Механизмы рассеяния электронов в наноструктурах на гетерогранице AlGaAs/GaAs

Одной из наиболее актуальных задач современной физической электроники является создание приборов и устройств, работа которых основана на квантовых свойствах низкоразмерных микрочастиц. Особый интерес вызывает изучение электронного спектра и процессов релаксации двумерных электронов проводимости в условиях высокой концентрации носителей. В прикладном направлении исследования различных механизмов переноса электронов важны для реализации сильноточных сверхбыстрых транзисторов и других составляющих современной элементной базы.

В приборах с высоким уровнем мощности для получения больших токовых значений необходимо одновременно повышать концентрацию п8 и подвижность ц электронов. Однако с увеличением п8 падает подвижность электронов, а при уменьшении концентрации подвижность растет только до определенного предела. Исследования процессов релаксации электронов при больших концентрациях позволяют выявить, какие физические процессы несут ответственность за ограничение подвижности носителей заряда.

Наиболее простой реализацией двумерного электронного газа является п-АЮаАзЛЗгаАз наноструктура. При больших уровнях легирования в низкоразмерной области возникают несколько заполненных уровней размерного квантования. Как известно, подвижность электронов пропорциональна транспортному времени релаксации % которое определяется рассеянием носителей на большие углы. Кроме того, важную информацию несет одночастичное время релаксации тч, которое связано с рассеянием на малые углы. Изучение х и позволяет выявить суть физических явлений на гетерогранице наноструктуры. Исследования структур с 8-легированием на вицинальной грани ьОаАз также представляют большой интерес, как в фундаментальном аспекте, так и для дальнейших приборных реализаций.

Наиболее информативными методами являются измерения компонентов тензора магнитосопротивления в квантующих магнитных полях в условиях низких температур, исследования спектров низкотемпературной фотолюминесценции, а также вольтамперных характеристик и температурных зависимостей проводимости при сильных и слабых электрических и магнитных полях в области низких и сверхнизких температур. Подобные эксперименты использованы для изучения электронных явлений при существовании в низкоразмерных областях нескольких подзон размерного квантования.

Цель настоящей работы заключается в идентификации механизмов рассеяния, ограничивающих подвижность низкоразмерных электронов в наноструктурах различного химического и слоевого состава, в которых обнаружены аномальные низкотемпературные и магнитополевые характеристики.

Достижение цели исследований требует решения следующих задач:

1. Детальное исследование явлений низкотемпературного транспорта двумерных электронов и выявление в особенностях релаксации носителей заряда роли электрон-электронного взаимодействия на гетерогранице сильнолегированных наноструктур п — АЮаАз^Г)/ОаАэ.

2. Исследование явлений низкотемпературного магнитотранспорта двумерных электронов проводимости в ОаАз (8−8п, 81) структурах на вицинальной грани, определение количественных параметров и их магнитотемпературных зависимостей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Обнаружено изменение наклона логарифмических зависимостей (изломы) нормированной амплитуды осцилляций поперечного магнитосопротивления от обратного магнитного поля (графики Дингла) в.

11 О сильнолегированных наноструктурах п-АЮаАз^уОаАз (п8>8−10 см). Данные аномалии связаны с температурной зависимостью одночастичного времени релаксации электронов и объяснены изменением (конкуренцией) парциального вклада внутриподзонного и межподзонного электрон-электронного взаимодействия.

2. Установлено сильное воздействие температуры и магнитного поля на характер немонотонных зависимостей одночастичных времен релаксации в сильнолегированных наноструктурах п-АЮаАз^уОаАБ. Увеличение магнитного поля сжимает радиальную составляющую волновой функции электронов, а повышение температуры делокализует ее. Это приводит к сложной зависимости нормированной амплитуды осцилляций Шубникова — де Гааза (ШдГ) от обратного магнитного поля.

3. Впервые выявлена аномалии и анизотропия явлений переноса СаА8(5−8п, 81) структур на вицинальной грани: (5-г7)% для [110] направления и до 28% для [110] направления. По результатам вычислений зонной диаграммы ОаАз (8−8п) структуры под уровнем Ферми обнаружено две подзоны размерного квантования, модулированные по [110] направлению. Найдено, что аномалии в зависимостях Аа/ао (Т) и Ар/ро (В) для [110] и [110] направлений связаны с модулированием потенциального рельефа.

Научная и практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем:

1. Развитые модельные представления о конкуренции внутриподзонной и межподзонной электрон-электронной релаксации при большой концентрации двумерных носителей в условиях сильного вырождения электронов позволили разработать подходы к объяснению магнитотемпературных аномалий одночастичного времени релаксации электронов в сильнолегированных наноструктурах п-АЮаАз^уОаАз.

2. В сильнолегированных наноструктурах п-АЮаАз^уваАз при подавлении межподзонного электрон-электронного рассеяния существует возможность увеличить подвижность носителей технологическими методами без изменения их концентрации.

3. В структурах с 8-легированием на вицинальной грани ьваАз матрицы, созданных в реализуемых технологических условиях и условиях экспериментов, предоставленных для исследования, не обнаружено существование квазиодномерных каналов. Теория квантовых поправок позволила объяснить аномалии и анизотропию кинетических свойств электронов проводимости эффектами слабой локализации и электрон-электронного взаимодействия и определить характерные времена релаксации электронов как в продольном, так и в поперечном магнитных полях. Обнаруженная сильная анизотропия ОаАз (8−8п, 8)) структур допускает возможность создания на их основе твердотельных переключателей.

Достоверность полученных результатов подтверждается их воспроизводимостью на большом количестве исследуемых образцов и соответствием результатов, полученных с помощью различных аналитических методов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Анализ осцилляций Шубникова — де Гааза для сильнолегированных наноструктур п-АЮаАз^уОаАэ и структур с 5- легированием на вицинальной грани ьОаАя матрицы позволяет экспериментально определить величины одночастичных времен релаксации электронов в подзонах размерного квантования.

2. Изменение наклона зависимостей логарифма нормированной амплитуды осцилляций Шубникова — де Гааза от обратной величины индукции магнитного поля вызвано разрушением внешним магнитным полем межподзонной электрон-электронной релаксации и сменой механизмов рассеяния электронов в сильнолегированных наноструктурах п-АЮаА8($ 1)/ОаА8. Рост температуры делокализует волновую функцию электронов и восстанавливает межподзонную электрон-электронную релаксацию.

3. Структуры с 5- легированием на вицинальной грани ьОаАз матрицы обладают сильной анизотропией и аномалиями проводимости и магнитосопротивления, достигающими относительных величин (5−7)% для [110] направления и 28% для [110] направления.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Общий объем диссертации составляет 155 страниц, в том числе 7 таблиц, 34 рисунка и список цитируемой литературы из 111 наименований.

Основные выводы и результаты.

Рассмотрены аномалии малоугловой релаксации электронов в сильнолегированных наноструктурах п-АЮаАз^уОаАз с заполнением двух подзон размерного квантования. Дано объяснение немонотонной зависимости температуры Дингла от температуры Тв (Т). Показано, что данные аномалии определяются межподзонной электрон — электронной релаксацией.

Выявлено, что магнитное поле и температура оказывают противоположные воздействия на межподзонную релаксацию электронов. Показано, что в структурах с заполнением нескольких подзон размерного квантования необходимо учитывать как межподзонную, так и внутриподзонную релаксацию импульса электронов. Хотя доминирующую роль играют обычные механизмы релаксации (электронно — примесное, электронфононное и т. д.), все они проявляются через межи внутриподзонное электронэлектронное взаимодействие.

Были подвергнуты комплексному анализу измерения кинетических коэффициентов в слабых, сильных и квантующих магнитных полях. В ОаАз (8−8п) структуре на вицинальной грани при угле разориентации 0.3° не обнаружено свойств, присущих электронам в одномерных каналах.

Сопоставлением температурных, вольтамперных и магнитополевых зависимостей проводимости (в поперечном и продольном магнитном поле).

142 структур были обнаружены аномалии свойств.

GaAs (0.3°, 8-Sn) структуры по [110] направлению относительно [110] направления. Данные аномалии связаны с уменьшением концентрации Sn на плато террас из-за сегрегации его на торцах ступеней, что создает исключительные условия для электронного транспорта по [110] направлению.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. V.I. Kadushkin, E.L. Shangina, F.M.Tsahhaev. Relaxation mechanisms of 2D — electrons in selective doped n — AlGaAs/GaAs heterostmcture. Physics of Low-Dimensional Structures, 1996, N 11/12, p.43−64.

2. В. И. Кадушкин, E.JI. Шангина, Ф. М. Цаххаев. Энергетический спектр GaAs (S-Sn) структры на вицинальной грани. Физика твердого тела, 1997 t.39,N 10, с.1853−1856.

3. V.I. Kadushkin, E.Y. Klyshevich, E.L. Shangina, F.M. Tsahhaev. Anisotropy and anomalies of low — temperature 2D — electron transport in 8-(Si, Sn) doped nanostructures grown on i-GaAs vicinal plane. Physics of LowDimensional Structures, 1998, N ¾, p. 135−166.

4. V.I. Kadushkin, E.Y. Klyshevich, E.L. Shangina, F.M. Tsahhaev. Relaxation mechanisms of 2Delectrons in selectively doped n-AlxGai.xAs/GaAs heterostmcture with the filling of two subbands. Physics of LowDimensional Structures, 1999, N 5/6, p. 55−74.

5. V.I.Kadushkin, F.M.Tsahhaev. Intersubband relaxation of 2D electrons in AlGaAs (Si)/GaAs heavily doped heterojunction. Physics of LowDimensional Structures, 2000, N ½, p. 93−112.

6. Цаххаев Ф. М. Анизотропия эффективной массы 2D электронов в гетеропереходе с латеральной сверхрешеткой на вицинальной грани.

Международная конференция студентов и аспирантов «Ломоносов -97». Москва, МГУ, 1997 г. Сборник тезисов, с. 55.

7. V.I. Kadushkin, E.L. Shangina, F.M. Tsahhaev. Anomalies of weak localization of 2Delectrons in 5-Sn and 5-Si layers on vicinal plane of i-GaAs matrix. 12 Уральская Международная зимняя школа по физике полупроводников «Электронные свойства низкоразмерных полуи сверхпроводниковых структур», Екатеринбург, 1997, с. 15.

8. В. И. Кадушкин, Е. В. Клышевич, Е. Л. Шангина, Ф. М. Цаххаев. Тезисы докладов: Анизотропия времен релаксации электронов в 8-Sn и 8-Si слоях на вицинальной грани i-GaAs матрицыОптический эшелетт на вицинальной грани полуизолирующегоОаА8(Сг). 3 Всероссийская Конференция по физике полупроводников «Полупроводники — 97», 1997, Москва, с. 73,с.331.

9. V.I. Kadushkin, E.V.Klyshevich, E.L. Shangina, F.M. Tsahhaev, Yu.A.Kotova. Energy spectrum and relaxation mechanisms of electrons in lateral-surface superlattices GaAs (0.3°, S-Sn). The 24th International Conference on the Physics of Semiconductors, 1998, Jerusalem, Israel, p.342.

10. J. Kavaliauskas, G. Krivaite, B. Cechavicius, V.I.Kadushkin, E.V.Klyshevich, E.L.Shangina, F.M.Tsahhaev. Abstracts: Photomodulation processes in GaAs/AlAs type-I quantum well structures. 10th International Symposium on Ultrafast Phenomena in Semiconducors, 1998, Vilnius, Lithuania, p. 126.