Оптическая спектроскопия подзон размерного квантования двумерного электронного газа в GaAs-AlxGa1-xAs одиночном гетеропереходе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

На правах рукописи

КИРПИЧЕВ Вадим Евгеньевич

УДК 537.311.322

ОПТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ПОДЗОН РАЗМЕРНОГО КВАНТОВАНИЯ ДВУМЕРНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ГАЗА В саАз-м^са^Аа

ОДИНОЧНОМ ГЕТЕРОПЕРЕХОДЕ

Специальность 01.04.07 - физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Черноголовка 1992

Работа выполнена в Институте физики твердого тела РАН.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук И.В.Кукушкин

Официальные олпоненты: доктор физико-математических наук В.Н.Зверев доктор физико-математических наук Ю.А.Бычков

Ведущая организация: Институт проблем технологии микроэлектроники и особочвстых материалов РАН

Защита состоится > ¿/¿ЫСрХ 1992г. ъ час

на заседании специализированного ученого совета Д CX33.I2.OI при Институте физики твердого тела РАН по адресу: 142432, Московская область, Ногинский район, п. Черноголовка, ИФТТ РАН.

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

Автореферат разослан < ЛЗ » 1992г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор

физико-математических наук В.Д. Кулаковский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Большой интерес, проявлемый в последние годы к системам с пониженной размерностью, связан как с чисто практическим применением таких систем в микроэлектронике, так и с обнаружением в этих системах новых фундаментальных явлений -целочисленного и дробного квантового эффекта Холла (КЭХ). В частности, обнаруженный в двумерных (2пн) электронных системах дробный КЭХ связан с конденсацией взаимодействующих электронов в несжимаемую ферми-жидкость - состояние, не имеющее аналогов в физике. Теоретически предсказана также возможность вигнеровской кристаллизации электронов в таких системах.

Появление 2гъ-канала связано с пространственным ограничением газа свободных электронов по одному из направлений потенциальным барьером. Это приводит к трансформации непрерывного 'энергетического спектра электронов в этом направлении в дискретный спектр размерного квантования, конкретный вид которого определяется формой потенциальной ямы. Упомянутые выше фундаментальные явления наблюдаются в магнитном поле, направленном по нормали к 2о-слою, которое приводит к квантованию движения электронов в плоскости и образованию дискретного энергетического спектра - уровней Ландау. Исследование энергетического спектра 2о-электронов является одной из важнейших задач, необходимых для микроскопического описания физических явлений в 2Е>-системах.

Основная масса работ по исследованию систем с пониженной размерностью выполняется с использованием магнитотранспортной методики, при применении которой в ультраквантовом пределе возникают значительные затруднения. В то же время, хорошо известно, что метод оптической спектроскопии позволяет наиболее прямым образом получить информацию о состоянии всего электронного

газа, а не только вблизи уровня Ферми 2с-электронов. Применение оптической методики, основанной на исследовании спектров рекомбинации 2о-электронов с фотовозбужденными дырками, требует детального изучения влияния непрерывного фотовозбуждения на состояние 2о-канала. В последнее время появился ряд работ, в которых наблюдался оптический аналог осцилляции Шубникова - де Гааза в интенсивности рекомбинационного излучения 21>-электронов, и делались попытки применить этот эффект для исследования целочисленного и дробного КЭХ и вигнзровской кристаллизации. При этом остается открытым вопрос о влиянии процессов межподзонной и внутриподзонной релаксации неравновесных фотовозбужденных носителей на природу данного эффекта.

Целью данной работы было исследование энергетического спектра 2о-электронов в перпендикулярном и наклонном магнитных полях, а также влияния непрерывного фотовозбуждения на состояние 2о-элекгронного газа и изучение процессов межподзонной релаксации неравновесных носителей.

Научная новизна. В настоящей работе методом оптической спектроскопии впервые исследована зависимость энергетического спектра размерного квантования от концентрации 2э-электронов.

Обнаружено влияние непрерывного фотовозбуждения на концентрацию 2г>-электронов и исследована зависимость этого процесса от длины волны и интенсивности лазерной накачки.

Впервые экспериментально исследован и описан энергетический спектр го-электронов в сильном наклонном магнитном поле.

Обнаружен новый тип магнитооптических осцилляций интенсивности рекомбинационного излучения 2с>-электронов, связанных с межподзонной релаксацией неравновесных носителей.

Исследована зависимость скорости межподзонной релаксации от

температуры п энергетического расщепления между уровнями.

Научная и практическая значимость работы. Результаты, полученные в данной работе, дают новую информацию о физических процессах, происходящих в 2э-системах. Они позволяют составить общую картину формирования самосогласованного потенциала квантовой ямы и спектра размерного квантования в системе 2о-электронов и важны для понимания влияния релаксационных процессов на фундаментальные физические явления в 2с>-системэх.

Основные результат, выносимые на защиту:

I.Предложен метод управления в широких пределах концентрацией пн 2о-электронов в одиночном гетеропереходе (ОГ) саАз-АЮаАз при помощи непрерывного фотовозОуждешя. Эффект уменьшения пз зависит от длины волны и интенсивности лазерного света. Наибольшее изменение концентрации достигается в условиях, когда энергия фотона превышает ширину запрещенной зоны АЮалэ, при этом существенно повышается подвижность 2о-электронов.

2.Обнаружена немонотонная зависимость энергии межподзонного расщепления от концентрации 2о-электронов в ОГ саАз-АЮадз. Найдено, что при концентрациях, соответствующих началу заполнения первой возбужденной подзоны, система 2о-электронов разбивается на домены с различным заполнением 2о-подзон. Исследованы зависимости энергии межподзонного расщепления от пз и от концентрации заряженных примесей в слое обеднения.

З.На примере 2г>-электронного газа в ОГ садз-АХйаАз показано,

ЧТО В СИЛЬНЫХ НаКЛСННЫХ МаГНИТНЫХ ПОЛЯХ Н, КОГДа Гш =Г>еН/тс намного превышает энергию размерного квантования, расщепления между уровнями не зависят от магнитного поля и определяются энергиями размерного квантования вдоль направления магнитного поля Е*т(«). По соотношению между новыми мегаюдзонными расщеплениями

е*и/е*0 определена форма потенциальной ямы по г-направленшо и(г)~ г1', ^0,5.

4. Обнаружен новый тш магнитоосцилляций интенсивности излучательной рекомбинации 2п>-электронов из первой возбужденной' подзоны размерного квантования, не связанный прямым образом с магнитотранспортными осцилляцнями Шубникова - де Гааза. Происхождение обнаруженных осцилляций объясняется в терминах упругой релаксации электронов из неравновесно заполненной первой возбужденной подзоны в основную подзону при пересечении соответствующих уровней Ландау этих подзон.

5.Обнаружен аномальный характер температурной зависимости скорости межяодзонной релаксации в промежутках между пересечениями уровней Лавдау различных подзон, заключающийся в ускорении межподзонной релаксации при понижении температуры. Из экспериментальных дашшх расчитана зависимость скорости межподзонной релаксации от энергетического расщепления между соответствующими уровнями для различных температур.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на 9-м Международном совещании по фотоэлектрическим и оптическим явлениям в твердом теле (Болгария, Варна, 1989), на 21-й международной конференции по физике полупроводников (Греция, Салоники, 1390), 1-м и 2-м Российско-Германских симпозиумах "Высокотемпературная сверхпроовдимость и низкоразмерные электронные системы" (СССР, Гурзуф, 1990; ФРГ, Штуттгарт - Мюнхен, 1992), докладывались на научных семинарах в мр1-гкг (Штуттгарт, ФРГ), ств/Бысх (Гренобль, Франция) и в ИФТГ РАН.

Структура работы. Диссертация состоит из семи разделов: введения, четырех основных глав, заключения и списка цитируемой литературы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Бо введении обсуждена актуальность теш, дана общая характеристика работы, сформулирована цель и научная новизна диссертационной работы, а также основные результаты, выносимые на защиту.

Первая глава представляет собой краткий литературный обзор работ, посвященных исследованию свойств электронных систем с пониженной размерностью. Особое внимание уделено оптической спектроскопии 2г>-электронного газа в з1-адп-структурах, различных квантовых ямах и одиночных гетеропереходах.

Во второй главе исследуется влияние непрерывного фотовозбуждения на концентрацию и подвижность электронов в 2о-канале, а также зависимость энергии межподзонного расщепления от концентрации 2в-электронов.

Исследовавшиеся образцы представляли собой одиночные гетероперехода валв-АЗ. ва Ав (х=0,3), выращенные методом ыолекулярно-лучевой эгакаксип. Слой широкозонного полупроводника А1хСа1-хА£3 толщиной 575А был равномерно легирован донорной примесью - эл. с объемной концентрацией от 2*1017см_3 до 2*Ю18см-3 в различных образцах. За счет туннелирования электронов в узкозонннй полупроводник гаАБ возникает электрическое поле, создающее изгиб зон и выравнивающее хикпотенциалы электронов в обоих полупроводниках. Тага™ образом, в слое сала вблизи интерфейса образуется потенциальная яма, ограничивающая движение электронов вдоль оси, перпендикулярной интерфейсу. Со стороны широкозонного полупроводника вблизи интерфейса тлеется нелегированный слой - спейсер, толщиной 175А, ослабляющей влияние случайного потенциала ионизированных донорных примесей на газ 2о-электронов. Равновесная концентрация 2о-электронов после

охлаждения в темноте до гелиевой температуры составляла от

тп —? 19 —?

3*10 исм до 10 см в различных образцах.. В слое саДБ на определенном расстоянии (200 - 400А) от интерфейса выращивался

монослой акцепторных атомов - ве с двумерной концентрацией

тп

2*10 см , на которых могли связываться фотовозОужденные дырки.

Исследовавшийся образец помещался внутри гелиевого криостата с соленоидом. Внешнее фотовозбувдение образца осуществлялось, как правило, непрерывными лазерами : аргоновым иа-120-1, криптоновым 1ьк-120 или гелий-неоновым ЛГ-79. Накачка и сбор рекомоинационного сигнала 2о-электронов осуществлялись по одному световоду, торец которого располагался непосредственно перед образцом. Регистрирующая система включала в себя монохроматор ВДР-23, фотоумножитель ФЭУ-79, работавший в режиме счета фотонов, систему счета фотонов вгооМеа1-5сг. Запись спектров осуществлялась на персональный компьютер.

Хорошо известно, что при низких температурах свойства п-саАБ-АЮаАэ одиночных гетеропереходов можно сильно изменить с помощью облучения светом с энергией фотона, близкой к ширине запрещенной зоны ваАз. в частности, такая засветка образца является обычным методом увеличения концентрации 2о-электронов. После этого концентрация пз 2о-электронов, измеренная в тешете, увеличивается по сравнению с ее равновесным значением которое реализуется при низкой температуре перед первой подсветкой. Дальнейшая засветка образца может привести к увеличению концентрации пв вплоть до некоторого максимального значения п*, которая устанавливается при гелиевой температуре и может • быть уменьшена только нагреванием образца. Зто явление обусловлено специфическим поведением ох-центров в слое А1саАэ и связано с трансформацией глубоких доноров в мелкие доноры в результате

перехода электронов из ь-минимума в Г-минимум зоны проводимости

АЮаАз.

В данной работе были исследованы ОГ СаАз-А^Са^^ с х=0,28-0,32. Все ОГ имели толщину буферного слоя садя 500А, легированную часть слоя а^аб 575А и спейсер, равный 175А, в нашем распоряжении было три типа ог а, в и с с различной концентрацией нй доноров эх в слое А1саАэ, которая изменялась от 2*Г017см~2 (тип а) до 2*1018см-2 (тип с). Как следствие, все ОГ типа а имели очень малую равновесную концентрацию 2г>-электронов (п°<3*Ю10см-2), а для всех образцов типа с эта величина была намного больше - п°=(5-б)*Ю**см-^. ОГ типа в имели промежуточное значение и,=7*1017см-2 и п°=3*1011см-2. Максимальные значения

и 3

концентраций п*. измеренные в темноте после сильной засветки белым светом были (4-6)*1011см-2 (тш а), (7-8)*1011см-2 (тип в), (8-Ю)*Г0-С1см-2 (тип с). Типичные значения подвижности 2о-электронов при п =5*10^см"~2 составляли (4-8)*Ю5см2/В*сек.

Из спектров излучательной рекомбинации 2о-электронов с фотовозбужденными дыркам!, связанными на акцепторах, при изменении плотности мощности и длины волны лазерного света в перпендикулярном магнитном поле и для всех типов образцов обнаружено, что при увеличении плотности мощности и или энергии фотона ьы лазерного света в спектрах люминесценции происходит опустошение уровней Ландау, связанное с уменьшением концентрации 2о-электронов. Следовательно, в условиях непрерывного фотовозбуждения ОГ лазерным светом ' определенной длины волны и интенсивности можно изменять концентрацию 2и-элекгронов в широкой области. Изменение концентрации (п*-п ) зависит от длины волны лазерного света и проявляется только для фотонов с энергией, выше некоторой критической ш*, которая для всех исследованных ОГ с

разным содержанием а1 (х=0,28-0,32) оказалась близка к ширине запрещенной зоны А1саАБ.

Уменьшение концентрации 2г>-электронов от п* до п° непрерывным фотовозбуждением можно было бы объяснить как результат обратного перехода в ох-центры АЮаАБ, г. е. как переходы из метастабильного состояния электрона из Г-минимума (мелкие донорные состояния) в основное состояние ь-минимума (глубокое донорное состояние). Однако, этот вывод противоречит тому факту, что после выключения засветки концентрация 2о-электронов быстро увеличивается (за время, меньшее 1с.) до п*. Более того, в некоторых гетеропереходах типов айв была получена пз=0 при »»(З-ЮЭВт/см2 и \=4880А. В этом случае соответствующая линия люминесценции резко исчезает из спектра излучательной рекомбинации. Поэтому мы считаем, что в условиях непрерывного фотовозбуздения уменьшение пЕ обусловлено нейтрализацией заряженных ионизованных доноров в слое АЮадз. Очевидно, что такой кинетический процесс должен зависеть от концентраций доноров и фотовозбузденных носителей.

Одной из важнейших характеристик энергетического спектра двумерных электронов является межподзонное расщепление. Его величина зависит от формы потенциальной ямы. Основной экспериментальный метод исследования подзон размерного квантования основан на измерениях резонансного инфракрасного поглощения. Однако, в связи с эффектами деполяризации резонансная энергия может быть не равна межподзонному расщеплению. В данной работе для измерения межподзонного расщепления был применен метод оптической спектроскопии, основанный на исследовании излучательной рекомбинации 2о-электронов с фотовозбужденными дырками, который позволяет изучать свойства электронов в различных подзонах независимо. В этом случае эффекты деполяризации не влияют на

определяемые величины, так как частоты фотонов, используемые в эксперименте, намного больше частоты плазмона.

тт -?

При малых концентрациях 2о-элекгронов п <3*10 см при т=1,5к наблюдается только люминесценция основной подзоны. Увеличение температуры приводит к заполнению первой возбужденной подзоны в результате термического уширения функции распределения Ферми. При более высоких температурах можно наблюдать заполнение следующих подзон. Из спектрального положения линии была определена величина межподзонного расщепления ео1 между основной и возбужденными подзонами с номерами 1=1,2. Эти зависимости для ОГ типов а, в и с оказались несовпадающими. Это расхождение связано с заполнением первой возбужденной подзоны. Для всех ОГ типа л, в которых высокая концентрация п^=(5-6)*1011см-2 была достигнута при

очень маленькой

интенсивности возбуждения (и<10 5Вт/и^, л=6764А),

заполнение первой возбужденной подзоны начинается при значении

пз=пдГ=(4,9-5,6)*Г011см-2. В ОГ типа в значение п|г было заметно ТТ —7

меньше (3,0-4,2)*Кг см , но в этом случае такие концентрации

2о-электронов достигаются при большей плотности мощности лазера

(и<Ю~3Вт/см2, х=4880А). Столь большое различие в плотности

мощности для ОГ типов див приводит к различным концентрациям

заряженных примесей в обедненном слое Значение пй очень мало

то -?

при любой засветке (па<10 см ), но как следует из экспериментов форма потенциальной ямы и межподзонное расщепление очень чувствительны даже к малым изменениям ла. Зависимость е10(п ), измеренная для ОГ типов айв немонотонна в окрестности п°г. Это можно объяснить тем, что при малых концентрациях пд форма потенциальной ямы определяется главным образом 2о-электронами. При пз>п^г значительное упмрение потенциальной ямы обусловлено более протяженной волновой функцией электронов из возбужденных подзон.

Уширение потенциальной ямы при п5>п^г приводит к уменьшению межподзонного расщепления, что и наблюдается экспериментально.

В ряде ОГ спектры люминесценции из разных точек одинаково возбуждаемого образца имели разный вид. Появление носителей в первой возбужденной подзоне приводит к разделению системы 2о-электронов на домены.- Разные домены имеют различное распределение электронов по подзонам, однако общая концентрация п„ сохраняется. Такие особенности, наблюдаемые только в окрестности молено объяснить неодинаковым распределением заряженных акцепторов, которые сильно влияют на локальную форму потенциальной ямы.

Третья глава посвящена исследованию энергетического спектра 2о-злектронов в наклонном магнитном поле. Метод наклонного поля широко использовался в экспериментах с 2о-элзктронами для демонстрации их двумерности, для изучения спинового расщепления и др. При этом обычно считалось, что энергетика квантовых состояний определяется исключительно нормальной компонентой магнитного поля. В слабых магнитных полях, при которых магнитная длина х|1=л.н/з1п1^'2а, определяемая по продольной компоненте магнитного поля, во много раз превосходит ширину ямы поправка йеп к энергии п-го размерно квантованного уровня возникает во втором порядке по нг При пересечении соседних уровней Ландау из разных подзон, например, основной и первой возбужденной, параллельная компонента магнитного поля снимает вырождение и приводит к расталкиванию уровней ЛЕ","'"1-(2п)1/2ьис51па. Пересечение п-го и (п-к)-го уровней Ландау, к>1, не сопровождается их расщеплением, по крайней мере с точностью до квадратичных по нв поправок. В целом же, циклотронное вращение имеет чисто двумерный характер и определяется только нормальной компонентой магнитного поля.

Интересным представляется другой предел л,,«* .где самым быстрым движением является циклотронное вращение электронов вокруг направления наклонного магнитного поля с частотой ы , определяемой полной его величиной. Иначе говоря, сильное продольное поле преодолевает размерное квантование в слое и эффективно тршерлзует движение частиц, которое теперь соответствует классическому движению по циклоиде с осью вдоль шля. Поэтому в описанном режиме энергия основного состояния сдвигается с ростом поля быстрее, чем это имеет место в области слабых полей. Движение же вдоль шля ложно рассматривать как адиабатическое, и низколенащая часть спектра носителей в пределе н-™ определяется положением уровней в одномерном потенциале и (о=и0(<соза), отличающимся от изначального масштабным преобразованием. (Здесь и0(г) - форма потенциальной ямы в направлении нормали к слою, а через с обозначена координата электрона вдоль магнитного поля). Поэтому расщепления Е*т(а) неяду низколежзщимн уровнями не зависят от магнитного поля в этом пределе и существенно меньше межподзонного расщепления нпт. Например, для модельного одаопараметрического степенного потенциала и(г)~ г", Е*п(а)=Етпсоз2"/'1'+2(а) . Емкость же каждого из уровней определяется исключительно нормальной компонентой магнитного поля.

Экспериментально было обнаружено, что в наклонном поле при больших н экспериментальные зависимости энергетического расщепления между уровнями от магнитного поля начинают отклоняться от линейных, и величина расщепления между соседними уровнями перестает зависеть от магнитного поля. Кроме того, чем больше угол наклона, тем меньше величина этого остаточного расщепления. Из этих зависимостей видно, что для энергетического расщепления между каждой парой квантовых уровней еп+1_ел существует некоторое поле

н*, начиная с которого расщепление практически перестает зависеть от н. Поэтому мы можем утверждать, что при н>н* расщепление между уровнями определяется размерным квантованием движения электронов в потенциальной яме вдоль направления магнитного поля, п мы будем полагать его равным Е*п(а). Подчеркнем, что при фиксированной концентрации величины н* практически не зависят от угла наклона, а при фиксированном угле н* значительно уменьшается при уменьшении концентрации. Угловая зависимость величины е*0(«)/е10 определялась при различных концентрациях электронов в 2п>-каналз и оказалась одинаковой для всех п . Это говорит о том, что с хорошей точностью яму можно аппроксимировать степенной зависимостью так, что п3 влияет только на глубину потенциала. Из независимости величин е*т(а)/е*0(а) от угла а следует также и аналогичная факторизация концентрационных и угловых зависимостей всех расщеплений в спектре. По значению же этих величин можно определить, что форма ямы в нашем случае соответствует степенному распределению потенциала и(г)~ -гУ с 1>«0,5.

Четвертая глава посвящена исследованию осцилляций интенсивности рекомбинационного излучения 2о-электронов из неравновесно заполненной первой возбужденной подзоны размерного квантования. В последнее время появился ряд сообщений об оптическом аналоге осцилляций ШуСникова-де Гааза, наблюдавшемся в магнитополевых зависимостях интенсивности рекомбинационного излучения 2о-электронов со свободными фотовозбужденными дырками, и о.применении данного эффекта в качестве альтернативного метода для исследования таких фундаментальных явлений в 2о-системах, как конденсация в несжимаемую ферми-жидкость и вигнеровская кристаллизация. В этих работах делалась попытка описать эти осцилляции в терминах кулоновских корреляций в системе:

2о-электронный газ плюс фотовозбужденные дырки. В системе, исследовавшейся в данной работе, рекомбинация 2о-электронов осуществляется с фотовозбужденной дыркой, связанной на акцепторе (нейтральный центр), и упомянутые магнитооптические осцилляции могут быть обусловлены сложной кинетикой релаксация и рекомбинации носителей в условиях стационарной подсветки. А именно, в условиях непрерывного фотовозбуждения система находится в неравновесном (хотя и стационарном) состоянии, и наблюдаемые интенсивности линий определяются не только термодинамически равновесным распределением частиц, но и кинетикой релаксации неравновесной компоненты электронного газа. Поэтому магнитополевые зависимости интенсивностей линий, отвечающих свечению из неравновесно заполненных состояний, содержат в себе ценную информацию о характере релаксационных процессов в 2с>-газе, в том числе, в квантующих магнитных полях.

В работе исследовались магнитоосцилляции интенсивности излучения 2э-электронов из неравновесно заполненной первой возбужденной подзоны размерного квантования и их температурные и концентрационные зависимости. Одновременно с оптическими также проводились измерения диагональной компоненты сопротивления Рхх(н). При помощи непрерывной подсветки можно было управлять концентрацией электронов в 2с>-канале и межподзонннм расщеплением, что давало возможность получить зависимости г1(н> как для равновесного (ef>e10), так и для неравновесного (ef<e10Заполнения верхней подзоны. С точки зрения кинетики рекомбинации интерес представляет второй из этих случаев. На зависимости ij^H), полученной для случая ef<e10, отчетливо проявляются осцилляции, которые в малых полях представляют чередование острых максимумов и минимумов, а в больших полях - отдельные максимумы на фоне широких

участков с минимальной интенсивностью. Можно обработать экспериментальные результаты 11(н) и рхх(н), отложив по оси х обратное магнитное поле, а по оси у квантовый номер осцилляций (номер максимума для оптических и номер минимума для транспортных осцилляций), как для случая ег=е10, так и для случая ег<е10. При этом точки, соответствующие и транспортным, и оптическим осцилляциям хорошо ложагься на прямые. Как известно, угол наклона транспортной прямой задается энергией Ферми 2п>-злектронов. В результате такой обработки было получено, что для случая ег=е10 углы наклона транспортной и оптической прямых совпадают, а для случая ер<е10 оптическая прямая имеет больший наклон, из которого можно определить параметр энергии, задающий этот наклон. Эта энергия оказывается равной е10, что заставляет предположить, что исследуемые оптические осцилляции связаны с пересечениями уровней Ландау основной подзоны и нулевого уровня Ландау возбужденной подзоны. Подтверждением этого вывода может служить совпадение положений "срыва" оптического сигнала и положений пересечений уровней, полученных из обработки серии рекомбинационных спектров в различных магнитных полях. Механизмом, приводящим к упомянутому "срыву", может быть упругая релаксация носителей из неравновесно заполненной возбужденной подзоны в основную подзону. Возмущением, смешивающим волновые функции разных подзон, в этом случае выступают атомы остаточных примесей, находящихся вблизи 2о-слоя.

Для определения механизма релаксации в промежутках между "срывами" была исследована температурная зависимость оптических осцилляций. При этом было обнаружено, что интенсивность основных пиков, существующих при т=4,2к, при понижении температуры до т=о,4к уменьшается, и пик, соответствующий пересечению 0-го уровня Ландау возбужденной подзоны с 1-м уровнем Ландау основной подзоны,

пропадает полностью. В то же время, при понижении температуры появляются дополнительные максимумы в районе нечетных факторов заполнения 1>=3 и Эти дополнительные пики имеют резкий срыв, когда фактор заполнения становится меньше целочисленного нечетного значения. Появление дополнительных максимумов в районе нечетных факторов заполнения при понижении температуры можно объяснить усилением спинового расщепления. А именно, считая, что релаксация без переворота спина является более быстрым процессом, чем с переворотом спина, мы клеем в случае т=4,гк дцн<кт где и -магнетон Бора, д=-о,44 - эффективный д-фактор электрона в садз (дин=1,ак в поле бт). Следовательно, при такой температуре оба спиновых подуровня в основной подзоне заселены в районе нечетных факторв заполнения примерно одинаково, то есть, вакансии для релаксации существуют на обоих спиновых подуровнях и быстрая мекподзонная релаксация возможна для обоих направлений спина в возбужденной подзона. При понижении температуры до т=о,4к дднжг, возникает существенная разница в заселенности спиновых подуровней в основной подзоне, что в свою очередь приводит к эффективному увеличению спинового расщепления за счет усиления обменного взаимодействия. Таким образом, в районе нечетных факторов заполнения вакансии существуют только на верхнем спиновом подуровне в основной подзоне, и эффективная релаксация мокет происходить только для электронов с верхнего спинового подуровня возбужденной подзоны. Релаксация электронов с нижнего спинового подуровня значительно замедляется, вызывая наблюдаемое в эксперименте увеличение интенсивности. Когда фактор заполнения становится меньше нечетных значений, вакансии для релаксации появляются и на нижнем спиновом подуровне, интенсивность при этом резко уменьшается до нуля. Необходимо подчеркнуть, что форма

осцилляций интенсивности в районе основных максимумов при изменении магнитного поля определяется не термоактивацией- из основной подзоны в возбужденную, а именно релаксацией. Подтверждением этого утверждения служит тот факт, что оценка температуры электронного газа, необходимой для обеспечения наблюдаемой формы осцилляций, дает величины, намного превосходящие действительную температуру. В частности, для т=4,гк и используемых в эксперименте плотностях мощности оптической накачки перегрев электронной системы составляет десятые дож градуса, тогда как указанная выше оценка температуры из формы осцилляций дает величину около юк.

В данной работе не удалось определить конкретный механизм, ответственный за межподзонную релаксацию в интервалах между пересечениями уровней, однако можно сделать вывод, что он имеет аномальную температурную зависимость, а именно, релаксация ускоряется с понижением температуры. Из экспериментальных данных х1сн) были получены зависимости времени межподзонной релаксации от энергетического зазора между уровнями в предположении, что заселенность возбужденной подзоны определяется только процессами •рекомбинации и релаксации. Время рекомбинации электрона в возбужденной подзоне, составляющее для исследовавшейся системы 30нс, было получено Филиным и др. в экспериментах с временным разрешением.

Следует подчеркнуть, что обнаруженные и исследованные в данной работе осцилляции интенсивности рекомбинационного излучения представляют собой новый эффект, так как в отличие от предыдущих работ они не связаны прямым образом с транспортными осцилляциями Шубникова - де Гааза, и не могут быть объяснены в рамках механизма экранировки кулоновского потенциала фотовозбужденных дырок.

В заключении сформулированы основные результаты, выносимые на защиту.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих научных работах:

I.I.V.Kukushkin, К.von Klitzing, K.Ploog, V.E.Kirpichev, B.H.Shepel "Reduction of the electron density in GaAs-AlGaAs single heterojunctions by continuous photoexcitation", Phys. Rev. B, 1989, v.40, p.4179-41B2.

2.I.V.Kukushkin, K.von Klitzing, K.Plcog, V.E.Kirpichev, B.N.Shepol, V.B.Tinofeev "Optical spectroscopy of the two-dimensional sufcbands in GaAs-AlGaAs single heterojunctions and Si-KOSFETs", Sol. St. Coma., 1989, v.70, p.1015-1019.

3.В.Е.Кирпичев, И.В.Кукушкин, В.Б.Тимофеев, В.И.Фалько "Энергетический спектр двумерных электронов в наклонном магнитном поле", Письма в ЗКЭТФ, 1990, т.51, стр.383-387.

4.В.Е.Кпрпичев, К.фон Клигцинг, И.В.Кукушкин, К.Пяог, В.Б.Тимофеев, В.И.Фалько "Магнитооптические, осцилляции интенсивности рекомбинационного излучения и межподзонная релаксация двумерных электронов", Письма в ЮТФ, 1991, т.54, стр,630-634.

5.В.Е.Житомирский, И.Е.Ицкевич, В.Е.Кирпичев, К.фон Клитцинг, И.В.Кукушкин, В.Б.Тимофеев "Аномальная температурная зависимость ыагнитоосцилляций интенсивности рекомбшационного излучения двумерных электронов", Письма в ЖЭТФ, 1992, т.56, стр