Введение к работе
Актуальность темы. Внешнее магнитное поле В, приложенное к двумерной (2D) системе с высокой электронной подвижностью /J, приводит к модификации электронного транспорта в ней даже в относительно слабых магнитных полях, когда уровни Ландау плохо разрешены. Хорошо известным проявлением такой модификации являются осцилляции Шубникова-де Гааза (ШдГ). Наблюдение этих осцилляции в сопротивлении 2D электронного газа ограничено низкими температурами. Связано это с тем, что проявляются они в условиях, когда температурное уширение функции распределения электронов меньше расстояния между ближайшими уровнями Ландау йсвь. В низкотемпературном пределе амплитуда осцилляции ШдГ определяется фактором Дингла, А = ехр[-я)'(шсг<1)], который несет информацию о квантовом времени релаксации Tq[l].
Другим детально изученным типом магнетополевых осцилляции сопротивления, связанным с трансформацией энергетического спектра электронов в магнитном поле, являются осцилляции, обусловленные резонансным поглощением продольных оптических фононов [2, 3]. Резонансное электрон-фононное взаимодействие возникает в сильном магнитном поле при выполнении условий: Шщ = 1с, где colo - частота продольного оптического фонона* 0 - циклотронная частота, а / - целое положительное число.
В магнетосопротивлении (МС) магнетофононный резонанс (МФР) проявляется в виде серии экспоненциально спадающих по амплитуде осцилляции [4]: AR^JR^ ~ cos(2;tu>lo/шс)ехр(-ушш/шс), где у - коэффициент затухания. Эти осцилляции, как и осцилляции ШдГ периодичны в обратном магнитном поле 1/5, но их период в отличие от последних не зависит от концентрации свободных носителей заряда пс. Наблюдается МФР в 2D полупроводниковых структурах при относительно высокой температуре Г~100-180К[5].
Недавно было показано, что в 2D системах с высокой электронной подвижностью при больших факторах заполнения v= Ef/hco„ т.е. когда энергия Ферми Е существенно превышает расстояние между уровнями Ландау, возникает новый класс магнетополевых осцилляции сопротивления, обусловленный резонансным взаимодействием
электронов с акустическими фононами [6]. Кроме того, было установлено, что при v»l под действием постоянного электрического поля Е&. возникают осцилляции сопротивления, обусловленные туннелированием Зинера между заполненными и пустыми уровнями Ландау [7]. Эти два новых эффекта наблюдались лишь на совершенных GaAs/AlGaAs гетеропереходах. Для их однозначной интерпретации требуется дальнейшее и всестороннее изучение магнетотранспорта при больших факторах заполнения в 2D системах с высокой электронной подвижностью, в том числе и в полупроводниковых структурах, отличных от GaAs/AlGaAs гетеропереходов.
К настоящему времени основные экспериментальные результаты в области электронного транспорта в 2D системах с высокой электронной подвижностью получены на GaAs/AlGaAs гетеропереходах. Высокая подвижность в GaAs/AlGaAs гетероструктурах достигается пространственным разделением областей транспорта носителей заряда и легирования. Разделяются эти области в GaAs/AlGaAs гетероструктурах слоем нелегированного AIGaAs, который называют спейсером. Чем толще спейсер, тем меньше рассеяние на случайном потенциале легирующей примеси и соответственно выше подвижность электронов. Однако увеличение толщины спейсера неизбежно ведет к уменьшению концентрации свободных носителей заряда в квантовой яме, расположенной на гетерогранице. Т.е. в традиционном селективно-легированном GaAs/AlGaAs гетеропереходе получить одновременно высокие значения подвижности и концентрации 2D электронного газа невозможно.
Недавно была предложена новая концепция подавления рассеяния на случайном потенциале легирующей примеси в модулированных полупроводниковых структурах [8]. В рамках этой концепции было предложено использовать в качестве барьеров к GaAs квантовой яме AlAs/GaAs сверхрешеточные барьеры. Принципиальной особенностью GaAs квантовых ям с AlAs/GaAs сверхрешеточными барьерами является то, что подавление рассеяния носителей заряда на случайном потенциале ионизованных примесей в таких гетероструктурах достигается не только пространственным разделением областей легирования и транспорта, но еще и экранирующим действием X-электронов, возникающих в AlAs/GaAs сверхрешетках второго рода. Такой способ подавления рассеяния на случайном потенциале легирующей примеси позволяет получать в GaAs квантовых ямах с AlAs/GaAs сверхрешеточными барьерами высокую под-
вижность и высокую концентрацию 2D электронов одновременно, что открывает новые экспериментальные возможности для изучения транспорта носителей заряда в полупроводниковых системах пониженной размерности.
Цель данной диссертационной работы состоит в экспериментальном изучении транспортных явлений в GaAs/AlAs гетероструктурах при больших факторах заполнения. Основными научными задачами являются: экспериментальное изучение МФР и исследование электронного транспорта в нелинейном режиме в GaAs квантовых ямах со сверхрешеточными барьерами в классически сильных магнитных полях.
Объекты и методы исследования. Основным объектом исследования является двумерный электронный газ в GaAs квантовых ямах с AlAs/GaAs сверхрешеточными барьерами с высокой концентрацией и высокой подвижностью. Основной метод исследования - измерение магнетополевой зависимости компонент тензора сопротивления в классически сильных магнитных полях в линейном и нелинейном режимах.
Научная новизна работы. Обнаружено отрицательное МС, возникающее в 2D в системе с высокой электронной подвижностью в режиме нелинейного электронного транспорта.
Обнаружены периодические в обратном магнитном поле осцилляции сопротивления, возникающие в 2D системе с высокой электронной подвижностью под действием переменного электрического тока в диапазоне частот от 10 до 100 кГц.
Научная и практическая ценность работы. Отработана технология синтеза методом МЛЭ GaAs квантовых ям с AlAs/GaAs сверхрешеточными барьерами с высокой концентрацией (л>1012 см"2) и высокой подвижностью (/і>106 сн?1В-с) 2D электронов. Показано, что такие МЛЭ структуры расширяют экспериментальные возможности изучения электронного транспорта при большом числе заполненных уровней Ландау в линейном и нелинейном режимах.
Положения, выносимые на защиту:
1. Периодические в обратном магнитном поле осцилляции сопротивления двумерного электронного газа, возникающие в GaAs/AlAs гетероструктурах при большом числе заполненных уровней Ландау в диапазоне температур от 10 до 25 К, обусловлены магнетофононным резонансом.
2. Отрицательное магнетосопротивление, возникающее в GaAs/AlAs гетерострук
турах в области классических магнитных полей при увеличении плотности постоянно
го электрического тока, обусловлено нелинейным режимом электронного транспорта.
3. Период осцилляции дифференциального сопротивления, возникающих в
GaAs/AlAs гетероструктурах при больших факторах заполнения под действием посто
янного электрического тока, линейно возрастает с плотностью этого тока.
4. Форма магнетополевых осцилляции сопротивления, возникающих в GaAs/AlAs
гетероструктурах под действием переменного электрического тока /tt(t), может быть
численно рассчитана из осцилляции магнетосопротивления под действием постоянно
го токаре путем их усреднения по периоду /,c(t).
Личный вклад соискателя в диссертационную работу заключается в участии в постановке задач, выращивании GaAs/AlAs гетероструктур, проведении магне-тотранспортных экспериментов, обработке и интерпретации экспериментальных данных, написании научных статей и подготовке их к публикации.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 16-ой Международной конференции по электронным свойствам 2D систем (Альбукерка, 2005), Международной встрече европейского материаловедческого общества (Варшава,-2005), 7-ой Российской конференции по физике полупроводников (Москва, 2005), 15-ом Международном симпозиуме «Наноструктуры: физика и технология» (Новосибирск, 2007) и на 8-ой Российской конференции по физике полупроводников (Екатеринбург, 2007).
Публикации. По результатам диссертации в печати опубликовано 12 работ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы.
Объем диссертации. Составляет 102 машинописные страницы, в том числе 35 рисунков, и список литературы на 75 наименований.
