Квантовые высокочастотные и оптические явления в двумерном электронном газе в полупроводниковых гетеропереходах GaAs-AlGaAs тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

/

АЕАДЕШЯ НАУК СССР

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАГОЗИ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи

Гродненскйй Илья Михайлович

УДК 621.315.592

КВАНТОВЫЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ДВУМЕРНОМ ЭЛЕКТРОННОМ ГАЗЕ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ГЕТЕРОПЕРЕХОДАХ

01.04.10 -"Физика полупроводников и диэлектриков"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

СаАа - АЮаАп.

л* 4,. //¿>2 ¿5 о™ ОЗ. О &Рг.

Москва,1988

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени Институте радиотехники и электроники АН СССР.

Официальные оппоненты: член-корреспондент АН СССР,профессор

Рыжий В.И.,

доктор физико-математических наук, профессор Лифшиц Т.М., доктор физико-математических наук, профессор Тимофеев В.Б. ' «

Ведущая организация - Физико-технический институт АН СССР.

Защита состоится " " 1988г. в 10 час. на заседании

Специализированного совета Д 002.74.01 по защите диссертации при Институте радиотехники и электроники АН СССР по адресу: 103907, Москва, проспект Маркса,18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ АН СССР.

Автореферат разослан " " 1988г.

Ученый секретарь специализированного совета -доктор физ. - мат.наук

В.Е.Любченко

'.•Ейлг ¡...л

гаций

ОБШ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ Актуальность теш.Исследования двумерных (20 )электронных систем

продолжаются ухе около 20 лет/1/. В последнее время интерес к ним резко возрос. Изучение различных структур с 20 газом(единичный гетеропереход, квантовая яма,сверхрешетка и т.п.) сейчас является наиболее быстроразЕивающейся областью физики полупроводников. Это объясняется открытием в них новых Физических явлений,имеющих фундаментальное значение,а также возможностью применения таких структур в микро-и оптоэлектронике/2/ . Главное отличие 20 системы,реализуемой в гетеропереходе, ог других твердотельных 2 псисгем(кремниевые инверсионные слои,бикристаллы германия) состоит в очень высоких значениях электронной подвижности. Наибольшие достижения в настоящее время связаны с системой ОаАэ - А1йаАа • 3 результате гетеропереходы (¡аАа -АЮаАз являются одним из основных объектов,используемых при проведении фундаментальных и прикладных исследований 2II систем.

К числу важнейших физических явлений,недавно обнаруженных в вырожденных 2 в системах,относится квантовый эффект Холла(КЭХ)¡открыт в 1980г. Нобелевская премия в 1385г. Подробное исследование КЗХ чрезвычайно актуально как с фундаментальной,так и прикладной(метрология) точек зрения и является важной задачей современной физики/3,4/.

Хотя многие закономерности поведения 2 о системы в условиях КЭХ выяснены,еще остаются неизученными некоторые важные вопросы. Это относится к проблеме динамического отклика 2 и системы в условиях КЭХ. Изучение высокочастотных свойств 2 п электронного газа в квантующих магнитных полях кокет дать новую ¡.нформаци® об эффекте,например,установить граничную частоту его существования,определить частотную дисперсию квантованной холловской проводимости Можно ожидать,что такие исследования позволят получить сведения о свойствах случайного примесного потенциала,ответственного за КЭХ. Это очень важно для создания теории эффекта применительно к объектам,исследуемым в экспе-

рименте. В связи со сказанным актуальным является поиск и изучение явлений,характеризующих динамическое поведение 2 Б системы в сильном магнитном поле Н. Наиболее пригодными для этого представляются два эффекта - эффект Фарадея и магнитоплазменные колебания 2 с электронного газа.

Эффект Фарадея позволяет изучать динамическую б! бесконтактнш/.

ху

способом. Это особенно важно при измерениях на высоких частотах,где следует ожидать дисперсии & и где другие методы исследования неприменимы.

Изучение магнитоплазменных колебаний также может принести важные результаты. Здесь может стать полезным выяснение роли границы 2 и слоя. Дело в том,что наличие в спектре обычных 2Б тгшиоплазмонов щели,равной циклотронной частоте сос ,не позволяет использовать маг-нитоплазмешшй резонанс для изучения КЭХ.' Существование границу может привести к появлению новых мод - краевых магнитоплазмонов(лМП),аналогично тому,как наличие границы в трехмерной(3о )плазме приводит к пояз ленив поверхностных магнитоплазмонов. При условии существования КШ на частотах,при которых КЭХ не разрушается,возникает возможность использовать их душ изучения 2 и системы в условиях КЭХ. Кроме того,изучение таких новых мод представляет и самостоятельный интерес. Поглощение энергии определяется вещественной частью диагональной компоненты тензора проводимости. В сильных Н <5^ шла,что может способствовать существованию низкочастотных слабозатухающих краевых колебаний в замагниченной 2 вплазме. Одним из известных колебательных эффектов,в которых частота много меньше обратного времени упругой релаксации,являются геликоны. Такая же ситуация может реализоваться и для КМП.

При проведении фундаментальных исследований в 2 с электронной системе в гетеропереходах ваАз - АЮаАэ и,особенно,при использовании их в прикладных целях возникает ряд проблем,связанных с отсутствием необходимой информации об активной области вблизи гетерограницы(на тол-

щинах~10 см). Проведение фундаментальных исследований требует знания формы 2Т> потенциальной ямы к положения уровней размерного квантования. Создание приборов связано с оптимизацией большого числа параметров, важнейшими из которых являются высота и форма потенциального барьера на гетерогранице. Очень важным является определение разрыва зоны проводимости дЕс(валентной зоны дЕу)на границе раздела. Несмотря на длительные исследования, ясности относительно истинного значения не имеется. Объясняется это тем, что методы определения дЕс не являются прямыми и дЕ0 чувствительна к моделям,по которым обраба -тывается эксперимент. Таким образом,актуальны поиск и исследование эффектов,позволяющих определять важнейшие параметры гетерограницы в гетеропереходах с 2И электронным газом. Представляется,что для этого может быть использован процесс пространственного перехода фотовозбужденных электронов из 2С канала в люаАз , можно полагать,что спектральная зависимость возникающей при этом отрицательной фотопроводи-мости(ОФП) будет отражать особенности энергетической диаграммы границы раздела.

Настоящая работа началась одновременно с работами по получению первых в стране гетеропереходов с 2Р электронным газом. Поэтому было необходимо разработать метод диагностики 2Х> системы,более удобный по сравнению с обычно используемым для этой цели эффектом Шубникова-де Гааза,требующим низких температур Т и сильных Н. Первоначально исследуемые образцы содержали помимо 2Р системы также и 30 систему. Поэтому было необходимо решить задачу разделения вкладов в рроводимость образца от каждой подсистемы. Проведение исследований в сильных Н потребовало изучения эффекта Шубникова - де Гааза.

Цель работы состояла в экспериментальном исследовании высокочастотных и оптических явлений в 2Р электронном газе в гетеропереходах СаАз - АЮаАз и в определении основных энергетических параметров границы раздела в этих гетеропереходах. Основные задачи состояли в

исследовании гальваномагнитных свойств электронной системы, состоящей из подсистем разной размерности; исследовании эффекта Шубникова - де Гааза; обнаружении и исследовании отрицательной фотопроводимости 2 D электронного газа,вызванной пространственным переходом фотовозбужденных электронов из 2D канала в AiGaAa ;

обнаружении и исследовании в условиях КЭХ краевых магнитоплаз-менных колебаний 2 Dэлектронного газа;

исследовании динамической холловской проводимости 2 d электронного газа с помощью эффекта Фарадея на частотах,при которых существенна дисперсия ,

Научная новизна работы состоит в следующем.

I.Впервые исследованы гальваномагнитные свойства систем:",состоящей из подсистем разной размерности. Обнаружена характерная .угловая анизотропия магнитосопротивления,проявляющаяся уже в слабых К и существующая вплоть до комнатных температур.

2.Обнаружено сильное различие (до 10 раз)времен релаксации,определенных из монотонной и осциллирующей частей магнитопроводимости. Отношение времен растет с ростом подвижности и не зависит от Т во всем диапазоне существования осцилляций.

3.Обнаружена 0$П,вызванная переходом фотовозбузденных электронов из 2D канала в слой AlGaAs . Исследование эффекта позволило найти высоту потенциального барьера,величину размытия границы раздела,форму 2D потенциальной ямы,величину разрыва зоны проводимости на гетеро-границе. Развита феноменологическая теория ОФП.

4.ПрадлокбН и реализован метод исследования КМП,основанный на измерении отклика образца на внешнее переменное электрическое поле в зависимости от Н.

5.В условиях КЭХ обнаружены собственные методы краевых магнитоплаз-ыенных колебаний - КМП,частота которых много меньше циклотронной час-

тоты и обратного времени упругой релаксации.

6.Предложен и реализован метод количественного анализа результатов эксперимента, основанный на описании отклика 21) системы на внешнее воздействие с помощью обобщенной восприимчивости. Получено феноменологическое выражение для обобщенной восприимчивости.

7.Впервые определены частоты и затухания основной и высших мод НМЛ и их зависииости от Н в условиях КЭХ. Исследован закон дисперсии. Изучено распределение поля НМЛ.

8.Предложен и реализован метод исследования динамической б"^ основанный на эффекте Фарадея. Метод позволил изучить раздельно поведение действительной и мнимой частей 6до частот 70ГГц.

9.Обнаружено квантование СВЧ эффекта Фарадея,которое выражается в существовании плоских участков(плато) на полевой зависимости сигнала, пропорционального сумме квадратов угла фарадеевского вращения и эллиптичности. Положение плато и величина сигнала на плато определяются целочисленным значением фактора заполнения уровня ЛандауУ.

10.Обнаружена и исследована частотная зависимость КЭХ. Найдена граничная частота существования эффекта. Исследована ее зависимость от номера плато,величины Н,подвижности электронов,

II.Обнаружено изменение полевой зависимости сигнала в эффекте фарадея при возбуждении НМЛ. Исследование эффекта позволило найти значения компонент тензора проводимости 2 в электронного газа на частотах,при которых КЭХ разрушается.

Основные положения,выносимые на защиту.

1.Для гетеропереходов баАа - АЮаАа с двупя грушами электронов разной размерности - двумерной на гетерогранице и трехмерной в объеме йвАа ш АЮаАэ .полевые зависимости компоненты тензора сопротивления позволяют ввделить вклад от к&здой группы в полнута проводимость структуры.

2.Угловая анизотропия шгнитосопротивления гетероперехода с элек-

троиными подсистемами разной размерности позволяет диагностировать 2 I) подсистмау в слабом магнитном поле и высокой температуре.

3.Времена релаксации,определенные из монотонной и осциллирующей частей магнитопроводимости 2 с электронного газа,в гетеропереходах вала - А10&Ав сильно различаются. Существующие теории,в которых рассматривается рассеяние на б-образном потенциале,не объясняют наблюдающегося расхождения.

4.0Ш вызывается пространственным переходом фотовозбужденных электронов из 2 о потенциальной ямы в слой АЮаАв . Красная граница эффекта примерно соответсвует энергетическому расстоянию от 2 Еподзоны до вершины гетеробарьера.а вид спектральной зависимости эффекта вблизи границы зависит от степени размытия границы раздела. Исследование ОФП позволяет найти основные энергетические параметры границу раздела в гетеропереходах СаАв - АЮаАа с 2в электронным газом.

5.В ограниченной 2Ь электронной системе в условиях КЭХ существуют собственные моды краевых магнитоплазменных колебаний,частоты которых меньше циклотронной частоты и меньше обратного времени упругой релаксации.

6.Метод,основанный на измерении отклика образца с 2ь электронным газом на внешнее переменное электрическое поле в зависимости от Н

и анализе полученных зависимостей при помощи феноменологического выражения для обобщенной восприимчивости позволяет получить количественную информацию о спектре КМП и его зависимостей от Н.

7.Зависимость частоты КМП от Н в условиях КЭХ в целом аналогична зависимости £Г__(Н), измеренной на постоянном токе,кроме участков, соответствующих холловским плато,где поведение зависимости становится немонотонным. Частота КМП практически не зависит от подвижности /л . Характер зависимости затухания КМП от Н в условиях КЭХ определяется подвижностью: при малой /л зависимость имеет участки с почти

постоянным затуханием, с увеличением зависимость становится осциллирующей с резким уменьшением затухания в области плато.

8.Зависимость частоты от периметра образца(закон дисперсии КШ) сублинейна. Характерный размер области локализации поля КШ вблизи границы 2 V слоя практически не зависит от Н и не является пренебрежимо малым по сравнению с размерами 2 и системы.

9.Поведение б в области плато зависит от частоты. С увеличением частоты протяженность плато уменьшается и на некоторой граничной час-, тоте плато исчезает - КЭХ разрушается. При дальнейшем росте частоты б^Н) стремится к зависимости вида Н-1. Граничная частота зависит от подвижности электронов,номера плато и величины Н. Динамическая б в области сильных Н содержит в основном действительную компоненту, отношение мнимой и действительной частей 6 не превышает 0,2.

Ю.СВЧ эффект Фарадея в 2 V электронном газе имеет выраженный квантованный характер: на полевой зависимости сигнала,пропорционального сумме квадратов угла фарадеевского вращения и эллиптичности,существуют плато,положение и величина сигнала на которых определяются целочисленным значением фактора заполнения.

II.Возбуждение краевых магнитоплазменных колебаний в 2 в электронном газе вызывает искажение эффекта Фарадея,что выражается в появлении на полевой зависимости измеряемого сигнала резонансного максимума, положение и величина которого зависят от размера 2 в слоя,частоты излучения и концентрации электронов. Изучение эффекта позволяет получить информацию о поведении Ш1 и определить значения компонент тензора проводимости на частотах,при которых КЭХ разрушается.

В этих положениях заключается научная ценность работы.

Практическая ценность состоит в следующем.

I.Разработан метод диагностики гетеропереходов с 21) электронным газом.Его внедрение способствовало получению методом жидкофазной эпи-таксии гетеропереходов СаАз - АЮаАвс высокой подвижностью электронов

2.Метод определения основных параметров границы раздела в гетеропереходах GaAs - AlGaAs на основе пространственного перехода фотовозбужденных электронов из 2 d канала в AlGaAs используется в отраслевой организации при изготовлении некоторых микроэлектронных элементов.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались на 9-ой и 10-ой всесоюзных конференциях по физике полупроводников(Баку,1982г,Минск,

1985г.);10-ой всесоюзной конференции по физическим процессам в полу-

о

провдниковых гетероструктурах (Минск,1986г.)¡Первом и Втором семинарах по физике двумерных систем (Новосибирск,1982г.,1986г.);24-ом всесоюзном совещании по физике низких температур (Тбилиси,1386г.); Первой всесоюзной конференции "Физические и физико-химические основы микроэлектроники"(Вильнюс, 1987г.);заседании секции "Полупроводниковые гетероструктуры" научного совета "Физика и химия полупроводников" (Херсон, 1984г.); заседании секции "Физика поверхности"научного совета "Физика,химия и механика поверхности"(Махачкала,1987г.);10-ой, 11-ой и 12-ой всесоюзных школах по физике полупроводников (Ленинград, 1983г.,1985г. и 1987г.);на научных семинарах в ФТИ АН СССР.ФИАН СССР, ИФТТ АН СССР.ИФП СО АН СССР.ИРЭ АН СССР,отраслевых организациях; в ряде университетов за рубежом.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ.

Структура и объем диссертации.

Работа состоит из введения,четырех глав и заключения. Объем диссертации содержит 178 стр. машинописного текста,включая 74рис.,3табл. и список литературы из 105 наименований на 8стр.

С0ДЕР2АНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации,сформулирова-

ны ее цель и задачи,охарактеризованы научная новизна,научная и практическая значимость,приведены основные положения,выносимые на защиту, и кратко изложено содержание диссертации по главам.

В первой главе проведено исследование гальваномагнитных свойств

2 о электронного газа в гетеропереходах йаАз - АЮаАз .

В разделе 1.1.носящем вспомогательный характер,дан краткий обзор свойств 2 Р электронной системы в полупроводниковых гетеропереходах, в том числе в присутствии магнитного поля.

В разделе 1.2 приведены результаты исследования электронной системы, состоящей из подсистем разной размерности. На начальном этапе работы из-за неотработанности технологии образцы обладали значительной 3 о проводимостью,которая шунтировала 2 о проводимость и не исчезала вплоть до гелиевых температур. Было необходимо решить задачу разделения вкладов от каждой группы электронов в полную проводимость и определить параметры электронов в этих группах. Подобная задача возникает также для образцов высокого качества при измерениях в условиях внешних воздействий(освещение,сильное электрическое поле). Образцы изготовлялись методом жидкофазной эпитаксии: на подложку из полуизолирующего йаАз последовательно наносились слои ОаАз (толщина 5-20мкм) и А1хВа1_хАз (х=0,3 и 0,6;толщина 1-Змкм); АЮаАз легировался Зп ; ОаАа специально не легировался. Для сравнения исследовались монослои ОаАз .приготовленные в одном процессе на той же шайбе,что и гетеропереходы.

Эффективные подвижность /и е£ и концентрация 1ь в смешанной системе при Т * 77К практически не отличается от значений /и зе и п в

3 в электронной подсистеме. Вклад 2ъ подсистемы в полную проводимость гетероперехода становится заметен при понижении Т по некоторому увеличению в сравнении с /и^ . это объясняется ростом подвижности 2ъ электронов за счет уменьшения рассеяния на фононах при подавленном примесном рассеянии,уч при понижении Т уменьшается из-за

усиления примесного рассеяния. Гораздо в большей степени присутствие группы 21> электронов проявляется в другом эффекте - угловой анизотропии магнитосопротивления &J¡XX .д^. . При н. =90° (■¿- угол между нормалью к плоскости 2С слоя и направлением Н) зависимости др /^(0) для гетероперехода и слоя ОаАв практически совпадают. С уменьшением об значениеар^ в смешанной системе возрастает и при л =о для всех Н др^ О в 3 о подсистеме от сб не зависит и для Н£20кЭ отрицательно. Важным является то обстоятельство, что обнаруженный эффект сохраняется практически вплоть до комнатных Т и проявляется уже в слабых Н. Для сравнения отметим,что квантовые осцилляции /зз^Н),указывающие на присутствие 2В системы .удалось наблвдать только при Т=4,2К на зависимости в области

он

сильных Н. Угловая анизотропияд^ такой смешанной системы объясняется тем,что в образующих ее подсистемах разной размерности маг-нитосопротивление по-разному зависит от Н;в 21> подсистеме оно определяется компонентой НсозА ,в ЗС подсистеме всем полем Н, Поведение константы Холла также указывает на присутствие 21> подсистемы;это проявляется в появлении полевой зависимости константы.

Показано,что полевые зависимости компонент тензора магнитосопротивления, измеренные при разных значениях сС .позволяют определить концентрацию и подвижность электронов в каждой подсистеме.

Полученные результаты использовались в совместной работе с отраслевой организацией по отработке и получению методом жидкофазной эпи-таксии гетеропереходов йаАэ - А1СаАа с 20 электронным газом. Для диагностики 2Т> электронной системы,проводимой при Т = 77К и Н=3,5кЭ, использовался метод,основанный на эффекте угловой анизотропии магнитосопротивления. Были получены гетеропереходы высокого качества : при Т=4,2К ^ =6,4'Ю4см2/Вс, 1\ =3,3'Ю11 см"2.

В разделе 1.3 приведены результаты исследования эффекта Шубникова-де Гааза;исследовались образцы с чисто 2е провдимостью. Из зависи-

мостей Р^Ш) и рху(Н) строилась зависимость б^СЮ.в которой затем выделялись монотонная и осциллирующая части. Монотонная часть с5^пс(Н) хорошо описывается классическим выражением ¿^(Н) до

достаточно больших Н; £Г=егум, &-циклотронная частота, 2Г-время релаксации. Из угла наклона прямой в координатах и Н определялась величина . Время релаксации определялось также из полевой зависимости амплитуды осцилляций (б" осциллирующей части магнитопроводимости. Лдя б^СЮ использовалось выражение,полученное в приближении короткодействующего потенциала рассеяния в /5/. Оказалось, что значения .найденные из осциллирующей части б" (Н),меньше значений,полученных из монотонной части. С ростом /л это отличие возрастает и в образцах высокого качества отношение значений Х0 .полученных разным способом,достигает 10,хотя в теории /5/ оно равняется I. Полученный результат расходится с результатами для кремниевых инверсионных слоев,в которых времена релаксации .определенные разным способом,практически совпадают. В связи с этим для анализа использовалась также теория /6/ ,где дополнительно учитывалось электрон-электронное рассеяние и рассеяние на акустических фононах.Согласно /6/,поведение эффекта Шубникова-де Гааза определяется не циклотронной массой а некоторой массой т,перенормированной за счет рассеяния. Значение гп определялось из температурного поведения амплитуды асцилляций. Как и ожидалось,»! оказалась зависящей от Н.с ростом Н /п растет. 0 учетом найденной зависимости т(Н) при помощи выражения дляб^Н) из/б/ получены значения времени релаксации,которые также оказались различными для монотонной и осциллирующей частей проводимости. Температурное исследование эффекта Шубникова - де Гааза 5К )показало, что во всем диапазоне существования осцилляций эффекта отношение времен,найденных с помощью формул из /5,6/,для монотонной и осциллирующей частей проводимости,не меняется.

Полученные результаты позволяют предполагать,что в гетеропереходах

йаАз-АЮаАграссеяние электронов в магнитном поле в значительной мере определяется рассеянием на крупномасштабных флуктуациях потенциала. Неучет этого процесса в существующих теориях,повидимому,не позволяет использовать полученные в них выражения для количественного описания эксперимента.

Вторая глава посвящена обнаружению и исследованию отрицательной фотопроводимости(ОШ).вызванной пространственным переходом фотовоз-бузденных электронов из 2 Б потенциальной ямы в слой АХОаАа

В разделе 2.1 рассмотрены существующие методы исследования границы раздела в гетеропереходах с 2 с электронным газом. Они не позволяют определять такие важнейшие параметры как положение основного размерного уровня Е0,форму 2 с потенциальной ямы,высоту потенциального барьера дЕ на гетерогранице. Знание д Е особенно важно для прикладных целей,например, дЕ используется при расчетах характеристик полевых транзисторов. Кроме того,они дают большой разброс величины разрыва зон на гетерогранице,т.к. используют параметры,точность определения которых нев.елика(толщины квантовой ямы и "спейсера",профиль легирования в А10аАв .энергия связи 2 в энситока и т.д.).

В разделе 2.2 рассмотрен прямой безмодельный метод определения высоты потенциального барьера и описаны методики эксперимента.

При освещении светом с энергией,превышающей дЕ(рассюяние от размерной подзоны до вершины гетеробарьера),может происходить переход фотовозбужденных 2 в электронов в слой АХСаАа . Из-за сильного различия подвижностей электронов в 2 о канале и в АгваАз ,этот переход должен приводить к заметной ОФП. Красная граница эффекта будет примерно соответствовать дЕ(с учетом туннелирования через гетеробарьер).

Исследовались гетеропереходы двух типов:1-полученные методом мо-лекулярно-лучевой эпитаксии и 2-методом шадко^азной эпитаксии;состав твердого раствора ах^с^а^хО, 3) был одинаков.Концентрация 2 в электронов /г=(1,5 - 4,5)-1011см~^,подеижностьд<=(0,15 - 2).105см^/Во.

При низких Т ОФП обладала большим временем релаксации,поэтому в

основном измерялась стационарная ОФП.В качестве источника излучения

использовался перестраеваемый СО лазер с энергией в диапазоне =

200-240мэВ и набор лазеров на основе РЪ^Эе^ и Р^э^е .перекрыва-а

мцих дипазон Е^=130-290мэВ.Спектральная зависимость ОФП изучалась при Т=2-55 К в магнитном поле добОкЭ и разной ориентации плоскости 2т> слоя относительно направления распространения излучения и его плоскости поляризации.

В разделе 2.3 приведены результаты исследования ОФП.В исследуемом диапазоне длин волн на отдельно выращенных монослоях йаАз и А1СаАа ОФП не наблюдается.Возникновение ОФП в гетеропереходах вызвано пространственным переходом электронов из 2ъ канала в АЗЛаА^При этом уменьшение^ сопровождается некоторым уменьшением /и из-за изменения экранирования. Для доказательства того,что ОФП вызывается пространственным переходом электронов в основном над барьером,эффект также изучался в образцах,которые отличались от образцов I типа только тем,что в них на границе между ОаАэ и АЮаАз был специально выращен слой АХАз (%А1Аз^ А1йа!А^олщиной 30-40?;параметры 2 в системы при этом не менялись.На этих гетеропереходах ОФП в интервале 130-290мэВ исчезла и появилась при больших энергиях с порогом вблизи ~600мэВ,что хорошо согласуется с оценкой высоты барьера на границе СаАв-А1Аз .

Спектральная зависимость ОФП имеет ярко выраженный порог ^.¡величина З^вообще говоря,может не совпадать с дЕ из-за подбарьерного прохождения фотовозбуаденных электронов.Толщина и высота барьера зависят от степени размытия гетерограницы,поэтому для гетеропереходов,приготовленных по разной технологии,можно ожидать различий в значениях Еги в поведении ОФП. вблизи порога.Действительно,при одинаковых пд величина Ер всегда больше для образцов I типа.Для образцов разных типов также различен характер поведения ОФП вблизи порога:с ростом Е сигнал ОФП в образцах 2 типа растет практически линейно,в образцах I

тша - экспоненциально;причем показатель экспоненты = С(дЕ-Е где дЕ определяется линейной экстраполяцией из начального участка спектральной кривой,а значение С хорошо согласуется с соответствующей величиной в выражении для коэффициента прозрачности в случае треугольного потенциального барьера.Отсвда следует,что гетеробарьер в образцах I типа более высокий и его вершина более острая,чем в образцах 2 типа,и,следовательно,гетерограница в образцах I типа менее размыта. Это подтверждается оезультатами ОЖЕ анализа:в образцах I типа толщина переходного слоя не превышает 20?,в образцах 2 типа она существенно больше - 200?.

Красная граница ОФП с увеличением 1ъд смещается в сторону меньших энергий,что объясняется увеличением энергии основного состояния 2D системы.Зависимость E0(/tg) для треугольной потенциальной ямы имеет вид Е^ЯП-д^и.если это приближение соответствует экспериментальной ситуа-ции,то должно выполняться ^,+Е0+йЕ=дЕс,где£г=ЕггЕ0=5Г?1п-/т.,Е1гуровень Ферми и считается,что ¿E=Eg-Ej,E^-положение вершины гетеробарьера.Используя найденные для разных/г0 значения дЕ,получим величину ге.которш с точностью ~5% совпадает со значением,полученным в модели треугольной яш.Отсвда получим дЕс и, зная из спектров фотолюменисценции Eg для AlGaAe я GaAs .найдем ¿EcAEg =0,58-0,6. Верхняя граница й Ес соответствует ситуации,когда лЕ=Е3 - Ер .нижняя - дЕ = Es - EQ. Полученный результат позволяет определить величину размытия границы раздела в гетеропереходах,приготовленных жвдкофазной эпитаксией. Считая, что в этом случае 2 D потенциальная яма имеет треугольную форму о o6ei ми наклонными стенками (в отличие от яш с вертикально! и наклонной

стенками в резком гетеропереходе)и определяя из эксперимента дЕ(на-

тт —?

пример, при rig =3,6'10 хсм дЕ=140мэВ),получим величину размытия о

границы 100-200А,что хорошо согласуется с толщиной переходного слоя, определенной ОЖЕ-методом.

Зависимость сигнала ОФП от интенсивности света J является нелинейной во всем диапазоне J =(10~® * 10"4)Вт/см2. Насыщение сигнала ОФП

при больших J можно объяснить обратным перебросом электронов из АЮаАа в 2 йканал.При малых J концентрация свободных электронов в А1СаАа мала и этим процессом можно пренебречь.

В разделе 2.4 дается феноменологическое описание процесса пространственного переноса электронов и приведены результаты исследования 0® в зависимости от Т и Н.

При описании ОФП рассмотрены следующие процессы:1 - оптическое

возбуждение электронов 2 с канала в область энергий Е^>Е3со скоростью

генерации (ц2 - релаксация "горячих" электронов в СаАа со временем ^

—Т2

за счет излучения оптических фононов с);3 - переход электро-

нов изАЮаАав ОаАа над барьером с вероятностью Ь/'^где Б -коэффициент квантомеханического прохождения над барьером, с^ время расплыва-ния волнового пакета фотовозбужденных электронов - ре-

лаксация горячих электронов в АЮаАа со временем ;5 - обратная релаксация электронов из АЗ-ваАв в 2в канал со временем Г.При больших л учитываются:6- оптическое возбуждение электронов вАЮаАв с уровня Ферми в область Е^>Е3 со скоростью генерации(¡2;7 ~ переход электронов изАЮаАв в ОаАа над барьером с вероятностьюСД^,^-^.Решение системы соответствующих уравнений кинетики дает выражение для концентрации электронов в 2В канале как функцию времени,интенсивности освещения и энергии фотона.Полученное выражение качественно согласуется с результатами эксперимента.

Механизм фотояонизации электронов в 2и канале остается до конца не ясным.До сих пор считалось,что возбуждение 2Ъ электронного газа происходит из-за поглощения на свободных носителях.При этом должна наблюдаться поляризационная зависимость ОФП.Однако в эксперименте такой зависимости обнаружить не удалось.Это позволяет предположить,что приближение эффективной массы,обычно используемое при рассмотрении оптических явлений в 2И системах,в данном процессе неприменимо.

Дл.т выяснения механизма возврата электронов из А1баАв в 20 канал

исследовалось поведение ОФП в зависимости от Т и Н.Из развитых выше представлений следует,что скорость генерации фотоэлектронов не должна зависеть от Т,а температурная зависимость ОФП определяется завися мостью £(Т).Величина X должна зависеть от J ,с ростом J Гдолжно уменьшаться из-за увеличения неравновесной концентрации электронов в А1СаАа .Результаты эксперимента согласуются с ожидаемым поведением ОФП.Величина ,определенная по углу наклона начального участка временной зависимости сигнала ОФП,в исследуемом температурном интервале (2-55К) постоянна.Температурные зависимости сигнала ОФП и £ ,как и ожидалось,схожи и характеризуются одинаковой энергией активации Е . Время релаксации ОФП при гелиевых температурах ~(1-5)-10 с,Спад ОФП во времени имеет неэкспоненциальный характер,поэтому для оценки £ использовалось время,за которое сигнал ОФП падает вдвое.Начиная с некоторых Т увеличение Т приводит к экпоненциальному уменьшению V .при этом 1^*2мэВ для образцов I типа и Е^7мэВ для образцов 2 типа.С ростом величина Г убывает, насыщаясь при больших J из-за включения процесса фотовозбуждения в АЛ^аЛа .

Можно было бы предположить,что при низких Т возврат электронов из АЮаАа в 2о канал свяязан с туннельным эффектом.Однако,оценки времени туннелирования дают значения,существенно превышающие экспериментальные.Поэтому предлагается следующее объяснение процесса возврата:электрон, попавший в результате релаксации по энергии на примесные состояния в А1СаАв .мигрирует по примесной зоне вдоль границы раздела в поисках "узких"мест,по которым туннелирование облегчено за счет уменьшения высоты или толщины барьера.Еа в этом случае естьэнергия активации прыжковой проводимости по примесной зоне с участием фононов.В слабокомпенсированном материале Еа- е

,где Л^-концентрация при-

Т7 —Я

месей.При N>10 см Е^бмаВ.что хорошо соглауется с экспериментом. Предложенное объяснение подтверждают результаты измерения Г в зависимости от Н.В случае прямого туннелирования зависимость Т(Н) должна

иметь осциллирующий характер,отражающий осцилляции плотности состояний в 2 D системе при изменении Н.В эксперименте (Н-бркЭ) наблюдается лишь слабый монотонный спад X с ростом Н.

Большие времена,характерные для процесса возврата электронов из AlGaAa в 2D канал,могут ухудшить характеристика транзисторов при низких Т.Поэтому проводились исследования,цель которых состояла в опре-лении оптимальных значений параметров границы раздела,при которых процесс пространственного переноса электронов затруднен.Также исследовалась замороженная фотопроводимость,которая начинала проявляться при Ег.0,6эВ.Показано,что процесс перехода электронов из AlGaAa в 2D канал при замороженной фотопроводимости определяется тем же механизмом, что и процесс релаксации при ОФП.

о

На обычных частотах (~10 Гц) изменение пд при ОФП мало,при этом 2D система не возмущается.Это позволяет использовать ОФП в исследованиях,при которых требуется менять пд,на образцах без затвора. В работе ОФП использовалась для изучения полевой зависимости коэффициента свя-

ty

зи между4Яху='Яху~ A/e VI ир^ в области холловских плато.

Третья глава посвящена обнаружению и исследованию в условиях КЭХ краевых магнитоплазменных колебаний 2D электронного газа - КМП.

В разделе 3.1 приведены теоретические представления о ИОД. КМП представляют собой волну плотности заряда,прижатую к краю бесконечной 2D полуплоскости.Распространение вдоль края полуплоскости (вдоль- оси у ) происходит по закону exp[¿(^y-¿opt)] ,где £-волновой вектор Щ5П,

- комплексная частота ШП/7/. В /8/ рассмотрение КМП проведено без учета затухания и В /7,9/ учтено затухание и 61 с точностью до логарифмического множителя, зависящего от б"

P AJ Ал,

и б' . В /10,11/ также получено,что ш'^б Полученные в разных те-

Xj Р ЛУ

ориях выражения для частоты МШ схожи, однако условия, в которых рас-матривались КМП,существенно отличаются от условий эксперимента,где однородный 2D слой конечных размеров расположен на подложке конечной :

толщины и край подложки совпадает с краем 2т> слоя.

В разделе 3.2 проведено рассмотрение КМП в образцах конечных размеров .Возникновение КМП представляется как развитие возникшей неоднородности 233 заряда в скрещенных полях Н и Ер,где Ер- электрическое поле КМП в плоскости 2С слоя.Наличие холловского тока приводит к перемещению зарядов 2Ъ слоя вдоль края образца,вызывая вращение картины зарядов,тока и поля в плоскости образца с угловой скоростью ш'^. Направление вращения определяется ориентацией Н. Релаксация неравновесного распределения зарядов обусловлена действительной частью 6

Ал

поэтому затухание и;р процесса будет мало при малых <5^..При малых размерах области локализации заряда КМП вблизи края образца волновые числа собственных мод КМП определяются из =2£к/Р,где Р-периметр 2Ь слоя,к=1,2.. .-номер моды КМП.Из приведенных соображений л^^у/А, где А-характерный размер 2С слоя.

КМП можно возбуждать,помещая образец в переменное электрическое поле Е~ехр{-Lшt ). При этом распространение КМП можно рассматривать как процесс перераспределения плотности заряда вблизи края слоя, развивающийся так,чтобы экранировать внешнее поле внутри 2В слоя. Экранирование должно зависеть от соотношения между а/р и ш и .следовательно, частотную зависимость экранирования внешнего поля можно использовать для изучения КМП. Оценка ожидаемых частот КМП в образцах обычных размеров(А ~ 2-6мм) в поле Н ~ 10-60 кЭ дает значения в диапазоне 0,1-ПТц,что существенно меньше и>с ;КЭХ на этих частотах не разрушается.

В эксперименте исследовалась полевая зависимость сигнала Щси,Е), пропорционального квадрату модуля нормированного электрического поля вблизи образца.Это поле является суммой возбуждающего поля и поля КЛ1 вне образца, поэтому 11(ш,Н) характеризует процесс экранирования внешнего поля, зарядами 1Ш.Измерения велись при Т=4,2К на частотах в диапазоне 0,05-5ГГц. ''

В разделе 3.3 приведены результаты эксперимента и дана их качественная интерпретация.

Проведено рассмотрение ожидаемой частотной зависимости измеряемого сигнала,использовалась аналогия с гармоническим осциллятором. Показано,что с ростом со значение должно сначала возрас-

тать, затем, вблизи резонанса ( резко падать,при дальнейшем уве-

личении со будет расти,приближаясь к некоторому предельному

значению; ИХ,Ш) используется для обозначения зависимости 11((й-,от Ю при фиксированном Н, й(Н) - для обозначения зависимости ¿¿(й,Н)от Н при фиксированной Ю . Значение частоты КМП находится в области спада /¿н(£и),а протяженность спадающего участка определяется затуханием КМП. При изменении основных параметров (Л-В,Р,Н)положение резонансной особенности на частотной кривой меняется,сдвигаясь в область больших СО с уменьшением Н и Р и с увеличением п, . в области плато можно ожидать сужения резонансной особенности;возбуждение нескольких мод НМЛ должно приводить к появлению нескольких резонансов на кривой и (Си) .зависимость и (/о) использовалась для построения ожидаемой полевой зависимости ¿¿(Н), измеряемой в эксперименте.Показано,

со

что,если и такова,что при возрастании Н последовательно удовлетворяются соотношения со (^(Н~0), (Н^Н^ и (Е>Нг),то зависимость /ун) будет походить на зависимость

Характер полученных в эксперименте зависимостей неплохо согласуется с результатами предварительного анализа. Для условий,при которых резонанс попадает в область классических Н.вид резонансной особенности наиболее близок к ожидаемому. В области больших Н вид кривых усложняется: на зависимости /^(Н)возникают осцилляции,которые,как будет показано,связаны с немонотонным поведением ¿о' (Н) и в

У У

области холловских плато. Поведение измеряемого сигнала в зависимости от Яд, Ш и Р согласуется с- ожидаемым для КМП. 1 Результаты подтверждают представления о том,что КМП локализованы ... '.

вблизи края образца и направление их распространения определяется ориентацией Н.

В эксперименте было возможно проводить исследование основной и высших мод КМП .используя для их возбуждения электроды специальной Форш. Полученные при этом результаты согласуются с результатами пред верительного анализа.

Вся совокупность полученных результатов указывает на то,что в условиях НЭХ в 2е электронной системе конечных размеров существуют краевые магнитоплазменные колебания. Зависимости Ц, (Н) при этом отражают особенности поведения 20 системы в условиях КЭХ.

Для получения информации о свойствах КМП в работе предложен сле-дувдий метод - из общих соображений получено выражение,описывающее отклик 2б системы на внешнее воздействие,зависящее от частоты и затухания КМП,значения которых затем находились из согласования расчетных и экспериментальных' зависимостей для

В разделе 3.4 приведен вывод феноменологического выражения для обобщенной восприимчивости 2ь электронной системы в магнитном поле. Уединенный образец представляет собой систему заряженных частиц,взаимодействующих с внешним электрическим полем,создаваемым зарядами 0~ехр(~ий± ). Поле вызывает перераспределение зарядов в 21) слое , что,в свою очередь.вызывает изменение потенциалов Ч^ в месте расположения . В линейном случае И^ = На основе анализа гамильтониана 2й системы показано,что ¿.^ является матрицей обобщенной восприимчивости. Это позволяет использовать известные свойства обобщенной восприимчивости при выводе выражения для«1п ) - ве-

г У

щественна ; 2.с£^(<У,Н)=<^.(Л,Ч1); 4.Л,(со-»-0}--сст<.Д11я

установления частотной зависимости«^ сделано предположение,которое следует из качественного анализа экспериментальных результатов,что в 21) слое могут существовать свободные колебания с частотами

рл ¿ж ря

разбивающиеся по закону ехр(-б Вместе с перечисленными свой-

твами этого предположения достаточно,чтобы установить вид (Со ). ри этом учитывалось,что ¿у должна содержать наряду с четной и не-:етную по Н часть,определяемую холловским током.

В разделе 3.5 с помощью полученного выражения для ¿.у проводится

шичественная обработка эксперимента. В измерительной ячейке потен-

2

,иалы и заряды на электродах связаны соотношением II. =1 б.. £2. ,где

I ¡.

-<<.•• и С-является обратной емкостной матрицей,характеризующей у- V V "

чейку. Величина не зависит от Н и Ш ;размеры ячейки и электро-

а

ов (-1см) много меньше длины волны излучения(-ЗОсм). Заряды и потен-иалы связаны также уравнениями для внешних цепей,что позволяет поучить выражение,связывающее измеряемый сигнал и частоты КМП. С по-ощыо компьютера значения подбирались так,чтобы обеспечить на-

лучшее согласие измеряемой и расчетной кривых ¿¿а(со). В результате олучалась зависимость спектра КМП от Н. Значения частот для 1-ой и -ой мод КМП .полученные для одного образца в разных ячейках,совпа-али с точностью 5-7%,хотя геометрические параметры (числа с/. )при том могли иметь разный знак и различаться более,чем на порядок. Рас-ождение для затухания основной моды достигало 10-15$.

В разделе 3.6 представлены результаты количественного анализа кспериментальных данных. Они подтверждают сделанный на основе ка-ественного анализа вывод,что частоты КМП много меньше 0)с и ¿^ .Так, ля образца с Р=1,2см при Н=30кЭ 0,271Гц, а ^¿/2-/Г=1300ГГц и

^500с-1(уи =6-Ю^см^/Вс). С увеличением Н Ыщ уменьшается.в области лато поведение ¿ИрК(Н) становится немонотонным,что выражается в по-вленш локального максимума. Сравнение зависимостей б;'(Н) и 1Г(Н,0' озволяет сделать вывод,что б"^ для Н вне центра плато.С ростом

омера моды частота КМП растет сублинейно,например,для всех Н со^ еньше <Ур2 в ~1,5раза. Вероятно, это связано с разным значением эффектной диэлектрической проницаемости для разных пространственных рас-ределений зарядов РЗШ.

Чатота НМЛ практически не зависит от /* .Затухание НМЛ и характе его зависимости от Н,напротив,определяютя величиной/и . Значение й с ростом Н уменьшается, Для малых ум на зависимости ^р(Н) имеется участки с почти постоянным затуханием (в области плато). С ростом / затухание КМП уменьшается,причем наиболее сильно в области плато. ; результате зависимость ¿¡-^(Н) становится осциллирующей и качествен схожей с зависимостью б'хх(Н,0).Однако,пропорциональность между со и б^ отсутствует.

Изучен закон дисперсии КМП - зависимость 0)^ от Р. С уменьшение Р(увеличением Сир и 4>р возрастают сублинейно,причем характер их поведения не зависит от Н.

Проведено исследование распределения поля КМП.Для этого ставило два типа экспериментов.Б первом изучалась глубина проникновения по в подложку,измерялась зависимость ¿у от толщины подложки. Во втор исследовалось распределение поля в плоскости 2ь слоя,измерялась за самость ¿¿>р от размера экранированной области 2ь слоя. Найдено,что характерный размер 10области локализации поля КМП вблизи края 2ь с практически не зависит от Н и не является пренебрежимо малым по ср нению с размером 2Ь слоя (^1^0,4).

Проведен анализ применимости существующих теорий и обсуждена во можность получения с их помощью количественной информации из резул татов эксперимента. Делается вывод,что найденные закономерности по ведения КМП в большей степени согласуются с результатами в /7,9/. 0. нако,из-за отличия условий,в которых исследуются краевые магнитопл менные колебания в /7,9/,от условий эксперимента,эта теория в её существующем состоянии не может быть использована для извлечения к личественной информации-из данного эксперимента.

Четвертая глава посвящена изучению динамической холловской пров димости 20 электронного газа,проведенного с помощью эффекта Фараде

В разделе 4.1 описан метод исследования бх (Н,ш). Ранее прове

енные измерения ограничены частотой 50МГц,на которой дисперсия бХу ще не проявляется. Оценка сверху частот,где можно ожидать дисперсии олловской проводимости,дает 200-600ГГц. На таких со возможны только есконтактные измерения,поэтому метод основывался на эффекте Фарадея. случае плоской бегущей волны и слабом поглощении угол поворота 8 лоскости поляризации и аллиптичность&зрошедшей через бесконечный слой волны однозначно определяются действительной б' и мнимой частям холловской проводимости. В условиях СВЧ эксперимента 'беспечить режим бегущей волны практически невозможно. Поэтому вместо | и б измерялся сигнал,пропорциональный б^(Д,о)) и,следовательно, [ 82(Н, и) )+82(Н,^ )] . Величина сигнала пропорциональна мощности излу-[ения ^(Н).прошедшего при данном Н от генератора СВЧ излучения через :истему прямоугольный волновод - цилиндрический волновод с исследу-!мым образцом - прямоугольный волновод к приемнику при 90°-ной разо-шентации пршоугольных волноводов. Угол разориентации у можно было главно изменять в условиях гелиевых температур.Исследовался диапазон ¡астот 25-70ГРц,в цилиндрическом волноводе возбуждалась только ос-ювная мода ТЕц» Т=4,2 К.

В разделе 4.2 проведен анализ измеряемого сигнала Р(у). Рассмотрев ю прохождение двух ортогональных плоскополяризованных волн через золноводный тракт,состоящий из последовательных областей:прямоуголь-шй волновод от генератора до резонансной диафрагмы на границе с ци-гавдрическим волноводом,'цилиндрический волновод от этой диафрагмы до 5Р слоя;подложка толщиной ;цилиндрический волновод от конца под-южки до резонансной диафрагмы на границе с другим прямоугольным вол-юводом;прямоугольный волновод от диафрагмы до приемника. При согласовании полей по обеим сторонам 2Ь слоя в соответствующих уравнениях юявляются члены,содержащие буу и б^. Полученная система уравнений позволяет выразить Р(у>) через бХу, б^, у, ш, -ь0 иг0;г0-рас-:тояниэ 20 слоя от края волновода. В результате анализа,проведенного

ка компьютере с учетом реальных параметров волноводного тракта,полу чены следующие основные результаты. 1.При у =90° = -Р ( б ^ °хх' ^ •''о ^о ^* в случае б^. - <5^. зависимость от б ^ линейн в широком интервале изменения б .включающем квантованные значени

. V

о^. 2.Поведение Р(У) при изменении У зависит от отношения у = б^у/ б^. При конечной у характер изменения Р(у>) от начального Р^ зависит от знака у . При одном направлении вращения волноводов Р уменьшается до некоторого Рш и затем возрастает,при другом - только возрастает. В случае ц =0 Р возрастает независимо от знака вращения волноводов. Найдена зависимость Р т /Р_ от у .

В разделе 4.3 приведены результаты эксперимента. Исследовались т< же образцы,что и в главах 2 и 3. Как и ожидалось, при фиксированной со характер полевой зависимости £(Н) не зависел- от положения образца,его размеров(А=3-€мм) и-толщины подложки(Ь0 =180-400мкм).

о

Поведение РА(Н) согласуется с ожидаемым поведением <5"х (Н) . С ростом поля сигнал сначала возрастает,достигает максимума и затем спадает. Положение максимума,зависимость поля,соответствующего максимуму, от частоты и ход зависимости Р(Н) при больших Н описываются друдевским выражением для б" .

лу

В области спада зависимости ]>(Н) на ней появляются особенности , наиболее сильно выраженные при низких ¿0 . с ростом Н они приобретают характерный платообразный вид;положение центра плато соответствует целочисленному значению V ,а величина сигнала на плато пропор-2

циональна V . Это означает,что на исследуемых частотах динамическая квантуется. Этот вывод дополняется результатами исследования угловой зависимости измеряемого сигнала. Найдено,что Рш (Н) и Р(Н) различаются только при малых Н. При ЩХ^-1 с точностью эксперимента 5%) эти. зависимости совпадают. Отсвда следует,что при больших Н динамическая б- в основном содержит только действительную лу

компоненту( б^/ ¿0,2).

Возрастание й) приводит к изменению характера полевой зависимости

б Ху> Плато сначала сокращается и затем,при некоторой й>о .исчезает.

Плато,расположенные в меньших Н, разрушаются при меньших а)о . При

дальнейшем увеличении U) зависипость б" (Н)'-стремится к зависи--т

мости вида Н . Значение является важным динамическим параметром 2d системы. Фактически,при данных гь и Н й определяет частотную

8 • О

границу существования КЭХ. Найдено,что величина (О0 зависит от 1ъд , номера плато и Н. Для плато с одинаковыми V увеличение аа приводит к росту gjo : так, для уи =8* Ю^см^тЬо и =2 ¿¿¿/2эс ~40ГГц при /ta=2,2.I0IICM~2 и ¿¿/2ЛГ-6ЗХТц при аа=3'ЮПсм~2. Изменение характера полевой зависимости холловской проводимости с частотой схоже с тем,что вызывается увеличением температуры.

В разделе 4.4 проводится обсуждение результатов эксперимента и сравнение их с имеющимися теориями/12-14/. Частотное поведение КЭХ качественно можно согласовать с представлениями,основанными на модели плавного квазиклассического потенциала примесей. В этом случае локализованное состояние соответсвует движению по замкнутой эквипо-тенциалк в поле случайного потенциала примесей с характерной частотой .определяемой величиной Н .амплитудой потенциала и длиной тра^ ектории. Нерегулярность потенциала должна приводить к широкому диапазону характерных частот. Попадание частоты внешнего электрического поля в этот диапазон может привести к возникновению переходов между разными траекториями и,следовательно к частотной дисперсии б* и разрушению КЭХ,схожему с тепловым разрушением эффекта. Характер частотного искажения КЭХ,однако,отличается от предсказываемого в /12,14/ где используются некоторые конкретные модели случайного потенциала; в /13/ зависимость от частоты не получена.Делается вывод,что

извлечь количественную информацию из эксперимента с помощью /12-14/ невозможно.

в разделе 4.5 исследование динамического поведения 2d электронного

газа проводится в условиях.когда является существенным наличие границы у 21) слоя.В этом случае,как показано в главе 3,в образце возможно существование краевых м^гнитоплазменных колебаний. Показывает ся.что прфозбуадении НМЛ характер полевой зависимости измеряемого в эффекте Фарадея сигнала должен измениться. При возрастании поля от 0 до некоторого Нк,определяемого соотношением ,РА(Н)

будет возрастать от 0 до некоторого максимального значения. При дальнейшем росте Н величина ЩН) должна уменьшиться до значений, соответствующих неограниченной 2п системе.

Изучались образцы,на поверхности которых создавалась система 2в дисков. Диаметр дисков (14-41мкм) был выбран при помоши экстраполяции результатов из главы 3 так,чтобы на частотах 25-?0ГГц резонансный максимум в РА(Н) мог наблюдаться в полях 10-60кЭ. Вид зависимости РХ(Н) и характер её изменения при изменении и),пвтл диаметра 2в диска согласуются с ожидаемыми. Найденные значения На также близки к величинам,полученным экстраполяцией данных для низких ¿0 .

Обнаруженный эффект использовался для извлечения информации о ^хх и ^ху на частотах<пРи которых Ш разрушается. С помощью теории /9/,условия в которой близки к условиям данного эксперимента, найдено,что на частотах 30-601Тц и полях до ЗОкЭ значения б^ близки к друдевским (в пределах -50^).

В заключении сформулированы основные полученные результаты.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТ! РАБОТЫ.

I.Впервые исследованы гальваномагнитные свойства электронной системы, состоящей из подсистем разной размерности,-двумерной и трехмерной. Показано,что зависимости компонент тензора магнптосопротив-ления от магнитного поля содержат информацию о вкладе каждой подсистемы в полную проводимость гетероперехода.

2.Обнаружена характерная угловая анизотропия магнитосопротивле-

ния в электронной системе,состоящей из подсистем разной размерности. Эффект предложено использовать для диагностики 2В системы, которую можно проводить в слабом поле вплоть до комнатных температур, Внедрение метода диагностики позволило получить методом жидкофазной эпитаксш гетеропереходы АЮаАв-СаАа с 2 б электронным газом высокого качества.

3.Обнаружено,что для 2 в электронного газа в гетеропереходах ОаАз-АЮаАэ времена релаксации,определенные из монотонной и осциллирующей частей магнитопроводимости,сильно различаются. Отношение времен растет с ростом подвижности и не зависит от температуры во всем диапазоне существования осцилляций. Теории,в которых рассматривается рассеяние на 8- образном примесном потенциале,не объясняют наблюдающегося расхождения. Это позволяет предполагать,что в указанной 2 о системе рассеяние электронов в магнитном поле в значительной степени определяется рассеянием на крупномасштабных фпуктуациях потенциала.

4.Предсказано и обнаружено явление пространственного переноса электронов из двумерной потенциальной ямы через гетерограницу в слой широкозонного полупроводника,которое происходит при оптическом возбуждении 2 с электронного газа. Величина энергии кванта света при этом примерно соответствует энергетическому рассеянию от 20 подзоны до вершины гетеробарьера. Возникающая в 21) канале отрицательная фотопроводимость обусловлена не только уменьшением концентрации,но и связанным с ним некоторым уменьшением подвижности электронов. Эффект не зависит от поляризации света.

5.Определены важнейшие энергетические параметры границы раздела-высота потенциального барьера и разрыв зоны проводимости на гетеро-границе. Величина барьера,отсчитанная от двумерной подзоны до максимума дна зоны проводимости А1СаАа ,растет с понижением концентрации электронов. При одинаковой концентрации электронов в гетеропере-

ходах,полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии,высота барьера больше,чем в гетеропреходах,полученных методом жидкофазной эпитаксии. Это объясняется большим размытием границы раздела в гетеропереходах, полученных жидкофазной эпитаксией:величина размытия сос-о

тавляет 100-200А. Разрыв зоны проводимости составляет 0,58-0,6дЕ .

О

Показано,что в гетеропереходах с резкой границей раздела для определения положения дна основной двумерной подзоны можно пользоваться приближением треугольной потенциальной ямы.

6.Развита феноменологическая теория отрицательной фотопроводимости. Получено выражение,описывающее изменение концентрации электронов в двумерном канале как функцию времени,интенсивности излучения и энергии фотонов. С его помощью можно объяснить наблюдаемый максимум в спектральной зависимости отрицательной фотопроводимости конкуренцией двух процессов,сопровождающих рост энергии фотонов,-увеличением надбарьерного прохождения электронов в АЮаАа и уменьшением скорости оптической генерации. Показано,что сечение поглощения растет с увеличением энергии фотона сублинейно. Такое поведение,а также независимость эффекта от поляризации падающего излучения указывают на отличие механизма поглощения света в 20 электронном газе от механизма поглощения на свободных носителях. Описан процесс релаксации отрицательной фотопроводимости,связанный с возвратом электронов из АЮаАа в двумерный канал.

7.Из исследования эффекта в квантующих магнитных полях найдено, что в области крыльев холловских плато величина отклонения холловс-кого сопротивления от соответствующего квантованного значения пропорциональна величине магнитосопротивления,

8.В условиях КЭХ обнаружены собственные моды краевых магнито-плазменных колебаний - ЮШ,частота которых много меньше циклотронной частоты и обратного времени упругой релаксации.

Э.Предлогкен и реализован метод экспериментального исследования КМП,который состоит в измерении полевых зависимостей сигнала,характе-

зующего степень экранирования внешнего электрического поля в 2б :ое зарздами 1Ш. Исследования проведены в диапазоне частот 0,05Гц.

10.Предложен и реализован метод количественного анализа результа-в эксперимента,основанный на описании отклика 2Г) системы на внеш-е воздействие с помощью обобщенной восприимчивости. Получено фено-нологическое выражение для обобщенной восприимчивости.

11.Впервые определены частоты и затухания основной и высшей мод П и их зависимость от Н .которая отражает характерные особенности

) системы,находящейся в условиях КЭХ. Частота МШ ведет себя подоб-| й> =0),за исключением областей плато,где зависимость ^(Н)

'ановится немонотонной;величина и поведение <^р(Н) практически не и:сят от п. "Зшючива затухания и характер его зависшиос-; ог К опрсдагчктю:; иэд&плссгбв: пря малой /л зависимость еет ;л;;сгкл с иоч-ы ростояннык затуханием (в области плато);с рос->м /м затухание уменьшается,а его зависимость от Н становится ос-[ллирующей с резким уменьшением затухания в области плато.

12.Исследован закон дисперсии КШ,зависимость частоты от перимет-I практически одинакова для разных Н и имеет сублинейный характер, шдено.что характерный размер области локализации поля ШШ вблизи >аницы 2Ъ слоя практически не зависит от Н и не является пренебре-[ко малым по сравнению с размерами 2я слоя.

13.Предложен и реализован метод исследования динамической холлов-;ой проводимости 20 электронного газа,основанный на эффекте Фарадея. ¡тод позволил изучить раздельно поведение действительной и мнимой )мпонент ^уД0 частот 70 ГГц,что более,чем на 3 порядка,превыша-

; ранее исследованные частоты.

14.Обнаружено,что СВЧ эффект Фарадея в 20 электронном газе имеет фаленный квантованный характер: на полевой зависимости сигнала, хшорционального сумме квадратов угла фарадеевского вращения и эл-

липтичности,существуют плато,положение и величина сигнала на кото определяется целочисленным значением фактора заполнения.

15.Обнаружена и исследована частотная зависимость КЗХ. С увел нием ы протяженность плато на зависимости (Q.A) уменьшается и при которой CûQ плато исчезает. При дальнейшем росте и> Н) стремит к зависимости вида Н-*. Частотное разрушение КЭХ схоже с тепловым разрушением эффекта. Величина 0)с зависит от яодвилсности, номера пл и Н. В области сильных Ы отношение мнимой и действительной кокпок б^ не превосходит 0,2(определяется разрешающей способностью эксп римента).

16.Обнаружено изменение эффекта Фарадея при уменьшении размере 2D слоя,выражающееся в появлении резонансного максимума на полевс зависимости измеряемого сигнала. Показано,что эффект возникает из возбуждения КМП электрическим полем падающей волны и наблюдается да,когда частота основной моды КМП близка к частоте излучения. Щ дено исследование компонент тензора проводимости на частотах,при торых КЭХ разрушается. Показано,что их значения близки к друдевси

Основные результаты работы опубликованы в:

1. Волков В.А..Галченков Д.В..Гродненский И.М. .Старостин К.В., Анизотропия магнитосопротивления,обусловленная 2D -электронной подсистемой на границе раздела GaAs-AlGaAe .Писька в ЖЭК 1982, Т. 36, .ÎSS, С. 343-34Б.

2. Волков В.А..Галченков Д.В..Гродненские! И.Ы..Елинсон И.И., Старостин К.В. .Двумерный электронный газ и анизотропия явлеш: переноса в гетероструктуре GaAs-AiGaAg. ФТП. 1983,Т. 17,.'52,

С.288-293.

3. Волков В.А..Галченков Д.В.,Гродненский И.;,:. ,£ш;нсон ..¡.Л., Матов O.P..Старостин К.З..Чернышева О.В.,Двукерш.гЗ олекг^н-ный газ с высокой подвиаюстью б специально не лггиронькякх гетероструктурах GaAs-AlGaAs .выращенных кетодом ¿зддеоза?!

эпатаксии .5111,1385, Т. 19, , С. 333-336. Галченков Д.Б.,Гродненский И.М.,.'.:атов О.Р..Пянскер Т.Н., Старостин К.В. Эффект Щубникова-де Гааза в двумерной электронной системе в условиях квантового эффекта Холла. Письма в НЗТФ.

1984, Т.40, Л0, С. 410-413.

i. "Гродненский И.;.1!..Старостин К.В., Галченков Д.В. Отрицательная фотопроводимость двумерных электронов в полупроводниковых гетероструктурах. Письма в ¿ЭТФ,К8-3, Т.43.М, С.54-45. Галченков Д.В., Гроднснский. И.М..Матов О.Р..Медведев Б.В., Кокеров В.Г..Пинскер Т.Н. Уширение уровня Ландау в условиях квантового эффекта Холла в двумерной электронной системе на границе раз' дела GaAa-AlGaAs .Тезисы докладов 10-ой всесоюзной конференции по физике полупроводников.Минск.1555,4.2.0.41-42. Галченков Д.В..Гродненский K.M..Старостин К.В. Фотопроводимость гетероструктур GaAs-AlGaAa .вызванная присутствием двумерной электронной системы на границе раздела.Тезисы докладов 10-ой всесоюзной конференции по физике полупроводняков.Шгаск.1985,Ч.2, С. 43.

I. Галченков Д.В..Гродненский Я.М.,Старостин К.В.,Шемет A.B. Оптический переброс двумерных электронов в полупроводниковых гетероструктурах. Тезисы докладов 4-ой всесоюзной конференции "Физические процессы в полупроводниковых гетероструктурах".Минск.IS86, С. 46-47.

!. Галченков Д.3..Гродненский И.М.,Засавицкяй й.И..Старостин К.В., Покеров В.Г..Медведев Б.К.,Хабаров 1.3.Определение высоты потенциального барьера в гетеропереходах с двукерянм электронным газом. ФШ,IS87,21,, 3.1522-1524.

:0. Гродненский Ii.'.;. .Гуляср К}.В..Басан^цкий И.л. .Старостин К.З..Покеров В.Г..Медведев Е.К..Слеляев ¡0.3. Диагностика границы раздела и гетероструктурах с двуглеокда; электрояннм газом. Тезисы докладов

Перзой всесоюзной конференции"Физические и физико-химические ос новы микроэлектроники". Вильнюс.1987, С. 172-174.

11. Гродненский И.М.,Пинскер Т.Н.»Старостин К.В.,Мокеров В.Г.,Медве дев Б.К.,Слепя0Е Ю.В. Замороженная фотопроводимость и переходнь процессы в гетероструктурных транзисторах с двумерным электрон* газом. Тезисы докладов Первой всесоюзной конференции "Физически и физико-хишческие основы микроэлектроники".Вильнюс.IS87,С.371

12. Волков В.А.»Галченков Д.В.,Галченков Л.А.,Гродненский й.м.,1«атс O.P..Михайлов С.А.Краевые магнетоплазмоны в режиме квантового s фекта Холла. Письма в 23ТФ.1386,44,в.II, С.510-513.

13. Галченков JI.А.,Гродненский Л.Ы..Каменев А.Ю. Спектр низкочасто! ных магнетоплазкенных колебаний в двумерном электронном газе. '3 1987,Т.21,В.12, С.2137-2200.

14. Галченков Л.А. .Гродненский И.ы..Камаев А.Ю..Костовецккй а.В.,!«£ тов О.Р.Высокочастотные явления в двумерном электронном газе в квантующем магнитном поле. Препринт I-1P3 АН СССР. 1987, .:''13(472). С.-28.

15. Волков В.А. .Галченков Д.В. .Галченков Л.А..Гродненский ii.LL.ifei O.P..Сеничкин А.П..Старостин К.В. Экспериментальное обнаружен: квантования фарадеевского вращения в двумернол электронной сис теме.Письма в дЭТФ.К83,Т.43,В.5,С.255-257.

16. Волков В.А..Галченков Л.А..Галченков Д.В..Гродненский И.iL,Мате O.P.»Михайлов С.À..Сеничкин А.П..Старостин К.В.Квантование фарг деевского вращения в двумерной электронной системе яа границе раздела GaAs-AiGaAs .Тезисы докладов 4-ой всесоюзной кон^еренщ "Физические продессы в полупроводниковых гетегюструктурах".1.';шс 1986, С.38-38.

/I/ Андо Т..Фаулер А.,Стерн 5.,Слектрог:шз свсЛства ягу/еряш: о~ст£ IC35,"Мир",Москва,415 С.

-оэ-

/2/ Волков В.А.,Гродненский И.М. .Двумерный электронный газ в гетеропереходе. Свойства и применения. Микроэлектроника.1982,T.II,№3, С.195-20?.

/3/ Пудалов В.М.,Семенчинский С.Г. Инверсионные, слои носителей заряда в квантувдем магнитном поле. Квантовый эффект Ходда.Поверхность. 1984,M, G.5-28.

/4/ Рашба Э.И.,Тимофеев В.Б. Квантовый эффект Холла.ФТП.1986,Т.20,

йб, С.977-1024, /5/ And о Т. Theory of quantuo transport in a two-dimensional electron system under magnetic fields. 2.Single - site approximation under strong fields. J.Phys.Soc.Jap.,1974-,Vol. 36,Ho 6,p.1521-1529. 3« Many - Bite approximation. J.Phys.Soc. Jap.,197^,Vol.37,Ho 3,p.622-630.

/6/ GraboTsti II. .Hadhucar A. Quantum theory of magnetotransport in 2 - dioensional systems with, electron impurity, electron pbonon and electron'electron interactions. Surf.Sci.,1982, Vol.113,Ho 1-3.P.273-276.

/7/ Волков В. А. .Михайлов C.A. Теория краевых магнитоплазмонов в двум

мерном электронном газе.Письма в ЖЭТФ.1985,Т.42,В.П,С.450-453. /8/ Mast D.B.,Daha A.J.¡Fetter JUL. Observation of bulk and edge m&gnetoplasmons in a two-dimensional classical plasma. Pbys. Hev.bett.1985,Vol.54»Н0 15,p.1706-1709. /9/ Волков B.A,Михайлов C.A.Теория краевых магнитоплазмонов -низкочастотных слабозатухающих возбуждений в неоднородных двумерных . электронных системах.М.Препринт ИРЭ АН СССР.1987,№10(469),С.-45. /iO/illen S.J.,Jr.,Storner H.L.,Hwang J.С.M. Dimensional resonance

of the two-dimensional electron gas in selectively doped GaAs-

«

AlGaAs heterostructures. Phys.Eev.i9a3,Vol.B28,No a,p.4875-4377.

©

jhll/ Тальянский В.И. .Электростатические колебания в двумерных оиоте-

¿V о

мах в условиях квантового эффекта ХолдаЛисьма в 2ЭТ®.1986,Т.43,

B.2,р.96-98.

/12/ Лозовик Ю.Е. .Фарзитданов В.Ы. .Геворкян Ж. С.Динамический кванто-

' вый Эффект Холла.Дисьыа в ЖЭТФ.1984,Т.39,В.4,0.153-155. /13/ Joyxit В. Theory of .the AC breakdown of the quantum Hall effect.

J.Pbye.C.1985,Vol"l7,So 15,p.L 531-336. /14/ Апенко С.М.Дозовшс C.E. О квантовании холловской проводимости . двумерного газа в сильном магнитном поле. 10ТФ.1985,Т.89,В.2,

C.573-588.

печать 21.03.1988 p. Т02408. .

16. Объем 2,09 уел,п.л. Тираж 100 экз.

Формат 60x84 I/I6, Объем 2,09 уел. Ротапринт ИР9 АН &СР. Зак. 137.