Магнитоплазменные возбуждения в GaAs/AlGaAs квантовых ямах и гетеропереходе ZnO/MgZnO

Плазменные возбуждения в двумерных электронных системах являются объектом интенсивного научного исследования уже более тридцати лет. Они позволяют более детально исследовать различные свойства и характеристики системы взаимодействующих частиц. Плазменные волны в металлах и полупроводниках позволили обнаружить целый ряд многочастичных эффектов и более детально изучить зонную структур веществ [1]. С появлением технологий производства электронных систем пониженной размерности интерес в области плазменной физики твердого тела сместился в сторону изучения двумерных (2Б) электронных и дырочных систем в гетероструктурах и квантовых ямах на основе полупроводников типа к1ПЪу и в структурах металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) на поверхности кремния [2]. Это в основном было вызвано тем, что в этих структурах стало возможно создание очень высокоподвижных «двумерных» носителей заряда, а также тем, что путем добавления дополнительного электрода (затвора) появилась возможность достаточно легко изменять важнейший параметр системы — концентрацию носителей заряда.

Двумерные плазмоны впервые наблюдались в системе электронов на поверхности жидкого гелия [3], где возбуждение производилось путем подачи мега-гигагерцового сигнала на обкладки конденсатора, внутри которого находилась поверхность гелия, с нанесенными на нее электродами. Несколько позже двумерные плазмоны были обнаружены и тщательно изучены в (100) МДП структурах [4−7]. В этих экспериментах применялась методика проходной спектроскопии в ИК-диапазоне частот. В этих же системах наблюдалась также эмиссия ИК-излучения, связанная с радиационным распадом двумерных плазмонов [8]. Двумерные плазмоны в АЮаАв/СаАБ гетероструктурах изучались посредством Рамановской спектроскопии [9], эмиссии в дальнем ИК диапазоне [10], поглощения излучения ИК-диапазона [11]. Двумерные плазмоны были также обнаружены в дырочной двумерной системе инверсионных слоев.

110) [12,13]. Плазмонная дисперсия в этой системе отражает сильную непараболичность и анизотропию дырочной зонной структуры (110).

Все перечисленные экспериментальные работы были выполнены в те-рагерцовом или дальнем ИК-диапазоне частот, поскольку плазмонные резонансы можно разрешить только в случае, если сот 1, где т — время электронной релаксации. Прогресс в технологии роста структур за последнее десятилетие привел к улучшению электронной подвижности на несколько порядков. Это дало возможность исследовать плазмоны при гораздо более низких частотах микроволнового диапазона. В работах [14−19] показан целый ряд неожиданных эффектов, связанных с коллективными плазменными возбуждениями. Например, был впервые экспериментально изучен эффект запаздывания, то есть образование слабо затухающего плазмон-поляритонного возбуждения [14,17,19]. Изучение поведения двумерных плазмонов в полосках с длиной много большей ширины привело к обнаружению нового типа плазменных возбуждений — одномерному (1Д) плазмоиу [16]. Также интересным оказалось изучение дисперсии двумерных плазмонов в ОаАэ/АЮаАз гетероструктурах с близко расположенным задним затвором. Экранирующие действия затвора приводит к значительному замедлению волны зарядовой плотности и изменяет плазмонную дисперсию с обычного корневого закона на линейный [18].

Недавно плазменные возбуждения в низкоразмерных квантовых системах вновь оказались в центре научного внимания, вследствие их потенциальных приложений в области детектирования и генерации излучения терагерцового (0,3−10 ТГц) диапазона частот. Терагерцовый диапазон — это мало исследованный район частот, который сулит замечательные перспективы для исследований. Ему соответствуют частоты многих возбуждений в конденсированных средах, такие как фононы, переходы с участием мелких примесей, циклотронный и парамагнитный резонан-сы, вращательные и колебательные возбуждения в жидкостях, а также газах и биологических объектах. Значительный интерес представляет использование терагерцовых методов для неразрушающего контроля и визуализации в медицине, при мониторинге окружающей среды, в пищевой индустрии, борьбе с терроризмом [20,21]. На сегодняшний день для детектирования непрерывного терагерцового излучения в основном применяются широкополосные приемники излучения, такие как диоды Шоттки (Schottky diode), акусто-оптические детекторы (Golay Cell), болометры (Bolometers), пироэлектрические детекторы (Pyroelectric). Применение селективных и перестраиваемых детекторов при спектральном анализе ограничено использованием громоздких дифракционных решеток и механически перестраиваемых интерферометров. Недавно было показано, что селективным детектором может быть полевой транзистор с двумерным электронным газом в канале, перестраиваемый приложенным к затвору напряжением. Падающее излучение возбуждает в субмикронном канале экранированные плазменные возбуждения, чей потенциал выпрямляется за счет различных граничных условий на концах канала [22,23]. Резонансное и нерезонансное детектирование излучения тера-герцового диапазона наблюдалось на СаАв/АЮаАз полевых транзисторах [24−26], в кремниевых полевых транзисторах [27] и ЫСаРДпСаАв/СаАв полевых транзисторах [28]. Прибор показал успешную работу вплоть до комнатных температур.

Недавно была продемонстрирована возможность селективного детектирования микроволнового излучения (вплоть до 0,6 ТГц) двумерной электронной системой ОаАв/АЮаАз квантовой ямы в магнитном поле [29,30]. Под действием внешнего излучения измеряемый постоянный сигнал фотонапряжения представлял собой В-периодические осцилляции, амплитуда и период которых были пропорциональны соответственно мощности и длине волны падающего излучения. Эффект интерпретировался как интерференция когерентно возбужденных магнитоплаз-менных волн. Прибор показал успешную работу вплоть до температур 150 К. Селективное детектирование терагерцового излучения было также получено на полевом СаАз/АЮаАв транзисторе, покрытом решетчатым затвором [31,32]. При совпадении частоты падающего излучения с частотой плазменного возбуждения в канале наблюдался резонансный отклик фотонапряжения. Прибор показал успешную работу вплоть до температуры 50 К.

Создание компактного перестраиваемого генератора непрерывного терагерцового излучения является нерешенной задачей до настоящего времени. Наиболее распространенными в настоящее время источниками являются: генераторы на диоде Ганна (Gunn Oscillator), газовые лазеры (Gas Laser), лампы обратной волны (BWO), лазеры на свободных электронах (FEL) и квантовые каскадные лазеры (QCL). Радиационный распад плазменных волн двумерного электронного газа может стать альтернативным физическим механизмом генерации излучения терагерцо-вого диапазона. Недавно была продемонстрирована перестраиваемая резонансная эмиссия терагерцового излучения (0,2−4,0 ТГц) из наномет-рового двумерного канала InGaAs полевого транзистора [27,33]. Эмиссия была объяснена посредством плазменной нестабильности в канале транзистора, вызванной протеканием постоянного тока через двумерный электронный газ с различными граничными условиями. Наибольшая зарегистрированная мощность излучения составила 0,1 мкВт.

Целями и задачами диссертационной работы является:

1. Изучение физических свойств и законов дисперсии плазменных колебаний в двумерных электронных структурах, латерально (с боку) ограниченных металлическим затвором.

2. Исследование влияния параллельного магнитного поля на частоту магнитоплазменных резонансов в широких GaAs/AlGaAs квантовых ямах.

3. Изучение плазменных и магнитоплазменных возбуждений в гетеропереходе Mg^Zni-^O/ZnO.

Методы исследований. Исследования проводились методом оптического детектирования резонансного микроволнового поглощения. Этот метод основан на высокой чувствительности оптических спектров электрон-дырочной рекомбинации к температуре электронного газа [34].

Научную новизну работы составляют следующие результаты, выносимые на зищату:

1. Исследованы дисперсии магнитоплазменных и плазменных возбуждений в двумерных электронных системах, край которых задается с помощью металлического затвора и приложенного к нему напряжения. Обнаружено значительное уменьшение частоты плазменных волн, но сравнению с плазменной частотой, измеренной в вытравленных мезах, имеющих ту же геометрию, размер и электронную плотность. Исследована зависимость наблюдаемого «смягчения» частоты от размера структуры и показано, что латералыю экранированное плазменное возбуждение не обладает корневым законом дисперсии.

3. Улучшена методика оптического детектирования резонансного микроволнового поглощения, что позволило изучать электронные маг-нитоплазменные возбуждения в СаАя/АЮаАв квантовых ямах при фиксированных значениях внешнего магнитного поля, непрерывно разворачивая частоту микроволнового возбуждения в диапазоне от 250 МГц до 40 ГГц.

4. Исследована дисперсия магнитоплазменных возбуждений в широких квантовых ямах на основе ОаАз/АЮаАэ в сильном параллельном магнитном поле. Обнаружен значительный рост циклотронной массы электрона с увеличением параллельной составляющей магнитного поля. Установлена квадратичная зависимость приращения циклотронной массы от величины параллельного магнитного поля.

Показано, что индуцированная параллельным полем анизотропия массы 20-электронов достигает величины 2,5. Из зависимости анизотропии от магнитного поля оценена энергия пространственного квантования электрона в квантовой яме.

5. Исследовалось влияние параллельного магнитного поля на дисперсию объемных и краевых магнитоплазменных возбуждений в двумерных электронных системах на основе СаАз/АЮаАв квантовых ям с геометрией диска. Обнаружено, что анизотропия эффективной массы электронов, возникающая в параллельном магнитном поле, снимает вырождение для плазменных колебаний в диске. При этом в спектре магнитоплазменных возбуждений открывается щель, а закон магнитодисперсии для этих возбуждений меняется с линейного на параболический. Величина щели определяется разницей частот плазменных колебаний вдоль и поперек поля и растет квадратично с ростом величины параллельного магнитного поля.

6. Изучены магнитоплазменные резонансы в двумерных электронных структурах на основе одиночного гетероперехода М§ Е2п1хО/^пО, где х =0,02. Показано, что полученная экспериментальная зависимость магнитоплазменных резонансов от магнитного поля достаточно хорошо описывается теоретическими формулами. Циклотронная масса электрона оказалась равной тс = (0,31 ± 0,05)тоОбнаружена щель в спектре магнитоплазмона. Так же было показано сильное затухание амплитуды краевого магнитоплазменного колебания с ростом магнитного поля. Ширина плазменного резонанса, как оказалось, не зависит от температуры в диапазоне от 0,3 до 3 К.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость работы заключается в следующем.

— Для латерально экранированных двумерных электронных систем показано, что существующие теоретические работы не предсказывают зависимость коэффициента «смягчения» от размеров образца. Возможно, в теоретических работах стоит изменить граничные условия и учесть, что в эксперименте металлический затвор был изолирован от слоя двумерных электронов, что не позволяло протекать току из двумерного слоя в затвор.

— Исследование влияния сильного параллельного магнитного поля на дисперсию магнитоплазменных возбуждений показали, что можно пользоваться точным теоретическим решением задачи о двумерном электроне в параллельном магнитном поле, полученным для квантовой ямы с параболическим законом изменения потенциала.

Практическая значимость работы заключается в следующем.

— Как правило, электронные приборы, основанные на возбуждении и распространении плазменных колебаний, помимо двумерного слоя включают в себя контакты и металлические электроды — затворы. Учет «смягчения» плазменной частоты и его зависимость от профиля бокового затвора, полученные в диссертационной работе, имеют важное значение при проектировании электронных приборов.

— Разработана методика измерения двумерных электронных структур в сильном параллельном магнитном поле. Из анализа зависимости смещения магнитоплазменного резонанса при изменении параллельного магнитного поля можно получить одну из ключевых характеристик квантовой ямы — энергию межподзонного расщепления.

— Особый интерес к низкоразмерным структурам на основе ZnO обусловлен значительно более сильным кулоновским взаимодействием двумерных электронов, что должно положительно сказаться на перспективе разработки на основе цинка лазерных источников ультрафиолетового диапазона, работающих при комнатной температуре. На данной структуре нами была показана применимость и эффективность методики оптического детектирования микроволновых ре-зонансов. Получена эффективная масса электрона — одна из главных характеристик системы.

Апробация работы. Результаты представленных в диссертации исследований докладывались на IX Российской конференции по полупроводникам (2009), конференции МФТИ (2009), а также на научных семинарах в ИФТТ РАН.

Личный вклад автора состоял в постановке задач, разработке методик, проведении экспериментов, построении теоретических моделей и выполнении соответствующих расчетов, обработке и интерпретации результатов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка цитированной литературы. Общий объем диссертации составляет 114 страниц, включая 34 рисунка. Результаты работы автора отражены в статьях [144−147].

6 Заключение.

В настоящей диссертационной работе исследовались спектры резонансного микроволнового поглощения ограниченных двумерных электронных структур в различных магнитных полях. Целью работы являлось изучение спектров коллективных магнитоплазменных возбуждений в таких структурах, а также исследование их в сильном параллельном магнитном поле. Отдельной целью было изучение новой двумерной структуры, основанной на гетеропереходе ZnO/MgZnO. Результаты работы можно сформулировать следующим образом:

1. Исследованы магнитоплазменные резонапсы в двумерных электронных структурах на основе ОаАз/АЮаАв квантовых ям, ограниченных в плоскости металлическим затвором. Показано, что наличие металлического затвора существенно смягчает частоту магнитоплазменных резонансов. Качественно величина смягчения оказывается близкой к оценкам полученным в теоретических работах, однако на эксперименте наблюдается увеличение фактора смягчения при уменьшении диаметра отверстия и соответственно росте волнового вектора плазмона. Наблюдаемое увеличение фактора смягчения свидетельствует об отличии закона дисперсии латерально экранированного плазмона от корневого, типичного для пеэкранированных плазменных колебаний в двумерном слое электронов.

2. Исследовано поведение верхней «циклотронной» ветви магнитоплазменных колебаний в ОаАв/АЮаАв квантовой яме в сильном параллельном магнитном поле для диска диаметром (1=1 мм. Измерена зависимость циклотронной массы двумерных электронов от величины параллельного магнитного поля вплоть до полей 7 Т. Показано, что в исследуемом диапазоне полей циклотронная масса квадратично растет с увеличением параллельного поля от тс = 0,067ш0 в нулевом поле до тс = 0,107гпо в параллельном поле 7 Т. Это соответствует росту перпендикулярной компоненты тензора эффективной массы двумерных электронов более, чем в два с половиной раза до тi = 0,171то.

3. Исследовано влияние параллельного магнитного поля на дисперсию объемных и краевых магнитоплазменных возбуждений в двумерной электронной системе с геометрией диска. Обнаружено, что анизотропия эффективной массы электронов, возникающая в параллельном магнитном поле, снимает вырождение для плазменных колебаний в диске, при этом в спектре магнитоплазменных возбуждений открывается щель, а закон магнитодисперсии для этих возбуждений сменяется с линейного на параболический. Величина щели определяется разницей частот плазменных колебаний вдоль и поперек поля и растет квадратично с ростом величины параллельного магнитного поля.

4. Исследованы магнитоплазменные резонансы в двумерных электронных структурах на основе одиночного Mg^Zni-^O/ZnO гетероперехода, где х — 0,02. Показано, что полученная экспериментальная зависимость магнетоплазменных резонансов от магнитного поля достаточно хорошо теоретически описывается формулой, где в качестве циклотронной массы электрона было взято значение тс = (0,31 ±-0,05)шо. Так же было обнаружено сильное затухание амплитуды краевого магнитоплазменного колебания с ростом магнитного поля, которое можно связать с сильным электрон-электронным взаимодействием. Ширина плазменного резонанса оказалась приблизительно равно 10−13 ГГц и не зависит от температуры в диапазоне от 0,3 К до 3 К.

Автор искренне признателен своему научному руководителю Игорю Владимировичу Кукушкину за внимание и содействие в работе. Хочу отдельно поблагодарить Сергея Ивановича Губарева за совместное плодотворное сотрудничество и за многочисленные обсуждения, а также всех сотрудников Лаборатории Неравновесных Электронных Процессов ИФТТ РАН за теплую и дружескую атмосферу.