WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 4 Спиновое расщепление и g-фактор электронов возбужденной подзоны размерного квантования © В.И. Кадушкин¶ Рязанский государственный педагогический университет, 390006 Рязань, Россия (Получена 27 июня 2005 г. Принята к печати 14 сентября 2005 г.) Наблюдалось спиновое расщепление нулевого уровня Ландау для верхней подзоны размерного квантования с энергией дна зоны Ep в осцилляциях магнитосопротивления гетеросистемы Al0.28Ga0.72As(Si)Ga/As.

Явление связано с межподзонными переходами электронов из нижней, основной Em-подзоны размерного квантования на опустошенные магнитным полем состояния верхней Ep-подзоны. Найдена величина фактора спектроскопического расщепления электронов Ep-подзоны: |g| = 8.2-12.2 для концентрации в диапазоне np =(0.52-1.04) · 1011 см-2.

PACS: 73.63.Hs, 7547.-m, 72.15.Gd 1. Введение что связано со слабым вырождением электронов в квантовом пределе магнитных полей. В объемном случае Известно, что заполнение двух подзон размерно„сканирование“ уровня Ферми системой подуровней го квантования (Em — основной и Ep — „возбужЛандау N± сопровождается увеличением амплитуды денной“, где Em и Ep — уровни отсчета энергии осцилляций с возрастанием магнитного поля.

электронов) вызывает ряд особенностей в низкотемпеВ данной работе в достаточно узком интервале конратурном магнитосопротивлении [1–5]. Среди них — центраций nm, np и температур наблюдалось спиноамплитудно-частотная модуляция (интермодуляция) освое расщепление уровня Ландау Np = 0 Ep-подзоны цилляций Шубникова–де-Гааза (ШдГ) основной частоты размерного квантования. Выполнены оценки g-фактора Fm =(22 /e)nm гармоникой Fp =(22 /e)np, что проэлектронов по значениям магнитного поля B+,- расявляется в появлении осцилляций с частотами Fm ± Fp.

щепленных экстремумов магнитосопротивления, соотЗдесь nm и np — концентрации двумерных (2D) и кваветствующих уровням Np = 0+, 0-.

зидвумерных (Q2D) электронов в Em- и Ep-подзонах разПоказано, что параметры электронов Ep-подзоны размерного квантования. Интермодуляция вызвана межподмерного квантования существенно отличаются от истинзонными переходами nm и np электронов. Ампулитудноно двумерных. Квазидвумерность электронов Ep-подзочастотная модуляция экспериментально наблюдается во ны проявляется в характерной зависимости магнитосоp вполне определенной области магнитных полей и инпротивления этой подзоны xx(B) в квантовом пределе тервале температур. Амплитуда интермодуляционных магнитных полей.

осцилляций ШдГ существенным образом зависит от степени заселенности Em- и Ep-подзон размерного квантования и от соотношения концентраций электронов nm 2. Образцы. Экспериментальная и np. В отдельных случаях интермодуляция сопровождатехника ется появлением на зависимости амплитуды осцилляций от магнитного поля (1/B) участков с отрицательной Образцы для исследований низкотемпературного магтемпературой Дингла TD [2,6]. Вработе [6] наблюдалась нитотранспорта изготавливались из гетероструктур, вытакже аномалия в виде смены фаз в группах осцилращенных по технологии эпитаксии из молекулярляционных экстремумов, которая объяснена усилением ных пучков. Структуры имели одинаковые толщиспинового расщепления уровней Ландау возбужденной ны и химический состав слоев: подложка GaAs(Cr), Ep-подзоны размерного квантования и опустошением буфер i-GaAs (0.4 мкм), нелегированная прослойка их по выходе Np-уровней Ландау за уровень Ферми i-AlxGa1-xAs (70 ), слой AlxGa1-xAs (700 ), легиро(Np — номер уровня Ландау Ep-подзоны).

ванный кремнием (NSi = 8 · 1017-2 · 1018 см-3), и закрыСпиновое расщепление уровней Ландау в осциллявающий слой n-GaAs (100 ). Мольная доля x = 0.28.

циях поперечного и продольного магнитосопротивлеВариация уровня легирования обеспечивала различное ния, фото- и термомагнитного эффектов объемных (3D) соотношение заполнения Em- и Ep-подзон размернополупроводников и соединений на их основе хорого квантования. Несмотря на идентичность физикошо известны [7–10]. Надежно идентифицированы остехнологических условий синтеза и вертикальной архицилляционные пики расщепления подуровней Ландау тектуры гетероструктур, контрольные росты показали N = 0+, 1±, 2±, 3±,.... Пик 0-, соответствующий низопределенный разброс в соотношении концентраций шему состоянию по спину, в опытах не наблюдался, электронов nm/np, заполняющих Em- и Ep-подзоны раз¶ E-mail: kadush@rspu.ryazan.ru мерного квантования.

440 В.И. Кадушкин Номер m p T, K nm, 1011 см-2 np, 1011 см-2 (TD, K) / (TD, K) |g| B+, Тл B-, Тл p p образца 1 1.71 10.1 0.66 6.2/2.1 8.2 ± 1.0 2.6 4.2 1.79 9.98 0.67 9.9/1.7 10.1 ± 1.1 2.3 5.3 4.2 10.4 0.78 5.1/2.7 10.2 ± 1.1 2.8 5.4 4.2 9.6 0.76 8.7/- 12.2 ± 1.2 2.1 4.5 1.65 10.8 1.04 4.6/1.4 9.5 ± 1.0 2.3 4.6 0.55 7.57 0.52 1.1/0.55 10.3 ± 1.0 0.68 0.p m Примечание. Данные по расщеплению пика N = 1 для образца G215 из [3]. Значения TD для основной (TD ) и верхней (TD ) подзон размерного квантования.

Методом фотолитографирования изготавливались те- кривые 2, 3 и 4 соответственно. Пример спектра Фурье стовые образцы с 4 парами контактов. Контакты (эвте- для образца 5 (см. таблицу) представлен на рис. 2.

тика NiGeAu) вжигались в инертной атмосфере. Контак- Видны пики основных гармоник Fm (1), Fp (2), а ты проверялись на линейность вольт-амперных харак- также гармоники комбинированных частот Fm - Fp (3) и Fm + Fp (4). По пикам Fm и Fp восстановлены осцилтеристик. Измерены компоненты тензора поперечного ляции на рис. 1 (зависимости 2 и 3 соответственно).

магнитосопротивления xx и xy. Магнитное поле возПо частотам Fm и Fp были найдены концентрации nm и буждалось сверхпроводящим соленоидом с B 7.4Тл m,p np (см. таблицу). Оценки температуры Дингла TD выс радиальной однородностью на уровне ±1% на диаполнены по магнитополевым зависимостям амплитуды метре 28 мм. Температура варьировалась в пределах осцилляций (1/B) при T = const. В таблице приведены 1.7–20.2 K и измерялась по давлению паров гелия и m,p значения величин TD без учета немонотонностей [4,11] термопарой Fe/FeCu с чувствительностью не хуже 0.1 K.

по усредненной зависимости (1/B) аналогично [2].

Перед измерениями при фиксированной температуре Идентификация экстремумов осцилляций магнитосообразцы выдерживались в темноте для снятия эффектов p противления (МС) Q2D электронов xx (B) выполнена остаточной фотопроводимости. Последние фиксировапо соотношению лись по релаксации сопротивления к насыщению его 1.5BN+1 - 0.5BN величины в условиях B = 0.

N =. (1) BN - BN+3. Результаты экспериментов и их Здесь N = Np, BN — значение магнитного поля, соответствующее экстремуму МС для уровня N. Выражение (1) обсуждение 3.1. Идентификация осцилляций Во всей совокупности исследованных образцов лишь на некоторых структурах с nm =(0.8-1.0) · 1012 см-и np =(0.7-1.0) · 1011 см-2 (см. таблицу) удалось на p зависимости xx(B) надежно идентифицировать спиновое расщепление пика Np = 0 на максимумы, соответствующие уровням 0+ и 0-. В наших обозначениях максимум 0+ соответствует меньшему, а 0- — большему магнитному полю. На ряде образцов с большей концентрацией np наблюдался лишь 0+ экстремум. Повидимому, в этом случае максимум 0- лежал в больших по величине магнитных полях (за пределами наших технических возможностей). Пример исходной осцилляционной кривой с амплитудно-частотной модуляцией представлен на рис. 1 кривой 1. В наших экспериментах не наблюдалось расщепления пика Np = 1. Такое расщепление обнаружено на структуре 6 из работы [3].

Осцилляционные экстремумы Np = 2, 1 сглаживались при повышении температуры до T = 15 K.

Методом Фурье проведен анализ исходной кривой Рис. 1. Осцилляции поперечного магнитосопротивления (1) p m типа 1 на рис. 1 и выделены xx и xx — компои компоненты осцилляций по основной (2) и возбужденненты магнитосопротивления соответствующих подзон, ной (3) подзонам размерного квантования; (4) — монотонный а также установлена зависимость от магнитного поля компонент осцилляций. Образец 3 (см. таблицу) структуры монотонного компонента осцилляций. На рис. 1 это Al0.28Ga0.72As(Si)/GaAs. T = 4.2K.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Спиновое расщепление и g-фактор электронов возбужденной подзоны размерного квантования следует из условия резонанса (совпадения уровня Ферми с уровнями Ландау) для соседних максимумов e = BN N +.

m Результаты идентификации экстремумов осцилляций в виде диаграммы (1/Bm,p) = f (N) представлены на рис. для образца 1. Наклон прямой 2, построенной по заp висимости xx(B), Np/ (1/B ), соответствует конценp трации np = 0.81 · 1011 см-2. Этот результат удовлетворительно согласуется с данными спектра Фурье (см. таблицу). Фаза осцилляций p =(2i + 0.5) равна 0.3, что совпадает с данными [12] (i — отрезок значений Np при 1/B = 0, см. рис. 3).

p Рис. 2. Фурье-спектр зависимости xx (B) для образца структуры Al0.28Ga0.72As(Si)/GaAs. Пики 1 и 2 соответствуют гармоникам частот Fm и Fp по подзонам Em и Ep; 3 и 4 —пики комбинационных частот Fm - Fp и Fm + Fp соответственно.

T = 1.65 K.

Рис. 4. Иллюстрация спинового расщепления в осцилляциях магнитосопротивления Ep-подзоны размерного квантования.

1 — осцилляция магнитосопротивления основной Em-подзоны;

2 — осцилляции Ep-подзоны. Вертикальными линиями с номерами Nm и Np показаны положения максимумов магнитосопротивления. Образец Al0.28Ga0.72As(Si)/GaAs № 1, T = 1.71 K.

На рис. 4 представлен результат выделения осцилляp ций компоненты xx(B) из исходной кривой. Аппроксимируя положения максимумов (3), минимумов (4) и узлов (5) осцилляций магнитосопротивления Ep-подзоны в зависимости (1/B ) = f (Np) для образца 1 (см. рис. 3) p на Np = 0, находим величину магнитного поля B, соответствующего положению, обозначенному 0, нерасщепленного нулевого максимума B (Np = 0) =3.75 Тл.

p Близкому к этому значению соответствует положение, как и следовало ожидать, минимума кривой p xx(B): Bmin = 3.52 Тл. Идентификация максимумов 0+ и 0- по соответствующим величинами B- = 2.61 Тл p и B+ = 4.57 Тл относительно максимумов Np = 1 и p Рис. 3. Положения экстремумов осцилляций (1/Bm, p) зависиm p + Np = 2 дает значения N0 = 0.2 и N0- = -0.15. Эти мостей xx (B) (1, 1) и xx (B) (2) как функций номеров уроввеличины хорошо ложатся на аппроксимацию зависимоней Ландау Nm, p для образца 1. 3, 4, 5 — положения максимусти 1/B (Np) из области Np 1 на область Np < 0.5.

мов, минимумов и узлов осцилляций магнитосопротивления; p 6, 7 — положения пиков для Np = 0+ и 0- расщепленного Веерные диаграммы, построенные таким образом, дали нулевого максимума (8) осцилляций магнитосопротивления возможность идентифицировать Np-экстремумы и опреp компонента xx (B). T = 1.71 K.

делить величины концентраций исследованных образцов.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 442 В.И. Кадушкин Результаты измерений концентраций nm и np обоими независимыми методами различались не более чем на 7%.

Оценки величин np были выполнены и независимым методом, основанным на свойствах квазидвумерных электронов Ep-подзоны. Суть его в следующем. Расчет энергетического спектра одиночного гетероперехода Ec(z ) (z — направление оси гетероструктуры) при уровне легирования, обеспечивающем в потенциальной яме концентрацию ns = nm + np > (7-8) · 1011 см-2 показывает начало заполнения верхней Ep-подзоны [4].

Соотношение компонентов nm и np близко к np = 0.1nm (см. таблицу). Ширина проводящего канала dm на уровне Em близка к величине 30–50. Волновая функция |p(z )|2 Q2D электронов на уровне Ep имеет структуру в виде |n(z )|2 — ближнего (near) и |d(z )|2 —удаленного (distance) компонентов. При общей длине локализации |p(z )|2 dp = 250-300 локализация на полуширине распределений |n,d(z )|2 составляет dn 50 и Рис. 5. Магнитополевые зависимости нормированных на dd 100. Фермиевская длина волны при концентрации температуру опыта амплитуд осцилляций магнитосопротивлеnp = 1011 см-2 составляет F 120, что существенно p m p ния xx (1–4) и xx (3, 4). Номера зависимостей (1/B) меньше величины dp. Таким образом, для электронов соответствуют номерам образцов в таблице.

Em-подзоны условие двумерности (F dm) выполняетm ся, а электроны Ep-подзоны следует считать квазидвумерными, так как F dp. Используя величину магнитp ного поля B, соответствующего Np = 1, определим nV — магнитных полях, когда уровень Ферми /2, элекp объемный эквивалент концентрации Q2D электронов [7].

троны локализованы в состоянии N = 0+ и условия для Эти величины nV можно пересчитать [4], используя резонансных внутриподзонных межуровневых переходов p значения dn,d, на величину n = nV /dp. Найденные таким в магнитном поле в объемном случае отсутствуют.

p p образом величины n оказались близкими к оценкам np С дальнейшим увеличением магнитного поля электроны p другими методами (с завышением до 7%). локализуются в примесной зоне, которая отщепляется О приближении свойств Q2D np электронов к объем- от зоны проводимости. Эти замечания относятся к p ным аналогам свидетельствует зависимость xx(B) в случаю заполнения только одной зоны 3D электронами.

магнитном поле, близком к квантовому пределу. Для В случае Q2D электронов ситуация принципиально иная. В магнитных полях /2 за уровень Ферми 3D электронов в квантовом пределе при доминирующем рассеянии на ионизованных примесях магнитосопротив- выходит сначала уровень Np = 0+, а затем и уровень Np = 0. Но при этом для np-электронов возможен переление, как известно, изменяется пропорционально B3.

p Анализ xx(B) исследованных образцов показывает за- ход на состояния в Em-подзоне размерного квантования.

p На рис. 3 этот эффект виден в перестройке зависимости висимость xx B при = 2.6-2.8.

1 в 1 с увеличением магнитного поля и трансформации Об участии электронов двух подзон размерного квантования в формировании монотонного компонен- осцилляций частоты Fm–Fp с концентрацией nm-np в основную гармонику частоты Fm с концентрацией nm.

та xx(B) свидетельствует его квадратичная зависимость Ранее это явление наблюдалось в работах [4,5,13]. Втоот магнитного поля в слабом поле с насыщением в рое отличие наблюдения пиков 0+,- в Q2D электронной сильном поле.

системе состоит в чрезвычайно малой их амплитуде по отношению к максимуму при Np = 1, 2. В объемном же 3.2. Амплитуда 0+,--экстремумов случае амплитуда осцилляций с уменьшением номера Характерной отличительной особенностью спиново- N = 3, 2, 1, 0+ экспоненциально возрастает [12,14].

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.