Введение к работе
Диссертация посвящена изучению электрон-фононного
взаимодействия в двумерном электронном газе, образующемся на границе раздела полупроводников AlGaAs и GaAs, а также созданию на основе гетероперехода GaAs/AlGaAs и сверхпроводника NbN гибридных структур сверхпроводник-полупроводник-сверхпроводник и изучению их электрофизических свойств.
Актуальность темы исследований.
Физика систем с пониженой размерностью является одним го актуальных направлений современной науки. Это обусловлено тем, что исследование таких систем имеет как фундаментальное физическое значение, так и большое прикладное значение при создании различных приборов и устройств на их основе.
Наиболее ярким событием в физике двумерных систем, ставшим значительным стимулом для их дальнейшего исследования, является открытие фон Клигщшгом в 1980 г. квантового эффекта Холла [1]. В сильных магнитных полях и при достаточно низких температурах в двумерных электронных слоях зависимость измеряемого поперечного холловского сопротивления Rh от индукции магнитного поля В имеет ряд
плоских ступенек, причем RH = —г-, где N- целое число. Таким образом Rn
квантуется в единицах —. Учитывая высокую точность, стабильность и е
воспроизводимость квантованного холловского сопротивления возможно
его признание международным эталоном сопротивления. Другой важной
особенностью величины -j- является то, что она образована из тех же
фундаментальных физических постоянных, что и постоянная тонкой
структуры Зоммерфельда а. Повышение точности измерения постоянной
а имеет принципиальное значение, т.к. любое изменение величины а
неизбежно затрагивает значения поправок в квантовой и релятивистской
теориях и значения других фундаментальных констант. Таким образом,
двумерные электронные системы и, в частности, наблюдаемый в них
квантовый эффект Холла важны для повышения точности определения
фундаментальных постоянных.
Другим важнейшим аспектом исследования двумерных электронных
систем является возможность их практического применения для создания
различных электронных приборов: биполярных транзисторов на
гетеропереходах, селективно легированных транзисторов с высокой
подвижностью электронов, детекторов на основе гетероструктур, светошлучающих структур и др. [напр.2-5].
Одной из центральных проблем изучения двумерных электронных систем является исследование электрон-фононного взаимодействия. Многочисленные исследования показывают, что электрон-фононное взаимодействие значительно изменяется в ншкоразмерных проводниках и скорость энергетической релаксации электронов существенным образом отличается ог случая объемных материалов. В основном, модификация электрон-фононного взаимодействия связана с изменением энергетического спектра электронов: становится существенным квантование энергии электронов в направлении, перпендикулярном плоскости носителей. Энергетический спектр фононов в гетероструктурах не меняется и сами фононы остаются трехмерными. Однако, из-за изменения энергетического спектра электронов, законы сохранения энергии и импульса накладывают определенные ограничения на спектр фононов, участвующих во взаимодействии с электронами, что необходимо учитывать при изучении электрон-фононного взаимодействия.
В магнитном поле, перпендикулярном плоскости гетероперехода, свободному движению электронов в указанной плоскости отвечает круговое движение носителей под действием силы Лоренца. Из-за квантования момента импульса энергия такого периодического движения также будет принимать только дискретные значения. Плотность состояний электронов при этом является системой 5-функциональньгх пиков (уровней Ландау). В реальной ситуации, при наличии в системе беспорядка, эти пики приобретают конечную ширину. В электронном энергетическом спектре для каждого уровня Ландау возникают связанные (локализованные) и свободные (делокализованные) состояния, определяемые по способности электронов участвовать в процессах проводимости. При исследовании скорости энергетической релаксации в данном случае необходимо учитывать, переходы электронов как внутри уровня Ландау, так и межуровневые переходы, причем с участием носителей, находящихся как в области локализованных, так и делокализованных состояний. Кроме того, изменение энергетического спектра электронов в магнитном поле меняет и спектр фононов, способных участвовать в электрон-фодашгом взаимодействии.
Большой интерес представляют работы, связанные с изучением электрон-фононного взаимодействия в двумерном слое на границе гетероперехода AlGaAs/GaAs. В этом материале достигнуты максимально возможные подвижности по сравнению с другими двумерными структурами, что позволяет с большой точностью изучать электрон-фононное взаимодействие при энергетической релаксации двумерных
носителей. Теоретические и экспериментальные исследования
электрон-фононного взаимодействия в гетеропереходах AlGaAs/GaAs ведутся уже много лет. Однако, получаемые результаты зачастую противоречивы. Существующие экспериментальные методы определения времени энергетической релаксаций основаны в большей части на измерении подвижности двумерных носителей или мощности энергетических потерь и являются косвенными методами. Прямые измерения в квазиравновесных условиях времени энергетической релаксации дают возможность повысить точность определения скорости электрон-фононного взаимодействия и существенно улучшить его понимание.
В последние годы резко возрос интерес также к гибридным двумерным структурам, в которых высокоподвижный электронный газ (2DEG) заключен между двумя сверхпроводящими (S) контактами ( структуры S-2DEG-S). В таких структурах появляется возможность наблюдения ряда мезоскопических явлений, имеющих как фундаментальное, так и прикладное значение [б]. В частности, применение гибридных структур в электронно-разогревных детекторах позволяет увеличить чуствительность последних вледствие низкой теплоемкости электронной подсистемы в гетеросгруктуре [7].
Основной проблемой, возникающей при изготовлении таких структур, является создание прозрачной для носителей границы между сверхпроводником и полупроводником с 2DEG. Эта проблема решается подбором соответствующих сверхпроводниковых и полупроводниковых материалов, граница между которыми обладает малыми барьерами Шотгки. Наиболее привлекательным полупроводниковым материалом для создания таких систем является гетеропереход AlGaAs/GaAs, на границе которого можно получать 2DEG с максимально известной в настоящее время подвижностью (вплоть до ц~106 сма/Вс при гелиевых температурах), что позволяет реализовать режим баллистического транспорта в структурах с длинами L>10 мкм или, соответственно, более отчетливо наблюдать особенности такого транспорта при меньших размерах.
Цель работы.
Изучение электрон-фононного взаимодействия в двумерном электронном газе гетероструктур AlGaAs/GaAs, а также создание на основе AlGaAs/GaAs и сверхпроводника NbN гибридных структур S-2D-S и изучение их электрофизических свойств.
Научная новизна.
1. Впервые в квазиравновесных условиях измерено время энергетической релаксации те двумерного электронного газа гетерострукту];
AlGaAs/GaAs в интервале температур Т=4.2-50К. Полученная температурная зависимость позволила наблюдать переход от области сосуществования пьезоакустического и деформационного механизмов рассеяния к области доминирования рассеяния на деформационном потенциале, а при дальнейшем повышении температуры - переход от рассеяния на акустических фононах к рассеянию на оптических фононах. В области рассеяния с участием оптических фононов получено характерное время жизни оптического фонона. Показано, что во всем исследуемом нами интервале температур (4.2 К<Т<50 К) скорость энергетической релаксации является функцией только электронной температуры.
2. Впервые в квазиравновесных условиях измерены времена
энергетической релаксации двумерных электронов в магнитном поле В,
перпендикулярном плоскости носителей. Показано, что квантование
энергии электронов в магнитном поле приводит к снижению эффективности
электрон-фононного взаимодействия и резкому уменьшению скорости
энергетической релаксации.. При В~1 Тл скорость энергетической
релаксации уменьшается на порядок по сравнению со случаем В=0. Время
энергетической релаксации в магнитном поле, большем 1 Тл, осциллирует,
подобно осцилляциям сопротивления Щубникова-де Гааза. В условиях
малой неравновесности энергетическая релаксация в гетероструктурах Al
GaAs/GaAs в магнитном поле, перпендикулярном 2D плоскости,
реализуется как за счет электрон-фононных переходов внутри уровня
Ландау, так и межуровневых переходов. Выделены интервалы магнитных
полей, в которых доминируют различные механизмы энергетической
релаксации.
3. Создана и исследована новая система сверхпроводник - двумерный
электронный газ - сверхпроводник на основе двумерного электронного газа
в AlGaAs/GaAs гетероструктуре с контактами из сверхпроводящего NbN.
Изучена проводимость указанной гибридной структуры. Рассмотрено
влияние процессов многократного андреевского отражения на
рассеивающих центрах на прозрачность границы сверхпроводник-
полупроводник при температурах ниже критической температуры в
сверхпроводящих берегах.
Практическая ценность.
-
Полученные знания об электрон-фононном взаимодействии в двумерных структурах имеют фундаментальное физическое значение и могут быть использованы при разработке различных полупроводниковых приборов с 2DEG.
-
Измеренные времена энергетической релаксации двумерных электронов на гетерогранице AlGaAs/GaAs определяют инерционность
детекторов и смесителей терагерцового диапазона, работающих на электронном разогреве.
3. Созданная гибридная структура S-2D-S на основе гетероперехода AlGaAs/GaAs и NbN в качестве сверхпроводника может быть использована для создания детекторов и смесителей на эффекте электронного разогрева. Значительная нелинейность вольт-амперных характеристик полученных структур делает их весьма перспективными для использования в качестве быстродействующих детекторов субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов. Такие детекторы будут обладать рядом преимуществ как перед чисто полупроводниковыми устройствами, так и перед детекторами, созданными на основе тонких сверхпроводниковых пленок.
На защиту выносятся следующие положения:
в гетероструктурах AlGaAs/GaAs в области температур, отвечающих релаксации энергии двумерных носителей на деформационном потенциале, скорость энергетической релаксации не зависит от электронной температуры; значение те в этой области составляет ге=0.6 не при поверхностной концентрации двумерных носителей ns=4.2-10" см2;
в электрон-фононном взаимодействии в гетероструктурах AlGaAs/GaAs с концентрацией двумерных носителей ns=4.2-10" см2 рассеяние на оптических фононах проявляется при электронных температурах Те>25 К;
для гетероструктур AlGaAs/GaAs с концентрацией двумерных носителей ns=4.2-10n см2 в области рассеяния электронов с участием оптических фоноиов характерное время жизни оптического фонона составляет ri(j=4.5 пс;
в интервале электронных температур 4.2К<Те<50К в гетероструктурах AlGaAs/GaAs время энергетической релаксации двумерных носителей в квазиравновесных условиях совпадает со значением времени энергетической релаксации, полученным при разогреве электронного газа постоянным электрическим током;
квантование энергии электронов в гетероструктурах AlGaAs/GaAs в магнитном поле приводит к снижению эффективности электрон-фононного взаимодействия и резкому уменьшению скорости энергетической релаксации. При В~1 Тл в исследуемых гетероструктурах скорость энергетической релаксации уменьшается на порядок по сравнению со случаем В=0, при температуре Т=4.2 К;
"время энергетической релаксации двумерных носителей гетероструктур AlGaAs/GaAs с концентрацией ns=5.2:10n см2 при температуре Т=4.2 К в магнитном поле, большем 1 Тл, осциллирует, подобно осцилляциям сопротивления Шубникова-де Гааза;
в условиях слабой неравновесности энергетическая релаксация в гетероструктурах AlGaAs/GaAs в магнитном поле, перпендикулярном 2D плоскости, осуществляется как за счет электронных переходов внутри уровня Ландау, так и межуровневых переходов; для гетероструктур AlGaAs/GaAs с концентрацией ns=5.2-10n см2 при температуре Т=4.2 К электрон-фононные переходы внутри уровня Ландау преобладают в области больших магнитных полей (фактор заполнения v<4); вклад электрон-фононных переходов между уровнями Ландау проявляется в области магнитных полей соответствующих V>4;
в созданных гибридных структурах сверхпроводник - двумерный электронный газ - сверхпроводник на основе двумерного электронного газа в AlGaAs/GaAs гетероструктуре с контактами из сверхпроводящего NbN, существенный вклад в результирующую величину прозрачности границы сверхпроводник - полупроводник при температурах ниже критической температуры в сверхпроводящих берегах, вносят процессы многократного андреевского отражения.
Апробация работы.
Результаты работы были доложены на следующих конференциях:
-
III Всероссийская конференция по физике полупроводников "Полупроводники '97", Москва, 1997.
-
International semiconductor device research symposium, Charlottesville, USA, 1997.
-
The 24th international conference on the physics of semiconductors, Jerusalem, Israel, 1998.
Публикации.
Результаты проведенных исследований изложены в 7 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка публикаций автора и литературы. Объем работы составляет 132 страницы, включая 36 рисунков и 1 таблицу. Библиография включает 99 наименований.
