Магнитотранспорт в GaAs/AlAs гетероструктурах в присутствии микроволнового излучения

Двумерный электронный газ (ДЭГ) в полупроводниковых структурах уже много десятков лет остается предметом всестороннего экспериментального и теоретического изучения [1]. Обусловлено это, с одной стороны, фундаментальной значимостью физических явлений, проявляющихся в двумерных (20) электронных системах, а с другой — тенденциями современной микроэлектроники, направленными на всё большую миниатюризацию и быстродействие приборов на основе полупроводниковых гетероструктур. Одной из электронных систем, ставшей к настоящему времени уже классической, является ДЭГ в селективно-легированном СаАэ/АЮаАз гетеропереходе [2]. В 2001 году в такой системе был открыт новый тип осцилляций магнитосопротивления (МС), возникающих под действием микроволнового излучения [3].

В отличие от осцилляций Шубникова-де Гааза (ШдГ), период которых определяется отношением химического потенциала к циклотронной частоте и) с, период осцилляций МС, индуцированных микроволновым излучением, зависит от отношения частоты излучения из к ис. Вскоре после обнаружения о-/о-с-осцилляций МС было установлено, что в СаАэ/АЮаАэ гетеропереходах с высокой электронной подвижностью сопротивление в минимумах этих осцилляций зануляется [4−6]. Этот неожиданный и необычный экспериментальный факт стимулировал всестороннее теоретическое изучение обнаруженного феномена [7−9]. Выяснилось, что осциллирующее в магнитном поле поведение фотопроводимости было предсказано более 30 лет назад [10]. Однако и до настоящего времени многие аспекты электронного транспорта в 21) системах в присутствии микроволнового излучения остаются дискуссионными и требуют дальнейшего изучения [11, 12].

К настоящему времени основные экспериментальные результаты в области магнитотранспортных явлений в двумерных системах в присутствии микроволнового излучения получены на селективно-легированных СаАэ/АЮаАв гетеропереходах с высокой электронной подвижностью. Высокая подвижность в таких гетероструктурах достигается селективным легированием, то есть разделением областей легирования и электронного транспорта толстым нелегированным спейсером. Такой способ подавления рассеяния на случайном потенциале легирующей примеси позволяет получать высокую подвижность лишь при сравнительно малой концентрации Пе ~ 3 X 1011 см-2, так как для её увеличения необходимо уменьшать толщину спейсера, что неизбежно ведет и к уменьшению подвижности. Таким образом остается актуальным экспериментальное наблюдение и исследование гигантских осцилляций МС, индуцированных микроволновым излучением, в 20 системах с более высокой электронной концентрацией.

Анализ научной литературы показал, что наиболее оптимальными для этих исследований являются СаАэ квантовые ямы с А1Аз/СаАз сверхрешёточными барьерами [13]. Подавление электронного рассеяния на случайном потенциале ионизованных примесей в СаАэ/АЬАз гетероструктурах достигается не только пространственным разделением областей легирования и транспорта, но ещё и экранирующим действием X-электронов, возникающих в боковых АЬАв/СаАз сверхрешёточных барьерах. Такой способ подавления рассеяния на случайном потенциале легирующей примеси позволяет увеличивать электронную концентрацию в СаАв/А^в гетероструктурах, по сравнению с СаАз/АЮаАв гетеропереходами, без проигрыша в подвижности. Таким образом селективно-легированные СаАэ/АЬАз гетероструктуры существенно расширяют экспериментальные возможности для изучения электронного транспорта в системах пониженной размерности [14, 15].

Наибольшую распространённость получили методы исследования электронных систем пониженной размерности, основанные на оптических измерениях в инфракрасной и видимой областях спектра, либо на измерениях на постоянном токе. При этом поведение электронной системы в промежуточной области частот — СВЧ диапазоне — исследовано весьма незначительно. В это же время взаимодействие электромагнитного излучения данного диапазона даёт возможность изучения анизотропных эффектов и ряда резонансных и коллективных явлений: электронного парамагнитного, циклотронного, плазменного резонанса. Кроме того, СВЧ исследования имеют большое практическое применение в плане развития бесконтактных методов измерения в случаях, когда изготовлению омических контактов препятствуют технологические ограничения или принципиальные причины. Для современной полупроводниковой промышленности СВЧ методы представляют интерес при проектировании и разработке ключевых устройств для беспроводных вычислительных сетей.

Несмотря на очевидные преимущества бесконтактных СВЧ методов, они до сих пор не получили широкого распространения. Главным образом это связано с особой сложностью и трудоёмкостью абсолютных измерений на СВЧ, требующих очень точной калибровки системы и постоянного контроля за ней, особенно при низких температурах. В связи с этим актуальным является развитие методик, позволяющих определять параметры материалов из относительных измерений отклика системы на СВЧ поле, а также комбинированные методы, основанные на взаимодействии носителей заряда с СВЧ излучением в присутствии внешнего возмущения, например магнитного поля.

Цель диссертационной работы состоит в экспериментальном изучении магнитотранспорта в СаАз/А1Аз гетероструктурах в присутствии микроволнового излучения в широком диапазоне измерительных токов с целью обнаружения си/а^-осцилляций сопротивления в этих системах, обнаружении занулений сопротивления о-/о-с-осцилляций, выявлении роли анизотропии электронной подвижности в формировании а-/и-с-осцилляций, исследовании влияния микроволнового поля на межподзонные осцилляции сопротивления.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые обнаружены гигантские а-/о-с-осцилляции МС в СаАв/АГАв гетероструктурах с электронной подвижностью менее 106 см2/Вс. Впервые методом ван дер Пау исследовано влияние электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн на электронный транспорт в 20 системе с анизотропной подвижностью. Установлено, что в присутствии микроволнового излучения уменьшение измерительного тока в СаАв/АЬАв гетероструктурах приводит к появлению магнитополевых состояний ДЭГ с полным отрицательным сопротивлением. Обнаружено, что в двойной СэАб квантовой яме внешнее электромагнитное возмущение приводит к существенной модификации магнито-межподзонных осцилляций диссипативного сопротивления.

Научная и практическая ценность работы. В диссертации показано, что при увеличении концентрации ДЭГ индуцированные микроволновым излучением состояния с нулевым сопротивлением проявляются в Са. Аэ/А.1 А. б гетероструктурах при средней величине подвижности. Полученные в работе данные делают реальным перенесение исследований природы индуцированных электромагнитным полем состояний с нулевым сопротивлением в 20 электронных системах в область субмиллиметровых длин волн и создание на основе этого явления инфракрасных приемников излучения.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Гигантские осцилляции МС и магнитополевые состояния с нулевым сопротивлением, возникающие в двумерных системах с высокой электронной подвижностью под действием микроволнового излучения, наблюдаются в селективно-легированных СаАв/АЬАв гетеро-структурах на частотах 50−150 ГГц при величине электронной подвижности менее 106 см2/Вс.

2. Относительная величина гигантских осцилляций магнитосопро-тивления ДЭГ, индуцированных микроволновым излучением в СаАв/А^ гетероструктурах с анизотропной электронной подвижностью, слабо зависит от ориентации измерительного тока в пленарной плоскости гетероструктуры.

3. Осцилляции магнитосопротивления, возникающие в двойных СаАэ квантовых ямах с двумя заполненными подзонами размерного квантования, период которых в обратном магнитном поле равен разности периодов осцилляций ШдГ в подзонах, обусловлены межподзонным рассеянием.

4. Гигантские осцилляции магнитосопротивления, индуцированные микроволновым излучением в двойных СаАэ квантовых ямах с двумя заполненными подзонами размерного квантования, сосуществуют с магнитополевыми осцилляциями диссипативного сопротивления, обусловленными межподзонным рассеянием.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях:

1. Международная конференция «Nanoelectronics 2006. Novel Nano-materials, Quantum Transport, and Noise of Electrons and Photons» (Lancaster University, UK, 8−11 января 2006 г.);

2. 14-й международный симпозиум «Наноструктуры: физика и технологии» (Институт им. Иоффе, Санкт-Петербург, 26−30 июня 2006 г.);

3. VIII Российская конференция по физике полупроводников «Полупроводники 2007» (Екатеринбург, 30 сентября-5 октября 2007 г.);

4. XIV Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых учёных «ВНКСФ-14» (Уфа, 27 марта-3 апреля 2008 г.).

Публикации. По результатам диссертации в печати опубликовано девять работ [16−24], в том числе четыре журнальных статьи.

Личный вклад автора заключается в участии в постановке задач, проведении магнитотранспортных экспериментов, обработке и интерпретации экспериментальных результатов, написании научных статей и подготовке их к публикации.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Основные результаты и выводы главы 4.

В настоящей главе исследовано влияние микроволнового излучения миллиметрового диапазона на электронный транспорт в двойной СаАэ квантовой яме при температуре 4,2 К в магнитных полях до 2 Тл. Показано, что в изучаемой двумерной электронной системе в области больших факторов заполнения возникают осцилляции сопротивления положение максимумов, которых в магнитном поле определяется условием Дэаз/^ = где ДэаЭ — (-^2 ~' Е{) — расщепление подуровней размерного квантования в двойной квантовой яме, ис — циклотронная частота, а I — целое положительное число. Обнаружено, что в двойной квантовой яме микроволновое поле существенно модифицирует эти осцилляции, приводя к знакопеременной, изменяющейся с двумя периодами зависимости фотосопротивления от обратного магнитного поля.

Таким образом экспериментально обнаружено, что в двойной СаАэ квантовой яме с модулированным легированием микроволновое поле существенно модифицирует поведение диссипативного сопротивления при больших факторах заполнения, приводя к осциллирующей с двумя периодами зависимости от обратного магнитного поля. Больший период этих осцилля-ций обусловлен тем, что микроволновое фотосопротивление Ю электронной системы, помещенной в перпендикулярное магнитное поле, является осциллирующей знакопеременной функцией отношения и/ис с максимумами и минимумами, расположенными около циклотронного резонанса и его гармоник [6, 9, 10, 14, 80−83]. Меньший период обусловлен влиянием микроволнового поля на амплитуду и фазу Со^Ав/осцилляции. Полученные экспериментальные данные согласуются с теорией микроволновой фотопроводимости в туннельно-связанных квантовых ямах при больших факторах заполнения [54], основанной на модели неравновесной функции распределения.