Взаимодействие поверхностных акустических волн с двумерными электронами в гетероструктурах GaAs/AlGaAs в режиме целочисленного квантового эффекта Холла

Актуальность темы

Требования к современной микроэлектронике, обусловленные развитием информационных технологий, диктуют необходимость повышения быстродействия элементной базы. Одним из способов повышения рабочих частот полупроводниковых приборов является применение систем с пониженной размерностью, таких как двумерные электронные системы (2МЭС), которые образуются на границе раздела двух полупроводниковых материалов. В этом смысле, одними из наиболее перспективных объектов, благодаря высокому качеству гетерограницы, являются гетероструктуры ОаАз/АЮаАБ.

Использование низкоразмерных систем в электронике требует глубокого понимания их фундаментальных физических свойств, тем более, что они сильно отличаются от свойств трехмерных объектов. Наиболее ярким проявлением этих отличий является квантовый эффект Холла.

В 1980 году, изучая транспортные свойства в кремниевой МДП-структуре в высоких магнитных полях при низких температурах, К. фон Клитцинг обнаружил плато на зависимости холловского сопротивления рху от напряжения на затворе структуры, или, иными словами, концентрации электронов [1]. Оказалось, что значения р^ на плато с высокой точностью совпадают с целочисленными значениями к/е где И — постоянная Планка, е — заряд электрона. Открытие этого явления, целочисленного квантового эффекта Холла (ЦКЭХ), привело к тому, что исследование систем с пониженной размерностью в последнее время стало одним из наиболее активно развивающихся направлений физики полупроводников.

Фундаментальной характеристикой полупроводниковых объектов является осуществляемый в них механизм проводимости. В двумерной электронной системе, находящейся в плоскости перпендикулярной вектору напряженности сильного магнитного поля, энергетический спектр электронов представляет собой систему дискретных уровней Ландау. Присутствие примесей в системе уширяет каждый из уровней.

Подавляющая часть электронов заполняет те состояния на уширенных хвостах уровней Ландау, которые соответствуют положению электронов в локальных «впадинах» или «на вершинах» потенциала примеси. Такие состояния называют локализованными. Лишь бесконечно узкая по энергии полоса состояний в центре каждого уровня Ландау отвечает делокализованному состоянию.

Особенности локализации в двумерных электронных системах (2МЭС) можно эффективно изучать, исследуя их высокочастотную (ВЧ) проводимость в режиме квантового эффекта Холла. Одним из оправдавших себя методов исследования ВЧ-проводимости является акустический метод, который позволяет измерять ВЧ-проводимость полупроводников без каких-либо электрических контактов на образце.

Акустические методы успешно использовались при исследовании ВЧ проводимости трехмерного электронного газа в легированных компенсированных полупроводниках при низких температурах [2,3]. Было показано, что если электроны находятся в свободном (делокализованном) состоянии, то коэффициент поглощения ультразвука электронами в полупроводнике, являющемся пьезоэлектриком, в магнитном поле Н полностью определяется его проводимостью с? с (Н), измеренной на постоянном токе. Если же происходит локализация электронов на отдельных примесных центрах или в случайном флуктуационном потенциале примесей, то проводимости в постоянном электрическом поле и в ВЧ поле различаются <^Н)Ф<^С{Н).

В связи с выше сказанным было полезно распространить акустические методы исследования ВЧ-проводимости на структуры с 2МЭС. В отличие от измерений высокочастотной проводимости 2МЭС в экспериментах с использованием полосковой линии или в СВЧ резонаторе, акустический метод позволяет определять как реальную, так и мнимую компоненту проводимости, что особенно важно в области локализации носителей заряда в режиме ЦКЭХ.

При изучении структур с 2МЭС открывается уникальная возможность в одном цикле измерений и на одном и том же образце изучать механизмы нелинейности в делокализованных и локализованных состояниях электронов, так как в режиме квантового эффекта Холла оба этих состояния осуществляются при изменении магнитного поля.

Перспективным является использование бесконтактного акустического метода для определения параметров двумерного электронного газа и качества гетероструктур.

Таким образом, использование акустических методов для изучения свойств 2МЭС в режиме ЦКЭХ весьма актуально. Цель данной работы:

1) Определение высокочастотной проводимости из измерений коэффициента поглощения и относительного изменения скорости поверхностных акустических волн в пьезодиэлектрике, контактирующем при малом (относительно длины волны ПАВ) зазоре с гетероструктурами ОаАз/АЮаАБ с двумерными электронами в зависимости от частоты волны, величины вакуумного зазора, магнитного поля и температуры. Исследование низкотемпературных механизмов ВЧ-проводимости в области делокализации электронов и в режиме ЦКЭХ.

2) Изучение механизмов нелинейных эффектов при взаимодействии 2МЭС с высокочастотным электрическим полем поверхностной акустической волны.

3) Определение параметров двумерного электронного газа бесконтактным акустическим методом.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые:

1) Измерения коэффициента поглощения и относительного изменения скорости ПАВ, при ее взаимодействии с двумерными электронами, использовались для определения ВЧ-проводимости 2МЭС.

2) Обнаружено, что в гетероструктурах с 2МЭС в области магнитных полей, соответствующих режиму ЦКЭХ, проводимости <7хуас (Н) и о-ЛЯ), полученные из измерений на постоянном токе и из высокочастотных акустических измерений не совпадают. Этот факт связан с локализацией двумерных носителей заряда в режиме ЦКЭХ.

3) Из акустических измерений, в области делокализации электронов, где (Jxx'ic (//)=aj'iH), определены параметры 2МЭС (подвижность, квантовое и транспортное времена релаксации) и механизмы рассеяния двумерных электронов.

4) При изучении разогрева двумерного электронного газа электрическим полем ПАВ показано, что степень разогрева зависит от частоты ПАВ. Акустическим методом определен механизм релаксации энергии двумерных электронов.

5) Показано, что для описания коэффициента поглощения Г и относительного изменения скорости AV/V при взаимодействии ПАВ с двумерными электронами в области малых четных чисел заполнения, где электроны локализованы, необходимо рассматривать как реальную <т, так и мнимую 02 компоненты вч-проводимости 2МЭС.

6) Обнаружено, что в режиме ЦКЭХ, при малых четных числах заполнения и при минимальных температурах, имеет место ВЧ прыжковая проводимость, когда 02/ai>l, при этом <7] не зависит от температуры.

7) Показано, что в 8-легированных кремнием гетероструктурах GaAs/AlGaAs в магнитных полях вблизи центров холловских плато прыжковая проводимость по 5-слою кремния может шунтировать высокочастотную прыжковую проводимость в двумерном канале.

8) Проведен анализ нелинейной по ВЧ электрическому полю ПАВ проводимости О] в режиме активации носителей при малых числах заполнения в рамках теории нелинейной перколяционной проводимости Шкловского.

9) Обнаружены и проанализированы особенности в поглощении и относительном изменении скорости ПАВ при спиновом расщеплении уровней Ландау. Акустическим (бесконтактным) методом определен эффективный g-фактор двумерных электронов в гетероструктурах GaAs/AlGaAs.

На защиту выносятся следующие положения:

1) В гетероструктурах с 2МЭС при низких температурах в области магнитных полей, соответствующих режиму ЦКЭХ, проводимости сгХ1(1с (Н) и (Гхх^Ш)-, полученные из измерений на постоянном токе и из высокочастотных акустических измерений не совпадают. Этот факт связан с локализацией двумерных носителей заряда.

2) В области относительно малых магнитных полей электроны делокализованы. При этом <�тх/" (Я)=аххк,(Н).

3) В области магнитных полей, соответствующих малым четным числам заполнения, высокочастотная проводимость имеет прыжковый характер. В 5-легированных гетероструктурах ОаАя/АЮаАз в магнитных полях вблизи центров холловских плато прыжковая проводимость по 5-слою может шунтировать высокочастотную прыжковую проводимость в двумерном канале.

4) Нелинейные эффекты при взаимодействии ПАВ с делокализованными двумерными электронами связаны с разогревом двумерного электронного газа высокочастотным электрическим полем ПАВ, который можно описать с помощью электронной температуры Т. е. При этом баланс энергии электронного газа определяется рассеянием энергии электронов на пьезоэлектрическом потенциале акустических фононов, а рассеяние электронов происходит на заряженных примесных центрах.

5) Нелинейная по электрическому полю ПАВ активационная проводимость <�У (Е) хорошо описывается теорией нелинейной перколяционной проводимости Шкловского.

Научно-практическая ценность работы заключается в следующем:

1) Предложена методика определения реальной о, и мнимой ог компонент ВЧ-проводимости 2МЭС из коэффициента поглощения и относительного изменения скорости ПАВ.

2) Разработан метод разделения прыжковой проводимости в двумерном канале и по 5-слоями кремния.

— 103) Предложен метод определения длины локализации электронов в режиме ЦКЭХ, там где проводимость на постоянном токе сгг/6(//)->0.

4) Выработана методика определения зазора между гетероструктурой и пьезоэлектрической подложкой.

5) Создана методика бесконтактного определения параметров 2МЭС. Это весьма актуально, т.к. определение электрических параметров двумерных электронов в гетероструктурах стандартным методом на постоянном токе связано с использованием достаточно сложной технологии: образец должен быть изготовлен в виде холловского мостика, при этом контакты должны быть низкоомными.

Апробация работы:

Основные результаты работы докладывались на международных и российских конференциях — 11th International Conference on Electronic Properties of Low Dimensional Structures (Дубна, 1995) — 14th International Conference on Utilization of Ultrasonic methods in Condensed Matter (Zilina, Slovakia, 1995) — International Symposiums on Acoustoelectronics, Frequency Control, Signal Generation (Москва, 1996 и С.-Петербург-Кижи, 1998) — 23rd International Symposium on Compound Semiconductors (С.-Петербург, 1997) — 7th and 8th International Conference on Hopping and Related Phenomena, (Rackeve, Hungary, 1997; Murcia, Spain, 1999) — International Symposiums «Nanostructures95, 97, 98, 99: Physics and Technology, (С.-Петербург1995, 1997, 1998 and 1999) — II, III, IV Всероссийских конференциях по физике полупроводников, (Зеленогорск, 1995, Москва, 1997, Новосибирск, 1999) — 16th, 17th and 18th General Conferences of the Condensed Matter Division of European Physical Society (Leuven, Belgium, 1997, Grenoble, France, 1998, Montreux, Switzerland, 2000) — 31 Совещание по физике низких температур, (Москва, 1998) — 21t и 22d International Conference on Low Temperature Physics (Prague, 1996; Helsinki, 1999) — 24th International Conference on the Physics of Semiconductors (Jerusalem, Israel, 1998).

Публикации. Основные результаты исследования изложены в 11 статьях, опубликованных в российских и иностранных журналах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, содержит 136 страниц текста, включая 36 рисунков и 2 таблицы. Библиография содержит 83 наименования.

— 124-ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

На основании изучения зависимостей коэффициента поглощения и относительного изменения скорости ПАВ, при ее взаимодействии с двумерными электронами в гетероструктурах GaAs/AlGaAs, от магнитного поля, частоты, зазора, а и температуры можно сделать следующие выводы:

1) В области дел окал изован н ых электронов а) определена высокочастотная проводимость электронов в двумерном канале исследуемой гетероструктуры и ее зависимость от магнитного поля. Величина проводимости 2МЭС о^, определенная из акустических измерений, при разных величинах а, в области магнитных полей до 20кЭ совпадает с точностью до 20% со значениями crxydc, которые вычислялись из гальваномагнитных измерений зависимостей рхх (//) и /?ху (Я) на постоянном токеб) в этой области магнитных полей использование акустических методов дало возможность определить бесконтактным способом параметры гетероструктуры: концентрацию электронов, их подвижность при Н= 0, транспортное и квантовое времена релаксации, температуру Дингла. Из соотношения транспортного и квантового времен релаксации мы определили, что в нашем случае рассеяние электронов происходит на ионизованных примесяхв) в этой области магнитных полей нелинейные эффекты в поглощении ПАВ объясняются разогревом 2МЭГ высокочастотным электрическим полем ПАВ, который можно описать с помощью электронной температуры Те, превышающей температуру решетки Т.

Показано, что экспериментальные зависимости мощности энергетических потерь Q от Те на разных частотах ПАВ зависят от соотношения сот£ по сравнению с 1, где гй-время релаксации энергии двумерных электронов. Представлены результаты эксперимента, подтверждающие расчеты разогрева двумерного электронного газа электрическим полем поверхностной акустической волны для случая теплых электронов (АТ"Т), показывающие, что для одной и той же мощности энергетических потерь О степень разогрева (т.е. отношение Т/Г) при <уг4>1 меньше, чем при юте" (/=30 МГц).

Показано, что время релаксации энергии электронов т£ определяется рассеянием энергии на пьезоэлектрическом потенциале акустических фононов в условиях сильного экранирования для частот ПАВ, используемых в эксперименте.

2) В области локализации электронов а) показано, что проводимость аххск измеренная на постоянном токе не совпадает с высокочастотной проводимостью сг^, определенной из акустических измеренийб) полученные экспериментальные зависимости удалось описать с помощью теоретической формулы с учетом локализации носителей в режиме ЦКЭХ, выражающемся в необходимости рассмотрения как реальной, так и мнимой компонент высокочастотной проводимости сгххы=гх1-/СГ2. Из одновременных измерений Г и АУ/У0 были определены зависимости о и сг2 от магнитного поля и температурыв) установлено, что при малых четных числах заполнения осуществляется высокочастотная прыжковая проводимость, которая характеризуется тем, что аг1<�У>, причем о не зависит от температурыг) обнаружено, что в структурах СаАз/АЮаАй с 8-слоями 81, вблизи центров холловских плато прыжковая проводимость по 5-слою кремния может шунтировать высокочастотную прыжковую проводимость в двумерном каналед) определена длина локализации двумерных электронов £=2−10~6см (А049) (?, невозможно определить из измерений на постоянном токе, т.к. о-ххс3с->0 в режиме ЦКЭХ). е) показано, что особенности в зависимостях коэффициента поглощения Г и относительного изменения скорости ПАВ АУ/Уо в условиях спинового расщепления уровней Ландау, связаны с тем, что проводимость 2МЭС при спиновом расщеплении всегда больше, чем при орбитальном. Это также ведет к тому, что флуктуационный потенциал заряженных примесей, определяющий ширину зон Ландау, эффективнее экранируется при спиновом расщепленииж) показано, что нелинейные по электрическому полю ПАВ Е эффекты в проводимости <т хорошо объясняется теорией нелинейной перколяционной проводимости, развитой Шкловским. Этот факт дает возможность оценить амплитуду флуктуационного потенциала примесей.

Личный вклад автора состоял в осуществлении низкотемпературных экспериментов, получении, обработке и анализе экспериментальных результатов.

В заключение я хочу поблагодарить моего научного руководителя И. Л. Дричко за постановку задачи, помощь в овладении экспериментальной методикой, помощь в развитии целостного представления о фундаментальных физических процессах, описанных в диссертации, помощь в написании и редактировании диссертации, чуткое руководство и постоянную и всестороннюю поддержку в работе.

Я хочу поблагодарить моего соавтора А. М. Дьяконова за разработку и реализацию схемы и компонентов акустической установки .

Я благодарен моему соавтору А. В. Суслову за помощь в освоении современного программного обеспечения, используемого для получения, обработки и анализа экспериментальных результатов.

Я хочу выразить признательность моим соавторам В. Д. Кагану и Ю. М. Гальперину за полезные обсуждения экспериментальных результатов.

Я благодарен моему соавтору Т. А. Полянской за предоставленные образцы и за помощь в интерпретации экспериментальных результатов, моим соавторам А. И. Торопову и В. В. Преображенскому за предоставленные образцы, Г. О. Андрианову за помощь в модернизации низкотемпературной установки, Р. В. Парфеньеву за помощь в овладении методикой.

— 127 низкотемпературных экспериментов, постоянный интерес и поддержку в работе, а также сотрудникам лаборатории кинетических явлений в твердых телах при низких температурах ФТИ им. А. Ф. Иоффе за обсуждение результатов работы.