлена и исследована зависимость интермодуляции осцилляций от температуры (Т= 4.2+28.6 К) и концентрации (w,=(0.6+4.2>1012 см'2).

2. Немонотонная зависимость амплитуды осцилляций поперечного магнитосопротивления от магнитного поля обусловлена межподзонным электрон - электронным взаимодействием при Т= 4.2+28.6 К.

3. На основе анализа времени релаксации электронов установлена определяющая роль межподзонного е - е взаимодействия в формировании уширения уровней Ландау для структур AlSb( 8 -Te)/InAs/AlSb( S -Те) в диапазоне температур Т= 4.2+28.6 К.

4. Установлен немонотонный характер зависимости времен релаксации электронов от магнитного поля (В=2+7 Тл) и температуры (Т= 4.2+28.6 К), отражающий конкуренцию механизмов внутри и межподзонной релаксации импульса.

5. Исследование заселенности 2D электронами ПРК в интервале

12 2 концентраций ях=(0.6+4.8)-10 см" с учетом влияния эффективной массы позволило определить концентрационный порог заполнения второй ГТРК.

6. Показано, что доминирующими механизмами рассеяния электронов в сильнолегированных структурах AlSb( S -Te)/InAs/AlSb( S -Те) в условиях низких температур Т=(4.2+10.2) К являются ионы легирующей примеси и неоднородности гетерограниц.

7. Установлено, что рост эффективного g* - фактора (68) в подзонах размерного квантования обусловлен межподзонным е-е взаимодействием.

Объяснена зависимость фактора спектроскопического расщепления от

12 2 * магнитного поля (5=2+7 Тл) и концентрации «/=(0.6+4.2)-10 см".

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 осцилляции 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=4.2-Ч0.2 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 аналитических методов, а также соответствием данных, полученных в рамках исследования, 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 (^=(0.6^4.2)-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 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 опубликовано 10 печатных работ, из них 7 статей и 3 тезиса докладов.

Исследования выполнены при финансовой поддержке Миннауки и образования РФ (грант № Е02-3.4-319 и Госконтракт № 40.012.1.1.1153)

4.5. Выводы.

Обнаружен аномальный характер зависимости нормированной амплитуды осцилляций гетероструктуры AlSb(Te+)/InAs/AlSb(Te+) в магнитном поле, который проявляется в виде осцилляций функции \nd(l/B)T=const вокруг некоторой усредненной линии и характеризуется наличием падающих участков на зависимости \nd(l/B)T=const, соответствующих отрицательной температуре Дингла. Это обстоятельство позволяет высказать предположение о локальности понятия температуры Дингла в квантующих магнитных полях. Установлено, что аномальная осциллирующая зависимость \nS(l/B)T=const в магнитном поле определяется в резонансных условиях сильным межподзонным электрон - электронным взаимодействием.

Изучены аномалии малоугловой релаксации электронов в сильнолегированных наноструктурах InAs/AlSb с несколькими заполненными подзонами. Выполнены оценки характерных времен релаксации с учетом вероятностного характера внутри- и межподзонных переходов в условиях резонансного модулирования квантующим магнитным полем. Показано, что более интенсивное затухания квантования Ландау, по отношению к арсенид - галлиевой гетеросистемы обусловлено особенностями архитектуры слоев гетероструктуры, в частности д-Те слоя, расположенного на расстоянии в пределах длины экранирования от гетерограницы InAs/AlSb.

Установлено, что доминирующие механизмы рассеяния в сильно легированных структурах AlSb(Te+)/InAs/AlSb(Te+) определяются пространственным распределением зарядов и шероховатостями гетерограниц. Выяснено, что транспортное время электронной системы т",р контролируется кулоновским рассеянием на ионизированных примесях, а малоугловое (квантовое) время т- рассеянием на шероховатостях.

Глава 5. Амплитудно-частотная модуляция осцилляций поперечного магнитосопротивления для нелегированных и селективно легированных гетероструктур InAs/AlSb.

Исследования низкотемпературного магнитотранспорта в структурах AlSb(Te)/InAs/AlSb(Te) с двумя заполненными подзонами размерного квантования позволили выявить сложный комплекс явлений, в частности сильную амплитудно-частотную модуляцию (или интермодуляции) осцилляций поперечного магнитосопротивления рхх Шубникова - де Гааза

ШдГ).

Данная часть работы направлена на исследование природы явления интермодуляции и механизмов ее (интермодуляцию) обуславливающих.

Фурье - спектр осцилляций поперечного магнитосопротивления

12 2 гетероструктуры InAs/AlSb образцов с концентрацией ns=4.8-10 см" представлен на рис.5.1.

Рис.5.1. Фурье спектр осцилляций поперечного магнитосопротивления образцов гетероструктуры InAs/AlSb с

12 2 концентрациейns=4.8-10 см".

Известно [49], что ответственным за явление интермодуляции в гетероструктурах является электрон - электронное (е-е) взаимодействие в Ет р подзонах размерного квантования, имеющее резонансный характер . К особенностям амплитудно-частотной модуляции можно отнести: а - малую величину амплитуды Fm ±FP гармоник по отношению к амплитудам с частотой Fmp (в отдельных случаях частоты Fm ±FP проявляются очень слабо); б - гармоники Fmp и Fm±Fp реагируют на изменение температуры и магнитного поля различным образом; в -контрастность (глубина) интермодуляции изменяется от нскольких до почти 100%.

Нами предлогается качественная интерпретация явления интермодуляции, на основе рассмотрения внутриподзонных "т-т", "р-р" и межподзонных "т-р", "р-т" электрон - электронных переходов.

5.1. Спектральные особенности осцилляций магнитосопротивления 5.1.1.Частотные характеристики Фурье спектра

Вклад в осцилляции магнитосопротивления дают электронные переходы внутри одной подзоны Ландау, и переходы электронов, принадлежащих различным подзонам Ландау.

Магнитосопротивление определяется числом электронов под уровнем Ферми и числом свободных мест над уровнем Ферми. Тогда полная вероятность переходов электронов равна f[l-f], где / - функция распределения Ферми-Дирака. С этих позиций рассмотрен спектр осцилляций магнитосопротивления для случая заполнения двух подзон размерного квантования Ет и Ер. Для каждой подзоны в магнитном поле энергетический спектр распадается на Nm и Nр систему эквидистантно расположенных подзон Ландау.

По характеру электрон - электронного взаимодействия можно выделить несколько типов:

1. Внутриподзонное взаимодействие, ведущее к переходам внутри подзоны

2. Внутриподзонное взаимодействие, ведущее к переходам между подзонами

3. Межподзонное взаимодействие, ведущее к переходам внутри подзоны

4. Межподзонное взаимодействие, ведущее к переходам между подзонами а. Гармоники осцилляций с основными частотами (рис.5.1 пики а и Ь) определяются внутриподзонными переходами в Ет и Ер подзонах.

Вероятность переходов электронов пропорциональна числу занятых мест под уровнем Ферми fm p и числу свободных мест (1- fmp). Полная вероятность для независимых переходов в Ет и Ер подзонах определяется произведением:

Л,,Д1-/ИД (5.1) а основные частоты выражаются через концентрации известными соотношениями:

Fm,P = (5.2) b. Вероятности перекрестных межподзонных переходов из Ет в Ер подзону для внутриподзонных "т-т" переходов определяется числом свободных мест в Ер подзоне (1-/Д вероятность внутриподзонных переходов - числом электронов в Етподзоне- /„,(1-fp) и количеством свободных мест над уровнем Ферми для внутриподзонных переходов. Полная вероятность внутриподзонных "т-т" переходов определяется соотношением:

1-ЛШ1-/.) (5.3) а для вероятности "р-р" переходов соотношением:

1-ЛЖЫ) (5.4)

Вероятность переходов в Ет и Ер подзонах с учетом перекрестных межподзонных переходов ("т-р ", "р-т ") описывается выражением:

-ЛЖ1-ЛХ1-Л) (5.5)

Этой вероятности соответствует гармоника разностной частоты: fm-fp={nh/eXnm-np) (5.6)

Гармоника разностной частоты Fm-Fp рис.5.1 (пик d) определяется вероятностью межподзонных переходов, приводящих к внутриподзонным переходам. c. В Ет подзоне после реализации внутриподзонных "т-т " переходов для переходов в Ер подзону осталось [/„(!-/„)] состояний, занятых электронами. При этом в Ер подзоне, число свободных мест (1-/Д Полная вероятность "т-р " переходов определяется соотношением:

1-ЛЖ1-Л) (5.7)

Одновременно в Ер подзоне имеется [fp{\-fp)\ состояний, занятых электронами для переходов в (1 -fm) свободные состояния Ет подзоны. Так что полная вероятность "р-т" переходов с учетом внутриподзонных переходов имеет вид: l-/,)]fl-/J (5.8)

Полная вероятность "т-р " "р-т " может быть приведена к виду:

КЛ+ЛЖ1-/Д1-/.), (5.9) что соответствует осцилляциям с гармоникой суммарной частоты: fm+fp={*h/eXnm+np) (5.10)

Гармоника суммарной частоты Fm+Fp рис.5.1 (пик с) определяется вероятностью внутриподзонных переходов, приводящих к межподзонным переходам.

Изложенный подход к природе осцилляций ШдГ, основанный на вероятности внутри- и межподзонных переходов электронов, позволяет качественно объяснить спектральные природу возникновения гармоник суммарной и разностной частот Fm±Fp.

Выражения 5.1, 5.5, 5.9 позволяют объяснить частотную модуляцию и не содержат информации об амплитудой модуляции. Отсутствие амплитудных характеристик в формулах обусловлено независимостью плотности состояний от энергии в двумерном случае для Ет и Ер подзон.

5.1.2. Амплитудные характеристики Фурье спектра

Спектральный анализ экспоненциально затухающих осцилляций вида е~а/' cos «г дает величину амплитуды пика А~\/а. Амплитуда пиков на частоте fmp, определяется температурой Дингла afm р ~ (т£-р)~] ~ т1^1'.

Анализ полученного массива Фурье - спектров осцилляций Шубникова

- де Гааза различных образцов показал, что источником информации в спектрах является амплитуда (высота) пика Фурье-спектра: А.

Вводятся обозначения: (Аг^) - амплитуда пика Фурье- спектра, соответствующая осцилляциям основной (возбужденной) подзоны размерного квантования, а А,, (А;.,) ~ амплитуды пиков суммарной разностной) частот.

Отношение амплитуд пиков AFn к А^ находятся по пикам, соответствующих частотам f„, и fp гармоник спектра Фурье, измеренных во всем диапазоне магнитных полей, включая осцилляции совершенно малой амплитуды.

Выделено несколько видов Фурье - спектра:

Первый тип - (А; < А„) характеризует спектр, в котором преобладает соответствующего осцилляциям второй, возбужденной подзоны размерного квантования.

Второй тип - (А; > А,) спектр в котором преобладает пик, соответствующий осцилляциям основной подзоны.

Третий тип - (А„ ~ AF ) соответствует спектру, в котором амплитуды пиков осцилляций основной и возбужденной подзон примерно равны.

Четвертый (AF > AFp, А„, > А,) соответствует спектру, в котором наиболее выражен пик суммарной или разностной частоты.

На рис. 5.2 представлены Фурье - спектры первых трех типов. Полученные спектры Фурье характеризуют гетероструктуры AlxGaixAs/GaAs [50]

Для структур InAs/AlSb, получены спектры Фурье второго, третьего и четвертого типа.

Рис. 5.2 Примеры Фурье -спектров осцилляций Шубникова - де Гааза для гетероструктуры AlxGai.xAs/GaAs с заполнением двух подзон размерного квантования, а- спектр первого типа (образцы 1); б - спектр второго типа (образцы 9); в - спектр третьего типа (образцы 5).

5.1.3 Анализ Фурье - спектра для структур с одной заполненной подзоной Типичный Фурье - спектр образцов структуры InAs/AlSb рис.5.3 Наличие одной заполненной подзоны не предполагает существования амплитудно-частотной модуляции, так как процессы электрон - электронного взаимодействия вызывают переходы внутри единственной подзоны размерного квантования. На рис. 5.3, что наряду с проявлением пика основной частоты Fm{a), выделяются пики, соответствующие кратным частотам - 2Fm(b), 3Fm(c), 4Fm(d). Их появление связано с отклонением анализируемой функции от периодичности.

Рис. 5.3 Фурье- спектр осцилляций поперечного магнитосопротивления структуры InAs/AlSb при Т, К: 1 - 4.2, 2 - 10.2, 3 - 20.2, 4 - 28.6.

Данные, представленные на рис. 5.3, отражают положение пика (амплитуду) основной частоты при различных температурах. Показано монотонное уменьшение амплитуды с ростом температуры, что вполне предсказуемо, так как амплитуда осцилляций магнитосопротивления

ВТ В содержит член J(l/5)~sin(—)—, зависящий от температуры. в рг

Следует отметить, что в структурах AlxGaixAs рост температуры приводит к смещению пика по оси концентраций в сторону увеличения. В структуре InAs/AlSb этого эффекта не наблюдалось и обусловлено не зависимостью концентрации носителей от температуры до 60° К.

5.1.4 Анализ Фурье - спектра для структур с двумя заполненными подзонами.

Заполнение двух подзон размерного квантования приводит к появлению в спектре Фурье пиков: Fp, соответствующего частоте осцилляций возбужденной подзоны и Fm±Fp пиков комбинационных частот.

Амплитуда пиков основных и комбинационных частот различна и будет определяться интенсивностью внутри и межподзонных переходов.

На рис. 5.4 представлены типичные осцилляции поперечного магнитосопротивления для нескольких образцов, где заполнение двух подзон размерного квантования вызывает аномальный характер зависимости осцилляций магнитосопротивления в магнитном поле.

Изучаемые образцы отличаются концентрацией носителей. Величина концентрации носителей отражалась на периоде осциллирующей зависимости. Амплитуда осцилляций определяется числом носителей, принимающих участие в проводимости. Изменение амплитуды осцилляций (глубина модуляции), связано с наложением на гармонику основной частоты возбужденной гармоники и зависит от вклада в проводимость носителей заряда второй подзоны. Глубина амплитудной модуляции осцилляционных кривых различна, и определяется соотношением соотношением концентраций в основной и возбужденной подзонах размерного квантования и зависит от заселенности Ет и Ер подзон размерного квантования, т.е. от соотношения концентраций .

Для исследуемых образцов соотношение концентраций на рис.5.4 кривой 1 равно: пт=3-пр, для кривой 3 пт=6-пр. Уменьшение соотношения приводит к более значительной модуляции осцилляций по амплитуде и частоте.

Рис. 5.4 Осцилляции поперечного магнитосопротивления образцов AlSb(Te+)/InAs/AlSb(Te+) при Т=4.2 К: концентрация электронов 1012 см"2: 1 -2.4, 2 - 3.8, 3 - 4.2.

Наиболее сильное проявление амплитудной модуляции основной гармоники (кривая 2) можно наблюдать вследствие близости концентраций в основной и возбужденной подзонах размерного квантования: пт = 2.5 -п .

На рис. 5.5 (а, Ь, с) показаны спектры Фурье осцилляций для образцов, представленных на рис. 5.4 (1, 2, 3) соответственно. В спектрах присутствуют гармоники Fm {а) и Fp (b) по основной Ет и возбужденной Ер подзонам размерного квантования и гармоники комбинационных частот: разностной Fm-Fp (d) и суммарной Fm+Fp(c). Результаты, полученные методом Фурье для нескольких образцов, сведены в таблицу 5.1.

Заключение.

1. Рассмотрены аномалии малоугловой релаксации электронов в сильнолегированных наноструктурах InAs/AlSb с двумя заполненными ГТРК. Показано, что такой характер зависимости обусловлен сильным межподзонным электрон - электронным взаимодействием.

2. Установлен характер заселения 2D электронами подзон размерного квантования в зависимости от уровня легирования гетероструктуры InAs/AlSb с учетом концентрационной зависимости эффективной массы.

3. Установлено, что повышение затухания квантования Ландау в структуре InAs/AlSb, относительно арсенид - галлиевой системы обусловлено архитектурой слоев гетероструктуры, а именно 5 - Те слой находится на расстоянии в пределах длины экранирования от гетерограницы.

4. Получено, что сильная контрастность резонансного модулирования амплитуды осцилляции основной Fm гармоники осцилляциями возбужденной гармоники определяется соотношением концентраций основной и возбужденной подзон размерного квантования.

5. Обнаружена и объяснена зависимость эффективного g* - фактора от концентрации и магнитного поля для структуры InAs/AlSb с несколькими заполненными ПРК.

6. Показано, что доминирующие механизмы рассеяния в селективно легированных структурах AlSb(<5-Te+)/InAs/AlSb(<5-Te+) определяются пространственным распределением зарядов и шероховатостями гетерограниц.

7. Предложен новый метод идентификации экстремумов, который позволяет выявить особенности в уширении уровней Ландау, связанных с относительным расположением подуровней вблизи уровня Ферми основной и возбужденной ПРК.

8. Большая величина g-фактора ( > 60) второй ПРК определяется интенсивным межподзонным е-е взаимодействием.

Выражаю искреннюю благодарность своим научным руководителям: д. ф.-м. н. проф. Кадушкину В.И. за вовлечение в круг актуальных научных направлений, определение цели диссертационной работы, постановку задач исследования, тактичное научное руководство и поощрение самостоятельности научных исследований; д. ф.-м. н. проф. Степанову В.А. за умелое научное руководство и помощь в доведении диссертационной работы до завершенного состояния. Отдельную благодарность хотелось бы выразить за искренний интерес и терпение в ходе анализа диссертационного исследования.

Выражаю отдельную благодарность всем сотрудникам кафедры общей и теоретической физики и методики преподавания физики РГУ имени С.А. Есенина за помощь и под держку при подготовке работы.

Благодарю также моих соавторов (Горбунову Ю.Н. Устинова A.M.) за искренний интерес, проявленный к моим исследованиям, неоценимую помощь в научных и творческих изысканиях и разностороннее обсуждение проблем, а также Труниной Ольге Евгеньевне за участие и поддержку.

1. Chang С.A., Cheng L.L., Е.Е. Mendez, M.S. Christie, L. Esaki. Electron densities in InAs-AlSb quantum wells// Journal of Vacuum Science and Technology B, 1984. Vol. 2, p. 214 216.

2. Frederikse H.P.R, Hosier W.P. Galvanomagnetic Effects in n-Type Indium Antimonide// Phys. Rev. 1957. Vol. 108, p. 1136-1141.

3. Sladek R.J. Magnetoresistance Oscillation in Single-Crystal and Polycrystalline Indium Arsenide//Physical Review. 1958. №110, c. 817-826.

4. Кондратьев M.B, Хабибулин Б.М. Осцилляции Шубникова-де Гааза в InAs п- типа// ФТП. 1976. № Ю, с. 1204 1205.

5. Tuttle G., Kroemer Н., John Н. English. Electron concentrations and mobilities in InAs/AlSb quantum wells// J.Appl.Phys. 1989. Vol. 65, p.5239 5242.

6. Tuttle G., Kroemer H., John H. English. Effects of interface layer sequencing on the transport properties of InAs/AlSb quantum wells: Evidence for antisite donors at the InAs/AlSb interface// J. Appl. Phys. 1990. Vol. 67, p. 3032 3037.

7. Nguyen C., Brar В., Bolognesi C.R., Pekarik J.J., Kroemer H., English J. H. Growth of InAs/AlSb quantum wells having both high mobilities and high concentrations//J. Electr.Matt. 1993. Vol. 22, p. 255 257.

8. Sadofyev Yu.G., Ramamoorthy A., Naser В., Bird J.P., Johnson S.R., Zhang Y-H. Large g-factor enhancement in high-mobility InAs/AlSb quantum wells// Appl.Phys. Lett. 2002. Vol. 81, p. 1833 -1835.

9. Raymond A., Robert J.L., Bousquet C., Zawadzku W. Gigantic exchahge enhancement of spin g-factor for two dimensional electron gas in GaAs// Solid State Communication. 1985. Vol. 55, p. 271 -273.

10. Warburton B.J., Weilhammer K., Kotthaus J.D., Thomas M., Kroemer H. Influence of collective effects on the linewidth of intersubband resonance// Phys. Rev. Lett. 1998. Vol.80, p. 2185 -2188.

11. Алешкин В. Я., Гавриленко В. И., Иконников А. В., Садофьев Ю. Г., Bird J. P., Johnson S. R., Zhang Y-H. Циклотронный резонанс в легированных инелегированных гетероструктурах InAs/AlSb с квантовыми ямами// ФТП. 2005. Т. 39, с. 71-75.

12. Bastard G. Wave mechanics applied to semiconductor heterostructeres N.Y. : Halsted Press, 1988, p. 31-61.

13. Prevot I., Vinter В., Julien F.H., Fossard F., Marcadet X. Experimental and theoretical investigation of interband and intersubband transitions in type-II InAs/AlSb superlattices// Phys. Rev. В., 2001. Vol. 64, p. 195318-195324.

14. Larrabee P.C., Khodaparast G.A, Kono I., Ueda K., Nakajima Y., Nakai M., Sasa S., Inone M., Kolokolov K.I., Li I., Ning C.Z. Temperature dependence of intersubband transitions in InAs/AlSb quantum wells// Appl. Phys. Lett., 2003 Vol. 83, p. 3936-3936.

15. Садофьев Ю. Г., Ramamoorthy A., Bird J. P., Johnson S. R., Zhang Y-H. "Необычная" остаточная фотопроводимость в квантовой яме InAs/AlSb.// ФТП. 2005. Т. 39, с. 106-112.

16. Л.Д. Ландау. Диамагнетизм металлов // Ztshr. Phys. 1930. Bd. 64. S. 629.

17. Брандт Н.Б., Чудинов С.М. Электроны и фононы в металлах. М.: Из-во МГУ, 1990.335 е., илл.

18. Брандт Н.Б., Чудинов С.М. Эффект Шубникова де Гааза и его применение для исследования энергетического спектра металлов, полуметаллов и полупроводников // УФН. 1982. № 137, с. 479-499.

19. Кукушкин И.В, Мешков С.В., Тимофеев В.Б. Плотность состояний двумерных электронов в поперечном магнитном поле// Успехи физических наук. 1988. Т. 155, с. 219-264.

20. Schubnikov L., de Haas W.J. A new phenomenon in the change of resistance in a magnetic field of single crystals of bismuth // Nature. 1926. Vol. 126, N3179, p.500-505.

21. Полянская Т.А., Шмарцев Ю.В. Квантовые поправки к проводимости в полупроводниках с двумерным и трехмерным электронным газом // ФТП. 1989. №23, с. 3- 22.

22. Аскеров Б.М. Электронные явления переноса в полупроводниках. М.: Наука, 1985. 320 е., илл.

23. Цидильковский И.М. Электроны и дырки в полупроводниках. М.: Наука, 1972. 672с., илл.

24. В.М. Поляновский. Об аномальной температурной зависимости амплитуды квантовых осцилляции магнитосопротивления в квазидвумерных системах. ФТП1988, Т. 22, № 12,2230-2232.

25. Brosing S., Ensslin К., Brar В., Thomas М., Kroemer Н. Scattering mechanisms in InAs-AlSb guantum wells.// Physica E . 1998. Vol. 2., p. 214-217.

26. Leadley D.R., Fletcher R., Harris R.J., Tao F., Foxon C.T., Harris J.J. Intersubband resonant scattering in GaAs-Gai.xAlxAs heterojunctions // Phys. Rev. B. 1992. Vol. 46, p. 12439-12447.

27. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов ВУЗов. М.: ГРФМЛ, 1996, 618 е., илл.

28. Manasevit Н.М. Single crystal GaAs on insulating substrates // Appl. Phys. Lett. 1968. Vol. 12, p. 156-159.

29. Lima F.M.S., Fanyao Qu, Nunes O.A.C., Fonseca A.L.A. Electron mobility in One(Two)-Side Modulation-Doped GaAs/AlxGai.x As Asymmetric Quantum Wells // Phys. Stat.Sol(b). 2001. Vol. 225, p. 43-61.

30. Ando Т., Fowler A.B. and Stern F. Electronic Properties of Two-Dimensional System // Rev. Mod. Phys. 1982. Vol. 54, p. 437-672.

31. Dingle R.B. Some magnetic properties of metals // Proc. Roy. Soc. A. 1952. Vol. 211, p. 517-525.

32. Coleridge P.T. Intersubband scattering in a 2D electron gas // Semiconductor Science Technology. 1990. № 5. C. 961-968.

33. Кадушкин В.И. Электрон- фононный фактор затухания квантования Ландау 2D электронов с тонкой структурой энергетического спектра //ФТП. 2004. Т. 38, С. 412-416.

34. Fang F.F., Smith III T.P., Wright S.L. Landau-level broadening and scattering time in modulation doped GaAs/AlGaAs heterostructures// Surface Science. 1988. № 196. C. 310-315.

35. Kadushkin V.I., Tsahhaev F.M. Intersubband Relaxation of 2D Electrons in AlGaAs(Si)/GaAs Heavily Doped Heterojunction // Phys. Low-Dim. Struct. 2000. Vol. 1/2, p. 93-112.

36. Афанасова M.M. Механизмы рассеяния в сильно легированных структурах AlSb(£-7e+)/InAs/AlSb(£-7<?+) с вырожденным 2D электронным газом// Электроника. Межвузовский сборник научных трудов. РГРТУ .Рязань 2006. с 108-121.

37. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Радио и связь. 1986. 512 е., илл.

38. Stormer H.L., Gossard А.С., Wiegmann W. Observation of intersubband scattering in a 2- dimensional electron system // Sol. St. Comm. 1982. Vol. 41, p. 707-709.

39. T.A. Полянская, Шмарцев Ю.В. Квантовые поправки к проводимости в полупроводниках с двумерным и трехмерным электронным газом//ФТП. 1989. №23. С. 3-32.

40. Gold A. Scattering time and single-particle relaxation time in a disordered two-dimensional electron gas // Phys. Rev. B. 1988. Vol. 38, p. 10798-10811.

41. Kroemer H. The 6.1 A family (InAs, GaSb, AlSb) and its heterostructures: a selective review// Physica E. 2004. Vol. 20, p. 196 203.

42. Кадушкин В.И. Особенности спектров Фурье осцилляций магнитосопротивления сильно легированной гетероструктуры// ФТП. 2007. Т.41, С. 318-325.

43. Coleridge Р.Т. Small-angle scattering in two dimensional electron gas // Phys. Rev. B. 1991. Vol. 44, p. 3793-3801.

44. Кадушкин В.И. Особенности межэлектронного взаимодействия в потенциальной яме сильно легированного гетероперехода AlxGai.xAs(Si)/GaAs// ФТП. 2005. 39 №2, с. 242-247.

45. Афанасова М.М., Степанов В.А. Особенности Фурье спектров осцилля ций Шубникова де Гааза в гетероструктуре (8-Te)AlSb/InAs/AlSb(8

46. Те)//Вестник Рязанского государственного университета имени С.А. Есенина. 2007. №3, С. 114-120.

47. Kusters R.M., Wittekamp F.A., Singleton J., Perenboom J.A.A.J., Johnes G.A., Ritchie D.A., Frost J.E.F., Andre J.-P. Electron relaxation time in high-carrier-density GaAs-(Ga, Al)As heterojunctions // Phys. Rev. B. 1992. Vol. 46, p. 1020710214.

48. Кадушкин В.И. Спиновое расщепление нулевого экстремума осцилляций магнитосопротивления 2D электронов возбужденной подзоны размерного квантования// ФТП. 2006. № 40, С. 439-445.

49. Афанасова М.М. Горбунова Ю.Н. Кадушкин В.И. Эффективный g*-фактор спектроскопического расщепления в селективно легированных гетероструктурах AlGaAs/GaAs и AlSb/InAs zhurnal.gpi.ru/articles/2006/ 205.pdf

50. Ben Yu-Kuang Ни and Flensberg K.Electron-electron scattering in linear transport in two dimensional systems, Phys. Rev. B. 1996. Vol. 53, p. 10072 -10077.