WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 4 Проявление эффекта локализации электронов в осцилляциях поглощения звука в режиме квантового эффекта Холла © И.Л. Дричко, А.М. Дьяконов, А.М. Крещук, Т.А. Полянская, И.Г. Савельев, И.Ю. Смирнов, А.В. Суслов Физико-технический инстититут им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 22 июля 1996 г. Принята к печати 10 сентября 1996 г.) Экспериментально исследован коэффициент поглощения поверхностных акустических волн в пьезодиэлектрике, контактирующем при малом зазоре с гетероструктурой GaAs/Al0.25Ga0.75As (с подвижностью двумерных электронов µ = 1.3 · 105 см2/(В · с) при T = 4.2 K) в зависимости от частоты волны, величины вакуумного зазора, магнитного поля и температуры. Вычислены и проанализированы зависимости высокочастотной проводимости (в области 30210 МГц) от магнитного поля и частоты. Экспериментальные результаты можно объяснить, если предположить существование флуктуационного потенциала, в котором происходит локализация носителей тока. Обсуждается характер поглощения поверхностных акустических волн при взаимодействии с локализованными в энергетических ”хвостах” уровней Ландау двумерными электронами.

ac 1. Введение а ВЧ проводимость xx может оставаться ”металлиdc ac ческой”, при этом xx = xx. Изучая коэффициент Проблемы квантовой интерференции электронов, т. е. поглощения ультразвука электронами в зависимости от слабой локализации в двумерном электронном газе напряженности магнитного поля, температуры, частоты (2МЭГ), так же как и проблемы сильной локализации ультразвука и интенсивности ультразвуковой волны, в (связанной с дефектами кристаллической решетки) но- трехмерном случае удалось определить не только хараксителей заряда, занимают одно из центральных мест в тер локализации носителей, но и численные параметры, планарной наноэлектронике, но исследованы эти вопро- ей соответствующие.

сы еще недостаточно. Особенности локализации в 2МЭГ В связи со сказанным выше полезно распространить можно изучать, исследуя его высокочастотную (ВЧ) акустические методы исследования ВЧ проводимости на проводимость в режиме квантового эффекта Холла [1].

полупроводниковые структуры с 2МЭГ. Впервые взаимоОдним из оправдавших себя методов исследования действие поверхностных акустических волн (ПАВ) с двуВЧ проводимости является акустический метод, который мерными электронами наблюдалось в гетероструктурах позволяет измерять ВЧ проводимость полупроводников типа GaAs/AlGaAs [4,5]. Было показано, что в результате без каких-либо электрических контактов на образце. этого взаимодействия энергия ПАВ поглощается, приСуть этого метода состоит в том, что пьзоактивная чем величина поглощения определяется проводимостью звуковая волна, сопровождаемая электрическим полем, 2МЭГ. Поэтому в квантующем магнитном поле, когда при распространении в полупроводнике испытывает по- появляются осцилляции Шубникова–де-Гааза (ОШГ), глощение из-за взаимодействия с электронами, и это осциллирует и коэффициент поглощения поверхностной поглощение оказывается непосредственно связанным с звуковой волны. Осцилляции последнего наиболее четко электропроводностью образца. проявляются в области магнитных полей, где осущеАкустические методы успешно использовались при ис- ствляется режим квантового эффекта Холла. В связи с этим, по аналогии с трехмерными полупроводниками, последовании ВЧ проводимости трехмерного электронного газа в легированных компенсированных полупроводни- является возможность изучить особенности локализации 2МЭГ, имеющей место в режиме квантового эффекта ках при низких температурах [2,3]. Было показано, что если электроны находятся в свободном (делока- Холла, изучая зависимости коэффициента поглощения звука от температуры, частоты и магнитного поля. И, лизованном) состоянии, то коэффициент поглощения ультразвука электронами в полупроводнике, являющем- что особенно важно, сделать это, исследуя проводимость, измеренную бесконтактным методом.

ся пьезоэлектриком, в магнитном поле H полностью dc определяется его проводимостью xx (H), измеренной В настоящее время используются 2 конфигурации на постоянном токе. Если же происходит локализация эксперимента. В 1-й из них ПАВ возбуждаются обычным электронов на отдельных примесных центрах или в способом на поверхности пьезоэлектрического кристалслучайном флуктуационном потенциале примесей, как ла (например, LiNbO3), а изучаемая структура с 2МЭГ в случае сильно легированного и сильно компенсиро- помещается над поверхностью пьезодиэлектрика с зазованного полупроводника, то механизмы проводимости ром, меньшим длины волны. Во 2-й конфигурации звуков постоянном электрическом поле и в ВЧ поле, со- проводом служит сама исследуемая структура, которая провождающем акустическую волну, различны. В этом должна быть пьезоэлектриком. В ней одновременно возdc случае проводимость xx имеет прыжковый характер, буждаются ПАВ и исследуется взаимодействие звука с 5 452 И.Л. Дричко, А.М. Дьяконов, А.М. Крещук, Т.А. Полянская, И.Г. Савельев, И.Ю. Смирнов, А.В. Суслов Рис. 1. Зависимость компонент тензора сопротивлений xx и xy от магнитного поля H в гетероструктуре GaAs/Al0.25Ga0.75As при T = 4.2 K.

2МЭГ. 1-я конфигурация имеет то преимущество, что явлений на этой же структуре проводились гальванозазор исключает деформационное взаимодействие дву- магнитные измерения компонент тензора сопротивления мерных (2М) электронов с ПАВ, и остается лишь взаи- на постоянном токе в зависимости от магнитного поля модействие с электрическими полями, созданными ПАВ до H 50 кЭ.

в пьезоэлектрике. Однако такой способ неудобен тем, что величину зазора практически невозможно определить 2. Методика и результаты прямыми измерениями. В экспериментах, использующих 2-ю конфигурацию, зазор отсутствует вовсе, однако в эксперимента этом случае нельзя пренебрегать деформационным взаимодействием 2М электронов с ПАВ [6]. Исследованные структуры GaAs/Al0.25Ga0.75As изАвторы работы [4] использовали в эксперименте 1-ю готовлены методом молекулярно-лучевой эпитаксии.

конфигурацию опыта, а авторы работ [5–8] — 2-ю. На полуизолирующей подложке GaAs(001) толщиной Во всех этих исследованиях был сделан вывод, что d 300 мкм выращивался слой арсенида галлия с конхарактер зависимости коэффициента поглощения ПАВ центрацией остаточных примесей 1015 см-3 и толщиной двумерными электронами от магнитного поля H опре- порядка 1 мкм (так называемый буферный слой). Заdc деляется величиной xx и ее зависимостью от H, из- тем выращивались нелегированная прослойка твердого меренной на постоянном токе. Однако в работе [9], раствора Al0.25Ga0.75As толщиной 50 (так называемый где измерялось поглощение ПАВ 2МЭГ в гетерострук- спейсер) и слой твердого раствора того же состава, туре In0.47Ga0.53As/InP в 1-й конфигурации опыта при но легированный кремнием с концентрацией электронов T = 4.2 K, было показано, что это утверждение справед- n 1018 см-3, толщиной приблизительно 500. Верхливо только при больших номерах уровней Ландау, а в ний (контактный) слой структуры представлял собой более сильном магнитом поле (т. е. малых числах запол- пленку арсенида галлия толщиной 200, легированную нения = nhc/2eH, где n — холловская концентрация кремнием [n (3-4) · 1018 см-3].

электронов) изменение коэффициента поглощения ПАВ Образцы для гальваномагнитных измерений на постоdc от H не определяется величиной xx (H).

янном токе и для измерений акустическими методами В данной работе не гетероструктуре GaAs/AlGaAs в изготавливались из соседних областей выращенной ге1-й из упомянутых конфигураций эксперимента иссле- тероструктуры. Измерения проводились на постоянном дуются зависимости коэффициента поглощения поверх- токе I 1020 мкА (что обеспечивало отсутствие разоностной акустической волны двумерными электронами гревных эффектов) в диапазоне температур 1.84.2Kна от величины и направления (продольного и попереч- мезаструктурах, вытравленных в форме двойного креста ного по отношению к нормали к плоскости 2МЭГ) с контактными площадками. Далее в работе приведены магнитного поля до H 60 кЭ, от частоты ПАВ в результаты исследований для структуры с холловскими диапазоне f = 30210 МГц и от температуры в области концентрацией n = 6.9 · 1011 см-2 и подвижностью T = 1.4 4.2 K с целью изучения ВЧ проводимости µ = 1.3 · 105 см2/(В · с) при T = 4.2 K. Концентрация, и характера локализации электронов в структурах это- рассчитанная по ОШГ, составляла nSH = 6.8 · 1011 см-2.

го типа в режиме целочисленного квантового эффекта Результаты измерений компонент тензора сопротивлеХолла. Для лучшего понимания физической картины ния xx и xy в зависимости от магнитного поля H (в Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Проявление эффекта локализации электронов в осцилляциях поглощения звука... Рис. 2. Зависимость коэффициента поглощения поверхностной акустической волны от напряженности магнитного поля H при f = 30 МГц и значениях вакуумного зазора a, мкм: 1 —0.3, 2 —0.5, 3 — 1.0. На вставке показана схема расположения образца по отношению к кристаллическим осям ниобата лития.

области квантового эффекта Холла) при T = 2.1 K магнитных полях максимумы поглощения расщепляпредставлены на рис. 1. ются, причем чем ниже температура, тем при меньшей Для акустических измерений использовалась пьезоак- напряженности магнитного поля наблюдается расщеплетивная поверхностная волна, возбуждаемая на поверх- ние. Максимумы эквидистантны по 1/H и при больших номерах Ландау соответствуют по магнитному полю ности Y -среза кристалла LiNbO3 (см. вставку к рис. 2) и dc минимумам xx (H), а при больших значениях H, когда распространяющая в направлении Z. ПАВ создавались и dc величина xx в минимумах осцилляций становится мала принимались встречно-штырьевыми преобразователями (< 10-7 Ом-1), максимумы поглощения расщепляются с основной частотой 30, 90 и 150 МГц. Кроме того на два и минимуму проводимости (а также центру в эксперименте использовались и высшие гармоники.

холовского плато) соответствует минимум поглощения.

Образец помещался непосредственно на поверхность Мы провели также измерения поглощения ПАВ и ниобата лития, по которой распространялась ПАВ, и в магнитном поле, параллельном поверхности образца.

прижимался с помощью пружины. Образец находился При такой геометрии осцилляции поглощения ПАВ на холодопроводе в вакуумной камере. Вакуумный зазор не наблюдались, что подтверждает двумерный характер между пьезодиэлектриком и образцом, определяемый наблюдавшихся нами осцилляций поглощения в попешероховатостью их поверхностей, обозначен буквой a на речном магнитном поле.

схеме, представленной на вставке к рис. 2. Продольное Интересной особенностью поглощения ПАВ при больэлектрическое поле (вдоль направления распространеших магнитных полях ялвяется неравенство амплитуды ния акустической волны), возникающее при движении максимумов поглощения ПАВ при расщеплении, наПАВ в пьезодиэлектрике, проникает в исследуемый объблюдаемое при малых числах заполнения. В работе [5] ект, и 2МЭГ оказывается в переменном электрическом этот факт связывался с неоднородностью исследованполе с частотой, равной частоте поверхностной акустиных образцов. Мы произвели очень большое количество ческой волны. Взаимодействие 2М электронов в исслеизмерений на нескольких образцах GaAs/AlGaAs, подуемой гетероструктуре с электрическим полем ПАВ разному установленных (с разным вакуумным зазором), приводит к ее затуханию, что и фиксируется приемным и наблюдали на одном и том же образце как разную преобразователем. Независимость коэффициента поглоасимметрию этих максимумов, так и одинаковую их щения от мощности звуковой волны контролировалась величину, что демонстрируется на рис. 2. Причина этого в эксперименте, т. е. измерения проводились в линейном эффекта пока не ясна.

по электрическому полю режиме.

На рис. 2 приведены зависимости коэффициента поглощения ПАВ с частотой f = 30 МГц от напряженности 3. Анализ экспериментальных данных магнитного поля, параллельного нормали к поверхности гетероструктуры, при T = 4.2 K и при разной величине Эквидистантность максимумов в зависимости погловакуумного зазора a. Аналогичные кривые были полу- щения поверхностных акустических волн (ПАВ) от вечены и при других частотах и температурах. На кривых личины 1/H дает возможность определить концентрарис. 2 наблюдается интересная особенность: в больших цию 2МЭГ по периоду осцилляций обычным методом.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 454 И.Л. Дричко, А.М. Дьяконов, А.М. Крещук, Т.А. Полянская, И.Г. Савельев, И.Ю. Смирнов, А.В. Суслов c +m-t exp(-2ka) - p exp(-2ka) Концентрация, полученная таким образом, совпадает в r(k, a) =, 2[c - t exp(-2ka)] пределах точности эксперимента с концентрацией nSH, рассчитанной по ОШГ.

где c = (1 + 0)(s + 0), t = (1 - 0)(s - 0), Вычисление коэффициента поглощения, связанного m =(1 +0)(s - 0), p =(1 -0)(s + 0).

со взаимодействием ПАВ с двумерными электронами, Проанализируем зависимость от xx в соответствии в той конфигурации эксперимента, которая применялась с формулой (4). Если проводимость велика, то выполняв нашей работе, и с учетом диффузии носителей тока ется условие проведено в работе [10]. Если ввести коэффициент поглощения как A = A0 exp(-x), где A0 и A — (4xx/sv)r(k, a) 1 (5) амплитуды сигнала на входе и выходе соответственно, и 1/xx; при выполнении условия (для малой а x — длина образца, он оказывается равным (в см-1) проводимости) f2(k)/sv =(1)k. (1) (4xx/sv)r(k, a) 1 (6) 1 +[Dk/v + 2 f1(k)/sv]коэффициент поглощения xx. Таким образом ясно, В работе [10] (1) K2 — константа электромеханичечто при значении ской связи LiNbO3; k, v — волновой вектор и скорость ПАВ соответственно; D — коэффициент диффузии; s — (4xx/sv)r(k, a) =1 (7) диэлектрическая проницаемость полупроводника, — проводимость 2МЭГ. Не раскрывая значений функций f1 зависимость (H) имеет максимум M, причем из фори f2 (выражения для которых приведены в работе [10]), мул (4) и (7) ясно, что значение M не зависит от велиоценим вклад диффузии в коэффициент поглощения. Для чины xx. Равенство (7) в нашем случае соответствует вырожденного 2МЭГ коэффициент диффузии равен xxr(k, a) =v, D = /e2m = aB/s. (2) так как 4/s 1 для GaAs. Рассмотрим теперь где m — эффективная масса электронов, aB — эфзависимость максимального коэффициента поглощения фективный боровский радиус (для электронов в GaAs M от частоты волны f, следующую из формулы (4) и aB 100 ). Отметим, что при всех использовавшихся представленную на рис. 3 для разных значений a. Из в эксперименте частотах и величинах вакуумного зазора рис. 3 видно, что зависимость M( f ) имеет максимум значение f1, рассчитанное по формуле (10) из работы и чем больше величина вакуумного зазора, тем меньше [10], изменялось от 0.6 до 1.4, поэтому между двумя величина M и тем при более низкой частоте осущечленами в знаменателе (1) имеет место соотношение ствляется этот максимум.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.