Магнитотранспорт в GaAs/AlAs гетероструктурах в присутствии микроволнового излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

Исламов Дамир Ревинирович

МАГНИТОТРАНСПОРТ В Са Аз/А! Аз ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ В ПРИСУТСТВИИ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 01.04.10. — физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

- 2 ЛЕК 2010

Новосибирск — 2010

004614926

Работа выполнена в Институте физики полупроводников имени А. В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук.

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Быков Алексей Александрович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Романенко Анатолий Иванович

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Брагинский Леонид Семёнович

Ведущая организация: Уральский государственный университет

имени А. М. Горького г. Екатеринбург

Защита состоится «21» декабря 2010 г. в 16:30 на заседании диссертационного совета Д 003.037.01 при Институте физики полупроводников имени А. В. Ржанова СО РАН по адресу: 630090, Новосибирск, проспект ак. Лаврентьева, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики полупро водников имени А. В. Ржанова СО РАН.

Автореферат разослан «15» ноября 2010 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, доцент

Погосов А. Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Двумерный электронный газ (ДЭГ) в полупроводниковых структурах уже много десятков лет остается предметом всестороннего экспериментального и теоретического изучения [1]. Обусловлено это, с одной стороны, фундаментальной значимостью физических явлений, проявляющихся в двумерных (20) электронных системах, а с другой — тенденциями современной микроэлектроники, направленными на всё большую миниатюризацию и быстродействие приборов на основе полупроводниковых гетерострук-тур. Одной из 20 электронных систем, ставшей к настоящему времени уже классической, является ДЭГ в селективно-легированном СаАэ/АЮаАв гетеропереходе [2]. В 2001 году в такой системе был открыт новый тип осцилляций магнитосопротивления (МС), возникающих под действием микроволнового излучения [3].

В отличие от осцилляций Шубникова-де Гааза (ШдГ), период которых определяется отношением химического потенциала к циклотронной частоте шс, период осцилляций МС, индуцированных микроволновым излучением, зависит от отношения частоты излучения ы к шс. Вскоре после обнаружения ш/и!с-осцилляций МС было установлено, что в СаАэ/АЮаАз гетеропереходах с высокой электронной подвижностью сопротивление в минимумах этих осцилляций зануляется [4-6]. Этот неожиданный и необычный экспериментальный факт стимулировал всестороннее теоретическое изучение обнаруженного феномена [7-9]. Выяснилось, что осциллирующее в магнитном поле поведение фотопроводимости было предсказано более 30 лет назад [10]. Однако и до настоящего времени многие аспекты электронного транспорта в 20 системах в присутствии микроволнового излучения остаются дискуссионными и требуют дальнейшего изучения [11, 12].

К настоящему времени основные экспериментальные результаты в области магнитотранспортных явлений в 20 системах в присутствии микроволнового излучения получены на селективно-легированных СаАэ/АЮаАэ гетеропереходах с высокой электронной подвижностью. Высокая подвижность в таких гетерострукту-рах достигается селективным легированием, т.е. разделением областей легирования и электронного транспорта толстым нелегированным спейсером. Такой способ подавления рассеяния на случайном потенциале легирующей примеси позволяет получать высокую подвижность лишь при сравнительно малой концентрации Пе ~ ЗхЮ11 см-2, так как для её увеличения необходимо уменьшать толщину спейсера, что неизбежно ведет и к уменьшению подвижности. Т.о. остается актуальным экспериментальное наблюдение и исследование гигантских осцилляций МС, индуцированных микроволновым излучением, в 20 системах с более высокой электронной концентрацией.

Анализ научной литературы показал, что наиболее оптимальными для этих исследований являются СаАв квантовые ямы с А^в/ваЛв сверхрешёточными барьерами [13]. Подавление электронного рассеяния на случайном потенциале ионизованных примесей в СаАв/А1Аб гетероструктурах достигается не только пространственным разделением областей легирования и транспорта, но ещё и экранирующим действием Х-электронов, возникающих в боковых АЬ^э/СаАв сверхрешёточных барьерах. Такой способ подавления рассеяния на случайном потенциале легирующей примеси позволяет увеличивать электронную концентрацию в СаАэ/А^в гетероструктурах, по сравнению с СаАв/АЮаАв гетеропереходами, без проигрыша в подвижности. Т.о. селективно-легированные ОзАб/А1Аб гетероструктуры существенно расширяют экспериментальные возможности для изучения электронного транспорта в 20 системах [14, 15].

Цель диссертационной работы состоит в экспериментальном изучении магнитотранспорта в СаАз/А1Аз гетероструктурах в присутствии микроволнового излучения в широком диапазоне измерительных токов с целью обнаружения и)/и)с-осцилляций сопротивления в этих системах, обнаружении занулений сопротивления и)/шс-осцилляций, выявлении роли анизотропии электронной подвижности в формировании и/и)с-осцилляции, исследовании влияния микроволнового поля на межподзонные осцилляции сопротивления.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые обнаружены гигантские и;/^.-осцилляции МС в СаАэ/А1Ав гетероструктурах с электронной подвижностью менее 106 см2/Вс. Впервые методом ван дер Пау исследовано влияние электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн на электронный транспорт в 20 системе с анизотропной подвижностью. Установлено, что в присутствии микроволнового излучения уменьшение измерительного тока в СаАв/А^в гетероструктурах приводит к появлению магнитопо-левых состояний ДЭГ с полным отрицательным сопротивлением. Обнаружено, что в двойной СаАв квантовой яме внешнее электромагнитное возмущение приводит к существенной модификации магнито-межподзонных осцилляций диссипативного сопротивления.

Научная и практическая ценность работы. В диссертации показано, что при увеличении концентрации ДЭГ индуцированные микроволновым излучением состояния с нулевым сопротивлением проявляются в ОаАв/А1Ав гетероструктурах при средней величине подвижности. Полученные в работе данные делают реальным перенесение исследований природы индуцированных электромагнитным полем состояний с нулевым сопротивлением в 20 электронных системах в область субмиллиметровых длин волн и создание на основе этого явления инфракрасных приемников излучения.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Гигантские осцилляции МС и магнитополевые состояния с нулевым сопротивлением, возникающие в двумерных системах с высокой электронной подвижностью под действием микроволнового излучения, наблюдаются в селективно-легированных GaAs/AlAs гетероструктурах на частотах 50-150 ГГц при величине электронной подвижности менее 10° см2/Вс.

2. Относительная величина гигантских осцилляций магнитосопро-тивления ДЭГ, индуцированных микроволновым излучением в GaAs/AlAs гетероструктурах с анизотропной электронной подвижностью, слабо зависит от ориентации измерительного тока в планарной плоскости гетероструктуры.

3. Осцилляции магнитосопротивления, возникающие в двойных GaAs квантовых ямах с двумя заполненными подзонами размерного квантования, период которых в обратном магнитном поле равен разности периодов осцилляций ШдГ в подзонах, обусловлены межподзонным рассеянием.

4. Гигантские осцилляции магнитосопротивления, индуцированные микроволновым излучением в двойных GaAs квантовых ямах с двумя заполненными подзонами размерного квантования, сосуществуют с магнитополевыми осцилляциями диссипа-тивного сопротивления, обусловленными межподзонным рассеянием.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях:

1. Международная конференция «Nanoelectronics 2006. Novel Na-

nomaterials, Quantum Transport, and Noise of Electrons and Photons» (Lancaster University, UK, 8-11 января 2006 г.);

2. 14-й международный симпозиум «Наноструктуры: физика и технологии» (Институт им. Иоффе, Санкт-Петербург, 26-30 июня 2006 г.);

3. VIII Российская конференция по физике полупроводников «Полупроводники 2007» (Екатеринбург, 30 сентября-5 октября

2007 г.);

4. XIV Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых учёных «ВНКСФ-14» (Уфа, 27 марта-3 апреля

2008 г.).

Публикации. По результатам диссертации в печати опубликовано девять работ [А1-А9], в том числе четыре журнальных статьи.

Личный вклад автора заключается в участии в постановке задач, проведении магнитотранспортных экспериментов, обработке и интерпретации экспериментальных результатов, написании научных ста> тей и подготовке их к публикации.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Объём диссертации составляет 116 машинописных страниц, в том числе 39 иллюстраций, 1 таблица и список литературы из 83 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, указана её научная новизна и практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту, описана структура дальнейшего изложения материала.

Первая глава является обзорной и состоит из пяти частей. В первой части главы рассмотрены механизмы формирования ДЭГ в полупроводниковых структурах на основе гетеропереходов 51/3102 и СаАв/АЮаАэ. Во второй части главы описываются свойства ДЭГ в магнитном поле. Третья часть данной главы посвящена обзору маг-нитотранспортных свойств высокоподвижного ДЭГ в присутствии микроволнового излучения. Рассмотрена экспериментальная работа [3], в которой авторы впервые наблюдали необычный отклик ДЭГ в присутствии внешнего магнитного поля на электромагнитное излучение СВЧ диапазона. В этой работе были обнаружены осцилляции МС, подобные осцилляциям ШдГ, но их период масштабировался по параметру и/шс. Авторы [3] также предложили простую модель для объяснения наблюдаемого явления. Столь необычное поведение 20 электронной системы вызвало ряд экспериментальных работ [46]. Некоторые из них рассмотрены в данной части первой главы. Так, в работе [4] наблюдалось зануление полного сопротивления в минимумах ш/а;с-осцилляций, которое авторы пытались объяснить наличием необычного сверхпроводящего состояния. Проявление маг-нитополевых областей с нулевым сопротивлением было подтверждено в работах [5, 6].

Новые экспериментальные результаты незамедлительно вызвали интерес у теоретиков. Однако, как выяснилось, впервые эти явления были предсказаны Рыжием [10] за тридцать лет до их

обнаружения. Обзору основных моделей для описания гигантских магнитополевых осцилляций посвящена четвёртая часть главы.

В пятой части главы описаны магнито-межподзонные осцилляции и их особенности в квази- 20 электронной системе.

В конце главы сформулированы научные задачи, на решение которых направлена диссертационная работа.

Вторая глава посвящена вопросам изготовления образцов и экспериментальным процедурам, используемым в данной работе. В первой части главы кратко изложена концепция увеличения проводимости ДЭГ в квантовой яме за счёт боковых сверхрешёточных барьеров из чередующихся слоев А1Аэ и СаАэ. Приводится порядок основных технологических операций для изготовления таких структур методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Приведены основные характеристики образцов, изготовленных на основе МЛЭ-структур, используемых в настоящей работе. Во второй части главы рассмотрены методики магнитотранспортных измерений при температуре жидкого гелия в магнитных полях до 2 Тл в отсутствие и присутствии внешнего электромагнитного излучения микроволнового диапазона длин волн.

В третей главе, состоящей из трёх частей, проводятся результаты экспериментального изучения магнитополевых явлений, возникающих в СаАэ квантовых ямах со сверхрешёточными барьерами под действием микроволнового излучения.

Первая часть настоящей главы посвящена изучению магнитополевых из/ыс-осцилляций сопротивления и магнитополевого без-диссипативного состояния. Эти явления ранее наблюдались лишь в СаАз/АЮаАэ гетеропереходах с электронной подвижностью более 3 X 10° см2/Вс [3-5]. В настоящей работе электронная подвиж-

ность и концентрация носителей заряда составили соответственно /х = 0,56 х 106 см2/Вс и пе = 8,5 х 10й см"2.

Обнаружено, что при облучении ДЭГ в СаАв квантовой яме с АЬАв/СаАз сверхрешёточными барьерами микроволновым излучением частотой 143 ГГц в МС возникают гигантские осцилляции (рис. 1). Анализ положения максимумов этих осцилляций показал, что они периодичны по обратному магнитному полю. Кроме того существуют особые точки, в которых микроволновое излучение не влияет на сопротивление ДЭГ. Одна из таких точек, обозначенная на рисунке 1 стрелкой, соответствует условию и)/шс = 1. Ближайший к этой точке минимум является наиболее глубоким и сопротивление в нём принимает значение близкое к нулю.

Рис. 1. Экспериментальные зависимости ДЭГ

в СаАэ квантовой яме с А1А5/СаАз сверхрешёточными барьерами при Т = 1,7 К в отсутствие (тонкая линия) и присутствии (толстая линия) микроволнового излучения частотой 143 ГГц. Стрелкой обозначено положение циклотронного резонанса.

Во второй части главы экспериментально исследовано влияние анизотропии электронного транспорта в С а Аз квантовых ямах с А^в/СаАэ сверхрешёточными барьерами на характер осцилляций МС, индуцированных микроволновым излучением в таких ге-тероструктурах. Так как практически во всех полупроводниковых гетероструктурах с высокой электронной подвижностью транспорт носителей заряда является анизотропным [16, 17] вопрос о влиянии анизотропии на транспорт имеет принципиальное значение. Изме-

рения проводились методом ван дер Пау при температуре 4,2 К в магнитных полях до 0,5 Тл на образцах квадратной формы со сторонами, ориентированными вдоль направлений [110] и [110]. Значения подвижностей ¡1К и /¿у, соответствующие направлениям [110] и [НО], составляли: //х = 1,0 X 10° см2/Вс, //у = 1,7 X 10° см2/Вс.

Рис. 2. Магнитополевые зависимости относительного сопротивления ДЭГ в СаАэ квантовых ямах с А1Аз/СаА5 сверхрешёточными барьерами при облучении частотой 146 ГГц. Цифрами указаны номера максимумов, начиная с основного.

Установлено, что микроволновое поле приводит к возникновению гигантских ^/шс-осцилляций МС при пропускании измерительного тока как в направлении [110], так и в направлении [110], т.е. в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Показано, что в исследуемых образцах в отсутствие микроволнового излучения величины и в нулевом магнитном поле отличаются почти на порядок, а анизотропия подвижности составляет 1,7. Обнаружено, что относительная величина ш/шс-осцилляций сопротивления В? /где Нш — сопротивление в присутствии излучения, практически не зависит от ориентации измерительного тока (рис. 2). Отсутствие зависимости относительной амплитуды осцилляций МС, индуцированных микроволновым излучением, от ориентации измерительного тока, т.е. фактически от подвижности, позволяет сделать вывод, что основным фактором, определяющим амплитуду осцилляций микроволнового фотосопротивления в исследуемых образцах,

является квантовое время релаксации а не транспортное время релаксации 7>г.

Третья часть главы посвящена экспериментальному изучению МС ДЭГ в основном минимуме вблизи циклотронного резонанса. В изучаемых СаАэ/А1А5 гетероструктурах было обнаружено абсолютное отрицательное сопротивление, индуцированное микроволновым излучением в 20 электронной системе, помещённой в скрещенные электрическое и магнитное поля. Экспериментально установлено, что при прочих равных условиях, абсолютное отрицательное сопротивление возникает при увеличении микроволновой мощности и исчезает при возрастании измерительного тока.

В четвёртой главе исследуется эволюция МС при переходе от 20 к квази- 20 электронной системе. Для этого в одиночную СаАэ квантовую яму был добавлен АЮаАэ барьер толщиной 2 нм, что привело к образованию двойной квантовой ямы с туннельным ба-

Рис. 3. Магнитополевые зависимости сопротивления Йхх(-В) ДЭГ в СаАэ квантовых ямах с А^/СаАв сверхрешёточными барьерами. Тонкая линия соответствует одиночной квантовой яме, толстая линия — двойной. Цифрами указаны номера магнито-межподзонных осцилляций сопротивления.

Во первой части главы проводится сравнение зависимостей и Дуу(-В) для одиночной (тонкая линия на рисунке 3) и двойной квантовых ям (толстая линия на рисунке 3) в отсут-

рьером.

В,Тп

ствие внешнего СВЧ излучения. В этом случае в экспериментальных зависимостях МС двойной квантовой ямы проявляются осцилляции с двумя существенно отличающимися периодами [18]. Осцилляции с меньшим периодом являются осцилляциями ШдГ. Как и в одиночной квантовой яме, они проявляются в полях более О.С Тл. Их период в обратном магнитном поле приблизительно соответствует половинной концентрации, определенной из холловско-го сопротивления. Положение максимумов осцилляций МС с большим периодом в обратном магнитном поле определяется условием (Ео — Ei)/h = cusas = kojc, где E-i — Е\ — энергетическое расщепление подзон размерного квантования. В отличие от осцилляций ШдГ сизлз/^с-осцилляции начинают проявляться при существенно меньших значениях магнитного поля.

Рис. 4. Магнитополевые зависимости сопротивления RXX{B) ДЭГ в двойной GaAs квантовой яме с AIAs/GaAs сверхрешёточными барьерами при облучении частотой 150 ГГц (толстая линия) и в отсутствие СВЧ излучения (тонкая линия).

Во второй части четвёртой главы показано, что СВЧ излучение слабо влияет на сопротивление в минимумах CJsAs/Wc-осцилляций. Равно как и в одиночных квантовых ямах [3-6], микроволновое поле не изменяет сопротивление ДЭГ в двойной GaAs квантовой яме в условиях, соответствующих циклотронному резонансу и его гармоникам ш ~ jujс. Однако под действием излучения изменяется сопротивление в максимумах UJSAs/^cосцилляций: их амплитуда

В. Тл

значительно возрастает в областях, соответствующих максимумам ш/шс-осцилляций, а в областях, соответствующих минимумам oj/ujc-осцилляций, максимумы wsas/Wc-осцилляций трансформируются в минимумы (рис. 4). Таким образом экспериментально показано, что под действием микроволнового излучения в двойной GaAs квантовой яме, как и в одиночной, возникают си/о^-осцилляции, однако в этом случае они «изрезаны» О^АзЛ^с-осцилляциями. Причем Wsas/^c-осцилляции в микроволновом поле изменяются не только по амплитуде, но и по фазе.

В заключении изложены основные результаты и выводы диссертационной работы.

Основные результаты и выводы диссертационной работы состоят в следующем:

1. Исследовано влияние микроволнового поля в диапазоне частот от 50 до 150 ГГц на магнитотранспорт в GaAs квантовых ямах с AIAs/GaAs сверхрешёточными барьерами, подвижность электронов в которых составляла (0,4—2,1)X106 см2/Вс.

2. В двумерной и кваэидвумерной системах на основе GaAs/AlAs гетероструктур обнаружены гигантские осцилляции сопротивления, возникающие под действием микроволнового излучения, положение которых в магнитном поле определяется отношением частоты излучения к циклотронной частоте и ранее наблюдавшиеся лишь в GaAs/AlGaAs гетероструктурах с существенно большей подвижностью и меньшей концентрацией.

3. Впервые исследована роль анизотропии подвижности на фотоотклик ДЭГ. Установлено, что в изучаемых анизотропных двумерных системах относительная величина магнитополевых осцилляций микроволнового фотосопротивления слабо зависит

от ориентации измерительного тока. Обнаружено, что при температуре 4/2 К и частоте микроволнового излучения 146 ГГц области магнитных полей с близким к нулю сопротивлением проявляются лишь при протекании тока вдоль направления с меньшей подвижностью. Установлено, что при малых плотностях измерительного тока, увеличение микроволновой мощности приводит к абсолютному отрицательному сопротивлению в основном минимуме этих осцилляций, расположенном вблизи циклотронного резонанса.

4. Обнаружено, что в квазидвумерной электронной системе в области больших факторов заполнения возникают осцилляции сопротивления, положение максимумов которых в магнитном поле определяется отношением расщепления подуровней размерного квантования к циклотронной частоте. Установлено, что в двойной квантовой яме микроволновое поле существенно модифицирует эти осцилляции, приводя к знакопеременной, изменяющейся с двумя периодами зависимости фотосопротивления от обратного магнитного поля.

Основные результаты работы опубликованы в следующих работах

[Al] Bykov A. A. Effect of DC and AC excitations on the magnetoresistance in high-density high-mobility GaAs quantum well systems / A. A. Bykov, A. K. Bakarov, A. V. Goran, D. R. Islamov, A. K. Kalagin, Jing-qiao Zhang, S. Vitkalov // International Conference: "Nanoelectronics 2006. Novel Nanomaterials, Quantum Transport, and Noise of Electrons and Photons". — Lancaster University, UK, 2006. — P. D4.

[А2] Bykov A. A. Effect of dc and ac excitations on the longitudinal resistanse of a 2D electron gas in highly doped GaAs quantum wells / A. A. Bykov, Jing-qiao Zhang, S. Vitkalov, A. K. Kalagin, D. R. Islamov, A. K. Bakarov // 14th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology". — St Peterburg, Russia, 2006. — P. 348.

[A3] Быков А. А. Индуцированные микроволновым излучением гигантские осцилляции магнитосопротивления и состояние с нулевым сопротивлением в двумерной электронной системе со средней величиной подвижности / А. А. Быков, А. К. Бака-ров, Д. Р. Исламов, А. И. Торопов // Письма в ЖЭТФ. — 2006. - Т. 84, Вып. 7. - С. 466-469.

[А4] Bykov A. A. Two Types of Microwave-Induced Magnetoresistance Oscillations in a 2D Electron Gas at Large Filling Factors / A. A. Bykov, A. V. Goran, D. R. Islamov, A. K. Bakarov, Jing-qiao Zhang, S. Vitkalov // Препринт arXiv. - 2006. - cond-mat/0603398. - URL: http: / / arxiv.org/ abs/cond-mat/0603398.

[A5] Исламов Д. P. Индуцированные микроволновым излучением осцилляции магнитосопротивления в GaAs/AlAs гетерострук-туре / Д. Р. Исламов, А. К. Бакаров, А. А. Быков // Тезисы докладов. VIII Российская конференция по физике полупроводников. Полупроводники 2007 — Екатеринбург, 2007. — С. 235.

[А6] Быков А. А. Абсолютное отрицательное сопротивление в неравновесной двумерной электронной системе в сильном магнитном поле / А. А. Быков, Д. Р. Исламов, Д. В. Номоко-нов, А. К. Бакаров // Письма в ЖЭТФ. — 2007. — Т. 86, Вып. 9. - С. 695-698.

[А7] Быков А. А. Микроволновое фотосопротивление в двумерной электронной системе с анизотропной подвижностью / А. А. Быков, Д. Р. Исламов, А. В. Горан, А. К. Бакаров // Письма в ЖЭТФ. - 2007. - Т. 86, Вып. 12. - С. 891-894.

[А8] Исламов Д. Р. Влияние анизотропии на микроволновое фотосопротивление двумерного электронного газа // Тезисы докладов. XIV Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых учёных. ВНКСФ-14. — Уфа, 2008.— С. 189.

[А9] Быков А. А. Микроволновое фотосопротивление в двойной квантовой яме при больших факторах заполнения / А. А. Быков, Д. Р. Исламов, А. В. Горан, А. И. Торопов // Письма в ЖЭТФ. - 2008. - Т. 87, Вып. 9. - С. 563-567.

Цитированная литература

[1] Ando Т. Electronic properties of two-dimensional systems / T. Ando, A. B. Fowler, F. Stern // Rev. Mod. Phys. - 1982. -Vol. 54, N. 2. - P. 437.

[2] Tsui D. C. Two-dimensional magnetotransport in the extreme quantum limit / D. C. Tsui, H. L. Stormer, A. C. Gossard // Physical Review Letters. - 1982. - Vol. 48, N. 22. - P. 1559.

[3] Zudov M. A. Shubnikov-de haas-like oscillations in millimeterwave photoconductivity in a high-mobility two-dimensional electron gas / M. A. Zudov, R. R. Du, J. A. Simmons, J. L. Reno // Physical Review B. - 2001. - Vol. 64, N. 20. - P. 201311(R).

[4] Mani R. G. Zero-resistance states induced by electromagnetic-wave excitation in GaAs/AlGaAs heterostructures / R. G. Mani,

J. H. Smet, К. von Klitzing et al. // Nature.- 2002,-Vol. 420. - P. 646.

[5] Zudov M. A. Evidence for a new dissipationless effect in 2D electronic transport / M. A. Zudov, R. R. Du, L. N. Pfeiffer, K. W. West // Physical Review Letters.- 2003.-Jan.-Vol. 90, N. 4. - P. 046807.

[6] Dorozhkin S. I. Giant magnetoresistance oscillations caused by cyclotronresonance harmonics // Письма в ЖЭТФ. — 2003. — Т. 77, Вып. 10. - С. 681.

[7] Andreev А. V. Dynamical symmetry breaking as the origin of the zero-dc-resistance state in an ас-driven system / A. V. Andreev, I. L. Aleiner, A. J. Millis // Physical Review Letters. — 2003. — Vol. 91, N. 5,- P. 056803.

[8] Durst A. C. Radiation-induced magnetoresistance oscillations in a 2D electron gas / A. C. Durst, S. Sachdev, N. Read, S. M. Girvin // Physical Review Letters. - 2003,- Vol. 91, N. 8. - P. 086803.

[9] Dmitriev I. A. Theory of microwave-induced oscillations in the magnetoconductivity of a two-dimensional electron gas / I. A. Dmitriev, M. G. Vavilov, I. L. Aleiner et al. // Physical Review B. - 2005. - Vol. 71, N. 11. - P. 115316.

[10] Рыжий В. И. Особенности фотопроводимости тонких плёнок в скрещенных электрическом и магнитном полях // ФТТ. — 1969,- Т. И, Вып. 9,- С. 2577.

[11] Быков А. А. Микроволновое фотосопротивление двумерного электронного газа в баллистическом микромостике // Письма в ЖЭТФ. - 2009. - Т. 89, Вып. 11. - С. 676.

[12] Chepelianskii A. D. Microwave stabilization of edge transport and zero-resistance states / A. D. Chepelianskii, D. L. Shepe-lyansky // Physical Review B. - 2009. - Vol. 80, N. 24. -P. 241308.

[13] Friedland K.-J. New concept for the reduction of impurity scattering in remotely doped GaAs quantum wells / K.-J. Friedland, R. Hey, H. Kostial et al. // Physical Review Letters. — 1996. - Vol. 77, N. 22. - P. 4616.

[14] Быков А. А. Магнетофононный резонанс в GaAs квантовой яме с AlAs/GaAs сверхрешеточными барьерами при больших факторах заполнения / А. А. Быков, А. К. Калагин , А. К. Ба-каров // Письма в ЖЭТФ,- 2005.- Т. 81, Вып. 10.-С. 646.

[15] Быков А. А. Осцилляции магнетосопротивления двумерного электронного газа в GaAs квантовой яме с AlAs/GaAs сверхрешеточными барьерами в микроволновом поле / А. А. Быков, А. К. Бакаров, А. К. Калагин, А. И. Торопов // Письма в ЖЭТФ. - 2005. - Т. 81. Вып. 6. - С. 348.

[16] Willett R. L. Anisotropic disorder in high-mobility 2D hetero-structures and its correlation to electron transport / R. L. Willett, J. W. P. Hsu, D. Natelson et al. // Physical Review Letters. — 2001. - Vol. 87, N. 12. - P. 126803.

[17] Быков А. А. Анизотропия магнетотранспорта и самоорганизация корругированных гетерограниц в селективно легированных структурах на (100) GaAs подложках / А. А. Быков, А. К. Бакаров, А. В. Горан и др. // Письма в ЖЭТФ. — 2001. - Т. 74, Вып. 3. - С. 182.

[18] Быков А. А. Кольцевой интерферометр на основе двумерного электронного газа в двойной квантовой яме / А. А. Быков, Д. В. Номоконов, А. К. Бакаров и др. // Письма в ЖЭТФ. — 2003. - Т. 78, Вып. 9. - С. 1048.

J

Исламов Дамир Ревинирович

МАГНИТОТРАНСПОРТ В СаАз/А1Аз ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ В ПРИСУТСТВИИ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Автореф. дисс. на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Подписано в печать 10.11.2010. Заказ №87. Формат 60x84/16. Ум. печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Типография Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН

Список обозначений.

Введение.

1. Обзор литературы и постановка задачи.

1.1. Двумерный электронный газ в полупроводниковых структурах

1.2. Свойства двумерного электронного газа в магнитном поле

1.3. Магнитотранспорт в ОаАз/АЮаАэ гетероструктурах с высокой электронной подвижностью в присутствии микроволнового излучения

1.4. Механизмы микроволновой фотопроводимости в двумерных электронных системах в сильных магнитных полях.

1.5. Магнито-межподзонные осцилляции сопротивления

Постановка задачи.

2. Исследуемые образцы и методика эксперимента.

2.1. Технология изготовления образцов.

2.1.1. Изготовление ОаАэ квантовых ям с А^э/СаАБ сверхрешёточными барьерами.

2.1.2. Изготовление образцов для магнитотранспорт-ных измерений

2.2. Методика магнитотранспортных измерений.

3. Магнитотранспорт в одиночных йаАэ квантовых ямах с боковыми АЬАзДЗаАз сверхрешёточными барьерами в присутствии микроволнового излучения

3.1. Индуцированные микроволновым излучением магнито-полевые осцилляции сопротивления и бездиссипатив-ное состояние.

3.2. Микроволновое фотосопротивление в двумерной электронной системе с анизотропной подвижностью.

3.3. Абсолютное отрицательное сопротивление двумерного электронного газа в присутствии микроволнового излучения

Двумерный электронный газ (ДЭГ) в полупроводниковых структурах уже много десятков лет остается предметом всестороннего экспериментального и теоретического изучения [1]. Обусловлено это, с одной стороны, фундаментальной значимостью физических явлений, проявляющихся в двумерных (20) электронных системах, а с другой — тенденциями современной микроэлектроники, направленными на всё большую миниатюризацию и быстродействие приборов на основе полупроводниковых гетероструктур. Одной из электронных систем, ставшей к настоящему времени уже классической, является ДЭГ в селективно-легированном СаАэ/АЮаАз гетеропереходе [2]. В 2001 году в такой системе был открыт новый тип осцилляций магнитосопротивления (МС), возникающих под действием микроволнового излучения [3].

В отличие от осцилляций Шубникова-де Гааза (ШдГ), период которых определяется отношением химического потенциала к циклотронной частоте и)с, период осцилляций МС, индуцированных микроволновым излучением, зависит от отношения частоты излучения из к ис. Вскоре после обнаружения о;/о;с-осцилляций МС было установлено, что в СаАэ/АЮаАэ гетеропереходах с высокой электронной подвижностью сопротивление в минимумах этих осцилляций зануляется [4-6]. Этот неожиданный и необычный экспериментальный факт стимулировал всестороннее теоретическое изучение обнаруженного феномена [7-9]. Выяснилось, что осциллирующее в магнитном поле поведение фотопроводимости было предсказано более 30 лет назад [10]. Однако и до настоящего времени многие аспекты электронного транспорта в 21) системах в присутствии микроволнового излучения остаются дискуссионными и требуют дальнейшего изучения [11, 12].

К настоящему времени основные экспериментальные результаты в области магнитотранспортных явлений в двумерных системах в присутствии микроволнового излучения получены на селективно-легированных СаАэ/АЮаАв гетеропереходах с высокой электронной подвижностью. Высокая подвижность в таких гетероструктурах достигается селективным легированием, то есть разделением областей легирования и электронного транспорта толстым нелегированным спейсером. Такой способ подавления рассеяния на случайном потенциале легирующей примеси позволяет получать высокую подвижность лишь при сравнительно малой концентрации Пе ~ 3 X 1011 см-2, так как для её увеличения необходимо уменьшать толщину спейсера, что неизбежно ведет и к уменьшению подвижности. Таким образом остается актуальным экспериментальное наблюдение и исследование гигантских осцилляций МС, индуцированных микроволновым излучением, в 20 системах с более высокой электронной концентрацией.

Анализ научной литературы показал, что наиболее оптимальными для этих исследований являются СаАэ квантовые ямы с А1Аз/СаАз сверхрешёточными барьерами [13]. Подавление электронного рассеяния на случайном потенциале ионизованных примесей в СаАэ/АЬАз гетероструктурах достигается не только пространственным разделением областей легирования и транспорта, но ещё и экранирующим действием X-электронов, возникающих в боковых АЬАв/СаАз сверхрешёточных барьерах. Такой способ подавления рассеяния на случайном потенциале легирующей примеси позволяет увеличивать электронную концентрацию в СаАв/А^в гетероструктурах, по сравнению с СаАз/АЮаАв гетеропереходами, без проигрыша в подвижности. Таким образом селективно-легированные СаАэ/АЬАз гетероструктуры существенно расширяют экспериментальные возможности для изучения электронного транспорта в системах пониженной размерности [14, 15].

Наибольшую распространённость получили методы исследования электронных систем пониженной размерности, основанные на оптических измерениях в инфракрасной и видимой областях спектра, либо на измерениях на постоянном токе. При этом поведение электронной системы в промежуточной области частот — СВЧ диапазоне — исследовано весьма незначительно. В это же время взаимодействие электромагнитного излучения данного диапазона даёт возможность изучения анизотропных эффектов и ряда резонансных и коллективных явлений: электронного парамагнитного, циклотронного, плазменного резонанса. Кроме того, СВЧ исследования имеют большое практическое применение в плане развития бесконтактных методов измерения в случаях, когда изготовлению омических контактов препятствуют технологические ограничения или принципиальные причины. Для современной полупроводниковой промышленности СВЧ методы представляют интерес при проектировании и разработке ключевых устройств для беспроводных вычислительных сетей.

Несмотря на очевидные преимущества бесконтактных СВЧ методов, они до сих пор не получили широкого распространения. Главным образом это связано с особой сложностью и трудоёмкостью абсолютных измерений на СВЧ, требующих очень точной калибровки системы и постоянного контроля за ней, особенно при низких температурах. В связи с этим актуальным является развитие методик, позволяющих определять параметры материалов из относительных измерений отклика системы на СВЧ поле, а также комбинированные методы, основанные на взаимодействии носителей заряда с СВЧ излучением в присутствии внешнего возмущения, например магнитного поля.

Цель диссертационной работы состоит в экспериментальном изучении магнитотранспорта в СаАз/А1Аз гетероструктурах в присутствии микроволнового излучения в широком диапазоне измерительных токов с целью обнаружения си/а^-осцилляций сопротивления в этих системах, обнаружении занулений сопротивления о;/о;с-осцилляций, выявлении роли анизотропии электронной подвижности в формировании а;/и;с-осцилляций, исследовании влияния микроволнового поля на межподзонные осцилляции сопротивления.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые обнаружены гигантские а;/о;с-осцилляции МС в СаАв/АГАв гетероструктурах с электронной подвижностью менее 106 см2/Вс. Впервые методом ван дер Пау исследовано влияние электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн на электронный транспорт в 20 системе с анизотропной подвижностью. Установлено, что в присутствии микроволнового излучения уменьшение измерительного тока в СаАв/АЬАв гетероструктурах приводит к появлению магнитополевых состояний ДЭГ с полным отрицательным сопротивлением. Обнаружено, что в двойной СэАб квантовой яме внешнее электромагнитное возмущение приводит к существенной модификации магнито-межподзонных осцилляций диссипативного сопротивления.

Научная и практическая ценность работы. В диссертации показано, что при увеличении концентрации ДЭГ индуцированные микроволновым излучением состояния с нулевым сопротивлением проявляются в Са.Аэ/А.1 А.б гетероструктурах при средней величине подвижности. Полученные в работе данные делают реальным перенесение исследований природы индуцированных электромагнитным полем состояний с нулевым сопротивлением в 20 электронных системах в область субмиллиметровых длин волн и создание на основе этого явления инфракрасных приемников излучения.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Гигантские осцилляции МС и магнитополевые состояния с нулевым сопротивлением, возникающие в двумерных системах с высокой электронной подвижностью под действием микроволнового излучения, наблюдаются в селективно-легированных СаАв/АЬАв гетеро-структурах на частотах 50-150 ГГц при величине электронной подвижности менее 106 см2/Вс.

2. Относительная величина гигантских осцилляций магнитосопро-тивления ДЭГ, индуцированных микроволновым излучением в СаАв/А^ гетероструктурах с анизотропной электронной подвижностью, слабо зависит от ориентации измерительного тока в пленарной плоскости гетероструктуры.

3. Осцилляции магнитосопротивления, возникающие в двойных СаАэ квантовых ямах с двумя заполненными подзонами размерного квантования, период которых в обратном магнитном поле равен разности периодов осцилляций ШдГ в подзонах, обусловлены межподзонным рассеянием.

4. Гигантские осцилляции магнитосопротивления, индуцированные микроволновым излучением в двойных СаАэ квантовых ямах с двумя заполненными подзонами размерного квантования, сосуществуют с магнитополевыми осцилляциями диссипативного сопротивления, обусловленными межподзонным рассеянием.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях:

1. Международная конференция «Nanoelectronics 2006. Novel Nano-materials, Quantum Transport, and Noise of Electrons and Photons» (Lancaster University, UK, 8-11 января 2006 г.);

2. 14-й международный симпозиум «Наноструктуры: физика и технологии» (Институт им. Иоффе, Санкт-Петербург, 26-30 июня 2006 г.);

3. VIII Российская конференция по физике полупроводников «Полупроводники 2007» (Екатеринбург, 30 сентября-5 октября 2007 г.);

4. XIV Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых учёных «ВНКСФ-14» (Уфа, 27 марта-3 апреля 2008 г.).

Публикации. По результатам диссертации в печати опубликовано девять работ [16-24], в том числе четыре журнальных статьи.

Личный вклад автора заключается в участии в постановке задач, проведении магнитотранспортных экспериментов, обработке и интерпретации экспериментальных результатов, написании научных статей и подготовке их к публикации.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Основные результаты и выводы главы 4

В настоящей главе исследовано влияние микроволнового излучения миллиметрового диапазона на электронный транспорт в двойной СаАэ квантовой яме при температуре 4,2 К в магнитных полях до 2 Тл. Показано, что в изучаемой двумерной электронной системе в области больших факторов заполнения возникают осцилляции сопротивления положение максимумов, которых в магнитном поле определяется условием Дэаз/^ = где ДэаЭ — (-^2 ~' Е{) — расщепление подуровней размерного квантования в двойной квантовой яме, ис — циклотронная частота, а I — целое положительное число. Обнаружено, что в двойной квантовой яме микроволновое поле существенно модифицирует эти осцилляции, приводя к знакопеременной, изменяющейся с двумя периодами зависимости фотосопротивления от обратного магнитного поля.

Таким образом экспериментально обнаружено, что в двойной СаАэ квантовой яме с модулированным легированием микроволновое поле существенно модифицирует поведение диссипативного сопротивления при больших факторах заполнения, приводя к осциллирующей с двумя периодами зависимости от обратного магнитного поля. Больший период этих осцилля-ций обусловлен тем, что микроволновое фотосопротивление Ю электронной системы, помещенной в перпендикулярное магнитное поле, является осциллирующей знакопеременной функцией отношения и/ис с максимумами и минимумами, расположенными около циклотронного резонанса и его гармоник [6, 9, 10, 14, 80-83]. Меньший период обусловлен влиянием микроволнового поля на амплитуду и фазу Со^Ав/осцилляции. Полученные экспериментальные данные согласуются с теорией микроволновой фотопроводимости в туннельно-связанных квантовых ямах при больших факторах заполнения [54], основанной на модели неравновесной функции распределения.