Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Взаимодействие поверхностных акустических волн с двумерными электронами в гетероструктурах GaAs/AlGaAs в режиме целочисленного квантового эффекта Холла Смирнов, Иван Юрьевич

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Смирнов, Иван Юрьевич. Взаимодействие поверхностных акустических волн с двумерными электронами в гетероструктурах GaAs/AlGaAs в режиме целочисленного квантового эффекта Холла : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 01.04.07.- Санкт-Петербург, 2000.- 136 с.: ил. РГБ ОД, 61 00-1/1157-6

Введение к работе

Актуальность темы. Требования к современной микроэлектронике, обусловленные развитием информационных технологий, диктуют необходимость повышения быстродействия элементной базы. Одним из способов повышения рабочих частот полупроводниковых приборов является применение систем с пониженной размерностью, таких как двумерные электронные системы (2МЭС), которые образуются на границе раздела двух полупроводниковых материалов. В этом смысле, одними из наиболее перспективных объектов, благодаря высокому качеству гетерограшщы, являются гетерострутоуры GaAs/AlGaAs.

Использование низкоразмерных систем в электронике требует глубокого понимания их фундаментальных физических свойств, тем более, что они сильно отличаются от свойств трехмерных объектов. Наиболее ярким проявлением этих отличий является квантовый эффект Холла.

В 1980 году, изучая транспортные свойства в кремниевой МДП-структуре в высоких магнитных полях при низких температурах, К. фон Клитцинг обнаружил плато на зависимости холловского сопротивления /. эт напряжения на затворе структуры, или, иными словами, концентрации электронов [1]. Оказалось, что значения / на плато с высокой точностью :овпадают с целочисленными значениями h'e". где h - постоянная Планка, е заряд электрона. Открытие этого явления, целочисленного квантового эффекта Холла (ЦКЭХ), привело к тому, что исследование систем с пониженной размерностью в последнее время стало одним из наиболее іктивно развивающихся направлений физики полупроводников.

Фундаментальной характеристикой полупроводниковых объектов шляется осуществляемый в них механизм проводимости. В двумерной >лектронной системе, находящейся в плоскости, перпендикулярной вектору іапряженности сильного магнитного поля, энергетический спектр шектронов представляет собой систему дискретных уровней Ландау. Трисутствие примесей в системе уширяет каждый из уровней. Іодавляющая часть электронов заполняет те состояния на уширенных люстах уровней Ландау, которые соответствуют положению электронов в юкальных "впадинах" или "на вершинах" потенциала примеси. Такие

состояния называют локализованньши. Лишь бесконечно узкая по энергии полоса состояний в центре каждого уровня Ландау отвечает делокализовашюму состоянию.

Особенности локализации в двумерных электрош&гх системах (2МЭС) можно эффективно изучать, исследуя их высокочастотную (ВЧ) проводимость в режиме квантового эффекта Холла. Одним из оправдавших себя методов исследования ВЧ-проводимостк является акустический метод, который позволяет измерять ВЧ-проводимость полупроводников без каких-либо электрических контактов на образце.

Акустические методы успешно использовались при исследовании ВЧ проводимости трехмерного электронного газа в легированных компенсированных полупроводниках при низких температурах [2,3]. Было показано, что если электроны находятся в свободном (делокализованном) состоянии, то коэффициент поглощения ультразвука электронами в полупроводнике, являющемся пьезоэлектриком, в магнитном поле Н полностью определяется его проводимостью с/с(Н), измеренной на постоянном токе. Если же происходит локализация электронов на отдельных примесных центрах или в случайном флуктуационном потенциале примесей, то проводимости в постоянном электрическом поле и в ВЧ поле различаются

В связи с вышесказанным, было полезно распространить акустические методы исследования ВЧ-проводимости на структуры с 2МЗС. В отличке от измерений высокочастотной проводимости 2МЗС s экспериментах с использованием полосковой линии или в СВЧ резонаторе, акустический метод позволяет определять как реальную, так и мнимую компоненты проводимости, что особенно важно в области локализации носителей заряда в режиме ЦКЭХ.

При изучении структур с 2МЭС открывается уникальная возможность в одном цикле измерений и на одном и том же образце изучать механизмы нелинейности в делокализованных и локализованных состояниях электронов, так как в режиме квантового эффекта Холла оба этих состояния осуществляются при изменении магнитного поля.

Перспективным является использование бесконтактного акустического метода для определения параметров двумерного электронного газа и качества гетерострукгур.

Таким образом, использование акустических методов для изучения свойств 2МЭС в реизімє ЦК ЭХ весьма актуально.

Цель данной работы:

1) Определение высокочастотной проводимости из измерений
коэффициента поглощения и относительного изменения скорости
поверхностных акустических волн в пьезодиэлектрике, контактирующем
при малом (относительно длины волны ПАВ) зазоре с гетероструктурами
GaAs/AlGaAs с двумерными электронами в зависимости от частоты волны,
величины вакуумного зазора, магнитного поля и температуры.
Исследование низкотемпературных механизмов ВЧ-проводимости в
области делокализацин электронов и в режиме ЦКЭХ.

2) Изучение механизмов нелинейных эффектов, возникающих при
взаимодействии 2МЭС с высокочастотным электрическим полем
поверхностной акустической волны.

3) Определение параметров двумерного электронного газа
бесконтактным акустическим методом.

Научная повита работы состоит в том, что впервые:

  1. Измерения коэффициента поглощения н относительного изменения скорости ПАВ при ее взаимодействии с двумерными электронами использовались для определения ВЧ-проводимости 2МЭС в магнитном поле.

  2. Обнаружено, что з гетероструктурах с 2МЗС в области магнитных полей, соответствующих режиму ЦКЭХ, проводимости aJ\H) и aJ\H), полученные из измерений на постоянном токе и из акустических измерений не совпадают. Этот факт связан с локализацией двумерных носителей заряда в режиме ЦКЭХ.

  3. Из акустических бесконтактных измерений, в области делокализации электронов, где aJ\H)=aJ\H), определены параметры двумерного электронного газа (подвижность, квантовое и транспортное времена релаксации) и механизм рассеяния электронов.

  4. При изучении разогрева двумерного электронного газа электрическим

полем ПАВ показано, что степень разогрева зависит от частоты ПАВ. Акустическим методом определен механизм релаксации энергии двумерных электронов.

  1. Показано, что для описания коэффициента поглощения Г и относительного изменения скорости AV/V при взаимодействии ПАВ с двумерными электронами в области малых четных чисел заполнения, где электроны локализованы, необходимо рассматривать как реальную <ть так и мнимую 02 компоненты ВЧ-проводимости 2МЭС.

  2. Обнаружено, что в режиме ЦКЭХ, при малых четных числах заполнения и при минимальных температурах, имеет место ВЧ прыжковая проводимость, когда аг1сг\>1, при этом а\ не зависит от температуры.

7) Показано, что в 5-легированных кремнием гетероструктурах
GaAs/AIGaAs в магнитных полях вблизи центров холловских плато
прыжковая проводимость по 5-слою кремния может шунтировать
высокочастотную прыжковую проводимость в дез'мерда.ч канале.

  1. Проведен анализ нелинейной по ВЧ электрическому полю ПАВ проводимости <т\ в режиме активации носителей при малых числах заполнения в рамках теории нелинейной перколяционной проводимости Шкловского [4].

  2. Обнаружены и проанализированы особенности в поглощении и относительном изменении скорости ПАВ при спиновом расщеплении уровней Ландау. Акустическим (бесконтактным) методом определен эффективный g-фактор двумерных электронов в гетероструктурах GaAs/AIGaAs.

На защиту выносятся следующие положения:

  1. В гетероструктурах GaAs/AIGaAs с 2МЭС при низких температурах в области магнитных полей, соответствующих режиму ЦКЭХ, проводимости С(Н) и oJ*(H), полученные из измерений на постоянном токе и из высокочастотных акустических измерений, не совпадают, что объясняется локализацией двумерных электронов.

  2. В области относительно малых магнитных полей, соответствующих большим числам заполнения, электроны делокализованы, и aJ\H)=aJf{H).

3) В области магнитных полей, соответствующих малым четным числам
заполнения, высокочастотная проводимость имеет прыжковый характер. В
8-легированных гетероструктурах GaAs/AlGaAs в магнитных полях вблизи
центров холловских плато прыжковая проводимость по б-слою Si может
шунтировать высокочастотную прыжковую проводимость в двумерном
канале.

4) Нелинейные эффекты при взаимодействии ПАВ с
делокализовапными двумерными электронами связаны с разогревом
двумерного электронного газа высокочастотным электрическим полем
ПАВ, который можно описать с помощью электронной температуры Те.
При этом баланс энергии электронного газа определяется рассеянием
энергии электронов на пьезозлектрігческом потенциале акустических
фононов, а рассеяние электронов происходит на заряженных примесных
центрах.

5) Нелинейная по электрическому полю ПАВ актпващюнная
проводимость (Т\{Е) хорошо описывается теорией нелинейной
перколяшюнной проводимости Шклопского.

Научно-практическая ценность работы заключается в следующем:

1) Предложена методика определения реальной сг\, и мнимой а2
компонент ВЧ-проводимости 2МЗС из коэффициента поглощения и
относительного изменения скорости ПАВ.

2) Разработан метод разделения прыжковой проводимости в двумерном
канале и по 8-слоями кремния.

3) Предложен метод определения длины локализации электронов в
режиме ЦКЭХ, там,где проводимость на постоянном токе crd\H)->0.

  1. Выработана методика определения зазора между гетероструктурой и пьезоэлектрической подложкой.

  2. Создана методика бесконтактного определили параметров 2МЭС. Это весьма актуально, т.к. определение электрических параметров двумерных электронов в гетероструктурах стандартным методом на постоянном токе связано с использованием достаточно сложной технологии: образец должен быть изготовлен в виде холловского мостика, при этом контакты должны быть низкоомными.

Апробация работы:

Основные результаты работы докладывались на международных и российских конференциях - 11th International Conference on Electronic Properties of Low Dimensional Structures (Дубна, 1995); 14th International Conference on Utilization of Ultrasonic methods in Condensed Matter (Zilina, Slovakia, 1995); International Symposiums on Acoustoelectronics, Frequency Control, Signal Generation (Москва, 1996 и С.-Петербург-Кижи, 1998); 23rd International Symposium on Compound Semiconductors (С.-Петербург, 1997); 7th and 8th International Conference on Hopping and Related Phenomena, (Rackeve, Hungary. 1997; Murcia, Spain, 1999); International Symposiums "Nanostructurcs 95, 97, 98, 99: Physics and Technology, (С.-Петербург 1995, 1997, 1998 and 1999); II, III, IV Всероссийских конференциях по физике полупроводншеов, (Зеленогорск. 1995, Москва, 1997, Новосибирск, 1999); 16th. 17th and 18th General Conferences of the Condensed Matter Division of European Physical Society (Leuven, Belgium. 1997, Grenoble, France, 1998, Montreux, Switzerland, 2000); 31 Совещание по физике низких температур, (Москва, 1998); 2 It и 22d International Conference on Low Temperature Physics (Prague, 1996; Helsinki, 1999); 24th International Conference on the Physics of Semiconductors (Jerusalem, Israel, 1998).

Публикации. Основные результаты исследования изложены в 11 статьях, опубликованных в российских и иностранных физических журналах. Список основных работ по теме диссертации прішеден в конце реферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержит 136 страниц текста, включая 36 рисунков и 2 таблицы. Библиография содержит 83 наименования.

Похожие диссертации на Взаимодействие поверхностных акустических волн с двумерными электронами в гетероструктурах GaAs/AlGaAs в режиме целочисленного квантового эффекта Холла