Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
Быков Алексей Александрович
МАГНЕТОТРАНСПОРТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ GaAs/AlAs ПРИ БОЛЬШИХ ФАКТОРАХ ЗАПОЛНЕНИЯ
Специальность 01.04.10 - физика полупроводников
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени доктора физико-математических наук
Новосибирск - 2011
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН.
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Романенко Анатолий Иванович доктор физико-математических наук Гриценко Владимир Алексеевич доктор физико-математических наук, профессор Миньков Григорий Максович
Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН, г. Москва
Защита состоится л 29 ноября 2011 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 003.037.01 при Учреждении Российской академии наук Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН по адресу:
630090, Новосибирск, проспект ак. Лаврентьева, 13.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН.
Автореферат разослан л 2011 г.
Учёный секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, доцент А. Г. Погосов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В современной физике полупроводников гетероструктуры с модулированным легированием на основе соединений A3B5 являются объектом всесторонних научных исследований и базой для разработки новых твердотельных электронных приборов. Основными экспериментальными методами изучения таких низкоразмерных структур до сих пор остаются магнетотранспортные, базирующиеся на общеизвестных эффектах Холла и Шубникова - де Гааза [1, 2]. Несмотря на то, что основополагающие открытия в полупроводниковых системах пониженной размерности были сделаны на инверсионных слоях кремниевых полевых транзисторов [3, 4], технологические успехи в изготовлении низкоразмерных электронных систем на основе соединений A3B5 уже многие годы определяют основные тенденции экспериментальных исследований в этой области физики твердого тела.
идирующее положение в этих исследованиях занимают системы пониженной размерности на основе гетероструктур GaAs/AlGaAs [5, 6], изготовленных методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Наиболее ярким и значимым фундаментальным явлением, обнаруженным в них, является дробный квантовый эффект Холла [6].
Это открытие было сделано в значительной степени благодаря достижениям в области технологии МЛЭ и использованию идеи селективного легирования [5], позволившими существенно увеличить подвижность двумерных (2D) электронов в гетероструктурах GaAs/AlGaAs по сравнению с её величиной в кремниевых структурах металл-окиселполупроводник (МОП) [7].
Одной из основных причин, уменьшающих подвижность носителей заряда в полупроводниковых структурах, является рассеяние на случайном потенциале ионизованных центров легирующей примеси. В гетероструктурах GaAs/AlGaAs высокая подвижность достигается благодаря пространственному разделению областей легирования и переноса носителей заряда нелегированным спейсером. Такой способ увеличения подвижности ведет к неизбежному уменьшению электронной концентрации ne в проводящем канале, так как для увеличения нужно увеличивать толщину спейсера, а для увеличения концентрации ne её нужно уменьшать. Таким образом, в гетероструктурах GaAs/AlGaAs получить одновременно высокие значения и ne невозможно.
Этот недостаток отсутствует в селективно-легированных гетероструктурах GaAs/AlAs, в которых в качестве боковых барьеров к квантовым ямам GaAs используются короткопериодные сверхрешётки AlAs/GaAs [8]. В таких структурах высокая подвижность -электронов в квантовой яме GaAs достигается не только пространственным разделением областей легирования и переноса носителей заряда, но ещё и экранировкой рассеивающего потенциала X-электронами, локализованными в слоях AlAs. Поэтому в квантовых ямах GaAs с боковыми сверхрешёточными барьерами, в отличие от гетероструктур GaAs/AlGaAs, можно получать одновременно высокие значения и ne, что расширяет возможности для экспериментального изучения электронного транспорта в низкоразмерных полупроводниковых системах.
Технологические достижения в изготовлении совершенных полупроводниковых структур, а также фундаментальные научные результаты, полученные при их экспериментальном изучении, сформировали к настоящему времени новое направление в физике твердого тела - физику полупроводниковых систем пониженной размерности.
Особое место в этом направлении занимают явления переноса носителей заряда в 2D системах с высокой электронной подвижностью, что обусловлено, с одной стороны, прикладным значением полупроводниковых структур с высокой проводимостью 2D электронного газа, а с другой - фундаментальной значимостью обнаруженных транспортных явлений.
Несколько последних десятилетий основные усилия в этой области были сосредоточены на изучении электронных свойств высокоподвижных систем в квантующих магнитных полях, когда под уровнем Ферми находится несколько уровней Ландау, разделенных интервалами запрещенных энергий. Вначале эти исследования были мотивированы открытием целочисленного квантового эффекта Холла, а затем дробного.
Около десяти лет назад значительное внимание исследователей привлекла к себе область магнитных полей B, в которой уровни Ландау в высокоподвижных 2D системах перекрываются, а их количество под уровнем Ферми является большим (более 10). В этих условиях фактор заполнения = ne/(2eB/h) >> 1, а расстояние между уровнями Ландау меньше их ширины L = /q, где q - квантовое время жизни.
Интерес к исследованию транспорта при больших факторах заполнения возник в связи с открытием гигантских осцилляций магнетосопротивления (МС), индуцированных микроволновым излучением в высокоподвижных гетероструктурах GaAs/AlGaАs [9]. Вслед за их открытием было обнаружено, что сопротивление в минимумах этих осцилляций принимает значение, близкое к нулю [10]. При всей схожести с занулениями сопротивления в квантующих магнитных полях [4, 6], открытое явление возникало в условиях перекрывающихся уровней Ландау, что было весьма необычным и требовало всестороннего изучения магнетотранспортных явлений в низкоразмерных полупроводниковых системах при больших факторах заполнения.
К моменту начала данной работы экспериментальные исследования магнетотранспорта в высокоподвижных полупроводниковых системах при больших факторах заполнения ограничивались гетероструктурами GaAs/AlGaAs с одной заполненной подзоной размерного квантования с относительно низкой концентрацией электронов ne ~ 31015 м-2. Оставались неизученными неравновесные явления в высокоподвижных модулированных структурах с двумя заполненными подзонами размерного квантования.
Цель работы заключалась в установлении природы магнетотранспортных явлений, возникающих под действием постоянного электрического поля или микроволнового излучения в полупроводниковых системах пониженной размерности при больших факторах заполнения. Конкретная задача состояла в исследовании неравновесных явлений в гетероструктурах GaAs/AlAs с более высокой электронной концентрацией, по сравнению с высокоподвижными гетеропереходами GaAs/AlGaAs, в том числе и в условиях, когда заполнено две подзоны размерного квантования.
Объекты и методы исследования. В качестве объектов исследования использовались одиночные и двойные квантовые ямы GaAs с боковыми сверхрешёточными барьерами AlAs/GaAs. Гетероструктуры изготавливались методом МЛЭ в ИФП СО РАН. Изучение магнетотранспопртных явлений, возникающих в гетероструктурах GaAs/AlAs под действием постоянного электрического поля или микроволнового излучения, базировалось на измерениях сопротивления и проводимости в диапазоне температур от 0.3 до 30 К в магнитных полях до 2 Тл.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Впервые показано, что в двухподзонной электронной системе магнетомежподзонные осцилляции сопротивления сосуществуют с осцилляциями, индуцированными акустическими фононами. Экспериментально обнаружено увеличение амплитуды магнето-межподзонных осцилляций в максимумах магнетофононных, что свидетельствует об интерференции упругих и неупругих процессов межподзонного рассеяния. Установлено, что температурное подавление магнето-межподзонных и магнетофононных осцилляции сопротивления в гетероструктурах GaAs/AlAs обусловлено уширением уровней Ландау вследствие электрон-электроного рассеяния.
2. Экспериментально обнаружен новый квантовый нелинейный эффект - подавление сопротивления двумерного электронного газа постоянным электрическим полем. Эффект позволил впервые определить время неупругого электрон-электронного рассеяния in в магнитном поле и квантовое время жизни электронов q в температурном диапазоне, в котором эффект Шубникова - де Гааза полностью подавлен и базирующийся на нём метод определения q неприменим.
3. Экспериментально обнаружено низкотемпературное магнетополевое состояние с нулевым дифференциальным сопротивлением, возникающее в двумерной электронной системе под действием постоянного электрического тока выше некоторой критической величины. Переход в состояние с нулевым дифференциальным сопротивлением в гетероструктурах GaAs/AlAs происходит в перпендикулярном магнитном поле при температуре ниже 2 K и сопровождается резким провалом в зависимостях дифференциального сопротивления от величины постоянного электрического тока.
4. Обнаружены магнетополевые состояния с нулевым сопротивлением и нулевой проводимостью, возникающие в гетероструктурах GaAs/AlAs с концентрацией электронов ne 81015 м-2 и подвижностью = (60-200) м2/Вс при температурах ниже 4.2 K под действием микроволнового излучения в диапазоне частот от 130 до 150 ГГц.
Тем самым установлено, что эти состояния, открытые ранее Р. Мани с соавторами в гетероструктурах GaAs/AlGaAs с электронной концентрацией ne 31015 м-2 и существенно большей подвижностью 1500 м2/Вс при температуре 1.3 K, обусловлены не специфическими особенностями высокоподвижных гетероструктур GaAs/AlGaAs с толстым спейсером, а носят универсальный характер.
Научная и практическая значимость работы.
Научная ценность работы состоит в том, что расширен круг полупроводниковых систем пониженной размерности, в которых выявлены гигантские осцилляции магнетосопротивления и состояния с нулевым сопротивлением, возникающие под действием микроволнового излучения в высокоподвижном 2D электронном газе при большом числе заполненных уровней Ландау. Таким образом доказана общефизическая значимость этих магнетотранспортных явлений.
Полученные в работе экспериментальные данные стимулировали развитие теории переноса носителей заряда в электронных системах пониженной размерности:
- Результаты исследования магнетофононных осцилляций сопротивления в гетероструктурах GaAs/AlAs послужили толчком для построения теории этого явления, основанной на модели взаимодействия двумерных электронов с объемными акустическими фононами [O. E. Raichev, Phys. Rev. B 80, 075318 (2009)];
- Результаты исследования двухподзонного транспорта послужили стимулом для разработки теории магнето-межподзонных осцилляций сопротивления, учитывающей электрон-фононное взаимодействие [O. E. Raichev, Phys. Rev. B 81, 195301 (2010)];
- Обнаружение магнетополевого состояния с нулевым дифференциальным сопротивлением инициировало развитие теории нелинейных явлений в двумерных системах в сильных магнитных полях [A. Kunold, M. Torres, Phys. Rev. B 80, 205314 (2009)].
Разработан метод измерения квантового времени жизни q, основанный на эффекте подавления сопротивления двумерного электронного газа постоянным электрическим полем. Новый метод позволяет измерять квантовое время жизни в высокоподвижных двумерных системах при температурах, когда эффект Шубникова - де Гааза не проявляется и метод измерения q, базирующийся на анализе квантовых осцилляций магнетосопротивления, неприменим.
Практическая значимость работы состоит в том, что фотоэлектрические явления, обнаруженные в гетероструктурах GaAs/AlAs в поперечном магнитном поле, могут быть использованы для создания приемников микроволнового и терагерцового излучения. Двухподзонные электронные системы на основе таких полупроводниковых структур могут быть использованы для создания принципиально новых датчиков магнитного поля.
Положения, выносимые на защиту.
1. При больших факторах заполнения в гетероструктурах GaAs/AlAs наблюдаются осцилляции магнетосопротивления, обусловленные резонансным рассеянием двумерных электронов на объемных акустических фононах. Амплитуда этих осцилляций зависит от температуры немонотонно. Рост амплитуды обусловлен температурной зависимостью времени рассеяния электронов на акустических фононах, а падение - температурной зависимостью времени электрон-электронного рассеяния.
2. Заполнение второй подзоны размерного квантования в одиночных и двойных квантовых ямах GaAs с боковыми сверхрешёточными барьерами AlAs/GaAs приводит к осцилляциям диссипативного сопротивления значительной амплитуды, период которых определяется отношением величины межподзонного расщепления к циклотронной энергии. Амплитуда магнето-межподзонных осцилляций сопротивления определяется уширеним уровней Ландау.
3. Магнето-межподзонные осцилляции диссипативного сопротивления сосуществуют с осцилляциями, обусловленными рассеянием двумерных электронов на акустических фононах. В максимумах осцилляций, индуцированных акустическими фононами, амплитуда магнето-межподзонных осцилляций увеличивается. Обнаруженное явление обусловлено интерференцией процессов межподзонного рассеяния электронов на примесях и фононах.
4. В перпендикулярном магнитном поле диссипативное сопротивление двумерного электронного газа уменьшается при увеличении постоянного электрического поля. Величина электрического поля, необходимого для проявления этого нелинейного эффекта, пропорциональна температуре. Обнаруженный эффект обусловлен неоднородной спектральной диффузией электронов, возникающей в неупорядоченной двумерной системе в скрещенных электрическом и магнитном полях.
5. При больших факторах заполнения двумерный электронный газ переходит в магнетополевое состояние с нулевым дифференциальным сопротивлением под действием постоянного электрического тока, величиной выше некоторого порогового значения. Величина этого порогового значения пропорциональна магнитному полю. Обнаруженное электронное состояние обусловлено локальной нестабильностью электрического тока в условиях отрицательного дифференциального сопротивления.
6. Индуцированные микроволновым излучением магнетополевые состояния с нулевым сопротивлением и нулевой проводимостью, наблюдавшиеся ранее только в гетероструктурах GaAs/AlGaAs с высокой подвижностью ( ~ 1000 м2/Вс) и низкой концентрацией электронов (ne ~ 31015 м-2), в GaAs квантовых ямах с боковыми сверхрешёточными барьерами AlAs/GaAs проявляются при существенно меньшей подвижности ( ~ 200 м2/Вс) и большей концентрации (ne ~ 81015 м-2). Эти состояния обусловлены развитием неустойчивости в системах с абсолютным отрицательным сопротивлением или абсолютной отрицательной проводимостью.
7. В дисках Корбино с двумерным электронным газом под действием микроволнового излучения возникают магнетополевые осцилляции фото-ЭДС, период которых определяется отношением частоты излучения к циклотронной частоте. Амплитуда осцилляций фото-ЭДС пропорциональна величине микроволновой фотопроводимости.
Обнаруженный фотогальванический эффект обусловлен асимметрией встроенного электрического поля в областях двумерного электронного газа, прилегающих к внутреннему и внешнему кольцевым электродам.
8. В квантовых ямах с двумя заполненными подзонами размерного квантования под действием микроволнового излучения возникают два типа магнетополевых осцилляций фотосопротивления и фотопроводимости. Период первого типа осцилляций определяется отношением частоты излучения к циклотронной частоте, а второго - отношением величины межподзонного расщепления к циклотронной энергии.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 16th International conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems. July 10-15, 2005. Albuquerque, New Mexico USA; 7 Российская конференция по физике полупроводников. Полупроводники 2005. Москва, 18-23 сентября 2005 г. (Звенигород, пансионат Ершово); International conference: УNanoelectronics 2006. Novel Nanomaterials, Quantum Transport, and Noise of Electrons and PhotonsФ, Lancaster University, UK, 8-11 January 2006; 14th International Symposium УNanostructures: Physics and TechnologyФ, St Petersburg, 2006; 15th International Symposium УNanostructures: Physics and TechnologyФ, Novosibirsk, 2007; 8 Российская конференция по физике полупроводников. Полупроводники 2007. Екатеринбург, 30 сентября - 5 октября 2007; 2007 APS March Meeting. March 5-9, 2007, Denver, Colorado; 2008 APS March Meeting. March 10-14, 2008, New Orleans, Louisiana; 20APS March Meeting. March 16-20, 2009, Pittsburg, Pennsylvania; 18 Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников. 15-20 февраля 2010. Екатеринбург - Новоуральск; 18th International Symposium УNanostructures: Physics and TechnologyФ, St Petersburg, 2010.
ичный вклад автора. Основная часть экспериментальных результатов, представленных в диссертации, получена автором. Часть научных результатов, вошедших в диссертационную работу, получена автором совместно с профессором С. А. Виткаловым в лаборатории колледжа города Нью-Йорка. В процессе изучения магнетотранспортных явлений в гетероструктурах GaAs/AlAs под научным руководством автора защищено пять диссертаций на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук:
1. Бакаров А. К. Морфология гетерограниц и транспорт двумерных электронов в GaAs квантовых ямах с AlAs/GaAs сверхрешёточными барьерами;
2. Горан А. В. Магнетотранспотрные свойства непланарного двумерного электронного газа в модулированных полупроводниковых структурах;
3. Номоконов Д. В. Электронный транспорт в субмикронных кольцевых интерферометрах на основе GaAs полупроводниковых гетероструктур;
4. Калагин А. К. Электронный транспорт в GaAs/AlAs гетероструктурах при большом числе заполненных уровней Ландау;
5. Исламов Д. Р. Магнитотранспорт в GaAs/AlAs гетероструктурах в присутствии микроволнового излучения.
Совокупность новых научных результатов, полученных в ходе выполнения диссертационной работы, можно характеризовать как существенное достижение в направлении исследования магнетотранспортных явлений в полупроводниковых системах пониженной размерности.
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 35 работ, перечень которых приведен в конце автореферата [A1-A35], из них 31 работа в рецензируемых научных журналах и 4 работы в рецензируемых трудах конференций.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объём диссертации составляет 265 машинописных страниц, в том числе 120 рисунков и список литературы на 200 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель исследования, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, излагаются выносимые на защиту положения, дается краткая аннотация работы.
Первая глава является обзорной. В з1.1 описан метод модулированного легирования и приведены зонные диаграммы гетероструктур на основе соединений A3B5.
Рассмотрены принципы формирования 2D электронного газа в полупроводниковых гетероструктурах. Проанализированы причины, ограничивающие проводимость 2D электронного газа в традиционных гетеропереходах GaAs/AlGaAs с толстым спейсером. Изложена концепция увеличения подвижности в селективно-легированной квантовой яме GaAs с боковыми сверхрешёточными барьерами AlAs/GaAs.
Параграф 1.2 посвящен обзору квазиклассических и квантовых явлений переноса в 2D электронных системах в слабых и сильных магнитных полях при рассеянии на различных видах флуктуационного потенциала. Рассматриваются теоретические мо дели квазиклассического электронного транспорта. Вводится понятие лэффекта памяти [11]. Описываются, с учётом лэффектов памяти, случаи рассеяния на различных видах потенциала: короткодействующем потенциале примесных центров, плавно изменяющемся случайном потенциале и суперпозиции короткодействующего и крупномасштабного потенциалов. Рассмотрен эффект Шубникова- де Гааза (ШДГ). Изложена суть резонансного рассеяния 2D электронов в условиях квантования Ландау на акустических фононах [12]. Отмечены особенности магнетотранспорта в двухподзонных электронных системах [13].
В з1.3 сделан обзор нелинейного магнетотранспорта в 2D электронных системах при больших факторах заполнения. Рассмотрены механизмы влияния электрического поля на проводимость 2D электронного газа в поперечном магнитном поле. Показана роль неравновесной функции распределения электронов по энергиям f() в нелинейном транспорте. Отмечается, что поведение 2D электронного газа в скрещенных электрическом и магнитном полях не может быть описано простым повышением электронной температуры Te, так как неравновесная функция распределения в этом случае имеет осциллирующую компоненту, период которой равен Юc, где c = eB/m* - циклотронная частота. Изложена суть туннелирования Зинера, возникающего под действием электрического поля Холла между уровнями Ландау при больших факторах заполнения [14].
В з1.4 рассматриваются неравновесные явления, возникающие в 2D системах под действием микроволнового излучения. Приводится обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию фотоотклика 2D электронной системы, помещенной в поперечное магнитное поле [15-20].
Вторая глава посвящена экспериментальным методикам, использовавшимся в данной работе. В параграфе 2.1 описываются основные методы измерения сопротивления и проводимости 2D электронного газа в поперечном магнитном поле. В з2.описываются исследуемые селективно-легированные гетероструктуры GaAs/AlAs (рис.1a) и образцы на их основе для магнетотранспортных измерений. Параграф 2.посвящен методикам исследования магнетотранспортных явлений при низких температурах, а в параграфе 2.4 приведены транспортные параметры исследуемых гетероструктур.
На рис.1a показаны схематический разрез и зонная диаграмма одиночной квантовой ямы GaAs с боковыми сверхрешеточными барьерами AlAs/GaAs. Типичные зависимости xy(B) и xx(B) для такой квантовой ямы с одной заполненной подзоной размерного квантования представлены на рисунках 1b и 1c. Зависимость xy(B) в области классически сильных B является линейной, а в зависимости xx(B) при T = 4.2 K в полях более 0.5 Тл проявляются осцилляции ШДГ. В исследуемых гетероструктурах GaAs/AlAs транспортное время рассеяния tr много больше квантового времени жизни q, что указывает на значительную роль крупномасштабного рассеивающего потенциала в процессах переноса носителей заряда.
1.AlAs/GaAs GaAs/AlAs (a) T = 4.2 K (b) 0.0.ne 81015 m-GaAs -Si -Si 0.U E(c) 100 m2/Vs EF tr/q E0.00.51.01.dw = 13 nm B (T) Рис.1. (a) Схематический разрез и зонная диаграмма селективно-легированной гетероструктуры GaAs/AlAs. (b) Зависимость xy(B). (c) Зависимость xx(B). T = 4.2 K. Концентрация 2D электронного газа в квантовой яме ne 81015 м-2, подвижность 100 м2/Вс.
В третьей главе приводятся результаты экспериментального изучения квазиклассических и квантовых явлений переноса в одноподзонной и двухподзонной системах в поперечном магнитном поле в линейном режиме.
Параграф 3.1 посвящен экспериментальному исследованию квазиклассического отрицательного МС 2D электронного газа, возникающего в полупроводниковых гетероструктурах с корругированными гетерограницами [A1]. Отмечена роль двух типов xy (k ) xx ( ) рассеивающих потенциалов: короткодействующего и крупномасштабного, в возникновении отрицательного МС. На основе сопоставления экспериментальных данных с теорией сделан вывод о роли эффектов лпамяти в возникновении квазиклассического отрицательного МС в гетероструктурах GaAs/AlAs.
В з3.2 показано, что в изучаемых гетероструктурах GaAs/AlAs в температурном диапазоне от 7.5 до 25 К возникают осцилляции МС (рис.2a), периодичные в обратном магнитном поле [A4, A24]. Период обнаруженных осцилляций определяется соотношением: 2kFus = jc, где us - скорость распространения акустических волн, а j - целое положительное число. Величина us, вычисленная из периода осцилляций, оказалась равной 5.9 км/с, что близко к продольной моде объемных звуковых волн в слоях GaAs, выращенных на поверхности с кристаллографической ориентацией (100).
1.-1 ee (a) T = 25.4 K (b) xx ph exp(-2/cq ) 1.j =8 1/ph T 0. = 1.j = 1 T = 7.4 K ee 1/q = T 2/EF j = 2kFus/c 0. = 2.4 us = 5.9 km/s 0.0.00.61.21.01020B (T) T (K) Рис.2. (a) Зависимости xx(B) при различных T от 7.4 (нижняя кривая) до 25.4 K (верхняя кривая) с приращением в 1 K. Стрелками указаны максимумы магнетофононных осцилляций.
(b) Зависимости амплитуды магнетофононных осцилляций xx от T для j = 1 и 2. Сплошные кривые соответствуют расчету по формуле [A. T. Hatke at al., Phys. Rev. Lett. 102, 0868(2009)]: xx(T ) ph-1(T )exp[-2/cqee(T )], где ph(T ) 1/T - время электрон-фононного рассеяния, а qee(T ) = EF/ T 2 - компонента квантового времени жизни, обусловленная электрон-электронным рассеянием.
xx xx ( /sq ) ( /sq ) На основании полученных данных сделан вывод о том, что обнаруженные осцилляции обусловлены резонансным взаимодействием электронов с акустическими фононами. В этом случае переходы электронов с одного уровня Ландау на другой являются непрямыми и сопровождаются изменением импульса на ~ 2kF. Такое изменение импульса соответствует смещению центра циклотронной орбиты на удвоенную величину циклотронного радиуса ~ 2Rc, что и приводит к осцилляциям диссипативного сопротивления. Показано, что температурная зависимость амплитуды магнетофононных (МФ) осцилляций сопротивления определяется зависимостями от T процессов электрон-фононного и электрон-электронного рассеяния (рис.2b).
Параграф 3.3 посвящен исследованию двухподзонного магнетотранспорта в одиночных и двойных квантовых ямах. В гетероструктурах GaAs/AlAs с двумя заполненными подзонами размерного квантования обнаружены осцилляции сопротивления (рис.3 и рис.4) и проводимости, положение максимумов которых в магнитном поле определяется условием: (E2 - E1) = k c, где (E2 - E1) - энергетическое расстояние между уровнями размерного квантования, а k - целое положительное число.
(a) (b) T = 4.2 K dw dw T = 4.2 K fEF f1 = n1h/2e EEf2 = n2h/2e db E2 - E1 = 2.6 meV 2 f2 f10 k = 4 k = (E2 - E1)/ c 0.00.61.21.8 048f (T) B (T) Рис.3. (a) Зависимость xx(B) для двойной квантовой ямы с двумя заполненными подзонами размерного квантования E1 и E2 при T = 4.2 K. Цифрами обозначены максимумы магнетомежподзонных осцилляций сопротивления. На вставке изображена зонная диаграмма двойной квантовой ямы. (b) Фурье спектр зависимости xx(1/B).
xx ( /sq ) xx FFT [ (1/ B )] (arb. units) Установлено, что температурная зависимость амплитуды магнето-межподзонных (ММП) осцилляций сопротивления xx(T) в гетероструктурах GaAs/AlAs определяется зависимостью от T компоненты квантового времени жизни, обусловленной электрон-электронным (e-e) рассеянием (рис.4b) [A27].
T = 4.2 K (a) xx/0 exp(-/cq) (b) dw 1EF 1/q = 1/q1+ 1/qE30 10- T = 4.2 K E10-12.5 K eff E2 - E1 = 15.8 meV 10-3 1/ee = eff(1/EF1+1/EF2)T 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 0510B (T) 1/B (1/T) Рис.4. (a) Зависимость xx(B) для одиночной квантовой ямы с двумя заполненными подзонами размерного квантования E1 и E2 при T = 4.2 K. На вставке изображена зонная диаграмма квантовой ямы. (b) Зависимости относительной амплитуды ММП осцилляций xx/0 от 1/B для температур 4.2 и 12.5 K.
В з3.4 показано, что в одиночных квантовых ямах в условиях, когда заполнено две подзоны размерного квантования, возникает линтерференция ММП осцилляций сопротивления и осцилляций, индуцированных акустическими фононами (рис.5) [A29]. Обнаруженное явление согласуется с теорией, в которой полагается, что интерференция в двухподзонной системе возникает вследствие фонон-ассистированного межподзонного рассеяния электронов [O. E. Raichev, Phys. Rev. B 81, 195301 (2010)].
Установлено, что температурное подавление амплитуды МФ осцилляций в двухподзонной системе, как и в одноподзонной, определяется зависимостью времени e-e рассеяния от T. Полученные данные согласуются с выводом о том, что чувствительность к e-e рассеянию является фундаментальным свойством осцилляций сопротивления, обусловленных электронными переходами между уровнями Ландау.
xx xx / ( /sq ) uS = 5.2 km/s T = 12.4 K j = 1 T = 12.4 K 0.k = j = * * * E1 - E2 = 15.5 meV (b) (a) -0.0.00.61.21.8 12B (T) 1/B (1/T) Рис.5. (a) Зависимость xx(B) при T = 12.4 K (тонкая линия) и усредненная компонента этой зависимости (толстая линия). Звездочками обозначены максимумы ММП осцилляций. Стрелками обозначены максимумы МФ осцилляций. (b) Зависимость относительной амплитуды ММП осцилляций xx/0 от 1/B при T = 12.4 K.
Четвёртая глава посвящена исследованию нелинейных магнетотранспортных явлений в однопозонных системах на основе одиночных квантовых ям GaAs.
В з4.1 приводятся результаты исследования диссипативного МС в зависимости от величины плотности постоянного электрического тока Jdc [A3]. Обнаружено, что с ростом Jdc МС в квантовых ямах GaAs с боковыми сверхрешеточными барьерами AlAs/GaAs изменяется с положительного на отрицательное (рис.6a). Установлено, что отрицательное МС в этом случае обусловлено нелинейностью ВАХ исследуемой 2D системы. Величина отрицательного МС, возникающего в нелинейном режиме тем выше, чем выше электронная подвижность.
Показано, что падение дифференциального сопротивления rxx, возникающее в максимумах осцилляций ШДГ при увеличении плотности тока Jdc (рис.6b), описывается теорией, рассматривающей в качестве основной причины нелинейного транспорта неравновесную функцию распределения [20]. Из сопоставления экспериментальных данных с теорией определено время неупругого рассеяния электронов в исследуемой двумерной системе [A10, A26].
xx xx ( /sq ) / 60 (a) (b) T = 4.2 K T = 19.8 K Jdc = 0.2 A/m 40 0.8 A/m 20 2 A/m T = 4.3 K B = 0.925 T -15 -10 -5 0 5 10 0.00.51.01.B (T) Jdc(A/m) Рис.6. (a) Зависимости Rxx(B) 2D электронного газа в гетероструктуре GaAs/AlAs для различных величин Jdc при T = 4.2 K. (b) Зависимости rxx(Jdc): B = 0.925 Тл, T = 4.3 K и 19.8 K. Квадраты и окружности - экспериментальные зависимости. Сплошные линии - зависимости, рассчитанные по формуле: rxx/R0 = 22(1 - 10Qdc - 3Qdc2)/(1 + Qdc)2, где R0 - сопротивление в нулевом магнитном поле, = exp(-/cq) - фактор Дингла, а Qdc = (Idc/I0)2. Подгоночные параметры: T = 4.3 K, I0 = 0.055 мА, = 0.334; T = 19.8 K, I0 = 0.1802 мА, = 0.177.
Параграф 4.2 посвящен ответу на вопрос: что произойдет при низкой температуре в условиях сильной нелинейности, когда rxx быстро падает с ростом электрического тока? Показано, что в этом случае возникает состояние с rxx = 0 (рис.7) [A11]. Обнаруженный переход 2D электронной системы в состояние с rxx = 0 указывает на то, что в условиях сильной нелинейности оно является стационарным. Полученные данные анализируются в рамках теории [17].
В исследуемой 2D системе переход в состояние с нулевым дифференциальным сопротивлением происходит в условиях, когда xx > 0. В этом случае система является устойчивой при dEx/dJx 0. Эксперимент показывает (рис.7b), что при dEx/dJx < 0 система переходит в стационарное состояние с rxx = 0, что согласуется с теоретическими расчетами, сделанными в работе [A. Kunold, M. Torres, Phys. Rev. B 80, 205314 (2009)].
xx xx r ( ) R ( ) 200 2T = 2.1 K T = 2.1 K B = 0.797 T B = 0.797 T 100 1Jdc = ZDRS ZDRS 0 0.144 A/m (b) (a) -1-10.00 0.25 0.50 0.75 1.00 -0.50 -0.25 0.00 0.25 0.B (T) Jdc(A/m) Рис.7. (a) Зависимости rxx(B) для различных величин Jdc при T = 2.1 K. (b) Зависимость rxx(Jdc) в магнитном поле B = 0.797 Тл при T = 2.1 K. Стрелкой указаны состояния с rxx 0.
В з4.3 показано, что электронная температура является неприемлемым параметром для описания магнетотранспортных свойств перегретых 2D систем [A20]. Другими словами, неравновесная функция распределения высокоподвижных электронов при больших не описывается температурой. Постоянное электрическое поле приводит к неоднородной спектральной диффузии 2D электронов по дискретному спектру, в результате чего в неравновесной функции распределения возникает компонента, осциллирующая с периодом модуляции плотности энергетических состояний [20].
В з4.4 приводятся результаты исследования туннелирования Зинера между уровнями Ландау в гетероструктурах GaAs/AlAs [A5]. Показано (рис.8), что в исследуемых структурах под действием Jdc возникают осцилляции rxx, период которых определяется отношением H/c, где H = RceEH/, 2, Rc - циклотронный радиус, EH = xxJdc - напряженность поля Холла. Изучено влияние переменного тока I на величину Rxx (рис.9). Обнаруженные в этом случае осцилляции также объясняются туннелированием Зинера между наклоненными уровнями Ландау, но под действием переменного электрического поля Холла. В диапазоне частот возбуждающего тока до 100 кГц форма осцилляций обусловлена усреднением rxx за период переменного тока.
xx xx r ( ) r ( ) T = 4.2 K (a) (c) 1.Jdc = 8 A/m Jdc = 0 l 1.l = RceEH/ c (b) l = l = 0.l = 4 l = -0.0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.03Jdc (A/m) B (T) Рис.8. (a) Зависимости rxx(B) при T = 4.2 K для различных величин Jdc. (b) Зависимость производной drxx/dB от магнитного поля для Jdc = 8 А/м. Стрелками указаны четыре максимума, начиная с основного. (c) Зависимости позиций максимумов осцилляций Bl от Jdc для l = 1, 2 и 3.
Сплошные линии соответствуют соотношению: Bl ~ Jdc/l. Вставка показывает периодичность осцилляций drxx/dB от 1/B.
(a) (b) T = 4.2 K 1.1.n n = n = n = 0./2 = 100 kHz J = 7 A/m 1 n = 0.0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.048J (A/m) B (T) Рис.9. (a) Зависимости Rxx(B) для J = 7 А/м на частоте 100 кГц при T = 4.2 K. Стрелками указаны три максимума, начиная с основного. (b) Зависимости позиций максимумов осцилляций Bn от J для n = 1, 2 и 3. Сплошные линии соответствуют соотношению: Bn ~ J/l. Вставка показывает периодичность осцилляций Rxx от 1/B.
l xx 1/ B (1/T) r ( ) l B (T) xx dr / dB ( /T) n 1/ B (1/T) n xx B (T) R ( ) В пятой главе приводятся результаты экспериментального исследования фотоотклика 2D электронного газа в гетероструктурах GaAs/AlAs на микроволновое облучение в поперечном магнитном поле.
1.2 /2 = 1 GHz (a) (b) P= 0.0.5 mW n n = n = * * * * 0.n = T = 4.2 K 0.0.00.30.60.0.00.40.81.B (T) P1/2 (mW1/2) Рис.10. (a) Зависимости Rxx(B) при T = 4.2 K без облучения и с облучением различной мощностью P на частоте 1 ГГц. Звездочками отмечен основной максимум, смещающийся в сторону более высоких B при увеличении P. (b) Зависимости позиций максимумов осцилляций Bn от P1/2 для n = 3 и 4. Вставка показывает периодичность осцилляций Rxx от 1/B.
В з5.1 показано, что в гетероструктурах GaAs/AlAs под действием микроволнового излучения в области больших возникают два типа осцилляций МС [A2, A8].
Период первого типа осцилляций определяется мощностью микроволнового излучения P (рис.10), а второго - его частотой /2 (рис. 11). Первый тип (H/c - осцилляции) объясняется туннелированием Зинера [14], которое возникает между уровнями Ландау под действием электрической составляющей СВЧ поля, а второй (/c - осцилляции) - межуровневыми переходами с участием фотонов [9, 15, 16, 20].
Для малых P положение максимумов H/c - осцилляций, как и для низкочастотного переменного электрического поля (/2 < 100 кГц), зависит линейно от величины P1/2. Для P1/2 > 0.4 мВт1/2 наблюдается сублинейная зависимость Bn(P1/2) [A5].
Установлено, что в исследуемых гетероструктурах в присутствии электромагнитного поля на частоте 37 ГГц оба типа осцилляций МС сосуществуют.
n 1/ B (1/T) xx n R ( ) B (T) 54 0. /2 = 140 GHz (a) (b) P ~ 4 mW T = 4.2 K * * 0.01/2 ( GHz) * * P= c = 2 /2 = 140 GHz c = 0.00.30.60.9 0816B (T) 1/B (1/T) Рис.11. (a) Зависимости Rxx(B) при T = 4.2 K без облучения и с облучением различной мощностью на частоте 140 ГГц. Цифрами обозначены максимумы, начиная с основного. Звездочками отмечен основной максимум, слабо смещающийся в сторону более низких B при увеличении P. (b) Зависимость номеров максимумов осцилляций сопротивления от 1/B для частоты микроволнового излучения 140 ГГц. Вставка показывает линейную зависимость величины магнитного поля Bc = cm*/e от /2.
/2 = 140 GHz (b) /2 = 140 GHz (a) ne = 8.51015 m-2 ne = 7.91015 m-R 40 = 56 m2/Vs = 210 m2/Vs T = 4.2 K 20 RG0 G T = 1.7 K 0 0.00.20.40.0.00.20.40.B (T) B (T) Рис.12. (a) Зависимости Rxx(B) при T =1.7 K без облучения (тонкая линия) и с облучением (толстая линия) на частоте 140 ГГц. (b) Зависимости G(B) при T = 4.2 K, измеренные на диске Корбино без облучения (тонкая линия) и с облучением (толстая линия) на частоте 140 ГГц.
c B (T) xx Index R ( ) xx R ( ) G (mS) Параграф 5.2 посвящен экспериментальному изучению магнетополевого состояния с близким к нулю сопротивлением, возникающего в гетероструктурах GaAs/AlAs под действием микроволнового излучения. При температуре 1.7 K состояние с нулевым сопротивлением возникает в исследуемых структурах с существенно меньшей электронной подвижностью ( ~ 100 м2/Вс) [A8], по сравнению с гетеропереходами GaAs/AlGaAs (рис.12a). Установлено, что анизотропия электронной подвижности в гетероструктурах GaAs/AlAs слабо влияет на амплитуду /c - осцилляций.
Параграф 5.3 посвящен изучению микроволновой фотопроводимости 2D электронного газа в гетероструктурах GaAs/AlAs (рис.12b). Обнаружено отличие поведения микроволновой фотопроводимости в основном минимуме /c - осцилляций в мостиках Холла и дисках Корбино, обусловленное магнетоплазменными колебаниями [A17]. Показана идентичность результатов измерений магнетопроводимости (МП) 2D электронного газа в присутствии микроволнового излучения при помощи дисков Корбино с омическими и емкостными контактами [A32, A33]. Таким образом, экспериментально установлено, что для наблюдения гигантских осцилляций МП, индуцированных микроволновым излучением в 2D системе в области больших , наличие омических контактов принципиальной роли не играет.
В з5.4 представлены результаты исследования микроволнового фотосопротивления в 2D баллистических микромостиках [A23]. Полученные данные показывают, что в этом случае фотосопротивление не является знакопеременным в зависимости от B.
Положительное фотосопротивление в микромостиках, как и в макроскопических образцах, возникает в условиях, когда энергия фотона несколько меньше значений, кратных циклотронной энергии c. В микромостиках отсутствует отрицательное фотосопротивление, возникающее в макроскопических образцах, когда незначительно превосходит значения, кратные c. Обнаруженное поведение не согласуется с теоретическими моделями микроволнового фотосопротивления, разработанными для макроскопических образцов [15-17, 20].
В з5.5 изучена микроволновая ЭДС в 2D дисках Корбино (рис.13) [A15, A28]. В изучаемых 2D дисках под действием микроволнового излучения возникают магнетополевые осцилляции ЭДС. Установлено, что эти осцилляции периодичны в обратном магнитном поле и идут в противофазе с /c - осцилляциями микроволновой фотопроводимости. Фотогальванический эффект, обнаруженный в 2D дисках Корбино, качественно объясняется неоднородным распределением микроволнового поля между коаксиальными металлическими электродами к 2D диску и вентильным эффектом на переходах между 2D электронным газом и контактами к нему.
40 (a) (b) /2 = 140 GHz 1 Vph 1 4 -/c j + 0.T = 4.2 K (c) -0 5 10 15 20 -0.50 -0.25 0.00 0.25 0.B (T) 1/B (1/T) Рис.13. (a) Зависимость Vph(B) для частоты облучения 140 ГГц при T = 4.2 K. На вставке изображена схема измерения ЭДС в геометрии Корбино. (b) Зависимости Vph(1/B) для частоты облучения 140 ГГц при T = 4.2 К. Цифрами обозначены максимумы микроволновой фото ЭДС, начиная с основного. (c) Зависимость номеров максимумов микроволновой ЭДС от 1/B для частоты микроволнового излучения 140 ГГц.
Шестая глава посвящена экспериментальному исследованию неравновесных магнетотранспортных явлений, возникающих под действием постоянного электрического тока или микроволнового излучения в одиночных и двойных квантовых ямах с двумя заполненными подзонами размерного квантования.
В з6.1 показано (рис.14), что в двухподзонной системе под действием постоянного электрического тока происходит переворот ММП осцилляций [A18]. Установлено, что переворот ММП осцилляций, обнаруженный в гетероструктурах GaAs/AlAs, обусловлен магнетотранспортом в нелинейном режиме. Уменьшение сопротивления в ph V ( V) ph V ( V) Index двухподзонной системе под действием электрического поля, как и в одноподзонной системе, объясняется изменением электронной функции распределения.
B = 0 (a) T = 4.2 K (b) k = T = 4.2 K 0.49 T Idc = 4 A k = 0Idc (A) Idc = 2 A 20 40 A E2 - E1 = 2.6 meV 40 A 0.00.20.40.6 2.5 3.0 3.5 4.0 4.B (T) 1/B (1/T) Рис.14. (a) Зависимости xx(B) для двойной квантовой ямы с двумя заполненными уровнями размерного квантования при T =4.2 K, измеренные на постоянном токе Idc = 2 мкА (тонкая линия) и Idc = 40 мкА (толстая линия). На вставке приведены ВАХ для исследуемого мостика Холла при B = 0 и B = 0.49 Тл. (b) Зависимости xx(1/B), измеренные на постоянном токе Idc в диапазоне от 4 до 40 мкА с шагом 4 мкА при T = 4.2 K. Цифрами 4 и 5 обозначены максимумы ММП осцилляций.
В з6.2 приводятся результаты исследования дифференциального сопротивления в двойной квантовой яме с двумя заполненными подзонами размерного квантования E1 и E2. Обнаружено (рис.15), что в такой системе под действием постоянного тока Idc происходит периодическая инверсия ММП осцилляций rxx в зависимости от 1/B. Установлено, что частота таких переворотов ММП осцилляций пропорциональна Idc. Полученные экспериментальные данные демонстрируют линтерференцию ММП осцилляций с осцилляциями, обусловленными зинеровским туннелированием между уровнями Ландау под действием электрического поля Холла [A19].
xx V (mV) xx xx ( /sq ) ( /sq ) 0.E2 - E1 = 2.9 meV (a) (b) T = 4.2 K 11 1/l = l = l = 0.11 = 1.T = 4.2 K 2 =1.0.Jdc = 2 A/m Bl Jdc/l l (/nT)1/2Jdc/ec 0.0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 1 2 3 4 Jdc (A/m) B (T) Рис.15. (a) Зависимость rxx(B) для Jdc = 2 А/м при T = 4.2 K (толстая линия) и усредненная компонента этой зависимости (тонкая линия). (b) Зависимости положений узлов Bl для l = 1 и 2 от Jdc. Линии соответствуют соотношению: Bl ~ Jdc/l.
Параграф 6.3 посвящен исследованию состояния с нулевым дифференциальным сопротивлением в двойной квантовой яме в условиях магнето-межподзонного рассеяния [A35]. В исследуемой системе состояние с rxx 0, возникающее под действием Idc в максимумах ММП осцилляций, обусловлено внутриуровневыми переходами. Возникновение такого состояния в двухподзонной системе, как и в одноподзонной, качественно объясняется в рамках теории, учитывающей влияние электрического поля на функцию распределения свободных носителей заряда по энергиям [20].
В з6.4 показано, что в квазидвумерной электронной системе под действием синусоидального электрического тока Iac генерируются высшие гармоники не только в продольном напряжении Vxx, но и в холловском - Vxy [A22]. Установлено, что под действием излучения и постоянного электрического тока Idc в двухподзонной системе возникает осциллирующая от магнитного поля ЭДС Холла. Полученные данные объясняются тем, что нелинейный магнетотранспорт в квазидвумерной системе обусловлен влиянием электрического поля на диагональную и недиагональную компоненты тензора проводимости.
l xx B (T) r ( ) /2 = 150 GHz (a) 3 (b) /2 = 150 GHz P = 4 mW P = 4 mW R = c = c R-T = 4.2 K /2 = c T = 4.2 K E2 - E1 = 3.1 meV -0.00.30.60.9 0.00.20.40.B (T) B (T) Рис.16. (a) Зависимости Rxx(B) для двойной квантовой ямы с двумя заполненными подзонами размерного квантования без облучения (тонкая линия) и с облучением (толстая линия) на частоте /2 =150 ГГц при T = 4.2 K. (b) Зависимость микроволнового фотосопротивления Rxx = R - R0 от магнитного поля B.
T = 1.6 K B = 0.145 T (b) (a) P = 2 mW P = 2 mW /2 = 70GHz 70 GHz k = 46 GHz -P = /2 = 58 GHz E2 - E1 0.5 meV -0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.40 50 60 70 B (T) /2 (GHz) Рис.17. (a) Зависимости xx(B) для двойной квантовой ямы с двумя заполненными подзонами размерного квантования без облучения (тонкая линия) и с облучением (толстая линия) на частоте 70 ГГц при T = 1.6 K. (b) Зависимость микроволнового фотосопротивления xx от частоты микроволнового излучения при T = 1.6 K. Стрелками указаны положения экстремумов зависимости xx(/2).
xx xx R ( ) R ( ) xx xx ( /sq) ( /sq) В з6.5 приводятся результаты исследования двухподзонного магнетотранспорта в гетероструктурах GaAs/AlAs в присутствии микроволнового излучения [A16, A34].
В двухподзонной системе микроволновое поле существенно модифицирует электронный транспорт, приводя к осциллирующей с двумя периодами зависимости сопротивления от 1/B (рис.16) [A16]. Больший период этих осцилляций обусловлен тем, что фотосопротивление квазидвумерной системы, как и двумерной, является осциллирующей функцией отношения /c. Меньший период обусловлен влиянием микроволнового поля на амплитуду и фазу ММП осцилляций.
Установлено, что фотосопротивление в двухподзонной системе имеет максимальную амплитуду в условиях, когда максимум ММП осцилляций совпадает с максимумом или минимумом /c - осцилляций. Показано (рис.17), что резонансное фотосопротивление, возникающее в максимумах ММП осцилляций с номером k, определяется условием: /(E2 - E1) (j0.2)/k, где k и j - целые положительные числа [A34].
В заключении приведены основные результаты и выводы работы.
- Исследован электронный транспорт в селективно-легированных гетероструктурах GaAs/AlAs при больших факторах заполнения уровней Ландау. В изучаемых структурах в диапазоне температур от 10 до 25 К обнаружены периодичные по обратному магнитному полю осцилляции сопротивления, частота которых пропорциональна электронному волновому вектору на поверхности Ферми. Показано, что обнаруженные осцилляции обусловлены резонансным взаимодействием двумерных электронов с акустическими волнами, имеющими скорость us = 5.2 - 5.9 км/с.
- Установлено, что в двухподзонных системах на основе гетероструктур GaAs/AlAs возникают магнетополевые осцилляции сопротивления xx и проводимости xx, обусловленные межподзонным рассеянием. Период осцилляций определяется отношением величины межподзонного расщепления E12 = E2 - E1 к циклотронной энергии c.
Зависимость амплитуды магнето-межподзонных осцилляций от температуры определяется шириной уровней Ландау L = /q, где q - квантовое время жизни.
- Обнаружено, что магнето-межподзонные осцилляции диссипативного сопротивления, возникающие в двухподзонных системах, сосуществуют с осцилляциями, индуцированными акустическими фононами. Амплитуда магнето-межподзонных осцилляций возрастает в максимумах магнетофононных, что указывает на интерференцию амплитуд вероятностей межподзонных электронных переходов, связанных с упругими и неупругими процессами рассеяния.
- Исследовано влияние постоянного электрического тока на магнетотранспорт в гетероструктурах GaAs/AlAs. Показано, что при увеличении тока сопротивление двумерного электронного газа при больших факторах заполнения уменьшается. В диапазоне температур от 2 до 10 K величина электрического поля, необходимого для проявления этого эффекта, пропорциональна температуре. Обнаруженный нелинейный эффект описывается теорией неоднородной спектральной диффузии. Из сопоставления экспериментальных данных с теорией найдено, что процессы энергетической релаксации в изучаемых структурах обусловлены электрон-электронным рассеянием.
- Установлено, что электрическое поле, приложенное к двумерной системе с модулированным энергетическим спектром, приводит к неравновесной функции распределения, которая не описывается повышенной электронной температурой. Такое неравновесное распределение электронов существенно изменяет проводимость двумерного электронного газа, приводя к магнетополевому состоянию с нулевым дифференциальным сопротивлением. Показано, что при одной и той же мощности перегрев системы с модулированным спектром существенно выше, чем системы с равномерным распределением энергетических уровней.
- Обнаружены магнетополевые состояния с нулевым сопротивлением, возникающие в гетероструктурах GaAs/AlAs с электронной концентрацией ne 81015 м-2 и подвижностью = (60-200) м2/Вс при температуре ниже 4.2 K под действием микроволнового излучения в диапазоне частот от 130 до 150 ГГц. В областях занулений наблюдаются провалы, сопротивление в которых становится отрицательным. Такое поведение согласуется с теорией, рассматривающей в качестве основной причины формирования неравновесных магнетополевых состояний с нулевым сопротивлением - развитие неустойчивости в электронных системах с абсолютным отрицательным сопротивлением.
- В дисках Корбино с двумерным электронным газом обнаружены магнетополевые осцилляции микроволновой фото-ЭДС, возникающие в области больших факторов заполнения уровней Ландау. Осцилляции ЭДС периодичны по обратному магнитному полю и идут в противофазе к осцилляциям микроволновой фотопроводимости, что указывает на вентильную природу микроволновой ЭДС. Установлено, что в областях занулений проводимости, индуцированных микроволновым излучением, ЭДС флуктуирует во времени, что согласуется с моделью пространственной неоднородности магнетополевых состояний с нулевой проводимостью.
- Установлено, что микроволновое фотосопротивление двухподзонной системы, помещенной в перпендикулярное магнитное поле, осциллирует с двумя периодами.
Больший период этих осцилляций обусловлен тем, что микроволновое фотосопротивление двухподзонной системы, как и одноподзонной, является осциллирующей знакопеременной функцией отношения частоты микроволнового излучения к циклотронной частоте. Меньший период связан с влиянием микроволнового поля на межподзонные переходы. Полученные экспериментальные данные согласуются с теорией, которая рассматривает неравновесное распределение электронов по энергиям в качестве основной причины микроволнового фотосопротивления двумерных систем при больших факторах заполнения уровней Ландау.
- Таким образом, в работе проведено комплексное исследование магнетотранспортных явлений в гетероструктурах GaAs/AlAs при больших факторах заполнения. Полученные результаты свидетельствуют о том, что селективно-легированные гетеростуктуры GaAs/AlAs расширяют возможности экспериментального изучения электронного транспорта в системах пониженной размерности. Магнетотранспорт в таких модулированных полупроводниковых структурах обладает рядом уникальных свойств как в линейном, так и нелинейном режимах. Обнаруженные в гетеростуктурах GaAs/AlAs новые гальваномагнитные эффекты углубили понимание процессов переноса заряда в низкоразмерных системах в скрещенных электрическом и магнитном полях, а также стимулировали развитие теории неравновесных явлений в селективно-легированных полупроводниках.
Публикации по теме диссертации [A1] Быков А. А. Квазиклассическое отрицательное магнетосопротивление двумерного электронного газа при рассеянии на короткодействующем и дальнодействующем потенциалах / А. А. Быков, А. К. Бакаров, А. В. Горан, Н. Д. Аксенова, А. В. Попова, А. И. Торопов // Письма в ЖЭТФ. - 2003. - Т. 78. - С. 165Ц169.
[A2] Быков А. А. Осцилляции магнетосопротивления двумерного электронного газа в GaAs квантовой яме с AlAs/GaAs сверхрешеточными барьерами в микроволновом поле / А. А. Быков, А. К. Калагин, А. К. Бакаров, А. И. Торопов // Письма в ЖЭТФ. - 2005. - Т. 81. - С. 348Ц350.
[A3] Быков А. А. Отрицательное магнетосопротивление высокоподвижного двумерного электронного газа в нелинейном режиме / А. А. Быков, А. К. Калагин, А.
К. Бакаров // Письма в ЖЭТФ. - 2005. - Т. 81 - С. 498Ц501.
[A4] Быков А. А. Магнетофононный резонанс в GaAs квантовой яме с AlAs/GaAs сверхрешеточными барьерами при больших факторах заполнения / А. А. Быков, А. К. Калагин, А. К. Бакаров // Письма в ЖЭТФ. - 2005. - Т. 81. - С. 646Ц649.
[A5] Bykov A. A. Effect of dc and ac excitations on the longitudinal resistance of a twodimensional electron gas in highly doped GaAs quantum wells / A. A. Bykov, Jingqiao Zhang, Sergey Vitkalov, A. K. Kalagin, A. K. Bakarov // Phys. Rev. B - 2005. - Vol. 72. - P. 245307Ц1Ц5.
[A6] Bykov A. A. Magnetoresistance oscillations due to Zener tunneling and microwave radiation in a 2D electron gas in GaAs quantum well with AlAs/GaAs superlattices barriers / A. A. Bykov, A. K. Bakarov, A. K. Kalagin, A. V. Goran, A. I. Toropov, S.
A. Vitkalov // Physica E. - 2006. - V. 34. - P. 97Ц99.
[A7] Bykov A. A. Effect of dc and ac excitations on the longitudinal resistance of a 2D electron gas in highly doped GaAs quantum wells / A. A. Bykov, Jing-qiao Zhang, S.
Vitkalov, A. K. Kalagin, D. R. Islamov, A. K. Bakarov // Proceedings of the 14th Int.
Symp. УNanostructures: Physics and TechnologyФ. Ioffe Institute. St Peterburg. - 2006. - P. 348Ц349.
[A8] Быков А. А. Индуцированные микроволновым излучением гигантские осцилляции магнетосопротивления и состояние с нулевым сопротивлением в двумерной электронной системе со средней величиной подвижности / А. А. Быков, А. К.
Бакаров, Д. Р. Исламов, А. И. Торопов // Письма в ЖЭТФ. - 2006. - Т. 84. - С.
466Ц469.
[A9] Быков А. А. Холловский пробой в GaAs/AlAs гетероструктуре с модулированным легированием / А. А. Быков, И. В. Марчишин, А. К. Бакаров, Ж. К. Занг, С.
А. Виткалов // Письма в ЖЭТФ. - 2007. - Т. 85. - С. 69Ц73.
[A10] Zhang Jing-qiao. Effect of a dc electric field on the longitudinal resistance of twodimensional electrons in a magnetic field / Jing-qiao Zhang, Sergey Vitkalov, A. A.
Bykov, A. K. Kalagin, A. K. Bakarov // Phys. Rev. B. - 2007. - V. 75. - P. 081305 - 1Ц4.
[A11] Bykov A. A. Zero-Differential Resistance State of Two-Dimensional Electron Systems in Strong Magnetic Fields / A. A. Bykov, Jing-qiao Zhang, Sergey Vitkalov, A.
K. Kalagin, A. K. Bakarov // Phys. Rev. Lett. - 2007. - V. 99. - P. 116801Ц1Ц4.
[A12] Vitkalov Sergey. Effect of DC electric field on longitudinal resistance of two dimensional electrons in a magnetic field / Sergey Vitkalov, Jing-qiao Zhang, A. A. Bykov, A. K. Kalagin, A. K. Bakarov // Proceedings of the 15th Int. Symp. УNanostructures:
Physics and TechnologyФ. Ioffe Institute. St Peterburg. - 2007. - P. 347Ц348.
[A13] Быков А. А. Абсолютное отрицательное сопротивление в неравновесной двумерной электронной системе в сильном магнитном поле / А. А. Быков, Д. Р. Исламов, Д. В. Номоконов, А. К. Бакаров // Письма в ЖЭТФ. - 2007. - Т. 86. - С.
695Ц698.
[A14] Быков А. А. Микроволновое фотосопротивление в двумерной электронной системе с анизотропной подвижностью / А. А. Быков, Д. Р. Исламов, А. В. Горан, А. К. Бакаров // Письма в ЖЭТФ. - 2007. - Т. 86. - С. 891Ц895.
[A15] Быков А. А. Индуцированные микроволновым излучением магнетополевые осцилляции ЭДС в двумерном электронном диске Корбино при больших факторах заполнения // Письма в ЖЭТФ. - 2008. - Т. 87. - С. 281Ц285.
[A16] Быков А. А. Микроволновое фотосопротивление в двойной квантовой яме при больших факторах заполнения / А. А. Быков, Д. Р. Исламов, А. В. Горан, А. И.
Торопов // Письма в ЖЭТФ. - 2008. - Т. 87. - С. 563Ц567.
[A17] Быков А. А. Индуцированное микроволновым излучением магнетополевое состояние с нулевой проводимостью в GaAs/AlAs дисках Корбино и мостиках Холла // Письма в ЖЭТФ. - 2008. - Т. 87. - С. 638Ц641.
[A18] Быков А. А. Нелинейный магнетотранспорт в квазидвумерной системе с высокой электронной подвижностью // Письма в ЖЭТФ. - 2008. - Т. 88. - С. 70Ц74.
[A19] Быков А. А. Туннелирование Зинера между уровнями Ландау в двойной квантовой яме при больших факторах заполнения // Письма в ЖЭТФ. - 2008. - Т. 88. - С. 450Ц453.
[A20] Romero Kalmanovitz N. Warming in systems with a discrete spectrum: Spectral diffusion of two-dimensional electrons in a magnetic field / N. Romero Kalmanovitz, A.
A. Bykov, Sergey Vitkalov, A. I. Toropov // Phys. Rev. B. - 2008. - Vol. 78 - P.
085306Ц1Ц4.
[A21] Romero N. Effect of parallel magnetic field on the zero-differential resistance state / N. Romero, S. McHugh, M. P. Sarachik, S. A. Vitkalov, A. A. Bykov // Phys. Rev. B.
- 2008. - Vol. 78. - P. 153311Ц1Ц4.
[A22] Быков А. А. Нелинейный эффект Холла в квазидвумерной электронной системе // Письма в ЖЭТФ. - 2009. - Т. 89. - С. 550Ц554.
[A23] Быков А. А. Микроволновое фотосопротивление двумерного электронного газа в баллистическом микромостике // Письма в ЖЭТФ. - 2009. - Т. 89. - С. 676 - 680.
[A24] Быков А. А. Температурная зависимость магнетофононных осцилляций сопротивления в GaAs/AlAs гетероструктурах при больших факторах заполнения / А.
А. Быков, А. В. Горан // Письма в ЖЭТФ. - 2009. - Т. 90. - С. 630Ц633.
[A25] Vitkalov Sergey. Nonlinear transport of 2D electrons in magnetic field / Sergey Vitkalov, Jing Qiao Zhang, A. A. Bykov, A. I. Toropov // International Journal of Modern Physics B. - 2009. - Vol. 23. - Nos. 12 & 13. - P. 2689Ц2692.
[A26] Zhang Jing Qiao. Nonlinear resistance of two-dimensional electrons in crossed electric and magnetic fields / Jing Qiao Zhang, Sergey Vitkalov, A. A. Bykov // Phys.
Rev. B. - 2009. - Vol. 80. - P. 045310Ц1Ц14.
[A27] Goran A. V. Effect of electron-electron scattering on magnetointersubband resistance oscillations of two-dimensional electrons in GaAs quantum wells / A. V. Goran, A. A.
Bykov, A. I. Toropov, and S. A. Vitkalov // Phys. Rev. B. - 2009. - Vol. 80. - P.
193305Ц1Ц4.
[A28] Быков А. А. Пространственная неоднородность индуцированных микроволновым излучением электронных состояний с нулевой проводимостью в двумерных дисках Корбино при больших факторах заполнения // Письма в ЖЭТФ. - 2010. - Т. 91. - С. 390Ц394.
[A29] Bykov A. A. Interference of magneto-intersubband and phonon-induced resistance oscillations in single GaAs quantum wells with two populated subbands / A. A.
Bykov, A. V. Goran, S. A. Vitkalov // Phys. Rev. B. - 2010. - Vol. 81. - P. 155322 - 1Ц6.
[A30] Bykov A. A. Coexistence of two types of microwave-induced resistance oscillations in 2D electron gas at large filling factors / A. A. Bykov, A. V. Goran, S. A. Vitkalov // Proceedings of the 18th Int. Symp. УNanostructures: Physics and TechnologyФ.
Ioffe Institute. St Peterburg. - 2010. - P. 73Ц74.
[A31] Vitkalov S. A. Quantal heating of 2D electrons in strong magnetic fields / S. A. Vitkalov, A. A. Bykov // Proceedings of the 18th Int. Symp. УNanostructures: Physics and TechnologyФ. Ioffe Institute. St Peterburg. - 2010. - P. 55Ц56.
[A32] Быков А. А. Гигантские осцилляции магнетопроводимости, индуцированные микроволновым излучением в двумерных электронных дисках Корбино с емкостными контактами / А. А. Быков, И. В. Марчишин // Письма в ЖЭТФ. - 2010.
Т. 92. - С. 73Ц76.
[A33] Bykov A. A. Microwave induced zero-conductance state in a Corbino geometry twodimensional electron gas with capacitive contacts / A. A. Bykov, I. V. Marchishin, A.
V. Goran, D. V. Dmitriev // Appl. Phys. Lett. - 2010. - Vol. 97. - P. 082107Ц1Ц3.
[A34] Быков А. А. Резонансное микроволновое фотосопротивление в двухподзонной электронной системе при больших факторах заполнения / А. А. Быков, Е. Г.
Мозулев, А. К. Калагин // Письма в ЖЭТФ. - 2010. - Т. 92. - С. 420Ц423.
[A35] Быков А. А. Нулевое дифференциальное сопротивление в двойной квантовой яме при больших факторах заполнения / А. А. Быков, Е. Г. Мозулев, С. А. Виткалов // Письма в ЖЭТФ. - 2010. - Т. 92. - С. 523Ц527.
Цитированная литература [1] Hall E. H. On a New Action of the Magnet on Electric Currents // American Journal of Mathematics. - 1879. - Vol. 2. - No. 3 - P. 287Ц292.
[2] Schubnikov L. A new phenomenon in the change of resistance in a magnetic field of single crystals of bismuth / L. Schubnikov, W. J. de Haas // Nature. - 1930. - Vol. 126. - N. 3179. - P. 500.
[3] Fowler A. B. Magneto-oscillatory conductance in silicon surfaces / A. B. Fowler, F. F.
Fang, W. E. Howard, P. J. Stres // Phys. Rev. Lett. - 1966. - Vol. 16. - P. 901Ц903.
[4] Von Klitzing K. New method for high-accuracy determination of the fine-structure constant based on quantized Hall resistance / K. v. Klitzing, G. Dorda, M. Pepper // Phys.
Rev. Lett. - 1980. - Vol. 45. - P. 494Ц497.
[5] Dingle R. Electron mobilities in modulation-doped semiconductor heterojunction superlattices / R. Dingle, H. L. Stormer, A. C. Gossard, W. Weigmann // Appl. Phys. Lett. - 1978. - Vol. 33. - P. 665Ц667.
[6] Tsui D. C. Two-dimensional magnetotransport in the exstreme quantum limit / D. C.
Tsui, H. L. Stormer, A. C. Gossard // Phys. Rev. Lett. - 1982. - Vol. 48. - P. 1559 - 1562.
[7] Ando T. Electronic properties of two-dimensional systems / T. Ando, A. B. Fowler, F.
Stern // Rev. Mod. Phys. - 1982. - Vol. 54. - P. 437Ц672.
[8] Friedland K. -J. New Concept for the Reduction of Impurity Scattering in Remotely Doped GaAs Quantum Wells / K. -J. Friedland, R. Hey, H. Kostial, R. Klann, K. Ploog // Phys. Rev. Lett. - 1996. - Vol. 77. - P. 4616Ц4619.
[9] Zudov M. A. Shubnikov -de Haas-like oscillations in millimeter wave photoconductivity in a high-mobility two-dimensional electron gas / M. A. Zudov, R. R. Du, J. A. Simmoms, J. L. Reno // Phys. Rev. B. - 2001. - Vol. 64. - P. 201311Ц1Ц4.
[10] Mani R. G. Zero-resistance states induced by electromagnetic-wave excitation in GaAs/AlGaAs heterostructures / R. G. Mani, J. H. Smet, K. von Klitzing, V. Narayanamurti, W. B. Johnson, V. Umansky // Nature. - 2002. - Vol. 420. - P. 646Ц650.
[11] Баскин Э. М. Двумерная электрон-примесная система в сильном магнитном поле / Э. М. Баскин, Л. И. Магарилл, М. В. Энтин // ЖЭТФ. - 1978. - Т. 75. - С. 723 - 734.
[12] Zudov M. A. New>
[13] Поляновский В. М. Об аномальной температурной зависимости амплитуды квантовых осцилляций магнитосопротивления в квазидвумерных системах // ФТП. - 1988. - Т. 22. - С. 2230Ц2232.
[14] Yang C. L. Zener Tunneling Between Landau Orbits in a High-Mobility TwoDimensional Gas / C. L. Yang, J. Zhang, R. R. Du, J. A. Simmons, J. L. Reno // Phys.
Rev. Lett. - 2002. - Vol. 89. - P. 076801Ц1Ц4.
[15] Рыжий В. И. Особенности фотопроводимости тонких пленок в скрещенных электрическом и магнитном полях // ФТТ. - 1969. - Т. 11. - С. 2577Ц2579.
[16] Dorozhkin S. I. Gigant magnitoresonance oscillations caused by cyclotron resonance harmonics // Письма в ЖЭТФ. - 2003. - Т. 77. - С. 681-685.
[17] Andreev A. V. Dynamical symmetry breaking as the origin of the zero dc resistance state in an ac driven system / A. V. Andreev, I. L. Aleiner, A. J. Millis // Phys. Rev.
Lett. - 2003. - Vol. 91. - P. 056803Ц1Ц4.
[18] Yang C. L. Observation of Microwave-Induced Zero-Conductance State in Corbino Rings of a Two-Dimensional Electron System / C. L. Yang, M. A. Zudov, T. A. Knuuttila, R. R. Du, L. N. Pfeiffer, K. W. West // Phys. Rev. Lett. - 2003. - Vol. 91. - P.
096803Ц1Ц4.
[19] Willett R. L. Evidence for current-flow anomalies in the irradiated 2D electron system at small magnetic fields / R. L.Willett, L. N. Pfeiffer, K. W. West // Phys. Rev. Lett. - 2004. - Vol. 93. - P. 026804Ц1Ц4.
[20] Dmitriev I. A. Theory of microwave-induced oscillations in the magnetoconductivity of a two-dimensional electron gas / I. A. Dmitriev, M. G. Vavilov, I. L. Aleiner, A. D.
Mirlin, D. G. Polyakov // Phys. Rev. B. - 2005. Vol. 71. - P. 115316Ц1Ц11.