автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Эффекты взаимодействия между электронными системами в туннельных полупроводниковых структурах

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. Обзор литературы. В

1.1. Обмен электронов между электронными системами в туннельных структурах.

1.2. Резонансное туннелирование между двумерными электронными системами. Многочастичные эффекты.

1.3. Эквивалентные модели резонансно-туннельного диода. Плазменные эффекты.

ГЛАВА II. Образцы и методы исследований.

II. 1. Структуры с двумерными электронными слоями, разделенными туннельным барьером, с вертикальным транспортом электронов.

11.2. Методы определения основных параметров двумерных слоев в вертикальных туннельных структурах.

11.3. Двухбарьерные резонансно%^йЙ1Ь№ь1'е'структурь).

11.4. Методика исследование токМвгх'неустойчивостей в области отрицательной дифференциальной проводимости резонансно-туннельного диода. Пороговая проводимость.

ГЛАВА III. Обмен электронов между электронными системами.

III. 1. Пиннинг уровней Ландау на уровнях Ферми контактных электронных систем.

ГЛАВА IV. Многочастичные эффекты при туннелировании электронов в сильном магнитном поле.

IV. 1. Подавление равновесного туннельного тока в сильном магнитном поле в ультраквантовом пределе.

IV.2. Особенности процессов неупругого туннелирования электронов между двумерными электронными системами.

ГЛАВА V. Токовые неустойчивости в области отрицательной дифференциальной проводимости РТД.

V. 1. Колебания тока в цепи с резонансно-туннельным диодом.

Зависимость пороговой проводимости от внешних параметров измерительной цепи.

V.2. Токовые срывы. Влияние большого нагрузочного сопротивления на величину тока в резонансном пике.

V.3. Пороговая проводимость и колебания тока в цепи в магнитном поле параллельном плоскости интерфейса.

Тенденция к миниатюризации в современной микроэлектронике привела к возникновению нового направления - наноэлектроники, где разрабатываются и исследуются приборы с нанометровым размерами. В таких приборах начинает проявляться квантовая природа носителей тока, поскольку размеры структур становятся сравнимыми с длиной волны де Бройля электронов. Одним из таких проявлений является процесс туннелирования. Причем в случае наноструктур туннелирование носит ярко выраженный резонансный характер из-за пониженной размерности систем носителей тока. Резонансное туннелирование чрезвычайно чувствительно к изменению энергий квантовых состояний в наноструктурах, а энергии, в частности, определяются распределением концентрации носителей тока. Низкоразмерные системы, используемые в наноэлектронике, являются открытыми системами с переменным числом частиц, термодинамическое равновесие в которых устанавливается путем обмена частиц между туннельно-связанными электронными системами. Такого рода взаимодействие необходимо учитывать при описании квантового транспорта в наноструктурах. Особенно ярко это взаимодействие проявляется в магнитном поле, поскольку оно изменяет энергию квантовых состояний. Взаимодействие между системами носителей тока может проявляться и в совместных плазменных возбуждениях или корреляционных многочастичных явлениях, которые могут влиять как на распределение туннельного тока в структуре, так и на его величину.

Таким образом, актуальность данной работы обусловлена необходимостью тщательного экспериментального исследования влияния взаимодействия электронных систем на квантовый транспорт в наноструктурах для развития физических основ работы приборов наноэлектроники на квантовых эффектах.

Целью этой работы является исследование влияния взаимодействия электронных систем, а также многочастичных эффектов на резонансное туннелирование электронов. В связи с вышеизложенным, автор направлял свои усилия на решение следующих задач:

1. Исследование резонансного туннелирования электронов между двумерными электронными системами (ДЭС) с разными концентрациями в квантующих магнитных полях.

2. Разработка структур для исследования туннелирования между ДЭС, в которых вклад переноса электронов вдоль слоев исключен из измеряемого сигнала, и развитие методов определения параметров ДЭС в них.

3. Поиск влияния корреляционного взаимодействия на туннелирование между ДЭС с разной концентрацией электронов.

4. Исследование токовых неустойчивостей в области отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП) резонансно-туннельных диодов (РТД). Сравнение результатов эксперимента с современными моделями РТД, основанными на однородном распределении туннельного тока вдоль барьера.

Научная новизна работы.

• Исследования процессов туннелирования электронов между ДЭС проведены, впервые, на образцах, в которых минимизировано влияние переноса электронов вдоль ДЭС на постоянный туннельный ток, в туннельных структурах с вертикальным транспортом электронов.

• Получила развитие методика определения основных параметров двумерных слоев в туннельных структурах с вертикальным транспортом электронов.

• Впервые обнаружено сильное, немонотонное смещение по напряжению резонансов при туннелировании между ДЭС с разной концентрацией с изменением нормального магнитного поля, свидетельствующее об обмене электронов между ДЭС и контактными электронными системами эмиттера и коллектора.

• Впервые, исследовано подавление равновесного резонансного туннельного тока между ДЭС с разной концентрацией в нормальном к плоскости ДЭС магнитном поле в ультраквантовом пределе. При этом обнаружены новые особенности неупругого туннелирования электронов.

• Предложена новая оригинальная методика исследования токовых неустойчивостей в РТД в области ОДП. Впервые проведены исследования условий возникновения токовых неустойчивостей в зависимости от параметров внешней цепи и магнитного поля, влияющего только на внутренние параметры РТД, и сравнение результатов эксперимента с современными теоретическими моделями.

Практическая значимость.

• Получила дальнейшее развитие методика определения параметров двумерных слоев в туннельных структурах, которые являются основой для разработки наноструктур как элементов информационных систем.

• Получены новые, существенные для разработки приборов на квантовых эффектах данные о влиянии взаимодействия электронных систем на квантовый транспорт в наноструктурах.

• Результаты исследования токовых неустойчивостей могут быть использованы при развитии новых моделей и эквивалентных схем РТД, необходимых при разработке СВЧ электронных схем.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработана структура для исследования туннелирования между ДЭС, в которой вклад переноса электронов вдоль слоев исключен из измеряемого сигнала.

2. Предложенная методика анализа туннельных характеристик позволяет получать основные параметры ДЭС в структурах с вертикальным туннельным транспортом электронов через параллельные ДЭС.

3. Обнаруженное смещение положения резонансных особенностей на В АХ при туннелировании между ДЭС с магнитным полем можно объяснить в модели пиннинга уровней Ландау (УЛ), который возникает вследствие обмена электронами между ДЭС и контактными областями.

4. Показано, что подавление равновесного туннельного тока в нормальном магнитном поле в ультраквантовом пределе связано с формированием кулоновской корреляционной псевдощели на уровне Ферми в ДЭС. Предполагается, что обнаруженные в больших магнитных полях дополнительные особенности туннелирования электронов связаны с многочастичными возбуждениями в ДЭС.

5. Анализ токовых неустойчивостей в области ОДП РТД показал, что обнаруженные особенности возникновения неустойчивостей не описываются общепринятыми моделями РТД с однородным распределением тока.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на научных семинарах ИПТМ РАН, ИРЭ РАН,

Университета г. Ноттингем (Великобритания), а также на следующих конференциях:

1. International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology", St. Petersburg, Russia, 1997, 1999, 2000 гг.

2. International Conference "Chernogolovka 1998": Mesoscopic and Strongly Correlated Systems, Chernogolovka, Russia, 1998.

3. III-я Всероссийская конференция по физике полупроводников: "Полупроводники'97", 1997.

4. IV-я Российская конференция по физике полупроводников: "Полупроводники'99", 1999.

5. 23rd International Conference on the Physics of Semiconductors, Berlin, Germany, 1996.

Структура диссертации

Результаты работы изложены в следующих публикациях.

1. Ю. В. Дубровский, В. Г. Попов, Е. Е. Вдовин, Ю. Н. Ханин, И. А. Ларкин, Т. Г. Андерсон, И. В. Тордсон, Ж.-К. Портал, Д. К. Мауд, Резонансы при туннелировании в гетероструктурах с одиночным барьером. - Успехи Физических Наук, 1996, том 166, выпуск 8, стр. 900.

2. В. Г. Попов, Ю. В. Дубровский, Ю. Н. Ханин, Е. Е. Вдовин, Д. К. Мауд, Ж. -К. Портал, Т. Г. Андерссон, Ж. Тордсон, Туннелирование электронов между двумерными электронными системами в гетероструктуре с одиночным легированным барьером. - Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, выпуск 5, стр. 602 - 606.

3. Yu. V. Dubrovskii, Е. Е. Vdovin, Yu. N. Khanin, V. G. Popov, D. K. Maude, J.-C. Portal, J. К. Maan, T. G. Andersson, S. Wang, Suppression of the equilibrium tunneling current between slightly disordered two-dimensional electron systems with different electron concentrations in a high magnetic field. - Письма ЖЭТФ, 1999, том 69, выпуск 3, стр. 236-241.

4. Yu. V. Dubrovskii, E. E. Vdovm, Yu. N. Khanin, V. G. Popov, D. K. Maude, J. -C Portal, J. K. Maan, K. Wang, A. Balandin, T. G. Andersson, S. Wang, Resonant and Correlation Effects in the Tunnel Structures with Sequential 2D Electron Layers in a High Magnetic Field. - Physics of Low-Dimensional Structures, 1999, volume 3, p. 1-242.

5. V. G. Popov, Yu. V. Dubrovskii, E. E. Vdovin, Yu. N. Khanin, D. K. Maude, J.-C. Portal, J. Thordson, T. G. Andersson, S. Wang, Tunneling in heterostructure with sequential 2D electron layers. - Proceedings of 23rd International Conference on the Physics of Semiconductors, World Scientific, Berlin, Germany, 1996, volume 3, p. 2247 - 2250.

6. В. Г. Попов, Ю. В. Дубровский, К. L. Wang, L. Eaves, P. C. Main, M. Henini, Латеральные неоднородности и эффекты релаксации неоднородных возмущений в резонансно-туннельных диодах. - IV-я Российская конференция по физике полупроводников: "Полупроводники'99", Тезисы докладов, Новосибирск, Россия, 1999, стр. 319.

7. V. A. Volkov, М. N. Feiginov, Yu. V. Dubrovskii, V. G. Popov, E. E. Vdovin, L. Eaves, P. C. Main, M. Henini, A. K. Geim, J. С. Maan, M. S. Skolnick, The steps on the I-V curves of the resonant tunneling diodes: current vortexes? - Proceedings of 7th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology", St Petersburg, Russia, 1999 loffe Institute, p. 255-258.

8. V. G. Popov, Yu. V. Dubrovskii, K. L. Wang, L. Eaves, J. C. Maan, Current instabilities in negative differential resistance region of a large area resonant tunneling diode. -Proceedings of 8th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology", St Petersburg, Russia, 2000 loffe Institute, p. 347 - 350.

Заключение

1. DC. Tsui. "Landau-level spectra of conduction electrons at on 1.As surface". Phys. Rev. B, 1975, V 12, № 12, pp. 5739 - 5748.

2. T. W. Hickmott. "Magnetotunneling from accumulation layers in Al\Ga\.\As capacitors". Phys. Rev. B, 1985, V 32, № 10, pp. 6531 6543.

3. K. S. Chan, F. W. Sheard, G. A. Toombs, L. Eaves. "Magnetoquantum effects in two-dimensional accumulation layers of single-barrier tunnel structures". Superlatt. and Microstr., 1991, V 9, pp. 25 32.

4. E. Bockenhoff, K.v. Klitzing and K. Ploog. "Tunneling from accumulation layers in high magnetic fields". Phys. Rev. B, 1988, V 38, № 14, pp. 10120-10123.

5. K. S. Chan, F. W. Sheard, G. A. Toombs, L. Eaves. "Magnetoquantum effects in III-V tunneling heterostructures". Phys. Rev. B, 1997, V 56, №3, pp. 1447-1455.

6. D. G. Hayes, M. S. Skolnick, D. M. Whittaker, P. E. Simmonds, L. L. Taylor, S. J. Bass, L. Eaves. "Landau-levelpinning in wide modulation-doped quantum-well structures in the integer quantum Hall regime". Phys. Rev. B, 1991, V 44, № 7, pp. 3436-3439.

7. R. C. Ashoori, J. A. Lebens, N. P. Bigelow, R. H. Silsbee."Equilibrium tunneling from the two-dimensional electron gas in GaAs: Evidence for a magnetic-field-induced energy gap". Phys. Rev. Lett., 1990, V 64, № 6, pp. 681 684.

8. R. C. Ashoori, J. A. Lebens, N. P. Bigelow, R. H. Silsbee. "Energy gaps of the two-dimensional electron gas explored-with equilibrium tunneling spectroscopy>", Phys. Rev. B, 1993, V 48, № 7, 4616-4628.

9. J. P. Eisenstein, L. N. PfeifFer, K. W. West. "Coulomb barrier to tunneling between parallel two-dimensional electron systems". Phys. Rev. Lett., 1992, V 69, pp 3804 3807.

10. N. Turner, J. T. Nicholls, E. H. Linfield, К. M. Brown, G. A. C. Jones, D. A. Ritchie. "Tunneling between parallel two-dimensional electron gases". Phys. Rev. B, 1996, V 54, № 15, pp. 10614-10624.

11. H. B. Chan, P. I. Glicofridis/ R C. Ashoori, M. R. Melloch. "Universal Linear Density of States for Tunneling into the Two-Dimensional Electron Gas in a Magnetic Field\ Phys. Rev. Lett., 1997, V 79, № 15, pp. 2867 2870.

12. S. Не, Р. М. Platzman, В. I. Halperin. "Tunneling into a two-dimensional electron system in a strong magnetic field'. Phys. Rev. Lett., 1993, V 71, № 5, pp. Ill 780.

13. P. Johanson, J. M. Kinaret. "Tunneling between two two-dimensional electron systems in a strong magnetic field\ Phys. Rev. B, 1994, V 50, № 7, pp. 4671-4686.

14. С. M. Varma, A. I. Larkin, E. Abrahams. "Correlated state of double layers of electron fluidsPhys. Rev. B, 1994, V 49, № 19, 13 999 14 002.

15. A. L. Efros, F. G. Pikus. "Classical approach to the gap in the tunneling density of states of a two-dimensional electron liquid in a strong magnetic field". Phys. Rev. B, 1993, V 48, № 19, pp. 14694-14697.

16. В. А. Бонч-Бруевич, И. П. Звягин, А. Г. Миронов. "Доменная электрическая неустойчивость в полупроводниках" М.: Наука, 1972.

17. Е. Scholl. "Nonequilibrium Phase Transitions in Semiconductors" Springer, Berlin, 1987.

18. В. В. Осипов, В. А. Холодное, Микроэлектроника, 1973, т. 2, стр. 529.

19. A. Gorbatyuk, P. Rodin, Solid-State Electron., 1992, V 35, p. 1359.

20. A. M. Белянцев, А. А. Игнатов, В. И. Пискарев, М. А. Синицын, В. И. Шашкин, Б. С. Явич, М. Л. Яковлев "Новые нелинейные высокочастотные эффекты и ОДП S-типа в многослойных гетероструктурах". Письма в ЖЭТФ, 1986, т 43, № 7, стр. 339-341.

21. В. И. Стафеев, «Новые методы полупроводниковой СВЧ-электроиики», М.: Мир, 1968, стр. 55.

22. L. L. Chang, L. Esaki, R. Tsui "Resonant-tunneling in semiconductor double barriers" Appl. Phys. Lett. 1974, V 24, p. 593.

23. E. R. Brown, J. R. Soderstrom, C. D. Parker, L. J. Mahoney, К. M. Molvar, Т. C. McGill. "Oscillations up to 712 GHz in InAs/AlSb resonant-tunneling diodes". Appl. Phys. Lett., 1991, V 58, p. 2291.

24. E. R. Brown, C. D. Parker, Т. C. L. G. Sollner, "Effect of quasi-bound state lifetime on the oscillation power of resonant-tunneling diodes". Appl. Phys. Lett., 1989, V 54, p. 934.

25. S. Luryi, "Frequency limit of double-barrier resonant-tunneling oscillators", Appl. Phys. Lett., 1985, V 47, p. 490.

26. M. L. Leadbeater Ph. D. Thesis, Nottingham University, UK (1990).

27. C. Zhang, M. L. F. Lerch, A. D. Martin, P. E. Simmonds, and L. Eaves, "Plasmon assisted resonant tunneling in a double barrier heterostructure". Phys. Rev. Lett., 1997, V 72, № 21 , pp. 3397 3400r; V

28. E. S. Hellman, K. L. Lear, J. S. Harris. "Limit cycle oscillation in negative differential resistance devices". J. Appl. Phys., 1988, V 64, № 5, pp. 2798 2800.

29. T. J. Foster, M. L. Leadbeater, L. Eaves, M. Henini, О. H. Hughes, C. A. Payling, F. W. Sheard, P. E. Simmond, G. A. Toombs, "Current bistability in double-barrier resonant tunneling devices", Phys. Rev. B, 1989, V 39, № 9, pp. 6205 6207.

30. V. J. Goldman, D. C. Tsui, J. E. Cunnigham, "Observation of inelastic bistability in resonant tunneling structures", Phys. Rev. Lett., 1987, V 58, № 12, pp. 1256 1259.

31. M. N. Feiginov, S. A. Mikhailov, V. A. Volkov. "Tunnel Junction Plasmons in the Hydrodynamic Approach". Phys. Low-Dim. Struct., 1994, V9, pp. 1-10.

32. M. N. Fieginov and V. A. Volkov, Abstracts of the 24th International Conference on the Physics of Semiconductors, Jerusalem, Israel, Tu-PlOl (1998).

33. M. H. Фейгинов, В. А. Волков, "Самовозбуждение 2D плазмонов в резонансно-туннельных диодах". Письма в ЖЭТФ, 1998, т 68, № 8, стр. 633.

34. A. Wacker, Е. Scholl, "Criteria for stability in bistable electrical devices with S- or Z-shaped current voltage characteristic". J. Appl. Phys., 1995, V 78, № 12, pp 1-6.

35. W. Demmerle, J. Smoliner, G. Berthold, E. Gomik, G. Weimann, "Tunneling spectroscopy in barrier-separated two-dimensional electron-gas systems." Phys. Rev. B, 1991, V 44, № 3, pp. 3090-3104.

36. A. H. MacDonald, T. Jungwirth, "Electron-electron interactions and two-dimentional -two-dimensional tunneling' Phys. Rev. B, 1996, V 53, № 11, pp. 7403 7412.

37. F. T. Vasko, O. G. Balev, N. Studart, "Inhomogeneous broadening of tunneling conductance in double quantum wells" Phys. Rev. B, 2000, V 62, № 19, pp. 12 940 12 948.

38. V. J. Goldman, D. C. Tsui, and J. E. Cunningham, "Evidence for LO-phonon-emission-assisted tunneling in double-barrier heterostructures." Phys. Rev. B, 1987, V 36, № 14, pp. 7635-7637.

39. Л. Д. Ландау, E. M. Лифшиц, «Квантовая механика. Нерелятивистская теория». Теоретическая физика, т. 3, М.: Наука (1989).

40. G. Rainer, J. Smoliner, Е. Gomik, G. Bohm, G. Weimann, "Tunneling and nonparabolicity effects in in-plane magnetic fields" Phys. Rev. B, 1995, V 51, № 24, pp. 17 642- 17 647.

41. Yu. V. Dubrovskii, Yu. N. Khanin, I. A. Larkin, S. V. Morozov, "Electron tunneling through single-barrier heterostructures in a magnetic field." Phys. Rev. В, V 50, № 7, pp. 4897-4900 (1994).

42. М. А. Лаврентьев и Б. В. Шабат, "Методы теорий функций комплексного переменного" М.: Наука. 1965, стр. 451.

43. V. Mosser, D. Weiss, K. v. Klitzing, K. Ploog, G. Weimann. "Density of states of GaAs -AlGaAs-heterostructures deduced from temperature dependent magnetocapacitance measurementsSol. St. Comm., 1986, V 58, № 1, pp. 5 7.