WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 2 Особенности межэлектронного взаимодействия в потенциальной яме сильно легированного гетероперехода AlxGa1-xAs(Si)/GaAs © В.И. Кадушкин¶ Рязанский государственный педагогический университет им. С.А. Есенина, 390000 Рязань, Россия (Получена 27 апреля 2004 г. Принята к печати 20 мая 2004 г.) В интервале температур 1.65–10.9 K обнаружено температурное смещение полюсов графиков Дингла, указывающее на трансформацию механизмов внутриподзонной и межподзонной релаксации энергии, что подтверждено непосредственно на зависимостях соответствующих времен от температуры.

1. Введение температуры, но одновременно обнаружил, что положения полюсов для амплитуд осцилляций основГрафики Дингла [1], т. е. зависимости амплитуды осной (m) и второй возбужденной (p) подзон размерцилляций Шубникова-де-Гааза (ШдГ) от обратного ного квантования существенно разнесены (по шкале магнитного поля 1/B, издавна [2] по настоящее вреамплитуд). Последнее подтверждается анализом экспемя [3] служат примером информативного метода изучериментов, выполненных на полупроводниковых нанония свойств и измерения параметров вырожденного структурах различной вертикальной архитектуры, хиэлектронного газа объемных (3D) и двумерных (2D) мического состава слоев и концентрации 2D электрополупроводниковых соединений и систем [4].

нов [12,13].

Температура Дингла TD — фактор, введенный для Эффекты смещения полюсов (1/B = 0) при изменеустранения расходимостей функции плотности состоянии температуры измерений на образце выявлены нами ний в условиях резонанса, когда N-й уровень Ландау и при анализе экспериментов на объемном полупроводпересекает уровень Ферми нике n-InSb [14,15].

Существенно отметить, что, обсуждая время q, из1 меренное по графикам Дингла, т. е. по зависимости F = N +, (1) 2 (1/B)T =const, авторы [5–8], выделяя в q компоненты, где = eB/m — циклотронная частота. Величина TD связанные с внутри- и межподзонными переходами в 2D электронном газе, полагают, что речь идет об формально связана со временем нетеплового столкновиэлектронно-электронных (е-е) столкновениях. В работельного уширения q уровней Ландау тах [16,17] рассмотрена схема и каналы прохождения внешнего (по отношению к 2D электронам) возмущеTD = /2kq. (2) ния потенциала электронной подсистемы и отражения Измерения зависимостей амплитуды осцилляций его в виде измеряемого на опыте времени релаксаШубникова-де-Гааза от температуры (например, ции столкновительного уширения. Особо оговорено, что (1/B)T =const) дают возможность по зависимости q(T ) источником разрушения циклотронных орбит (затухасделать заключение о преобладающем механизме ние амплитуды осцилляций) являются ионизированные + столкновительного уширения уровней Ландау. Результа- доноры ND и акцепторы NA остаточных примесей, тивным этот метод оказался и для понимания сущности островки роста высотой и протяженностью, колеявления амплитудно-частотной модуляции осцилляций бания мольной доли x одного из компонентов твердого магнитосопротивления при заполнении 2D электронами раствора и т. д. Электроны при латеральном движении нескольких подзон размерного квантования [3,5–8].

во внешнем электрическом поле „сканируют“ внешний В работах [9,10] показано, что, когда доминирует один потенциал V (r, t) и воспринимают его в виде спекстолкновительный механизм, графики Дингла, т. е. за- тра Vtot(q, ). Временные характеристики разрушения висимости (1/B)T =const, при аппроксимации к 1/B = квантования определяются совокупностью каналов распересекаются в одной точке на шкале амплитуды пространения внешнего возмущения на всю 2D элек(1/B = 0) (полюс). Это положение послужило основой тронную систему от компонента, который наиболее для модификации метода [9] обработки экспериментов с эффективно воспринимает его (внешнее возмущение).

осцилляциями магнитосопротивления [4].

Так что внешнее возмущение как причина разрушения Анализ экспериментов, известных из литературы, квантования опосредовано е-е, внутри- и межподзонпоказывает на неоднозначность ситуации. Так, Коул- ной релаксацией. Однако однозначно утверждать, что ридж [11] в диапазоне температур 1.04–3.40 K устано- q ee, где ee — время релаксации е-е взаимодействий вил независимость положения полюса (1/B = 0) от неправомочно, так как несомненно присутствует доста¶ точно эффективное электрон-фононное (e-ph) взаимоE-mail: kadush@rspu.ryazan.ru Fax: (0912) 281435 действие [6].

Особенности межэлектронного взаимодействия в потенциальной яме... В данной работе обсуждаются эксперименты с вырожденным 2D электронным газом одиночного гетероперехода, в котором заполнены 2 подзоны (m и p) размерного квантования с энергиями Ферми Em и Ep, отсчитываемыми от дна соответствующей подзоны. Получены непосредственные доказательства конкуренции и смены механизмов межэлектронных взаимодействий при воздействии на 2D электронную систему температуры и магнитного поля. Установлено, что воздействие повышения температуры противоположно увеличению магнитного поля.

2. Экспериментальные результаты 1. Измерения осцилляций поперечного магнитосопротивления и эффекта Холла выполнены на серии гетероструктур Al0.28Ga0.72As(Si)/GaAs, выращенных по технологии эпитаксии из молекулярных пучков. Структуры, отличавшиеся лишь уровнем легирования, были выращены в едином технологическом цикле и содержали в квантовой яме одиночного гетероперехода 2D электроны концентрации от 6 · 1011 до 2 · 1012 см-2. Образцы, изготовленные фотолитографически, имели форму двойного холловского моста с длиной и шириной рабочего канала 6 0.3 мм. Контакты (In или эвтектика GeAu) к 2D каналу вжигались в атмосфере водорода или в вакууме. Измерения выполнены в диапазоне температур 1.65–20 K и магнитном поле до 7.4 Тл. Однородность Рис. 1. Магнитополевые зависимости амплитуды осцилляций магнитного поля на длине образца составляла 10-4 Тл ШдГ xx, иллюстрирующие смещение полюсов графиков Дини привносимое неоднородностью поля уширение уровгла при аппроксимации к 1/B = 0. Образец гетероструктуры ней Ландау было существенно меньше, чем столкноAl0.28Ga0.72As(Si)/GaAs с концентрацией nm = 1.08 · 1012 см-2, вительное, температурное и обусловленное возможной np = 1.5 · 1011 cм-2. T, K: 1 — 1.65, 2 — 3.03, 3 —4.2, 4 —5.5, неоднородностью распределения легирующей примеси 5 —6.8, 6 —7.7, 7 —8.6, 8 —9.0, 9 — 10.0, 10 — 10.9.

по объему тройного соединения [14]. Температура контролировалась термопарой FeCu–Cu и поддерживалась в диапазоне 1–20 K с погрешностью 0.1 K. Рабочие токи не допускали эффектов разогрева 2D электронов. Из- µH = 39.5 · 104 cм2/B · c). Основная особенность экспемерения осцилляционных кривых отличались хорошей римента состоит в установлении семейства полюсов a воспроизводимостью во времени, что установлено в и для зависимостей (1/B)T =const. Эти полюсы с b опытах при термоциклировании.

увеличением температуры смещаются в область больПараметры 2D электронов определялись по измерениших величин амплитуд независимо друг от друга. На ям осцилляций магнитосопротивления, эффекту Холла примере (кривая 5) и (кривая 1) виден „перехват“ a b и проводимости. Анализ осцилляций был выполнен смещения полюсов (T ) системой полюсов (T ). Соa b графически методом Сладека [2] и по спектрам Фурье.

гласно [5], полюса зависимостей (1/B)T =const свяa,b Установлены магнитополевые и температурные харакзаны с вероятностью электронно-электронных внутритеристики компонентов осцилляций по m- и p-подзои(или) межподзонных взаимодействий 2D электронов в нам размерного квантования разностной частоты осцилподзонах m и p.

ляций:

Заполнение m- и p-подзон проявляется и в результатах 2 анализа осцилляций магнитосопротивления, представFm,p = nm,p, Fm - Fp = (nm - np).

e e ленных на рис. 2 для двух образцов 8 и 15. (Данные холловских измерений при T = 4.2K: образец 8 — 2. Магнитополевые зависимости амплитуды осцилnH = 12.2 · 1011 см-2 и µH = 5.68 · 104 см2/B · c; обраляций (графики Дингла) (1/B) для нескольких тем- s ператур и их аппроксимация к 1/B = 0 для ха- зец 15 — cм. выше). Зависимости положений экстрерактерных участков зависимостей (a и b) представ- мумов на шкале обратных величин магнитного поля лены на рис. 1 для образца 15 (данные холлов- (1/Bextr) от номера квантового числа N позволяет опреских измерений при T = 4.2K: nH = 12.0 · 1011 см-2 и делить концентрации электронов в m-подзоне (зависиs 5 Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 244 В.И. Кадушкин для областей a и b по магнитному полю (рис. 1). Эти результаты представлены на рис. 3. В целом зависимости q(T ) оказались немонотонными. Физическая сущность немонотонностей q(T ) обсуждена в работах [16,17] на основе гипотезы о конкуренции внутри- и межподзонной е-е релаксации в двухподзонной энергетической модели зоны проводимости.

3. Обсуждение экспериментальных результатов В области магнитных полей b (рис. 1) под уровнем Ферми находится некоторое число магнитных подзон Ландау как в m-, так и в p-подзоне размерного квантования. В умеренных магнитных полях при небольшой величине энергетического зазора между уровнями Ландау электроны m- и p-подзон взаимодействуют между собой со временем межподзонной релаксации qmp. Но эти 2D электроны обеих подзон Рис. 2. Положение экстремумов осцилляций магнитосопрорассеиваются независимо, например, на удаленных притивления на шкале 1/B для подзон размерного квантования m месях [5,13] с характерным временем релаксации qm и p в зависимости от номера уровня Ландау N при T = 4.2K.

и qp соответственно. Следовательно, в магнитном поДля образца 8 (кривые 1, 1, 1) — nm = 9.7 · 1011 см-2, np = 0.61 · 1011 см-2. Для образца 15 (кривые 2, 2) — ле области b электроны имеют 3 независимых канаnm = 10.8 · 1011 см-2, np = 1.5 · 1011 см-2. Верхняя шкала оси ла малоуглового рассеяния с интегральным временем N —для кривой 1, нижняя шкала — для остальных.

qb = f (qm, qp, qmp). С увеличением магнитного поля (в области a) магнитные подуровни Ландау смещаются за уровень Ферми. Электроны p-подзоны локализуются в состояния с Np = 0, 1, 2, а для электронов m-подзоны под уровнем Ферми находятся подуровни Ландау с Nm 10 (для nm 9 · 1011 cм-2). В этой ситуации эффективность межподзонного взаимодействия снижается.

Одной из возможных причин этого является пространственная локализация электронов каждой подзоны из-за сжатия магнитным полем волновых функций 2D электронов в плоскости гетероперехода (меньшего для mи большего для p-электронов). Одновременно следует учитывать пространственную разнесенность электронов каждой подзоны по направлению нормали t к гетерогранице. Исходя из данных анализа осцилляций, а также используя такие параметры, как уровень легирования NSi 4.7 · 1017 см-2, концентрацию фоновых примесей Рис. 3. Пример трансформации внутри- (область a) и межNA 5 · 1015 см-3 и разрыв зон EC/ Eg = 0.6, была подзонного (область b) времени е-е взаимодействия qa и qb рассчитана зонная диаграмма EC(z ) гетероперехода испри увеличении температуры в зависимость qc(T ) в области c.

следованной гетероструктуры при T = 4.2K. Оказалось, что координаты „центров тяжестей“ волновых функций в подзонах |m|2 и |p|2 z и z разнесены m p мости 1 и 2) и в p-подзоне (зависимости 1 и 2). Осна 150 [16].

цилляции на разностной частоте зависимости 1/Bextr от Учитывая исключение магнитным полем канала межN даны экспериментальными точками, отклоняющимися подзонного рассеяния со временем qmp в области a от аппроксимаций зависимостей 2 и 1 (штриховые (qmp >qm, qp) и независимость друг от друга m линии) на область больших номеров квантовых чисел и p каналов релаксации (времен qm и qp), так что (N > 5 и N > 15 для кривых 2 и 1 соответственно).

qa = f (qm, qp), и используя правило Матиссена виде Из графиков Дингла (1/B)T =const типа 1–10 на рис. установлена зависимость TD(T ) и по соотношению (2) 1 1 = +, (3) выполнены оценки q в зависимости от температуры qb qa qmp Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Особенности межэлектронного взаимодействия в потенциальной яме... получим соотношение для qa и qb: теоретический расчет требует включения в qth времен неупругой и упругой электрон-фононной релаксации на qmp PA DA пьезоэлектрическом e-ph и деформационном e-ph потенqa = qb. (4) qmp - qb циалах акустических фононов дополнительно к временам внутризонного и межзонного e-e взаимодействий.

Верхними индексами в qa и qb обозначены области a и b Этот механизм качественно обоснован в работе [18].

на рис. 3. Принимая во внимание, что qmp >qb, согласОдновременно не исключено комбинированное воздейно (4) имеем qa >qb. Это соответствует эксперименту ствие (подавление и(или) стимуляция) температуры и на рис. 3. Если сопоставить данные, представленные на магнитного поля на активность первичных (по отношерис. 3, с данными из работ [11–13], то qb определяетнию к е-е и е-ph взаимодействиям) источников возмущеся электронно-электронным взаимодействием в основния электронной системы: удаленных от гетерограницы ной (m) подзоне размерного квантования, а qa — e-e вза+ доноров ND акцепторов NA (в том числе неконтролиимодействием в p-подзоне. Таким образом, оотношение руемой фоновой примеси), островков роста, флуктуаций между qa и qb согласуется с тем, что qa определяется мольной доли Al x в легированном кремнием твердом величинами qm и qp, а время qb параметрически зависит растворе AlxGa1-xAs.

от 3 величин: qm, qp и qmp.

В исследованных образцах уровень Ферми в верхней Работа выполнена при финансовой поддержке проподзоне Ep 1-2 мэВ и температура опыта (рис. 3) в граммы АНФКС (грант 4.15.99), Министерства обраобласти T > 4 K частично снимает вырождение в ней и зования РФ (гранты Е-00-3.4-75 и 02-3.4-319), а также восстанавливает эффективность межподзонного е-е вза- государственного контракта № 40.012.1.1.1153 Миниимодействия. Таким образом, повышение температуры стерства промышленности, науки и технологий РФ.

оказывает на е-е релаксацию действие, противоположное увеличению магнитного поля, что подтверждается данными, приведенными на рис. 1 и 3. Список литературы Из рис. 1 следует, что с увеличением температуры [1] R.B. Dingle. Prog. R. Soc., London, A211, 517 (1952).

область b на зависимостях (1/B)T =const расширяется за [2] R.J. Sladek. Phys. Rev., 110, 817 (1958).

счет уменьшения области a. Это отмечено в работе [16] [3] N.S. Averkiev, L.E. Golub, S.A. Tarasenko, M. Willander.

как смещение границы (условной) раздела областей a J. Phys.: Condens. Matter., 13, 2517 (2001).

и b в сторону больших величин B с ростом температуры.

[4] Д. Шенберг. Магнитные осцилляции в металлах (М., Следовательно, при увеличении температуры кривые a Мир, 1986).

и b на рис. 3 трансформируются в траекторию c. По типу [5] P. Coleridge. Phys. Rev. B, 44, 3793 (1991).

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.