Введение к работе
Актуальность темы. Физика проводимости неупорядоченных электронных систем, непосредственно связанная с потребностями практики, интенсивно развивается уже в течение 30-ти лет. В последнее десятилетие в этой области физики твердого тела произошли значительные события, причиной которых явился учет волновых свойств электронов, рассеивающихся на примесях. Это привело к изменению представлений об электропроводности проводников при низких температурах, позволило объяснить ряд непонятных ранее эффектов и предсказать новые. Роль беспорядка и связанных с ним квантовых явлений в проводимости возрастает при уменьшении размерности системы и понижении температуры. Поэтому исследование интерференционных явлений в двумерных неупорядоченных проводниках имеет принципиальное значение как для фундаментальной физики, так и для микроэлектроники, элементы которой представляют собой тонкопленочные структуры, работающие при всё более низких температурах.
Для повышения быстродействия и степени интеграции требуется
также уменьшение размеров тонкопленочных элементов в плоскости.
Прогресс в области технологии привел к обнаружению нового клас
са явлений в неупорядоченных системах - мезоскопических эффектов.
На мезоскопических масштабах, промежуточных между микро- и макро
размерами, флуктуации проводимости, связанные со случайным распо
ложением примесей, не самоусредняются. В результате характеристи
ки малых образцов изменяются от образца к образцу и, кроме того,
флуктуируют при изменении внешних параметров. Исследование мезо
скопических эффектов позволяет выявлять тонкие детали механизмов
низкотемпературной проводимости. Эти эффекты необходимо также
учитывать при разработке криоэлектронных элементов микронных и
субмикронных размеров, где они будут проявляться как флуктуации .
параметров приборов. :
При увеличении степени беспорядка в проводниках происходит переход металл-диэлектрик (ВД) /I/. Это явление, связанное с интерференцией электронных волновых функций, занимает одно из центральных мест в физике неупорядоченных систем. Для понимания его природы требуется исследование интерференционных эффектов как в металлической, так и в диэлектрической фазе проводников. Мезоскопические эффекты, в свою очередь, могут быть следствием квантовой интерференции в образцах малых размеров. В целом их проявление существенно различается для металлического и прыжкового типов проводимости, поэтому мезоскопические явления также необходимо исследовать по обе стороны от перехода ВД.
Цель работы заключается в экспериментальном исследовании особенностей в свойствах двумерных систем, обусловленных: а) интерференционными эффектами в металлическом и прыжковом режимах проводимости, б) мезоскопическими эффектами в прыжковой проводимости.
Основные задачи.
Учет волновых свойств электронов проводимости в слабонеупорядоченном металле был осуществлен в теориях слабой локализации (CI) /2,1Уи электрон-электронного взаимодействия (ЭВ) /4/. Теория СЛ рассматривает интерференцию невзаимодействущих электронов в случайном примесном потенциале и предсказывает аномальные по сравнению с классическим рассмотрением зависимости проводимости от температуры и магнитного поля, которые определяются временами релаксации энергии и спина электронов /5,6/. Теория ЭВ представляет собой теорию Ферми-жидкости взаимодействующих электронов в металле
с примесями. Усиление межэлектронного взаимодействия при диффузионном характере движения электронов даёт добавки к проводимости, зависящие от Т и Н, и особенности в плотности электронных состояний /7/. После появления теорий СЛ и ЭВ перед экспериментом стояли задачи проверки их выводов на широком классе объектов, разделения вкладов СЛ и ЭВ, получения информации о временах неупругой релаксации электронов в различных материалах.
Интерференционные эффекты в прыжковой проводимости должны проявляться в -случае, если во время прыжка электрон рассеивается на примесях. Теория, рассматривающая влияние интерференции электронов на прыжковую проводимость с переменной длиной прыжка, предсказывала аномальное отрицательное магнетосопротивление большой величины /8/. Требовалось экспериментальное исследование этого явления.
Основная часть экспериментов на мезоскопических объектах касалась систем с металлической проводимостью. Исследование малых образцов в диэлектрической фазе позволяет изучать свойства элементарного акта прыжковой проводимости - одного электронного прыжка. В частности, стояла задача обнаружения предсказанного в /9/ мезо-скопического эффекта флуктуации вероятности электронного прыжка в магнитном поле. Физическая причина этого эффекта и эффекта отрицательного прыжкового магнетосопротивления одна - интерференция электронов при рассеянии на примесях.
Объекты исследования.
К началу работы интерференционные эффекты в системах с металлическим типом проводимости изучались, в основном, на металлических пленках и трехмерных полупроводниках. В настоящей работе объектами для исследования интерференционных эффектов в металлической фазе были выбраны пленки oi и G-&AS . Полуметалл висмут облада-
ет высоким удельным сопротивлением, что должно привести к большой относительной величине добавок к сопротивлению по сравнению с металлическими пленками. Особенностью висмута является сильное спин-орбитальное рассеяние, что позволяло надеяться на обнаружение в пленках висмута особого случая проявления эффекта СЛ - изменения знака добавки к сопротивлению /5/. Представляло также интерес выяснение того, как эффекты СЛ и ЭВ проявляются в условиях многодо-линности спектра и наличия двух типов носителей тока.
Экспериментальные исследования ЭВ в плотности электронных состояний были немногочисленными и не охватывали всех проявлений предсказываемого теорией эффекта. Существующая технология получения туннельных структур на основе пленок висмута позволила дополнить изучение ЭВ в гальвано-магнитных характеристиках пленок Si исследованием эффекта ЭВ в особенности туннельной проводимости структур Вс -окисел Si- Pi.
Эпитаксиалыше слои п изъявляются основой при изготовлении полевого транзистора с затвором Шоттки - модельной электронной системы, в которой с помощью напряжения на затворе Vq можно управлять концентрацией электронов и осуществлять переход МД. Измерение гальвано-магнитных характеристик пленок GaAs с металлическим типом проводимости и канала полевого GaAs -транзистора при различных Vg позволило проследить за эволюцией интерференционного магнетосопротивления при изменении типа проводимости системы от металлического к прыжковому.
Для исследования мезоскопических эффектов в прыжковой проводимости использовался короткий канал полевого GaAs -транзистора с микронными размерами вдоль направления тока. До этого особенности прыжковой проводимости образцов малых размеров исследовались лишь на одномерном канале кремниевого МДП-транзистора /10/, где
были обнаружены флуктуации проводимости при изменении напряжения на затворе. Исследование транзисторной структуры другого типа с иной геометрией канала позволило обнаружить новые мезоскопические эффекты в прыжковой проводимости.
Научная новизна работы состоит в следувдем:
1. Впервые исследовано проявление эффектов слабой локализа
ции и межэлектронного взаимодействия в полуметаллах (пленки ві )
и пленках легированного полупроводника (пленки GaAs ). Показано,
что магнвтосопротивление пленок Bi и GaAs в классически слабых
полях определяется эффектом СЛ, а зависимость проводимости от тем
пературы определяется суммой эффектов СЛ и ЭВ.
В пленках Bi обнаружено изменение знака локализационной добавки к проводимости, вызванное сильным спин-орбитальным взаимодействием в висмуте. Сделан вывод о том, что в пленках ві существенным является электрон-электронное взаимодействие в диффузионном канале с нулевым суммарным спином электронов.
Показано, что основным механизмом сбоя фазы электронов в пленках Ві и GaAs при низких температурах является новый меха- . низм: электрон-электронное рассеяние, модифицированное упругим рассеянием электронов на примесях. Определено время спин-орбитального рассеяния в пленках 9с .
-
Методом туннельной спектроскопии исследованы зависимости одночастичной плотности состояний в пленках висмута от энергии и температуры. Показано, что минимум в плотности состояний на уровне Ферми обусловлен эффектом межэлектронного взаимодействия.
-
Обнаружено отрицательное прыжковое магнвтосопротивление слоев GaAs вблизи перехода металл-диэлектрик. Впервые показана применимость интерференционной модели для объяснения отрицательного магнетосопротивления в области прыжковой проводимости.
-
С помощью измерений вольт-фарадных характеристик полевого /?а/5-транзистора исследована перестройка флукгуационного потенциала в легированном слое GaAs при уменьшении концентрации электронов. Показано, что характер флуктуационного потенциала в проводящем канале вблизи перехода металл-диэлектрик обусловлен нелинейным экранированием случайного заряда ионизованных доноров.
-
Впервые исследованы мезоскопические эффекты в прыжковой проводимости коротких легированных каналов GaAs.
Обнаружен новый мезоскопический эффект - флуктуации прыжковой проводимости в магнитном поле и доказана его интерференционная природа.
Впервые экспериментально доказана эргодичность мезоскопичес-ких флуктуации прыжковой проводимости при изменении напряжения Уд на затворе транзисторной структуры.
Проведен статистический анализ флуктуации прыжковой проводимости при изменении 1 . Показано, что функция распределения логарифма проводимости коротких GaAs-каяалов имеет универсальный вид для систем с экспоненциальным разбросом локальной проводимости.
Обнаружены особенности нелинейных характеристик мезоскопичес-кого канала GaAs -транзистора: детектирование низкочастотного сигнала и генерация сигнала второй гармоники, флуктуирукщего при изменении Ife . Обнаружены флуктуации вольт-амперной характеристики канала в сильном электрическом поле. Предложено объяснение этих эффектов, основанное на представлении, что в проводимости короткого канала доминирует одна цепочка последовательных электронных прыжков, сопротивление которой, в свою очередь, определяется наиболее высокоомным ("главным") прыжком.
Обнаружены флуктуации мощности токового- шума при изменении напряжения * на GaAs транзисторной структуре. Впервые экспе-
рістянтадьію зедэлэна элементарная составляющая i-f -шума в області лркгкоЕой проводимости - случайные скачки сопротивления меаду двумя состояниями, обусловленные флуктуациями заполнения электронами примесных центров.
Практическая ценность работы состоя? в слодукщэмо
Доказана применимость к пленкам полуметаллов и легированные полупроводников, используемым на практике и в научных исследованиях, новых представлений о механизмах электропроводности при "низкой температуре. Продемонстрирована возможность использования интерференционных явлений для получения информации о временах релаксации энергии и спина электронов; получены зависимости этих времен от температуры и параметров пленок.
Экспериментально доказано, что для широко используемых в технике полевых ЛгЛг-транзисторов с микронными размерами канала при низких температурах существенны мезоскопические эффекты, которые приводят к особенностям различных характеристик транзисторов и флуктуациям их параметров. Анализ мезоскопических флуктуации проводимости даёт информацию о степени однородности проводящего канала. Показана возможность измерения емкости затвор-канал шоттки-транзистора в области пороговых напряжений на затворе для выяснения характера флуктуационного потенциала в канале и получения информации об эпитаксиальной структуре.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на 22-ом (Кишинев, 1982), 23-ем (Таллин, 1984), 24-ом (Тбилиси, 1986), 25-ом (Ленинград, 1988) Всесоюзных совещаниях по физике низких температур; на 14-ом Международном симпозиуме по физике низких температур и криоэлектронике (Мейзельбах,1982); на 9-ой (Баку,1982), 11-ой (Кишинев,1988) Всесоюзных конференциях по физике полупроводников; на 10-ой Всесоюзной конференции по физическим
процессам в полупроводниковых гетероструктурах (Минск,1986); на 1-ой Всесоюзной конференции по физическим и химическим основам микроэлектроники (Вильнюс,1987); на Всесоюзной школе по физике поверхности (Карпаты,1986), на 12-ой конференции по микроэлектронике (Тбилиси,1987), на 5-ой Всесоюзной конференции по флуктуационным явлениям в физических системах (Паланга,1988), а также докладывались на Школе по актуальным вопросам физики полуметаллов и узко-зонных полупроводников (Тирасполь,1981), на 1-ом, 2-ом и 3-ем семинарах по физике двумерных систем (Новосибирск,1982,1986 и 1989); на заседании секции "Физика поверхности" научного совета "Физика, химия и механика поверхности" (Махачкала,1987); на заседании секции "Полупроводниковые гетероструктуры" научного совета "Физика и химия полупроводников" (Воронеж,1988); на 1-ом советско-американском семинаре по электронным свойствам двумерных систем; на научных семинарах ИРЭ АН СССР, ФТИ АН СССР, ИФТТ АН СССР, МГУ, отраслевых организаций.
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 22 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения; содержит 259 страниц, в том числе 70 рисунков, список литературы из 163 наименований.
