Субмиллиметровая спектроскопия двумерных полупроводниковых структур в сильном магнитном поле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

\

"о

о

#

российская академия наук

ОРДЕНА ЛЕНИНА ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф.ИОФФЕ

На правах рукописи

СУЧАЛКИН Сергей Дорианович

УДК 621.315.592

СУБМИЛЛИМЕТРОВАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ДВУМЕРНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР В СИЛЬНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург

1998

Работа выполнена в Ордена Ленина физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе РАН.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор П.С.Копьев.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук, профессор Р.П.Сейсян,

доктор физико-математических наук, профессор Л.Е.Воробьев.

Ведущая организация - Санкт-Петербургский электротехнический университет.

Защита диссертации состоится

46 » ■// 1998г. в

заседании специализированного совета К 003.23.01 при Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул.Политехническая, д.26.

«

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе РАН.

Автореферат разослан « /Г» 1998г.

Ученый секретарь специализированного совета К 003.23.01 кандидат физ.-мат. наук

Г.С.Куликов

ВВЕДЕНИЕ

1 .Актуальность темы.

Субмиллнметровая спектроскопия в сильном магнитном поле, включающая в себя эксперименты по измерению циклотронного поглощения и фотопроводимости, является одним из наиболее мощных экспериментальных методов исследования двумерных систем носителей заряда в полупроводниках. В работе представлены экспериментальные исследования циклотронного поглощения в квантовых ямах 1пА5/ОаА18Ь, которые являются перспективным материалом для микроэлектроники, т.к. сохраняют достаточно высокую подвижность (~105см2/У5) при достаточно большой концентрации носителей (10,2см"2). С другой стороны, данные структуры представляют значительный шггерес и для фундаментальных исследований благодаря таким особенностям! как возможность сосуществования пространственно разделенных двумерных электронной и дырочной систем, относительно малая эффективная масса и большой g-фaктop электронов в 1пАб квантовой яме. Однако, несмотря на достаточно большое количество опубликованных в научной литературе экспериментальных данных, происхождение многих особенностей в спектрах циклотронного поглощения 1пА$/ОаА15Ь квантовых ям до сих пор оставалось неясным. Представленные в диссертации результаты детального исследования циклотронного поглощения несут важную информацию об особенностях зонной структуры и энергетического спектра носителей в данных структурах. Кроме того, в работе развита экспериментальная методика исследования фотопроводимости в режиме квантового эффекта Холла. Предложенная техника обладает рядом преимуществ по сравнению с ранее использовавшимися и позволяет получить новые данные о механизме формирования фотоответа. 2.Научная новизна работы.

Экспериментально доказано, что гибридизация зоны проводимости и вален гной зоны имеет определяющее значение для поведения циклотронного поглощения в тАБ/ваЗЬ

квантовых ямах. Установлено, что период осцилляции ширины линии циклотронного резонанса в 1пА5/Са5Ь квантовых ямах с полуметаллическим типом проводимости отражает не энергию Ферми, как считалось ранее, а энергию, разделяющую основные подзоны размерного квантования электронов и дырок. Развита экспериментальная техника для исследования фотопроводимости в режиме КЭХ, которая позволила впервые измерить спектральные зависимости фотопроводимости при фиксированных значениях фактора заполнения. Исследована зависимость величины фогоогвега от тока через структуру в широком диапазоне токов вплоть до пробоя КЭХ. При целочисленных значениях КЭХ при величине тока через структуру близкой к значению тока пробоя наблюдается резкое увеличение фотоответа, что интерпретировалось как фотостимулированный пробой КЭХ.

3.Достоверность и надежность результатов.

Достоверность результатов подтверждена многократными измерениями на различных образцах, а также воспроизведением некоторых результатов в других исследовательских группах.

4.Положения. выносимые на защиту:

1.Осцилляции ширины и интенсивности линии циклотронного резонанса (ЦР), а также эффективной циклотронной массы в квантовых ямах ГпАзЛЗаЗЬ возникают в результате гибридизации волновых функций, соответствующих состояниям зоны проводимости 1пЛэ и валентной зоны Са£Ь.

2.Частота по обратному магнитному полю 1/В осцилляции формы линии ЦР в квантовых ямах 1пА8/Са5Ь определяется не энергией Ферми, как считалось ранее, а энергией, разделяющей электронную и дырочную подзоны размерного квантования. 3.Величина эффекта замороженной отрицательной фотопроводимости в квантовых ямах I пАз/А ¡БЬ/вавЬ резко падает при увеличении толщины А1БЬ барьера от 6 до 20А, что связано с подавлением рекомбинации неравновесных дырок с электронами в яме.

4.Механизм возникновения фотопроводимости в режиме целочисленного квантового эффекта Холла не сводится к чисто болометрическому отклику двумерного электронного газа}а имеет составляющую, связанную с непосредственным участием фотовозбужденных носителей в процессах рассеяния.

5.Наблюдаемое сильное (более чем на два порядка) увеличение сигнала фотопроводимости двумерного электронного газа в режиме ЦКЭХ при значениях тока смещения, близких к критическому представляет собой фотостимулированный пробой КЭХ. Данное явление может быть положено в основу создания высокочувствительных детекторов излучения с перестраиваемой полосой чувствительности в дальнем ИК и субмиллиметровом диапазоне.

5.Апробация работы:

Основные результаты работы докладывались на 8 Симпозиуме по сверхбыстрым явлениям в полупроводниках (Вильнюс, Литва, 1992), 1й Всероссийской конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород, Россия, 1993), 22-й Международной конференции по физике полупроводников (Ванкувер,Канада,1994), 49й Ежегодной встрече Японского физического общества (Фукуока, Япония, 1994), ~И\ Международной конференции по модулированным полупроводниковым структурам (Мадрид,Испания,1995), 11-й Международной конференции по элеетронным свойствам двумерных систем (Ноттингем, Великобритания, 1995), 11-й и 13й Международных конференциях «Сильные магнитные поля в физике полупроводников» (Кэмбридж, США, 1994 и Наймеген,Нидерланды,1998), а также на семинарах ФТИ нм.А.Ф.Иоффе РАН.

6.Публикации

По результатам выполненных исследований в российских и зарубежных научных журналах опубликовано 17 работ, которые перечислены в конце реферата.

7.Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы (107 названий) и содержит 130 страниц, включая 35 рисунков и 2 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, указана ее новизна и практическая значимость и сформулированы положения, выносимые на защиту. Первая глава - обзорная, состоящая из двух частей. В первой части обобщены результаты исследования циклотронного поглощения в квантовых ямах 1пА5/А15Ь/Оа5Ь, которые могут содержать как электронную; так и дырочную двумерные системы носителей заряда. Если ширина 1пАз квантовой ямы более 100А, то, в силу того, что энергия, соответствующая потолку валентной зоны ОаБЬ на 150мэВ больше, чем энергия дна зоны проводимости 1пА, электроны из СаЭЬ барьеров частично переходят в 1пАб квантовую яму, оставляя в Са5Ь слой двумерных дырок. Приведен обзор исследований циклотронного поглощения в подобных системах. Сделаны выводы о том, что; несмотря на значительный объем исследований, проведенный в различных исследовательских группах, до сих пор неясен механизм взаимодействия между электронами и дырками, приводящего к появлению характерных особенностей в спектрах ЦР, наиболее яркой из которых являются осцилляции полуширины и интенсивности линии ЦР при монотонном изменении магнитного поля. Во второй части главы приведен обзор исследований фотопроводимости двумерного электронного газа в дальнем ИК диапазоне в сильном магнитном поле. Несмотря на большие потенциальные возможности данного экспериментального метода, его применение ограничено из-за ряда недостатков к которым относятся искажения сигнала вследствие разогрева образца зондирующим излучением, а также тот факт, что в подавляющем большинстве экспериментальных работ используются источники излучения

с фиксированной длиной волны и в процессе эксперимента изменяется магнитное поле. Это значительно затрудняет интерпретацию результатов. Сделаны выводы о необходимости усовершенствования данного экспериментального метода. На основании сделанных выводов сформулированы задачи диссертации.

Во второй главе приводятся результаты магнетотранспортных исследований квантовых ям 1пА$/Са5Ь. Данные измерения необходимы как для диагностики исследуемых структур, так и для выяснения механизмов аккумуляции носителей в исследуемых квантовых ямах, которая происходит без дополнительного легирования. Особое внимание уделено так называемому эффекту отрицательной замороженной фотопроводимости, который проявляется в уменьшении концентрации носителей в яме при освещении образца красным светодиодом. Кванты света генерируют электронно-дырочные пары как в самой квантовой яме, так и в ОаЗЬ барьерах. Носители, генерируемые в яме; рекомбинируют, носители, генерируемые в СаХЬ барьере, находящемся между ямой и поверхностью образца разделяются встроенным электрическим полем, при этом электроны движутся к поверхности образца, где захватываются ионизированными поверхностными состояниями, в то время как дырки движутся к квантовой яме, где рекомбинируют с электронами, уменьшая концентрацию последних. Показано, что помещение дополнительного 20А барьера из А15Ь между ямой и ваБЬ матрицей практически полностью подавляет эффект отрицательной замороженной фотопроводимости, т.к. такой барьер в силу достаточно большой эффективной высоты (~1.2эВ) резко уменьшает перекрытие волновых функций электрона и дырки. Также показано, что применение А1БЬ в качестве материала для аниокислительного поверхностного слоя в квантовых ямах 1пАя/А15Ь приводит к значительному уменьшению концентрации носителей в яме, т.к. при этом донорные состояния на поверхности образца, являющиеся одним из основных «поставщиков» носителей в квантовую яму находятся по энергии ниже основной подзоны размерного квантования.

В третьей главе представлены результаты исследования спектров циклотронного резонанса /пАя/ОаЗЬ квантовых ям, содержащих пространственно разделенные системы двумерных электронов и дырок. Детально исследована трансформация спектров ЦР электронов при увеличении расстояния между двумерными электронами и дырками. Изменение расстояния между электронами и дырками было реализовано технологически путем помещения на интерфейсах квантовой ямы дополнительных барьеров из А15Ь. В работе представлены результаты исследования 200А 1пАб квантовых ям с толщиной А15Ь барьеров, отделяющих яму от Оа8Ь матрицы, равной 0,6,20,100,300,400А. По характеру спектров ЦР данные образцы могут быть условно разделены на 3 группы: 1)образцы без барьеров и с «тонкими» барьерами (ОибА); 2)образцы со «средними» барьерами (20 и 100А) и 3) образцы с «широкими» барьерами ( 300А и более). В трех параграфах 2 главы проводится сравнительный анализ спектров ЦР данных групп образцов. Ярко выраженные осцилляции полуширины и интенсивности линии ЦР, характерные для «полуметаллических» квантовых ям 1пА$ЛЗа5Ь с «узкими» барьерами, исчезали при увеличении толщины А)5Ь барьера от 6А до 20А. Барьер толщиной 20А, разделяющей электронную и дырочную системы не может существенно ослабить дапыюдействующее кулоновское взаимодействие между ними. В то же время оценки глубины проникновения волновой функции электронов под А18Ь барьер дают величину ~10А. Другим экспериментально установленным фактом, проясняющим природу взаимодействия между электронами и дырками, приводящему к появлению осцилляций формы линии ЦР, является то, что период по обратному магнитному полю(1/Н) данных осцилляций практически не зависит от положения уровня Ферми и фактора заполнения уровней Ландау (рис.1). При подсветке образца с толщиной барьеров 6А, в осциллирующей зависимости ширины линии ЦР от магнитного поля отсутствуют заметные изменения периода по 1/Н, в то время как в осцилляциях Шубникова-де-Гааза подобные изменения отчетливо наблюдаются и соответствуют уменьшению концентрации электронов в яме

приблизительно на 10%. Полученные экспериментальные результаты позволяют сделать вывод о том, что основным фактором, определяющим поведение линии ЦР в квантовых ямах 1пЛ5/Са8Ь является гибридизация состояний, соответствующих зоне проводимости 1пА$ и валентной зоне ОаБЬ.

В(Тл)

Рис.1. Зависимость ширины линии ЦР электронов в 1пАэ квантовой яме с бА А15Ь барьерами до(«пустые» круги) и после(«заполненные» круги) подсветки красным светодиодом. Треугольниками обозначены Магнитные поля, соответствующие указанным на рисунке значениям фактора заполнения V до(«пустые» треугольники) и после(«заполненные» треугольники) подсветки. На вставке: зонная диаграмма исследуемой структуры.

Уширение линии ЦР электронов достигается, когда уровни Ландау электронов и дырок, связанные определенными правилами отбора, оказываются при одной и той же энергии,

т.е.достигается максимальная степень подмешивания дырочных состояний к электронным. В простейшем приближении параболического закона дисперсии для электронов и дырок правила отбора отражают закон сохранения проекции полного углового момента на направление магнитного поля при переходе через интерфейс. При этом значения магнитного поля, при которых ожидается уширение линии ЦР могут быть найдены из следующего выражения:

еВ , ,1 4т. + т1 (Зе4 - я,) т[

/!-Ч-(Л/ + 1/2)±-Л,В—5-. . = А . Л......- ,где

т, 2 + т, тк + т.

ць - магнетон Бора, & и а ^-факторы электрона и дырки, соответственно, Д - энергия, разделяющая подзоны размерного квантования электронов и тяжелых дырок. Приведенное выражение формально совпадает с условием минимумов диагональной компоненты тензора сопротивления в магнитном поле (осцилляции Шубникова-де-Гааза (ОШГ)), где величина

£„ =-;-;- играет роль эффективного е-фактора, а Ег„ =Д—;-г - энергии

т< + тн Щ + т,

Ферми. Видно, что в данном случае соответствующие уровни Ландау совпадают при

изменении магнитного поля с периодом по 1/В определяющимся не энергией Ферми; а

энергией Еец, слабо реагирующей на изменение концентрации носителей. Уширение линии

ЦР происходит из-за подмешивания дырочных состояний к электронным и возникающих при

этом дополнительных механизмов рассеяния. Приводится анализ правил отбора и волновых

функций носителей в четырехзонной модели Кейна.

Образцы со «средними» А15Ь барьерами не обнаруживают заметных осцилляции полуширины линии ЦР, однако здесь наблюдаются расщепления линии, связанные с сильной непараболичностью спектра электронов в ¡лАб квантовой яме. При дальнейшем увеличении ширины барьера ( до 300А и более) данный эффект пропадает, что может быть объяснено уменьшением концентрации носителей в яме при увеличении расстояния до

поверхности образца. При этом уменьшается энергия Ферми и эффекты, связанные с непараболичностыо проявляются слабее.

В третьей главе представлены результаты исследования ЦР в ¡пАв квантовых ямах в наклонных по отношению к нормали образца магнитных полях. Наблюдаемое возрастание эффективной циклотронной массы носителей при увеличении составляющей магнитного поля, параллельной плоскости ямы объясняется переходом от «двумерного» к «трехмерному» характеру движения носителей. Условие перехода от 20 к ЗО движению в присутствии сильного Нц имеет вид:

Л!»

Л =7=т= <а>

где Хь - магнитная длина, а-ширнна ямы. Это условие означает, что эффективная «тримеризаиия» циклотронного движения происходит когда магнитная длина, соответствующая параллельной составляющей магнитного поля становится меньше ширины ямы. Экспериментальные зависимости эффективной циклотронной массы электронов от параллельной составляющей магнитного поля хорошо согласуются с теорией. В четвертой главе представлены результаты исследования субмиллиметровой фотопроводимости двумерного электронного газа в гетеросгруктурах АЮаАБ/СаАз в режиме целочисленного квантового эффекта Холла. В качестве источника излучения применялся германиевый циклотронный лазер с плавной перестройкой частоты генерации. Данный источник излучения обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционно использовавшимися для измерений фотопроводимости в режиме КЭХ субмиллиметровыми газовыми лазерами. К преимуществам относится прежде всего возможность плавной перестройки длины волны генерации в диапазоне от 100 до 350мкм, что позволило получить спектры фотопроводимости при фиксированном магнитном поле образца. Высокая мощность излучения в импульсе (~1Вт) и низкая средняя мощность позволяют, с одной стороны} регистрировать сигнал фотопроводимости от образцов с

малой площадью поверхности, с другой— избежать искажений сигнала, связанных с разогревом образца. В экспериментах использовались образцы в форме Холловских мостиков и дисков Корбино, концентрация носителей составляла ~3х10"см'2. Регистрировалось изменение разности потенциалов между «потенциальными» контактами при протекании через структуру постоянного тока смещения.

В первом параграфе этой главы представлены результаты исследования фотопроводимости при «умеренных» токах смещения. Под «умеренными» токами смещения понимается диапазон токов от ~ 1 цА <1«1с, где 1с - ток пробоя КЭХ. При этих значениях тока транспорт по краевым состояниям не играет доминирующей роли, и значительный вклад в фотопроводимость дают процессы, протекающие в «объеме» образца. Спектры фотопроводимости представляют собой пик, положение которого линейно зависит от магнитного поля и соответствует эффективной массе т*=0.067т0. В эксперименте исследовались спеюры ЦР при магнитных полях, соответствующих значениям фактора заполнения у=2.Интенсивность и полуширина линии сильно зависят от фактора заполнения, достигая максимума при его целочисленном значении, т.е. когда уровень Ферми находится в щели подвижности между уровнями Ландау. По мере «удаления» фактора заполнения от целочисленного значения интенсивность линии уменьшается, а полуширина возрастает. Оценки верхнего значения кинетики фотоответа дают величину т<10"7с. Такая картина свидетельствует о том, что механизм формирования фотопроводимости не сводится к

Ф

обычному болометрическому отклику системы, т.к. величина —^г(В) обращается в 0 как раз

дТ

при целочисленных значениях фактора заполнения. Подобные результаты получены и в геометрии Корбино, с той разницей, что в данной геометрии регистрируется вызванное излучением изменение тока через структуру при постоянной разности потенциалов между контактами.

Во втором параграфе представлены результаты исследования фотопроводимости в режиме КЭХ при значениях тока смещения, близких к критическому току пробоя КЭХ. Было

обнаружено сильное в 100 раз) увеличение сигнала по мере приближения тока через структуру к критическому значению (рнс.2).

*э а * • 1 ' 1

100 150 200 250 300 350

Ток через структуру (мкА)

Рис.2. Зависимость величины сигнала фотопроводимости в режиме ЦКЭХ от тока через структуру при значении фактора заполнения у=2 (В=5.45Тл). На вставке: коллапс «нулевого» участка зависимости Рхх(В), соответствующего холловской полке (у=2), при увеличении тока через структуру: 1)5мкА, 2)90мкА, 3)280мкА, 4)350мкА.

При дальнейшем увеличении тока сигнал становился неустойчивым и резко уменьшался. Данное явление было интерпретировано как фотостимулированный пробой КЭХ. При значении токов смещения, близких к критическому, появление электронов на пустом уровне Ландау и «дырок» на заполненном приводит к разогревной неустойчивости, что выражается в резком увеличении диагональной компоненты тензора сопротивления. На

основе данного явления предложен новый тип детектора субмиллиметрового излучения, обладающего рядом преимуществ по сравнению с традиционно используемыми в данном диапазоне кремниевыми болометрами и детекторами, основанными на ионизации мелких примесей. К преимуществам относятся:

- высокая чувствительность ( ~107В/Вт);

- возможность перестройки полосы чувствительности,

- низкий уровень шума (т.к. сопротивление приемника в исходном состоянии равно 0).

НАУЧНОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ В ходе выполнения диссертационной работы был получены следующие результаты: 1.Детально исследованы спектры циклотронного поглощения в 1пА5 квантовых ямах с различной толщиной А18Ь барьеров, отделяющих яму от вавЬ матрицы. Показано, что форма и характер изменения линии ЦР в данных структурах коренным образом меняются при толщине барьера, превышающей 20А.

2.Эксперименталыю доказано, что характерные особенности поведения спектров ЦР в «полуметаллических» квантовых ямах ¡пАгЛЗаЗЬ обусловлены не зависимостью эффективности экранирования случайного потенциала от фактора заполнения и не кулоновским взаимодействием между электронами в ГпАб и дырками в баБЬ, как считалось ранее^ а есть проявление эффекта гибридизации зоны проводимости ГпАэ и валентной зоны ваБЬ.

3.Показано, что использование 1пАз в качестве материала для защитного антиокислительного слоя приводит к значительному уменьшению концентрации носителей в яме, т.к. в этом случае поверхностные состояния расположены по энергии ниже основной подзоны размерного квантования и не могут служить источником носителей для квантовой ямы.

4.Показано, что величина эффекта замороженной отрицательной фотопроводимости в исследуемых структурах резко падает при увеличении толщины А15Ь барьера от 6 до 20А, что связано с подавлением рекомбинации неравноьесных дырок с электронами в яме.

5. Развита экспериментальная методика исследования фотопроводимости в режиме целочисленного квантового эффекта Холла, основанная на применении в качестве источника зондирующего излучения перестраиваемого германиевого циклотронного лазера. Применение данной техники позволило получить спектральные зависимости фотопроводимости в режиме ЦКЭХ при различных фиксированных магнитных полях.

6. Показано, что механизм фотопроводимости в режиме ЦКЭХ при поглощении квантов излучения с частотой, близкой к циклотронной^ не сводится к простому разогреву электронной системы.

7. Исследованы зависимости величины фотопроводимости в режиме ЦКЭХ от тока смещения. Обнаружено резкое (~в 100 раз) увеличение сигнала фотопроводимости при токах смещения, близких к критическому току пробоя КЭХ, что было интерпретировано как проявление фотостимулированного пробоя КЭХ.

8.Предложен новый тип фотодегектора в дальнем ИК и субмиллимегтровом диапазоне, основанный на эффекте фотостимулированного пробоя КЭХ. Чувствительность данного приемника оценивается как 107В/Вт, однако имеются значтельные резервы для ее повышения за счет оптимизации параметров и геометрии структуры.

публикации

1.Ю.Л.Иванов, П.С.Копьев, С.Д.Сучалкин, В.М.Устинов «Особенности циклотронного поглощения в GaSMnAs/GaSb квантовых ямах». Письма в ЖЭТФ, т.53, (1991).

2.S.D.Suchalkin, Yu.B.Vasilyev " Populaion inversion in two -dimensional InAs/GaSb/AlSb systems".

In proceedings of the Eigth Vilnius Symposium on Ultrafast Phenomena in Semiconducors 22-24 September 1992, ed. by Vilnius, "Academia", 57 (1992).

3.Yu.L.Ivanov, Yu.B.Vasilyev, S.D.Suchalkin « Submillimeter cyclotron resonance lasers and their applications «

Digest of International Conference on Millimeter Wave and Far Infrared Technology, Beijing . R249-252, (1992).

4.С.Д.Сучалкин, Ю.Б.Васильев, Ю.Л.Иванов, С.В.Иванов, П.С.Копьев, И.Г.Савельев «Фотопроводимость GaAs/AlGaAs гетероструктур в режиме квантового эффекта Холла». Письма в ЖЭТФ, т.56, 377-380(1992).

5.S.D.Suchalkin and Yu.B.Vasilyev " Population inversion in two dimensional InAs/GaSb/AlSb quanum wells ".

Jnernational Jornal of Infrared and Millimeter Waves, v. 14, No 9, 1847 1850(1993). 6 .Ю.Б.Васильев, С.Д.Сучалкин, Ю.Л.Иванов, С.В.Иванов, П.С.Копьев, И.Г.Савельев «Субмиллиметровая фотопроводимость AlGaAs/GaAs гетероструктур в режиме квантового эффекта Холла».

Тезисы 1 Всероссийской конференции по физике полупроводников, Нижний Новгород, т.2, стр.143,1993.

7.С.Д.Сучалкин, Ю.Б.Васильев «Инверсная заселенность уровней пространственного квантования в двумерных системах InAs/AiSb/'GaSb».

ФТП, т.27, 1990-1995(1993).

8.Ю.Л.Иванов, С.Д.Сучалкин, Ю.Б.Васильев «Субмиллиметровая спектроскопия объемных полупроводников и полупроводниковых структур пониженной размерности с помощью плавно перестраиваемого германиевого циклотронного лазера».

ФТП, т.27, 1995-2009(1993).

9.С.Д.Сучалкин, Ю.Б.Васильев, Ю.Л.Иванов «Влияние интерференции в подложке на форму линии циклотронного резонанса двумерного электронного газа».

ФТП, т.27, 2075-2077(1993).

10.Yu.B.Vasilyev, H.Kobori, T.Ohyama, S.D.Suchalkin, S.V.Ivanov and P.S.Kop'ev " Cycloron resonanse in InAs quantum wells ".

Abstracts of 22nd Internaional Conference on the Physics of Semiconductors Vancouver, Canada. August 15-19, MoP 111 (1994).

11 .S.D.Suchalkin, Yu.B.Vasilyev, Yu.L.Ivanov, S.V.Ivanov, P.S.Kop'ev, I.G.Savel'ev «Submillimeter photoconductivity in magnetically quatizedtwo-dimensional eleclron gas» Conference workbook of ! 1 III Inl.Conf. «High Magnetic Fields in Semiconductor Physics», MIT, Cambridge, USA,p.586-589.(l994).

12. Yu.B.Vasilyev, H.Kobori, T.Ohyama, S.D.Suchalkin, S.V.Ivanov, P.S.Kop'ev," B.Ya.Meltser «Anomalies in the cyclotron resonance in InAs-AlSb quantum wells».

Conference workbook of 11th Int.Conf. «High Magnetic Fields in Semiconductor Physics», 1994, MIT, Cambridge, USA,p.486-489.

13. Yu.B.Vasilyev, H.Kobori, T.Ohyama, S.D.Suchalkin, S.V.Ivanov, P.S.Kop'ev «Cyclotron resonance in InAs quantum wells».

Proc. 22th Int. Conf. on the Physics of Semiconductor, Vancouver, p.735-738. (1994).

14. Yu.B.Vasilyev, H.Kobori, T.Ohyama, S.D.Suchalkin, S.V.Ivanov, P.S.Kop'ev «Cyclotron resonance in AlSb-rnAs quantum weils in tilted magnetic fields».

Digest of the 49 Annual Meeting of Physical Society of Japan, Fukuoka, p Л 32(1994).

15. S.D.Suchalkin, Yu.B.Vasilyev, Yu.L.Ivanov, S.V.Ivanov, P.S.Kop'ev, B.Mehser and T.Ohyama «Application of Hall devices for FIR detection».

Conference workbook of 7th Int.Conf. on Modulated Semicond. Structures, Madrid, p.736-743 (1995) (также опубликовано в Solid State Electronics).

16. Yu.B.Vasilyev, S.V.Ivanov, B.Ya.Meltser, S.D.Suchalkin, and P.Grambow «Cyclotron resonance in InAs quantum wells in tilted magnetic fields».

Conference workbook of 11th Int.Conf. on the Electronic Properties of Two Dimensional Systems, Nottigham, p.241-242 (1995) (также опубликовано в Surf.Sci.).

17. Ю.Б.Васильев, С.Д.Сучалкин, С.В.Иванов, Б.Я.Мельцер, А.Ф.Цацульников, П.В.Неклюдов, П.С.Копьев «Влияние качества гетерограниц на спектры циклотронного резонанса гетероструктур InAs/(AlGa)Sb».

ФТП, т.31, ¡246-1248(1997).

Отпечатано типографии ПИЯФ РАН 188350, Гатчина Лсшшградской обл., Орлова роща Зак. 375, тир. 100, уч.-ипл- 0.9; 1.09Л998 г.

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф.ИОФФЕ

Субмиллиметровая спектроскопия двумерных полупроводниковых структур в сильном магнитном поле

специальность

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель Доктор физ.-мат. Наук, профессор

П.С.Копьев

Санкт-Петербург 1998

стр.

СОДЕРЖАНИЕ:

Введение..................................................

I.Обзор литературы

1.1 Циклотронный резонанс в двумерных системах............ 5

1.2 Фотопроводимость двумерного электронного газа в магнитном поле........................................ №

II.Осцилляции Шубникова-де-ГааЗа (ОШГ) и эффект отрицательной "замороженной" фотопроводимости

2.1 Измерения и характеристики образцов....... ............

2.2 Эффект отрицательной "замороженной" фотопроводимости..

III.Циклотронный резонанс в InAs/GaSb/AlSb квантовых ямах

3.1 Методика эксперимента................................. 34

3.2 Структуры с "тонкими" (<10А) AlSb барьерами. ......... 2,0

3.3 Структуры со "средними" (20-100А) AlSb барьерами......55

3.4 Структуры с "широкими" (>30 О А) AlSb барьерами......... 65

3.5 ЦР в InAs квантовых ямах в наклонных магнитных полях.. 7i

IV.Фотопроводимость двумерного электронного газа (20ЭГ) в магнитном поле

4 .1 Введение.............................................. 79

4 .2 Методика эксперимента................................. &0

4.3 Фотопроводимость 2БЭГ при слабых токах смещения.......

4.4 Фотопроводимость 2D3r при сильных токах смещения......95

Заключение................................................-f О 3

Благодарности.............................................-(09

Список публикаций.........................................i0$

Литература................................................НО

Введение

Полупроводниковые структуры пониженной размерности являются одним из наиболее интересных и перспективных направлений в современной физике полупроводников. Кроме многочисленных приборных применений, к которым относятся инжекционные гетеролазеры, светодиоды, фотоприемники а также резонансно-туннельные приборы, двумерные системы носителей заряда, реализованные на основе полупроводниковых гетероструктур представляют собой удобный объект для изучения фундаментальных закономерностей строения твердого тела а так же особенностей взаимодействия носителей в двумерных системах. Открытие в 1981г квантового эффекта Холла (КЭХ)[К.von Klitzing, 1980] положило начало новому направлению в физике двумерных систем а так же стимулировало обнаружение эффектов ( дробный квантовый эффект Холла (ДКЭХ) [D. Tsui, Н. Stornier, А.Gossard, 1982], обусловленных особенностями основного состояния кулоновски связанных двумерных систем в сильном магнитном поле. Субмиллиметровая спектроскопия в сильном магнитном поле, к наиболее развитым направлениям которой относится циклотронный резонанс (ЦР) является, наряду с фотолюминесценцией одним из наиболее мощных экспериментальных методов исследования двумерных систем. Спектры циклотронного поглощения несут информацию об эффективной массе и концентрации и особенностях энергетического спектра носителей заряда, а также о времени релаксации импульса и длине корреляции хаотического рассеивающего потенциала. Исследования циклотронного

поглощения в квантовых ямах 1пАз/СаЗЬ проводятся в различных исследовательских группах уже около 20 лет [39-46,59-63,65]. Интерес исследователей обусловлен возможностью сосуществования в данных структурах пространственно -разделенных систем электронов и дырок и связанными с этим перспективами наблюдения целого ряда теоретически предсказанных физических явлений. Несмотря на то, что опубликованные экспериментальные данные весьма обширны, до сих пор нет единого мнения об особенностях спектров циклотронного поглощения в данной системе.

Фотопроводимость двумерных систем в сильном магнитном поле весьма перспективный экспериментальный метод для исследования механизмов протекания тока и энергетической релаксации носителей в условиях КЭХ. Однако, данная техника получила гораздо меньше развитие по сравнению с ЦР в силу ряда факторов, затрудняющих создание "чистой" экспериментальной ситуации, таких как высокая чувствительность сигнала к разогреву образца зондирующим излучением а так же трудность интерпретации результатов, связанная с тем, что большинство экспериментов проводятся при фиксированной частоте излучения и развертке магнитного поля образца [68-72].

Целью настоящей работы является с одной стороны применение хорошо развитой техники ЦР для исследования двумерных электронно-дырочных систем в квантовых ямах СаЭЬ-ГпАз, с другой - развитие экспериментальной методики фотопроводимости в сильном магнитном поле и ее использование для исследования фотоэффекта в режиме КЭХ в гетероструктурах А1СаАз/6аАэ.

На защиту выносятся следующие положения:

1.Осцилляции ширины и интенсивности линии циклотронного резонанса (ЦР), а также эффективной циклотронной массы в квантовых ямах 1пАз/СаЗЬ возникают в результате гибридизации волновых функций, соответствующих состояниям зоны проводимости ГпАэ и валентной зоны баБЬ.

2.Частота по обратному магнитному полю 1/В осцилляций формы линии ЦР в квантовых ямах ГпАэ/баЗЬ определяется не энергией Ферми, как считалось ранее, а энергией, разделяющей электронную и дырочную подзоны размерного квантования.

3.Величина эффекта замороженной отрицательной фотопроводимости в квантовых ямах 1пАз/А13Ь/СаЗЬ резко падает при увеличении толщины А13Ь барьера от б до 20А, что связано с подавлением рекомбинации неравновесных дырок с электронами в яме.

4.Механизм возникновения фотопроводимости в режиме целочисленного квантового эффекта Холла не сводится к чисто болометрическому отклику двумерного электронного газа а имеет составляющую, связанную с непосредственным участием фотовозбужденных носителей в процессах рассеяния.

5.Наблюдаемое сильное (более чем на два порядка) увеличение сигнала фотопроводимости двумерного электронного газа в режиме ЦКЭХ при значениях тока смещения, близких к критическому представляет собой фотостимулированный пробой КЭХ. Данное явление может быть положено в основу создания высокочувствительных детекторов излучения с перестраиваемой полосой чувствительности в дальнем ИК и субмиллиметровом диапазоне.

1.Обзор литературы

1.1.Циклотронный резонанс в двумерных системах

В настоящее время циклотронный резонанс является одним из наиболее эффективных методов исследования свойств носителей заряда в полупроводниках. Спектры циклотронного поглощения несут информацию об эффективной массе, концентрации времени импульсной релаксации носителей заряда.В квазиклассическом приближении уравнение движения заряженной частицы с эффективной массой т* можно записать в виде

г

:i) m

ÔV dt

m * V- + e(Ë + —[VхЙ ])

t с

Предполагая что Н направлено по оси г, Е=Еое1<й,: направлено по оси х и используя дифференциальный закон Ома ^=аЕ =пеУх) получаем:

1 + ¡юг

(2) ст = пец

1 + (ш ; - ш 2)х2 + 2iwt

еН

, где ©с =- - циклотронная частота,t-время релаксации

m *с

импульса, р.-подвижность носителей. Необходимым условием для наблюдения ЦР является: о»1/юс.Поглощение высокочастотного

электромагнитного поля пропорционально действительной части электропроводности

3 Reo = ne|i-—--ч9 . °-г-т-

(1 + (сос - со) т ) +4ю t

Из (3) видно, что спектральная зависимость циклотронного поглощения представляет собой пик с вершиной при ю=юс и полушириной, определяемой временем релаксации импульса. Следует отметить, что для систем с большой концентрацией и высокой подвижностью носителей необходимо рассматривать точное

выражение для коэффициента поглощения полученное с учетом структуры конкретного образца. Подобный расчет выполнен в [1], где 2ДЭГ рассматривается как проводящая плоскость, разделяющая слои диэлектрика и полупроводника. Плоскость считается бесконечно тонкой, т.к. характерный размер волновой функции электронов в направлении ограничения(~1ОOA) много меньше характерной длины волны резонансного

излучения(~100ц).Для плоскополяризованной волны получено выражение для коэффициента пропускания:

1 + (<о + <ос)2т2 1 + (со-сос)2т2

(1 + ар1т)2+(а> + а>с)2т2+(1 + (opsr)2 +(а>-(ос)2т2у

где Р = n0 /(n0 +ns), cops = 47me2 / ш *c(n0 +ns) , n-концентрация электронов

в слое,п0 и п3-коэффициенты преломления диэлектрика и полупроводника соответственно. Данное выражение получено для случая короткодействующих рассеивателей, причем t соответствующее время релаксации импульса в отсутствие магнитного поля. Данное выражение использовалось для обработки экспериментальных результатов в [2,3]. Различие между коэффициентом поглощения и действительной частью высокочастотной проводимости могут возникать также вследствие многократных отражений в плоскопараллельном образце [4] . Для того, чтобы избежать искажений , вызванных многократными отражениями, подложка образца обычно стачивается на клин. Приведенные выше выкладки требуют коррекции при низких температурах и сильных магнитных полях, когда выполняется неравенство

(4) /кос>кТ б

(3) Т = 2р2

В условиях, когда выполняется неравенство (4) необходимо квантовомеханическое рассмотрение. В предположении что 2ДЭГ лежит в плоскости г=0 и магнитное поле В направлено по оси Ъ, гамильтониан электронов в приближении эффективной массы и калибровке Ландау (Ах=-Ну, Ау=А2=0)может быть записан как:

(5) Н = ^(рх+^у)2+^ + -^ + и(2) + йь82В, 2т * с 2т * 2т *

где |1ь - магнетон Бора, и (г)- ограничивающий потенциал. Когда

магнитное поле направлено строго перпендикулярно плоскости

2ДЭГ, данный гамильтониан распадается на два независимых

гамильтониана, один из которых описывает движение в плоскости

2ДЭГ, другой - вдоль оси Ъ. Далее мы будем рассматривать

только первый гамильтониан, предполагая, что электроны

находятся в пределах одной подзоны размерного квантования с

энергией Ег. Решение соответствующего уравнения Жредингера дает

энергетические уровни электрона:

(б) Е = ^п+^Йсос + Е, +|хьст2В ,

А

где ст2- собственные значения оператора 82. Волновая функция , описывающая движение электрона в плоскости 2ДЭГ имеет вид:

¿Рхх

П) 4>п=ей хп(У)'

где

(8>

' (У-У.)^ '» •■ ^

2Х\ у

Н.

У-Уо

К

волновая функция квантового осциллятора; А,ь = л— - магнитная

V еВ

ср

длина, у0 =—— ,НП - полиномы Эрмита. В данной калибровке еВ

волновые функции в плоскости ху имеют вид полосок вдоль оси х с шириной ~ %ъ, центрированных на У0. Спектр электрона представляет собой набор бесконечнократно вырожденных уровней (уровней Ландау), отстоящих друг от друга по энергии на величину с. Кратность вырождения на единицу площади

составляет 1/2рЯь2 Т.к. характерный размер волновой функции-~ 100А много меньше длины волны резонансного излучения- ЮОцт, то для вычисления матричных элементов, соответствующих оптическим переходам между уровнями Ландау можно воспользоваться дипольным приближением. При этом отличные от нуля матричные элементы соответствуют переходам между соседними уровнями Ландау:

(9) мп>п+1=мп_1>п = аь^,

т.е. в идеальной системе спектр поглощения представляет собой бесконечно узкую линию на циклотронной частоте. Однако, в реальных системах всегда присутствует хаотический потенциал, обусловленный наличием ионизированных примесей,

несовершенством интерфейсов и т.д. Этот потенциал снимает вырождение уровней Ландау и в основном определяет конечную ширину линии ЦР. В большинстве теоретических работ плотность состояний 2ДЭГ в квантующем магнитном поле рассчитывается исходя предполагаемого характера хаотического потенциала. Обзор основных работ в этой области представлен в [5]. Ниже

8

будут приведены основные результаты, полученные в предположениии невзаимодействующих электронов, которое применимо при следующих условиях: Х,ь/а*«1, где а*=ей2/ш*е2 -Боровский радиус/ экранирование случайного потенциала предполагается слабым, что выполняется только при целочисленных факторах заполнения и когда уширение уровней Ландау мало по сравнению с расстоянием между ними. Несмотря на то, что подобные условия в совокупности обычно не выполняются, полученные результаты очень полезны для понимания процессов, происходящих в реальных системах. Вид плотности состояний зависит от соотношения характерного пространственного масштаба случайного потенциала <1 и магнитной длины а также от номера уровня N.

1) а«Яь.В этом случае (случае короткодействующего потенциала) для высоких уровней Ландау применимо т.н. самосогласованное борновское приближение[6-9]. Плотность состояний имеет полуэллиптическую форму

-11/2

(10) 2тй2ьВ(Е) = (271Гк)

-1

1-

/ \2 < Е

ч2Гму

, !Е| < 2ГК

где ширина уровня Гн выражается через коррелятор случайного потенциала 0(г). (11)

Г2 =/д(к)ехр -

- 2 )

<32к

=^(г)ехр("Й

\2 Х\)

ат

где Ъм - полином Лагерра. В случае белого шума (Q(r)=wd(r), где w=const - спектральная плотность):

2

2

(12) Г^ =/()(г)(27й2ьГ1с12г =

w

При этих же допущениях исследовались экспоненциальные хвосты плотности состояний в области Йгос»Е»Сы [10,11]:

(13) 2та;0(Е) = СыЕ2у "3 ехр

Г е_2Л

V у*;

2

N Л ,2

2кГъ (2И)!!

где Сы- численный коэффициент, для основного уровня равный

я/-\/2 [11] . Следует отметить, что в этом же пределе существует простая связь между шириной уровней (11) и подвижностью электронов в том же канале в отсутствие магнитного поля, вычисленной в борновском приближении [12]:

(14)

2)с1»^ь.В этом случае плотность состояний имеет Гауссову форму [13] :

' Е2

р-1 ( т?2

(15) 2<В(Е)==—а^-ехр

(271)

V

Выражение (11) дает правильные значения ширины уровня в случаях как короткодействующего так и дальнодействующего потенциала и может служить хорошей интерполяционной формулой для произвольного гауссова потенциала. Неучтенные при выводе приведенных выше формул процессы экранирования играют важную роль в процессе формирования плотности состояний 2БЭГ(см. напр.[9]). В приближении линейного отклика экранирующие свойства 2БЭГ описываются его статической диэлектрической проницаемостью е(к), которая показывает во сколько раз уменьшаются за счет поляризации 21> системы различные (двумерные) гармоники внешнего потенциала. В магнитном поле, в

40

приближении Томаса-Ферми, справедливом в длинноволновом пределе получается выражение [9]:

2пе2 (1п

(16) е(к)=1 + -

ек ¿Ер

Видно, что эффективность экранирования осциллирует с магнитным полем так же как и термодинамическая плотность состояний с1п/с1Ег. Для последовательного учета влияния процессов экранирования на вид плотности состояний 2БЭГ в магнитном поле необходимо принять во внимание тот факт, что количество носителей, способных экранировать, т.е. перемещаться в плоскости 2БЭГ само, в свою очередь, определяется видом функции Б(Е) при данном положении уровня Ферми относительно уровней Ландау, т.е. необходим самосогласованный расчет [5]. Данным эффектом можно пренебречь при целочислленном факторе заполнения когда дисперсия случайного потенциала мала по сравнению с Йсос. Ширина пика ЦР определяется вероятностью переходов между различными состояниями уширенных уровней Ландау. При этом в случае короткодействующего потенциала, когда уширение однородно и разрешены переходы между всеми состояниями уширенных уровней Ландау, ширина циклотронного поглощения определяется непосредственно уширением уровней. При этом амплитуда и полуширина линии ЦР , как и плотность состояний 2БЭГ сильно зависят от фактора заполнения[8,9]. Для рассеивателей с дальнедействующим потенциалом уширение неоднородно и разрешены переходы только между состояниями, отстоящими от центра каждого уровня Ландау на почти одинаковую энергию, т.к. такие переходы связаны с наименьшим смещением волновой функции в реальном пространстве. Ширина резонанса

связана с флуктуациями градиента локального потенциала U(г) [9] :

где угловые скобки означают усреднение по возможным

высокочастотная проводимость при нулевой температуре для гауссова потенциала рассеивателей в зависимости от параметра а=с1/шь. При значениях а<1 наблюдается сдвиг линии ЦР в сторону больших энергий когда уровень Ферми совпадает с уровнем Ландау. Это приводит к т.н. квантовым осцилляциям формы линии ЦР. Кроме того, из-за взаимодействия между уровнями Ландау за счет рассеяния профиль плотности состояний каждого уровня имеет небольшой пик в месте нахождения других уровней, что приводит к появлению субгармонической структуры при юс/ю=1/2,1/3,...

Первые полупроводниковые структуры, содержащие 2БЭГ, в которых наблюдался циклоторонный резонанс были инверсионные каналы п-типа на поверхности (100)Si[15-17]. Подвижность носителей в подобных структурах была достаточно низкой, что объясняется наличием рассеивающих центров непосредственно в плоскости 2БЭГ. Пик ЦР имел ширину 5Т с отчетливыми квантовыми осцилляциями, указывающими на короткодействующий характер рассеивателей. ЦР в инверсионных слоях Si экспериментально исследовался также в [18-23]. Совершенствование технологии полупроводниковых материалов сделало возможным создание гетероструктур GaAs/AlGaAs, содержащих 2БЭГ, обладающий

, г _ (^bU(r))2

реализациям потенциала. В работе

[8