Множественная полосковая структура с квазиодномерным электронным спектром в сильном магнитном поле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГ6 од

р р-^ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

- " ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи

РУДЕНКО АНДРЕИ СЕМЕНОВИЧ

МНОЖЕСТВЕННАЯ ПОЛОСКОВАЯ СТРУКТУРА С КВАЗИОДНОМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ СПЕКТРОМ В СИЛЬНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ.

01.04.Ю - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 1993 г.

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте радиотехники и электроники РАН

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук И. М. Гродненский Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук В. А. Волков доктор физико-математических наук В. Т. Долгополов Ведущая организация - РНЦ "Курчатовский институт"

Защита диссертации состоится "24" сентября 1993 г. в 12 часов 30 минут на заседании Специализированного Совета Д 002.74.01. в Институте радиотехники и электроники РАН по адресу: 103907, Москва ГСП-3, ул. Моховая, д. 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН. Автореферат разослан " _1993г.

Ученый секретарь специализированного Совета доктор физико-математических наук

С. Н. Артеменко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена разработке технологии приготовления и экспериментальному исследование низкочастотной Сы«ыс, где ыс -циклотронная частота) динамики ваАз/А^аАз структур квантовых проволок С КТО.

Актуальность темы. С начала 80-х годов интенсивно проводится исследование твердотельных электронных систем с энергетическим спектром пониженной размерности. Первоначально, в основном исследовались объекты с двумерным С20) электронным газом, на которых был обнаружен квантовый эффект Холла СКЭХЭ [1*]. Совершенствование технологии приготовления гетеропереходов ОаАз/АЮаАз с 20 электронным газом и развитие методов субмикронной литографии и "сухого" плазменного травления привета в последнее время к создании структур с субмикронными проводящими каналами, в которых был обнаружен квазиодномерный Сквази-Ш электронный энергетический спектр. Основные трудности их приготовления связаны с формированием однородных проводящих каналов, эффективная ширина которых составляет несколько фермиевских длин волн, обычно она порядка 0.1 исм, а линейная концентрация электронов в канале см-*. Подвижность носителей заряда р в КП должна оставаться достаточно высокой, чтобы обеспечить проявление дискретности энергетического спектра, т.к. характерное расстояние между ближайшими Ю подзонами кзВ. При гелиевой температуре электронами заполнены только несколько нижних Ю подзон. Структуры КП представляют собой уникальный физический объект, его исследование дало ряд новых результатов. До недавнего времени, они интенсивно исследовались в оптических и других экспериментах. Однако, существовала область, практически не затронутая исследованием, - проблема низкочастотного плазменного отклика КП в квантующих магнитных полях, в которых КП представляют собой уникальный, неоднородный 20 объект. Исследование их отклика может дать необходимую информацию о 20 тензоре магнитопроводимости сг^ неоднородной

субмикронной системы и его частотной зависимости.

Цель работы заключалась в разработке технологии приготовления и исследовании в радио-диапазоне, в сильных магнитных полях динамики структур КП.

Основные задачи, поставленные и решенные в диссертации:

-разработка технологии приготовления на основе гетеропереходов ва^/МбаАз с высокоподвихным электронным газом множественных субмикронных полосковых структур СПС) с квази-10 электронным энергетическим спектром.

-экспериментальное исследование динамического отклика ПС в диапазоне частот С1...500) МГц, в магнитных полях до 13 Г, при температурах С 1.5. ..4.2) К.

Научная новизна и практическая значимость работы состоит в том, что в ней был разработан метод приготовления субмикронных ПС с квази-Ю электронным энергетическим спектром, представляющих интерес для микроэлектроники, и были впервые исследованы обнаруженные в радиодиапазоне, в сильных квантующих магнитных полях КМП-подобные возбузде-ния, которые дают возможность получения информации о внутренних свойствах субмикронной неоднородной 20 системы.

Основные положения, выносимые на защиту, заключаются в следующем.

1. Разработана технология и приготовлены баАБ/АЮаАз структуры с множественными квантовыми проволоками общей плошадью ~10 шД в которых наблюдается проявление квази-Ю электронного энергетического спектра, параметры которого определили.

2. Впервые, в КП были обнаружены и исследованы плазменные резонансы в радио-диапазоне, наблюдаемые в сильном магнитном поле вблизи целых значений фактора заполнения уровней Ландау С у=2 и у=4) , которые связываются с КМП-подобными возбуждениями. Установлено, что собственные затухания возбуждений возрастают при удалении от целочисленного значения фактора V и (или) повышении температуры, а собственные частоты возбуждений падают при уменьшении значения цело-

численного фактора и. |

3. Установлен при сравнении результатов измерений с расчетом, критерий сильных магнитных полей, в которых, во внешнем однородном электрическом поле в системе КП наблюдаются КМП-подобные возбуждения:

здесь а - 2Э тензор магнитопроводимости, а I и 8/2.т) »Ке( 1Е(шр)) - длина проволок и их "электрическая" ширина С1. =12шг /ие - 2Э динамическая длина). Т.е. недиагональность тензора

£• XX

магнитопроводимости должна превышать характерный параметр анизотропии системы, а сравнение с результатами измерений вблизи и=2 дает значение "электрической" ширины в виде: 0 мкм. Таким образом, что

объясняет относительно низкие собственные частоты возбуждений, которые дают более прямую информацию о внутренних свойствах системы по сравнению с обычными 2Э системами.

4. При сравнении результатов измерений с расчетом установлен для системы КП критерий наблюдения во внешнем однородном электрическом поле слабозатукающих КМП-подобных возбуждений - мнимая часть динамической длины должна быть много меньше "электрической" ширины КП: 1т(ЬЕ)<<№, причем неравенству отвечает соотношение: 1п(1,Е). Т.е. критерий отличается от случая обычной 20 системы, где сравнение нужно проводить с собственными размерами системы в плоскости 20 слоя.

5. Экспериментально установлено собственное "вращение" электрического заряда низкочастотных возбуждений в системе КП, а сравнение результатов измерений с расчетом дает собственное внутрипроволочное электрическое поле КМП-подобного возбуждения в виде эллиптически поляризованного в плоскости 20 слоя с отношением длин осей эллипса много меньше единицы: |е /е |~(б*КГ/1,)1/г<<1. Здесь е и е - амплитуды

ух ух

колебаний продольной и поперечной компонент поля, а 6=4/Ря, где Ре -геометрический период ПС. Сравнение с результатами измерений вблизи v=2 дает параметр эллиптичности собственного электрического поля возбуждения в виде: |е /е |~0.03. Сильная эллиптичность собственного

внутрипроволочного электрического поля связывается со спаданием компонент поля при удалении от плоскости 2D слоя на разных характерных длинах: L и V CW«L).

6. Экспериментально обнаружены в системе КП и исследованы низкодобротные резонансы, наблюдаемые вне окрестностей и=2;4, которые связываются с растеканием неравновесного распределения 2D заряда, возбуждаемого Холловскими токами, а расчет дает их декременты затухания, согласующиеся с результатами измерений, в виде-. ур - l/Cpxx«L) С для продольного распределения зарядов) и ~ cxx/W Сдля поперечного распределения), а критерий наблюдения растекания заряда в системе КП, помещенной во внешнее однородное электрическое поле, расчет дает в виде неравенства: |ах /'о,жх |< (L/UáW)]1^, обратного к определявшему возможность наблюдения плазмонов.

7. Обнаружен в КП при измерении электродами специальной формы двухчастотный отклик, который связывается с двумя модами КМП-подобных возбуждений, а из сравнения с расчетом делается заключение, что меньшая добротность, более низкочастотного резонанса по сравнению с добротностью другого, обусловлена большим значением параметра анизотропии возбуждения в случае основной моды КМП-подобного возбуждения по сравнению со значением параметра в случае другой, более высокой моды, а указанные величины расчет дает в виде: (с1/2)/С4б5/))^ и t/C4 бК>)1/г.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались на The 9th Internetional Conference on The Application of High Magnetic Fields in Semiconductor Physics CTokyo, Japan, 1992), The 10th International conference on electronic properties of tvra-dimensional systems CUSA, New York, 1993), а также на семинарах в Институте физики твердого тела им. Макса Планка (Штутгард, ФРГ), Лаборатории магниторезонансных явленийЧАтомный центр в Сакле, Фракция), ИРЕ РАН и Лаборатории физики

низких температур РНЦ "Курчатовский институт".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Диссертация состоит из Введения, трех Глав, Заключения и списка литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, основные задачи, поставленные и решенные в диссертации, их научная новизна, содержание основных разделов диссертации и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе, носящей вводный характер, кратко изложены основные сведения, необходимые для понимания содержания слрдующих глав диссертации. В разделе 1.1. дан краткий обзор основных свойств вырожденного 2D электронного газа в гетероструктурах GaAs/AlGaAs. Раздел 1.2. посвящен основным свойствам 2D электронных систем в магнитной поле. В разделе 1.3. содержится краткий обзор исследований магнито-плазменных возбуждений в обычных 2D системах, а в разделе 1.4. - в КП, и подтверждена актуальность исследований низкочастотной динамики КП в квантующих магнитных полях.

Вторая глава посвящена разработанной технологии приготовления множественных ПС с субмикронными полосками на основе гетеропереходов GaAs/AlGaAs с 2D электронным газом и исследованию эффекта ШдГ.

В разделе 2.1. дана технология приготовления ПС, основанная на голографической фотолитографии Сприменявшейся для засветки фоторезиста толщиной ~0.4 мкм излучением от гелий-кадмиевого или аргонового лазера с Х=441.6 или 488.0 нм, соответственно), с.последующим травлением поверхности гетероперехода на глубину 30...40 нм через решетчатую маску периодом Ps=500 нм, образующуюся после смытия засвеченного резиста. При химическом травлении GaAs применялся раствор HCl-KBrOg-^O, а при плазмохимическом - ВЧ разряд в среде CC1-F-0 с частотой 13. S МГц, мощностью 10 Вт и напряжением 180 В.

Раздел 2.2. посвящен экспериментальному исследованию ПС на постоянном токе в квантующих магнитных полях до 7 Т при температуре Т=4.2 К. Результатом измерений являются зависимости номера осцилляции ЩдГ от обратного магнитного поля п[1/В]. Из измерений было установлено, что при глубине травления 0...20 нм ПС сохраняют 20 поведение без существенного ухудшения подвижности, а при глубине 30. ..40 нм, после подсветки (Лы=1.6 эВ), стимулирующей замороженную фотопроводимость, ПС становятся проводящими и показывают проявление квази-10 электронного энергетического спектра в эффекте ШдГ - измеренные зависимости пС1/В1 не совпадали с линейной, наблюдаемой в обычном 20 случае. При больших глубинах травления замороженной фотопроводимости не наблюдалось.

В разделе 2.3. дано сравнение результатов измерений с расчетом Св пренебрежении спиновой энергией электронов), выполненным для квантовой проволоки с одноэлектронным гамильтонианом в виде +

(тПо/2) х^, где первый член - кинетическая энергия заряженной частицы в магнитном поле (направленном по оси г, перпендикулярно гетерограни-це), а второй - потенциальная энергия, удерживающая электроны внутри отдельной проволоки в плоскости 20 слоя Судерживающий потенциал - УП).

А

Операторы $ и Х=(0;Вх) - двумерные векторы Сх.у), т=0.067т» -эффективная электронная масса в канале гетероперехода, а По - частота одноэлектронных колебаний поперек проволоки. Собственные энергии электронов получились в виде: Е=(1/2+Ю»М1 + р^/(2Ю, где N=0; 1;2..., М=1пСЛ/0о)^, а их волновые функции локализованы в поперечном направлении около хо=(сру)/(СеВКшс/П) ). Здесь N имеет смысл числа, различающего Ю подзоны проводимости. Показали, что в случае и|>>По полученное решение имеет простую интерпретацию в виде квазиклассического дрейфа заряженных частиц вдоль эквипотенциалей в проволоке, которая в сильном магнитном поле представляет собой 20 систему с неоднородной по ширине электронной плотностью. Линейную плотность электронов в проволоке вычислили в виде:

N1 аССЗгт/ЛКЫр+0.35)3*П3)1/2/СЗлПо), С1)

где Ир, определяется из величины уровня Ферми Ер=С 1/2+^)145. Поскольку, наличие особенностей Сосцилляций) в измеренных зависимостях магнито-сопротивления ПС связывается с опустошением очередных подзон, выражение С1) неявным образом определяет расчетную зависимость п[1/В]. При сравнении расчетных зависимостей с результатами измерений было

достигнуто согласие и определены значения физических параметров N1 и

р — 1 1 р

По для приготовленных структур (N1 - 13*10 см и По 2»10 ), что

позволило высказать предположение о качественном соответствии параболического потенциала реальной потенциальной энергии электронов в КП. Было установлено, что параметры для ПС, приготовленных химическим и плазмохимическим травлением, принимают близкие по отношению друг к другу значения, согласующиеся со значениями из других работ.

Значение эффективной в сильном магнитном поле ширины проводящих проволочных каналов было [2*1: \;={32ггМ. (П/СЗтПо))2]1/3*200 нм, а значение поперечного размера области, охватываемой в проволоке электронами, расположенными на уровне Ферми (также характеризующей распределение электронов поперек проволок), получили: УЛсл^ЗОО нм. Таким образом, сравнение двух характерных длин отчетливо показало неоднородность распределения электронов по ширине каждой проволоки, т.к. было: (Ухл-Ю - V. Для случая нулевого магнитного поля сделали вывод, что в проволоках заполнено порядка 16 Ю подзон, т.к. обычно наблюдалось: N„^15. 5.

г

3 разделе 2.4. выполнен расчет УП в случае решетки из КП, основанный на предположении, что электроны с доноров в легирующем слое п-.МОаАя высаживаются на поверхностные состояния протравленных канавок, незаполняя 2Б канал. Энергию электроноз в этих состояниях получ::-ля в виде выражэная: Ез<Ес-0.8 оВ, где Ее - положение дна ссмсг

проводимости з 20 канале-, я с-ояггл »кг.сд, что величина з!:зг."\:

поверхностных состояний отвечает оборванным атомным связям, образованным на поверхности канавок. Частоту однозлектронных колебаний поперек пустой незаполненной электронами проволоки вычислили в•виде:

Ьны-Г ^«м 1 1/2~ 8.1012 Гц, С2)

ЬпС1+£)сЬ[ чД] Л

где N0 порядка величины плотности электронов в 20 канале исходного 11 -?

гетероперехода С3«101,1 см ), я=2я/Р«, £%13 - диэлектрическая проницаемость ваАз, а Дз50 нм - среднее растояние от гофрированной поверхности структуры до гетерограницы. Сделали вывод, что значение параметра По согласуется со значениями йонного вклада в По, определенными ранее экспериментально по поглощению дальнего инфра-красного С ДИК) излучения в КП, а также со значениями По в КП с небольшим числом заполненных 10 подзон. Для заполненной электронами проволоки параметр По вычислили в виде:

По=[п2 - СЗ)

где П+=По[Н8]), а С?*^1 ^ ^ ] [и-|^хр[-2ЧДЗ). Здесь 13*10® /см - линейная плотность электронов в КП, ¥1 -200 нм - их эффективная ширина, а Ив - плотность электронов в поверхностных состояниях канавок. Параметр П+ представляет собой йонную часть вклада, а параметр 0_ - вклад от электронов проводимости. Подстановкой численных значений физических параметров в СЗ) и согласованием со значениями По, полученными из измерений, нашли следующие значения параметров: Ив^Ю11 см"2, Г)_*10.6»1012 с-1 и П+*10.8»1012 с-1, и установили соотношение: П§ << {П2; (§. Сделали вывод, что значение параметра П+, задающего частоту поперечных дипольных колебаний электронов в проволоке в отсутствии магнитного поля,, и выполнение неравенства согласуются с данными измерений магнитосопротивления и поглощения ДИК излучения, выполненными для КП со значительным числом заполненных 10 подзон,_а УП в каналах приготовленных ПС формируется, как поверхност-

и

кым зарядом, так и зарядом квази-Ю электронов.

Провели сравнение результатов измерений эффекта ЩдГ с зависимостями ntl/B], вычисленными в случае непараболического УП, который получили прибавлением к параболической части потенциала вычисленной добавки х^), и получили близкие значения физических параметров: fio^2.4»1012 с-1 и Ni*13.5«106 см-1. Оказалось, что величина среднеквадратичного отклонения расчетных зависимостей nCl/В] от измеренных в

у

обоих случаях сравнения одна и та-же С%1.4'), что не позволило сделать заключение о величине непараболичности УП в приготовленных структурах.

В разделе 2.5. даны выводы по второй главе.

Третья глава посвящена исследованию низкочастотной динамики ПС.

В разделе 3.1. дан метод экспериментального исследования. Образцы прямоугольной формы (размером -4 мм) помещались внутри заземленной металлической полости между двумя электродам, подсоединенными к генератору и приемнику. Измерение отклика проводилось для нескольких положений электродов относительно образца, позволяя воздействовать электрическим полем на проволоки з разных направлениях. Измерялись магнитополевые и частотные зависимости отклика АСВ) и ACf), где АС В) =UC f =const, В) /UC f =const, Б=0) и ACf)=b'Cf ,B=const,)/0Cf ,В=0) CU -амплитуда напряжения на приемном электроде при постоянной амплитуде на возбуждающем, а Ü отвечает ситуации, когда в ячейку вместо образца помещали подложку из чистого GaAs. Независимость напряжения Ü от магнитного поля проверялась экспериментально.).

В разделе 3.2. изложен метод количественной обработки результатов измерений отклика. Для нахождения из измеренных зависимостей отклика собственной частоты fp и декремента затухания ур возбуждения использовалось феноменологическое выражение для обобщенной восприимчивости системы заряженных частиц, помещенной в магнитное поле, описывающее отклик на внешнее воздействие.

Раздел 3.3. посвящен экспериментальному исследованию низкочастот-

ной динамики системы КП. Было установлено, что существуют две области магнитных полей. В первой, охватывающей диапазон сильных магнитных полей вблизи целых значений фактора и Су=2 и у=4), в КП были обнаружены возбуждения с а во второй области, являющейся дополнением к первой, наблюдали сильнозатухающие возбуждения (Гр<гр). Полевые зависимости ГрСВ) и Гр(В) для обнаруженных возбуждений были восстановлены при сравнении отклика с расчетом. В первой области магнитных полей эти зависимости в случае двух различных ориентации проволок относительно электродов Св одном случае внешнее электрическое поле было направлено в плоскости 20 слоя вдоль проволок, а в другом случае -поперек) вели себя одинаково - при удалении от целого и собственные частоты возбуждений падали, а затухания возрастали. Некоторое отличие друг от друга по абсолютной величине собственных частот возбуждений, а также декрементов затухания, связали с различным "экранирующим" влиянием электродов в обоих случаях измерений, а сами возбуждения связали с КМП-подобными возбуждениями, которые являются единственными известными в 20 системе низкочастотными слабозатухающими возбуждениями Сих частный случай - локализованные у края 20 системы КМП). Будучи локализованными на неоднородности, КМП-подобные возбуждения характеризуются в случае ее конечного размера собственным "вращением" электрического заряда и поля в плоскости 20 слоя в направлении, задаваемом ориентацией магнитного поля. Низкочастотная область обнаруженных возбуждений была налицо, а их КМП-подобный "вращательный" характер установили при измерении отклика электродами, расположенными около образца несимметричным образом. В этом случае оказалось, что зависимости АС В) и АС-В), измеренные для противоположных направлений магнитного поля, сильно различаются между собой в первой области магнитных полей в диапазоне частот вблизи собственных частот возбуждений, тогда как, при измерении электродами, расположенными около образца симметричным образом, влияния ориентации магнитного поля на отклик

обнаружено не было. Такое поведение наблюдалось на разных образцах и его связали с проявлением собственного "вращения" возбуждений, что подтвердило их интерпретацию в виде КМП-подобных возбуждений.

Наблюдавшееся уменьшение добротности возбуждений при удалении от целого v и Сили) повышении температуры Сот Т=1.7 до 4.2 К) связали с возрастанием величины Re(ffxx), а падение собственной частоты при уменьшении целого v - с уменьшением компоненты а .

ху

Оценку диапазона собственных частот возбуждений сделали в виде

005, где т - характерный параметр примесного уширения уровней Ландау в квантующих Сист£1) магнитных полях. Таким образом, осциллирующий в магнитном поле характер собственных частот и затуханий возбуждений, непохожих на монотонные зависимости в ДИК области Сгде сот>>1) [3*], связали с иным частотным диапазоном - ыт<<1.

Во второй области магнитных полей наблюдали сильное падение добротности возбуждений и возникновение значительного различия между декрементами затухания для двух направлений внешнего электрического поля, что связали с ростом Re(crxx). Поскольку, отклик обычной 2D системы в. случае сильного затухания ККП выражен модами растекания 2D заряда, сильнозатухающие возбуждения в системе КП интерпретировали в виде растекания зарядов. В случае растекания, возбуждаемого в КП поперечным к ним внешним электрическим полем, обнаружили осциллирующие зависимости fpCB) и ^рСВ), внешний вид которых напомнил поведение в квантующих магнитных полях величины 1 /р , а именно, при целых v обе зависимости имели локальные максимумы, амплитуда которых при увеличении магнитного поля возрастала, а уменьшение температуры вызывало усиление наблюдавшихся осцилляций и появление новых в меньших магнитных полях. Растекание, возбуждаемое продольным электрическим полем, оказалось более быстро затухающим, а его зависимости fpCB) и ^рСВ) восстановили из измерений на краях окрестностей у=2 и v=4, где при приближении к целому v декремент затухания сильно падал, напоминая

внешне поведение величины Ре(сгхх).

В разделе 3.4. дан расчет КМП-подобных возбуждений в системе обсуждение результатов измерений динамического отклика. Продольная электрическая поляризация в проволоке характеризовалась парой эффективных зарядов ±0^ расположенных на расстоянии порядка Ь/2 друг от друга, а поперечная поляризация - парой эффективных зарядов раздвинутых поперек проволоки на расстоянии - 4/2 и распределенных вдоль всей ее длины СЬ и V - длина и ширина КПЗ. В расчете считали, что внутрипроволочное электрическое поле является однородным, а его компоненты в плоскости 20 слоя Сприняв направление вдоль проволок за ось "у", а поперек - за ось "х") задаются уравнениями:

Ех=8х-4С0у/1)/Сс«У/23 и Еу=«у-4С (^/Р*) /С с»1./2), (4)

где Ра - геометрический период структуры, - эффективная диэлектрическая проницаемость, а У* - внешнее поле. Задав связь между_ током Т* и электрическим полем Е4 локальным тензором проводимости

сг а „

XX ху I

-сг а

ху хх 1

получили следующее уравнение движения:

^(Оу/Ь, (^/Щ=Т*=е,Е*. С 5)

Решая (3) в случае собственных колебаний, нашли простое выражение для собственных частот и затуханий возбуждений:

ш?1±ЫЛсЪ [-1Ре(сгхх) ± (С4б»/ЮСсгху)2-СНеСсгхх))2)1/2], (6)

где Я=И+С8/2л)»Не(1,Е(ир +)), а 6=4/Р8 Св случае о*ху=0, чтобы определить ненулевое затухание продольного растекания зарядов выражение С6) необходимо заменить на более точное]. Сравнение с результатами измерений провели в случае слабой частотной дисперсии о"хх: <гх х С ш)) ^сопи! и 1ш(сгхх)^1»соп51»ы. В этом случае: ЙеСЦ,) не зависит от частоты, длина У является параметром, значение которого может зависить только от магнитного поля, а С6) явным образом дает собственные частоты и за-

тухания возбуждений.

.В. сильных магнитных полях, где |crH/Re(crxx) |> [L/(4ótt))1/2, решение С5) дало единственное собственное возбуждение - в этом случае знак ± в С6) не приводит к существовании двух физических решений, а при сравнении с результатами измерений Cv=2, fp%62 МГц, L=4 мм и <5*0.3) нашли: ifc£0 т.ч. Столь большая по сравнении с геометрической шириной КП величина W привела к заключение, что поляризуемость 2D электронной системы вызвала значительное эффективное "уширение" КП - вместо реальной ширины собственную частоту и затухание возбуждений задает "электрическая" ширина с существенно большим значением, что объяснило относительно низкие значения собственных частот. Для реальной части динамической длины нашли: Re(L£)~15 мкм, а для ее мнимой части -1т(Ц,)~4 мкм, т.е. оказалось, что оба значения согласуются со значениями в случае обычной 2D системы [4*]. Таким образом, установили, что значение мнимой части динамической длины, являясь на частоте возбуждения малым по сравнению со значением параметра W, напротив значительно превосходит реальную ширину КП.

Условие наблюдения в КП во внешнем однородном электрическом поле КМП-подобных возбуждений определили из С 6) в виде неравенства: |crH/Re(crxít) |> в котором правая часть представляет собой

геометрический параметр эффективной анизотропии системы. В случае слабозатухаицих возбуждений получили соотношение: - W/Ie(Le).

Сделали заключение, что критерий наблюдения в системе КП слабозатухающих КМП-подобных возбуждений совпадает с критерием для обычной 2D системы Смнимая часть динамической длины на частоте возбуждения должна быть меньше любого размера системы в плоскости 2D слоя) при формальном рассмотрении W в виде переопределенной ширины проволок.

Относительно временной картины собственного электрического поля возбуждения сделали заключение, что вектор внутрипроволочного электрического поля движется по сильно сжатому эллипсу, с отношением осей,

равным величине а сравнение с результатами измерений

вблизи у=2 дало ее типичное значение ~0.03. Показали, что в пренебрежении энергией, запасенной сдвинутыми по фазе на л/2 токами, отвечающими мнимой части магнитопроводимости 1тСохх), большое значение параметра эллиптичности собственного электрического поля возбуждения объясняется существованием двух характерных длин (V к I: W<<LD, на которых спадают при удалении от плоскости 20 слоя компоненты электрического поля возбуждения.

В случае: |сху/Ее(ахх) |< Ь,/С4<5Й)]1/2 - слабых для системы КП магнитных полей, из выражения С6) получили декременты затухания двух собственных возбуждений в виде:

Г?_*А*Ъе(ахх)/псЯ ~ 15е(агхх), С 7)

Гр+^СахуЭ2/я£Ыге(сгхх) - 1/1*е(рхх), С8)

а относительно возбуждений сделали заключение, что первое должно наблюдаться в продольном, а второе в поперечном внешнем электрическом поле, индуцирующем Холловскими токами неравновесное распределение зарядов, а также, что оба возбуждения представляют собой растекание заряда в системе проволок. Сделали заключение, что пропорциональность расчетных декрементов затухания величинам: сгхх и 1 /р' , а также более быстрое затухание поперечной электрической поляризации, согласуются с результатам! измерений отклика во внешнем продольном и, соответственно, поперечном электрическом поле.

В разделе 3. 5. дан расчет спектра КМП в режиме сильного затухания в геометрии локальной емкости интерпретация результатов измерений растекания заряда, наблюдаемого в КП во внешнем поперечном электричес-кс.и поле.

Б разделе 3.6. даны результаты исследования двухчастотного откли-наблэдгеыого при измерении электродами специальной формы. Пред- .¿».ляло. интерес наблюден;:© и ксслг-огише в системе КП более высоких

мод возбуждений, характеризуемых более сложной внутрипроволочной картиной распределения эффективных зарядоз. Внешний вид измеренных зависимостей Ag[f] отчетливо указал на неодночастотный характер отклика, а его сравнение с расчетом в одночастотном приближении согласия не дало. Для зависимостей Ag[f], взятых из окрестностей v=2 и у=4, согласие с расчетом было достигнуто в приближении двухчастотного линейного осциллятора - были восстановлены зависимости собственных частот f„ С В) и затуханий (В) возбуждения. Здесь "г" (равный 1 или 2)

г ,Г Г |Г

различает пары параметров двухчастотного резонанса.

В окрестности v=4 отклик был измерен для двух температур Т=1.5 и 4.2 К. Оказалось, что добротности обоих резонансов, наблюдаемых одновременно, при более низкой температуре становятся более высокими, а отношение их частот при v=i падает от fp g/fp 1 Спри Т=4.2 К) до яЗ. 1 (при Т=1.5 К} Сболее низкочастотному резонансу был присвоен индекс к =13.

В окрестности v=2 двухчастотный отклик был измерен при Т=4.2 К. Добротности обоих резонансов при v-Z оказались более высокими по сравнению со случаем и=4, а отношение их частот было меньше f 0/f 6. Было сделано заключение, что отношение собственных

Рр , 1

частот двухчастотного резонанса с увеличением его добротностей падает. Добротность более низкочастотного резонанса во всех этих случаях была меньше добротности другого примерно в два раза, а одновременно высокодобротными резонансы были только вблизи v-Z (где было f 6 и 6.0, соответственно).

Двухчастотному резонансу была дана интерпретация в виде мод КМП-подобных возбуждений. Более низкочастотное возбуждение связали с модой, характеризуемой в КП синфазными вращениями в плоскости 2D слоя эллиптически поляризованного однородного электрического поля (раздел 3.4.), а другое возбуждение связали с модой (также характеризуемой синфазными возбуждениями в проволоках), отличающейся от первой моды

распределением возбуждения в отдельной проволоке, а именно - заряды, расположенные на каждой полудлине проволоки, индуцируют в своей половине проволоки эллиптически поляризованное "однородное" электрическое поле, а колеблются поля в обеих половинках в противофазе.

В разделе 3.7. проведено качественное сравнение результатов измерений двухчастотного отклика с расчетом. Сравнение полученных значений отношения частот f a/f t с расчетом провели, используя выражение С6) в случае: Refo^CwíJaconst и 1ш(£7хх)%-1 «const»w, следующим образом. Собственную частоту и декремент затухания первой моды задали выражением (6), а их значения для другой, более высокой Спродольной) моды возбуждений задали выражением, получающимся из С 6) при замене L на L/2, т. е. их положили равными значениям первой моды в системе вдвое более коротких проволок.

Наблюдаемое в эксперименте падение отношения собственных частот двухчастотного возбуждения, происходящее при понижении температуры и Сили) приближении к целому значению v, связали с более быстрым относительным ростом выражения для собственной частоты первой моды, а меньшую добротность более низкочастотного возбуждения по сравнению с другим связали с большим значением параметра анизотропии возбуждения в случае первой моды КМП-подобных возбуждений по сравнению со значением параметра в случае другой, более высокой моды, а оба параметра дали в виде выражений:

В расчете получили в случае слабозатухающих возбуждений отношение собственных частот, равное: f /f «1.4, что заметно отличается от значения 6, полученного из измерений. Предположили, что данное расхождение может быть вызвано грубостью расчета, неучитывающего влияние конечных размеров образца в плоскости 2D слоя на собственные частоты возбуждений, а также использующего исскуственное выражение для шр в случае более высокой моды. В качестве другой причины было выдвинуто невыполнение условия: Re(cr Cu))«const и Iш(сг *const»u, что воз-

можно способно привести к большему значению отношения собственных частот возбуждений по сравнению со значением 1.4. В [4*], например, в случае обычного 2D образца, были получены в сильном магнитном поле значительно различающиеся вблизи целых значений v величины: <7ххСы=0) и Re(ffxxCtop)), что указывает на необходимость проводить сравнение с расчетом, вкподксшша в случае произвольной дисперсии сгхх.

В разделе 3.8. даны выводы по третьей главе.

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработали на основе гетеропереходов GaAs/AlGaAs с 2D электронным газом технологию приготовления множественных субмикронных полосковых структур, которые, внешне представляют собой поверхностную гофрированную решетку периодом 500 нм и общей площадью -10 мм2. На структурах получили экспериментальные зависимости номера осцилляции Шубникова-де Гааза от обратного магнитного поля ntl/Bl, несовпадающие с линейной зависимостью, наблюдаемой в 2D случае, что однозначно указало на наличие квази-lD электронного энергетического спектра в полосковых каналах, параметры которого определили при сравнении измеренных зависимостей с расчетными. Провели обсуждение вопросов, связанных, как с формированием полосковых проводящих каналов в периодических структурах, так и технологией.

2. Были обнаружены в системе КП в радио-диапазоне, в сильном магнитном поле вблизи целых значений фактора заполнения уровней Ландау С у=2 и 4) и исследованы добротные плазменные резонансы, собственные частоты которых существенно ниже циклотронной частоты. Установили, что при уменьшении целочисленного значения фактора заполнения собственные частоты резонансов падают, а повышение температуры и Сили) удаление от целого v вызывает падение их добротности. В результатах измерений бьшс получено проявление собственного "вращения" электрического заряда возбуждения в плоскости 2D слоя в направлении, задаваемом ориентацией

магнитного поля. Обнаруженные резонансы связали с наблюдение в системе КП низкочастотных КМП-подобных возбуждений.

3. При сравнении результатов измерений с расчетом установили критерий сильных магнитных полей, в которых во внешнем однородном электрической поле в системе КП наблюдаются КМП-подобные возбуждения: |orxy./ReCcrxjc) |> (¡L/CAdií))^, - недиагональность тензора магнитопроводи-мости должна превышать параметр анизотропии системы, решающий вклад в который, как оказалось, дает мнимая часть 20 динамической длины по сравнению с геометрической шириной КП, а именно, при сравнении с результатами измерений вблизи и=2 установили значение "электрической" ширины КП в виде: fc£0 мкм, т. е. W<<W, что объяснило относительно низкие частоты возбуждений, которые дают более прямую информацию о внутренних свойствах системы по сравнению с возбуждениями в обычных 20 системах.

4. Сформулировали критерий наблюдения в системе КП во внешнем однородном электрическом поле слабозатухающих возбуждений: Im(LE)<<W, т.е. мнимая часть динамической длины должна быть меньше "электрической" ширины КП, причем неравенству отвечает соотношение: fp/fp ~ W/Im(LE). Критерий отличается от случая обычной 2D системы, где сравнение нужно проводить с собственными размерами системы в плоскости 2D слоя.

5. При сравнении результатов измерений с расчетом сделали вывод, о вращении в плоскости 2D слоя вектора собственного внутрипроволочного электрического поля КМП-подобных возбуждений по сильно сжатому эллипсу: е /е м* (6*W/L)1/2 Се и е - амплитуды колебаний продольной

У * У *

и поперечной компонент внутрипроволочного поля). Сравнение с результатами измерений вблизи v=2 дало отношение длин осей эллипса в виде: |е /е j~0.03. Сильную эллиптичность собственного внутрипроволочного

У *

электрического поля связали со спаданием компонент поля при удалении от плоскости 2D слоя на разных характерных длинах: L и W.

6. Было экспериментально установлено, что в системе КП вне окрестностей v=2;4 наблюдаются низкодобротные резонансы, которые связали с возбуждением растекания 2D заряда, неравновесное распределение которого индуцируется Холловскими токами, вызванными внешним электрическим полем. Оказалось, что растекание продольного распределения зарядов является менее быстро затухающим, а его декремент затухания осциллирует при изменении магнитного поля подобно величине 1/Рхх» что подтвердилось расчетом: cop~-i/(pxxL), а в случае растекания поперечного распределения зарядов магнитополевая зависимость декремента затухания оказалась подобной зависимости ff^CB) - затухание резко спадало при приближении к целым значениям фактора v Cv=2;4), расчет подтвердил вид зависимости, дав: up~-iaxx/W. Расчет указал, что растекание будет наблюдаться во внешнем однородном электрическом поле при выполнении условия: |o,xy/Re(o'xx) |< обратного к неравенству, определяющему возможность наблюдения плазмонов. Таким образом, сделали вывод, что соотношение параметра анизотропии системы в/С 4 бЪ)1/г с величиной |ог /Re(cr ) | однозначно определяет характер отклика на внешнее однородное электрическое поле.

7. Был обнаружен в системе КП вблизи v-2 к v~i при измерении электродами специальной формы двухчастотный отклик, который связали с наблюдением двух мод КМП-подобных возбуждений, характеризуемых синфазными возбуждениями во всех проволоках. Более низкочастотный резонанс связали с модой, характеризуемой однородным эллиптически поляризованным в плоскости 2D слоя внутрипроволочным электрическим полем, тогда как другой резонанс связали с модой, характеризуемой как и предыдущая мода эллиптически поляризованным внутрипроволочным полем, которое в данном случае в двух половинках каждой проволоки колеблется в противо-фазе. При сравнении с расчетом сделали заключение, что меньшая добротность более низкочастотного резонанса по сравнению с другим обусловлена большим значением параметра анизотропии возбуждения в случае первой

Сосновной) моды по сравнению со значением параметра в случае другой,

более высокой моды, а для обоих параметров получили выражения:

(L/C4<5fft)1/2 и (CL/2)/C4<5W)]1/2.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Отчет по "Долг-ИРЭ" С1990). Создание технологии приготовления и исследование квази-lD электронного энергетического спектра структур квантовых проволок в нулевом и квантующих магнитных полях.

2. Гродненский И. М., Дикаев Ю. М., Руденко А. С. и др. Множественная полосковая структура с квазиодномерным электронным энергетическим спектром. ФТП, 1992, Т.26, В.9, с.1521.

3. I. Grodnensky, D. Heitmann, К. von Klitzing, К. Ploog, A. Rudenko and A. Kamaev. Edge Plasma Excitations in GaAs-AlGaAs Quantum Wires. In Proceedings of The International Conference on The Application of High Magnetic Fields in Semiconductor Physics, Tokyo, Japan, 1992, p. 74.

4. Grodnensky I., Heitmann D., Klitzing K., Ploog K. , Rudenko A. and Kamaev A. Edge Collective Excitations in GaAs-AlGaAs Quantum Wires. Theses in 21th International Conference on the Physics of Semiconductors. - In: 21th ICPS - 92, Beijing, China, Techn.Digest., 1992. - p. 37.

5. Grodnensky I., Heitmann D., Klitzing K. , Ploog K. , Rudenko A. and Kamaev A. Electrodynamics of GaAs-AlGaAs Quantum Wire-Arrays. Theses in Superlattices, Microstructures and Microdevices С1992). -In: SMM - 92, Beijing, China, Techn. Digest. , 1992. - p. 103.

6. Гродненский И. M. , Руденко А. С. , Камаев А. Ю. , Красноперов Е. П., Хайтман Д., Клитцинг К. , Плуг К. Низкочастотные магнитоплазменные возбуждения в GaAs/AlGaAs квантовых проволоках. Письма ЖЭТФ, 1993, Т. 53, В.1, с. 59-63.

7. Grodnensky I. , Heitmann D. , Klitzing К., Ploog К. , Rudenko A. and Kamaev A. Low Frequency Plasma Excitations in GaAs-AlGaAs Quantum

гз

Wires. In Proceedings of The 10th International conference on electronic properties of two-dimensional systems, USA, New York, 1993, p.117.

Список цитированной литературы: 1* Клитцинг К. Успехи физ. наук. 1986. Т. 150, N 1, с. 107-126. 2* Berggren К. F., Roos G., and Houten H. Phys.Rev. В 1988. V.37, N 17, p. 10118-10124.

3* Demel Т., Heitmann D. , Grambow P., and Ploog K., Phys. Rev. Lett.

1991. V.66, p. 2657. 4* Aschoori R. C. , Stornier H. L. , Pfeiffer L. N. , Baldwin K.W. , and West K. Phys. Rev. В 1992. V.45, N7, p. 3894-3897.

5* Лж&йлоЛ С. А. Пцама I 19TP - 57

Подписано в печать 2¡..07.i99¿ г.

Формат 60x84/j6. Объем ..39 усл.п.л. Тираж ICO экз.

Ротапринт ИРЭ РАН. Зак.128. ■