автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Особенности проводимости двумерных туннельных структур с сильными рассеивателями

Российская Академия наук

Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов

На правах рукописи

ИВАНОВ Дмитрий Юрьевич

Особенности проводимости

двумерных туннельных структур с сильными рассеивателями

Специальность 05.27.01 — твердотельная электропика, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Черноголовка 2005

Работа выполнена в Институте проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН

Научные руководители:

кандидат физико-математических наук Ю. В Дубровский

доктор физико-математических наук В. А. Волков

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук А. В. Хаецкий кандидат физико-математических паук И. Н. Котельников

Ведущая организация: Институт физики микроструктур РАН

Защита состоится " г. в час. на заседании

диссертационного совета Д.002.081.01 при Институте проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН по адресу: 142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. Институтская, д. 6, ИПТМ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН.

Автореферат разослан "СШ ГЛЗМ 2005 г. Ученый секретарь диссертационного совета Д.002.081.01, кандидат химических наук _->/С/^^7 Л. А. Панченко

Развитие методов роста полупроводниковых структур, зонной инженерии и мнкроструктурирования, стимулировагшыс миниатюризацией лектрогпгых приборов, привели к созданию высококачественных тонкослойных птупро-водниковых гетероструктур и приборов малых размеров па их основе, в которых, вследствие сравнимости толщин слоев с длиной волны де Бройля, значительную роль играют квантовые эффекты, например, квантование импульса и энергетического спектра, туинелирование и резонансное туннелироваиие носителей. Это привело к появлению новой области фундаментальных и прикладных исследований- физики и техники шокоразмерных систем (главным образом, двумерных - 20). В настоящее время наиболее востребованными в фундаментальных исследованиях являются 2Б системы на основе III-V гетеропереходов, в частности, на основе СаАя ' АЮаАз. Более того, перспективными. особенно с точки зрения применений в электропике, считаются подобные структуры с включенными в них ультратонкими слоями, содержащими легирующие примеси (^-легирование) или массивы самооргапизованных квантовых точек. Электроны сильно рассеиваются на таких включениях, что и определяет специфику структур указанного типа. Именно такие системы исследованы в настоящей работе, чем и определяется актуальность темы исследования.

Типичные структуры, использованные в данной работе, содержат две 2Б подсистемы, созданные с использованием туннельных барьерных слоев, 5-легированных кремнием слоев или монослоев квантовых точек 1пАз.

Используемое в работе понятие "сильный рассеивателъ" требует специального пояснения. В большинстве исследований туннельных 2Э структур используются "чистые" системы, в которых превалируют процессы туннелиро-вания с сохранением компоненты импульса, параллельного границам раздела, или номера уровня Ландау. При измерении туннельных спектров эха приво-

дит к многократному различию в амплитуде резонансных пиков, отвечающих процессам с сохранением и без сохранения указанных квантовых чисел Как следствие этого процессы без их сохранения обычно проявляются слабо ''Сильные рассеивателивведенные в систему, выравнивают вероятности (н амплитуды пиков) для этих двух типов процессов, что позволило наблюдать взаимодействие различных процессов туннслирования.

Цель настоящей работы - выявить и исследовать эффекты в системах, к которым приводит наличие сильных расссивателсй в многослойных туннельных структурах с латеральным или вертикальным транспортом.

В качестве объектов исследования были выбраны следующие структуры.

Для исследования латерального транспорта использовались одиночные н двойные 5-слои (¿-слои 81, = 3 1012 см-2) в матрице из нелегированного СаАв, выращенные методом газофазной эпитаксии при низком давлении из металлоорганических соединений.

Измерения туннельной проводимости между 2Б электронными слоями с разной степенью разупорядочепности проводились с использованием структур, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии, в которых латеральная (последовательная) проводимость вдоль 20 слоев была исключена из измеряемого сигнала (структуры с чисто вертикальным транспортом электронов). При этом для исследования упругих туннельных процессов использовались, главным образом, образцы СаАй с одиночным барьером А104СаоЬАь, разделяющим два ¿-слоя (кремний, И20 = 3-1011 см-2). Для изучения неупругих процессов использовались двухбарьерные образцы с квантовой ямой сложной формы и квантовыми точками в ней типа п+ — СаАз / СаАз / А10 \Са{) ЬА <. / йаАв / 1пАз (слой самоорганизованных квантовых точек) СаАз / А1(,4Са0ЁАз / СаАз / п+ - СаАз.

В работе рассмотрен следующий круг вопросов:

• Исследование влияния на свойства латерального транспорта рагстояпия между одинаковыми параллельными 5-стоями. остаточпой фотопроводимости в одиночных и двойных слоях и изменения распределения носителей заряда по 2D подзонам за счет эффекта диамагнитного сдвига.

• Исследование туннельного спектра неоднородной 2D системы и анализ причин взаимодействия между уровнями Ландау, принадлежащих различным 2D подзонам.

• Исследование электронной структуры квантовой ямы в резопансно-тун-нельном GaAs диоде в широком диапазоне энергий и перпендикулярном слоям магнитном поле и наблюдение формирования резонансных маг-нитополяропов.

Научная новизна полученных результатов

1. В структурах с двойными ¿-слоями (два ¿-слоя Si в матрице GaAs) проведены измерения холловских параметров для образцов с разным расстоянием между слоями. Показано, что положение максимума в зависимости проводимости от межслоевого расстояния (сам максимум был обнаружен в работе1 ) зависит не только от температуры, но и от уши-рения распределения легирующих примесей.

2. Обнаружено, что холловские параметры различных структур с ¿-слоями чувствительны к поверхностному потенциалу. Эффект объяснён пространственным смещением "центра тяжести" 2D состояний.

3. Обнаружена и объяснена немонотонная зависимость холловской подвижности и проводимости в структурах с одиночным ¿-слоем от параллель-

lX. Zheng, Т.К. Cams, K.L. Wang, В. Wu. "Electron-mobility enhancement from coupled wells in delta-doped GaAs". Appl. Phys. Lett 62 504-506 (1993).

пого ¿-слою магнитного потя.

4. В туннельных структурах с двумя ¿-слоями, расположенными с двух сторон одиночного барьера, обнаружен и объяснён эффект сильного взаимодействия между уровнями Ландау из различных 2Б подзон.

5. Методом магнитотупнелыюй спектроскопии исследована электронная структура квантовой ямы с квантовыми точками в резонансно- туннельном С а Аз диоде в широком диапазоне энергий. Обнаружено, что уровни Ландау с большими номерами (Дг = 24-7) значительно псренормируются вбтизи энергий, когда энергия продольного оптического фоиона кратна циклотронной энергии.

Основные положения, выносимые на защиту

1. В структурах с двойными ¿-слоями в матрице СаАв подтверждено существование максимума на зависимости латеральной проводимости от расстояния между ¿-слоями. Установлено, что максимум зависит не только от температуры, по и от уширеиия распределения легирующих примесей в ¿-слое. Эффект связан с перекрытием волновых функций электронов и распределения рассеивающих примесей.

2. Холловские параметры структур с ¿-слоями сильно зависят от поверхностного потенциала, что объясняется изменением формы дна зоны проводимости и смещением волновых функций 20 электронов при воздействиях, изменяющих величину поверхностного потенциала. Поэтому процедура сравнения этих параметров корректна лишь в одинаковых условиях, например, в условиях распрямленных зон.

■3. Холловская подвижность и латеральная проводимость структур с одиночными ¿-слоями немонотонно зависят от параллельного ¿-слою маг-

питного поля. Эффект объясняется перераспределением электронов по 2Б подзонам за счет диамагнитного сдвига подзон Полученные данные позволяют определить индивидуальные параметры 2Б подзон (концентрация, подвижность).

1. В туннельных структурах с ¿-слоями по обеим сторонам одиночного барьера в магнитном поте, параллельном току, обнаружен эффект расталкивания резонансных пиков дифференциальной проводимости, отвечающих процессам туппелирования с изменением номера уровня Ландау и без пего. Эффект связывается с возбуждением внутриподзонных и меж-подзонных магнитоплазмопов в неупорядоченной квази-2Б системе.

Ъ В туннельном спектре резопапепо-тулпечыгого лнота с квантовой ямой, в центр которой встроен слой квантовых точек, обнаружены резопансы, связываемые с возбужденными состояниями резонансных 2D магнито-поляропов в сильнонеупорядоченпой системе

Научная и практическая ценность

Необходимость изучения свойств структур С а Аз и гетероструктур СаАз,-АЮаАз с сильным встроенным потенциалом рассеивателей (<5-слои и/или квантовые точки) обусловлена перспективой их применения для создания электронных и оптоэлектронных приборов. Структуры с ¿-слоями, в которых легированная область не совпадает с областью проводимости, появились в результате естественного развития технологии полупроводников и являются альтернативой однородно легированным структурам и гетероструктурам. Сами по себе квантовые точки представляют интересный с точки зрения физики объект и в настоящее время применяются при разработке перспективных оптоэлектронных приборов. И ¿-слои, и квантовые точки все чаще используются в сложных, оптимизированных под конкретную задачу, многослойных

гетероструктурах <о сложным строением зон

Предложенный в работе с пособ чарактери шшш anaтогичиыч материалов г неоднородным тегироваппем в условиях прямых юн (режим остаточной фотопроводимости) позволит ботес корректно сравнивать материалы, потучеипые разными способами и прошедшими различную обработку. Полученные экспериментальные данные о взаимодействии электронов проводимости с ионами легирующей примеси в 5-елос важны для проектирования новых приборов

Личный вклад

Автор участвовал в постановке всех обсуждаемых в работе задач, получении н интерпретации экспериментальных тайных и формулировке выпотов

В экспериментах по латеральному транспорту в <5-стоях автор самостоятельно изготовил образцы из получеппых от коллег эпитаксиальных пластин, провел эксперименты в магнитном поле, обработал результаты Постановка задачи, интерпретация данных и формулировка выводов - продукт совместной деятельности большого коллектива, с преимущественными вкладами автора и научного руководителя.

В работах с туннельными структурами подавляющая часть экспериментальных данных была получена научным руководителем автора в заграничных командировках. Обработка и интерпретация ''сырых' экспериментальных данных выполнена автором, а в постановку задачи и формулировку выводов вклад автора паритетный.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на научных семинарах ИПТМ РАН, на Всероссийских конференциях по физике полупроводников (Москва-1997, Н. Новгород-2001, С.-Петербург-2003 гг.); на Международных копференци-

ях "Physics of Low-Dimensional Structures - 3 " , Chernogolovka. 2001 и '15th International confcrencc on high magnetic fields in semiconductor physics, SemiMag-15"', Oxford, UK, 2002; на Международных симпозиумах "Nanostructures: physics and technology" (С.-Петербург, 1996, 2000, 2002, 2003 г.г. ) и ':23rd International Symposium on Compound Semiconductors", С.-Петербург, 1996 : на молодежных конференциях "Мочодсжцая конференция, посвященная 15-летию ИГ1ТМ РАН и 275-летию РАН", Черноголовка, 1998 и '"2-я Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике", Санкт-Петербург, 2000; на "XXXIII Совещании по физике низких температур'", Екатеринбург, 2003.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 19 работах [1-19], включая о журнальных статей[1-5], 13 публикаций в трудах и сборниках тезисов конференций [6-18] и 1 электронный препринт [19].

Структура работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, приложения и списка литературы. Диссертация изложена на 60 страницах, включает 30 рисунков. Список литературы содержит 58 источников.

Содержание работы

Первая глава называется "Влияние формы потенциальной ямы на транспортные свойства KBa3ii-2D систем с 5—слоями" и посвящена изучению интегральных транспортных свойств электронов (холловские концентрация и подвижность) многоподзонпых 2D систем при изменении формы

ограничивающего Потенциала заселенности 2В подзон и температуры

Структуры с параллельными двойными ¿-слоями (два ¿-с лоя Э] в матрице СаА$), расположенными на расстоянии. сравнимом с характерным ра ¡мером волновой функции электрона были выращены для проверки идеи '"зонной инженерии" в приложении к неоднородно тегированному СаАз. Идея зак-ломалась в пространственном разделении носителей наряда (электронов) и источника этих добавочных носителей - примесей Бь которые одновременно являются и основной причиной уменьшения подвижности в однородном снлыголе-гированпом СаАя. ¿-легирование позволяет достигать высокой концентрации допоров (31) в узком слое 10 Ангстрем) чистого материала, а остальная часть кристалла оказывается не легированной. Область локализации электронов остается во много раз большей ( - ПО Ангстрем), что н позволяет надеяться на увеличение подвижности. Это касалось не только многое тойпых структур с ¿-слоями, но одиночных ¿-слоев В одиночном ¿-слое с достаточно большой концентрацией легирующей примеси (больше 7 1011 см-2) появляется более одной заполненной подзоны размерного квантования, причем характерный размер волновой функции электронов увеличивается с увеличением номера уровня. Приближение двух (и более) ¿-слоев друг к другу может привести к интерференции волновых функций электронов, принадлежащих соседним ямам, что, в свою очередь, может создать повышенную плотность электронов (точнее - увеличить плотность вероятности для гибридной волновой функции по сравнению с простой суммой плотностей вероятности для изолированных ¿-слоёв) в области, максимально удаленной от рассеивающих центров. Это должно приводить к увеличению проводимости и подвижности для структур с двойными ¿-слоями по сравнению с параллельно включенными одиночными ¿-слоями. С другой стороны, когда расстояние между ¿-слоями сравняется с размером волновой функции электрона основного (нижнего) состояния, электроны будут взаимодействовать с рассеивающими примесями как с од-

ним широким с чоем рассеивателей и увеличения проводимости и подвижности не ожидается Hi этих качественных рассуждений следует предположение о существовании некоторого оптимального расстояния между 5-г тоями, когда проводимость такой структуры имеет максимум. Для относительно высоких температур (77-г300 К) такое увеличение проводимости и подвижности наблюдалось в вышеупомянутой работе (X. Zheng ct al Appl. Phyч Lett 62 >04 (1993)) п подтвердитесь в наших экспериментах Дчя разных температур положение этого максимума на зависимости проводимости и подвижности от расстояния между слоями различно и. как и следовало ожидать, пропорционально характерному размеру волновых функций электронов верхних подзон размерного квантования Это расстояние уменьшается с температурой. Ожидалось, что при гелиевой температуре (4 2 К) это расстояние будет еще меньше, чем при азотной (77 К). Но оказалось, что в пределах ошибки эксперимента заметного увеличения проводимости не наблюдалось. Это объясняется заметной (сравнимой с размером волновой функции электронов основного состояния) шириной распределения легирующей примеси.

Таким образом, проведены систематические измерения холловских концентраций и подвижностей в одиночных (см. рис. 1А - зонная диаграмма) и двойных (см. рис. 1Б - профиль распределения примеси кремния в матрице GaAs по данным вторичной ионной масс-спектрометрии) ¿-слоях в GaAs в диапазоне температур от 4 2 К до комнатной. Для двойных слоёв наблюдался максимум подвижности при изменении расстояния между слоями при азотной и комнатной температурах (рис. 2А), что подтверждает данные работы [X. Zheng ct al (1993)]. В терминах перекрытия волновых ф\пкций электронов с рассеивающими центрами дано объяснение тому, что при температуре жидкого гелия подвижность с экспериментальной точностью не зависела от расстояния между слоями.

Также были изготовлены и измерены образцы с затвором — химическим

О 10

А) ^

10

Б) 111.5) | 128.0

0 05

о ш"

т ооо

-О 05

-010

С. 4

8

О

2

500

1000 г, нм

1500

О 50 100 150 200 250 г, нм

Рис. 1: (А) Самосогласованный расчет зонной диаграммы потенциальной ямы в области 5-слоя. Е¿, - край зоны проводимости в режиме замороженной проводимости для ^=015 (сплошная кривая). - край зоны проводимости в темновом режиме для ^ = 0 8 В (пунктирная кривая). Ец. Е1 и Е2 - значения энергий уровней размерного квантования ■ сплошные линии для режима замороженной проводимости, пунктирные для темпового рсо/сима Уровень Ферми Ер — 0. г - расстояние от поверхности. Концентрации доноров в 5-слое N0 = 3 1012см-2. расчеты проведены для температуры 4.2 К Для уровня Е2 приведены волновые функции Ф>: сплошная линия — рео/сим замороженной проводимости, пунктирная — темновой рео/сим. Волновые функции сдвинуты произвольно в вертикальном направлении, масштаб по вертикали в относительных единицах. Видно значительное смещение волновой функции в темновом реокиме в сторону от плоскости легирования, обозначенной вертикальной точечной линией. (Б) Профиль концентрации кремниевых доноров в двойных 5-слоях, полученный методом ВИМС (г — расстояние от поверхности образца).

Рис. 2- (А) Зависимости холловской подвижности ¡1ц (аевая ось. свепггые квадраты, слгВ~]с~1) и проводимости л (правая ось. точные квадраты: Ом~х) от расстояния между 5-слоями с1. им. (Б) Временная диаграмма сопротивления холловской структуры с алюминиевым затвором (схема измерений показана на вставке) до < ¿о). во время (Ьо < I < tl), поспе освещения (¿1 < / < £2) и после заполнения электронами поверхностных состояний {Ь > По временной оси масштаб произвольный. (В) Самосогласованный расчет зонной диаграммы в области 6-слоя: пунктирная линия - уровень Ферми, эВ (потенциал поверхности равен нулю): толстая линия — уровень дна зоны проводимости. эВ, тонкие линии - волновые функции электронов в трех подзонах, произвольные единицы. Стрелкой показано смещение Е> при увеличении пара.'1лельного 5-слою магнитного поля.

травлением сформировал проводящий канал из структур с одиночным 5-с лоем, который перекрывается алюминиевым затвором и созданы омические контакты (сток и исток) На этих образцах проверялись предположения о разделении фотовозбуждённых носителей заряда и перезарядке поверхностных ловушек. Эти эксперименты (см. рис. 2Б - затвор электрически не соединен с каналом) позволяют утверждать, что основным механизмом замороженной проводимости является межзонная генерация электрон-дырочных пар с последующим их разделением, при котором дырки приближаются к поверхности и аннигилируют с электронами из поверхностных состояний (разряжая их), а электроны попадают в область ¿-слоя, увеличивая концентрацию электронов проводимости. При этом уменьшается поверхностный потенциал и зоны распрямляются". Сделан вывод, что корректное сопоставление свойств различных ¿-слоёв необходимо проводить при одинаковых условиях, например, при низких температурах в режиме замороженной фотопроводимости, когда значительно уменьшается влияние поверхностных потенциалов на форму квантовой ямы.

Как описано выше, ширина распределения ¿-слоя примесей меньше характерного размера волновой функции электрона в основном состоянии. В случае симметричной ямы волновые функции электронов на следующем уровне размерного квантования имеют нуль в центре симметрии этой системы, т.е перекрытие волновой функции электронов и распределения примесей минимально. Очевидно, парциальные проводимость и подвижность в таких "нечетных' подзонах выше, чем в соседних "четных" Дополнительный поверхностный потенциал приводит к искажению симметрии структуры, что вносит искажения в стандартные измеряемые параметры - холловскую подвижность и концентрацию. Поэтому измерение таких параметров в одинаковых условиях - необходимость, направленная на адекватное сравнение разных структур, изготовленных разными способами. В качестве стандарта для такого сравне-

|А),

2 4

В, Тесла

Рис. 3: (Л) Зависилюста производной проводимости а11 по магнитному no.no Вг и хомовской подвижности цн от магнитного поля В. (Б) Производная проводимости по магнитному полю. Ом'1 Тесла'1 (левая ось), подвижность электронов в первой подзоне, см1В~1с(правая ось рамки) и концентрация электронов в первой подзоне. см~2 (дополнитс.аьная ось справа), от магнитного поля В.

ния предлагается состояние "распрямленных'' зон, которое легко создается с использованием замороженной проводимости.

Эксперименты с параллельным <5—слоям магнитным полем, когда за счет диамагнитного выталкивания изменялась концентрация электронов в верхних подзонах размерного квантования, позволили получить зависимости подвижности и проводимости каждой подзоны размерного квантования от концентрации электронов в ней (см. рис. 3). При этом для верхней заполненной подзоны парциальная холловская подвижность имеет максимум, как функция парциальной холловской концентрации. Объяснение этого факта легко следует из соотношения подвижностей для четных (с четным количеством "нулей") и нечетных подзон. Электроны с волновой функцией, имеющей "пуль" в рай-опе распределения легирующей примеси, имеют более высокую подвижность, чем электроны из двух соседних "нечетных" подзон.

Таким образом, в результате исследований зависимости холловской по-

движности электронов от перераспределения концентрации электронов по 2Т> подзонам в ¿-легированном слое с постоянной суммарной концентрацией электронов Л/5 = 3 ■ 1012 см-2 (три исходно заполненные подзоны) при Т=4.2 К получены данные п1 и //, для "нижней" и "верхних" подзон. Заселенность подзон изменялась за счет диамагнитного выталкивания уровней размерного квантования магнитным полем, параллельным плоскости ¿-легированного слоя (см. рис. 2В). Для больших магнитных полей (Б.,,у > 4.5 Т), когда заполненными остаются только две нижних подзоны, получены зависимости (см. рис. ЗА) подвижности и концентрации в подзонах от величины выталкивающего магнитного поля. Подвижность в первой подзоне (нижняя подзона считается •нулевой'') при ее диамагнитном выталкивании из квантовой ямы растет (см. рис. ЗБ), что связывается с выталкиванием уровня в более широкую часть самосогласованной потенциальной ямы и увеличением расстояния между электронами и слоем рассеивающих допорпых примесей (уменьшением перекрытия волновой функции с рассеивателями).

Вторая глава называется "Антипересечение туннельных резонан-сов в магнитном поле". В ней исследованы процессы туннелироваиия между сильнопеупорядоченными 2Т) электронными системами в квантующем магнитном поле, параллельном току.

Во время проведения туннельных экспериментов на структуре с сильнопеупорядоченными 20 электронными системами, разделенными барьером, было обнаружено расталкивание (антикроссинг) резонансных пиков, соответствующих процессам туннелирования с изменением номера уровня Ландау и без него. Проведенные дополнительные эксперименты и расчеты по существовавшим теориям не позволили получить величину расталкивания, близкую к полученной экспериментально. Только созданная в процессе работы нашими соавторами модель взаимодействующих внутри- и межподзонных плазмонов позволила получить количественное согласование между теорией и экспери-

Рис. 4- (Л) Схематическая зонная диаграмма структуры при нулевом смещении Вставка более дошагано г/окалывает уровни энергии в двумерных системах Еп и Е\ — энергии основного (нулевого) и первого уровня размерного квантования. - энергия Ферми. (В) Туннельная дифференциальная проводимость при температуре 4.2 К как функция приложенного к структуре напряжения для мезы диаметром 400 Нижняя кривая снята при В — 0 Т. Вторая снизу — при В = 1 Т. Дальше — с шагом А В = 0 5 Т до В = 13 Т (Верхняя кривая). Пики, юолюцня которых рассматривается в данной работе. отмечены круэюкамм.

ментом.

Исследовались выращенные методом МЛЭ гетероструктуры СаАв/А1ъ 4Са0 еАэ/СаАь с барьером толщиной 12 им и одинаковыми ¿-слоями кремния (N3 = 3 - 10й см-2) с обеих сторон от барьера на расстоянии 5 нм (см. рис. 4А). Высоколегированные контактные области располагались на расстоянии 50 нм от барьера. Образцы формировались как мсза-структуры жидкостным травлением через омические контакты АиСе/Гчт/Аи с диаметром мезы 100 — 400дм. Прозрачность центрального барьера значительно ниже прозрачности нелегированных прибарьерных областей, поэтому большая часть приложенного напряжения падала на барьере.

Экспериментальные результаты приведены на рис. 4Б, а их обработка -

2

4-

-35 -30 -25 -2<? -15 -10 -5 0 Напряжение, мВ

6-

4

Рис. 5: Полоэ/сенис пиков, показанных па рис. 4Б. в координатах напряжение — магнитное поле. Кружки, квадраты и треугольники представляют экспериментальные данные и обсуждаются в тексте. Кривая "1" — расчетное положение пика при переходе (п = 0. N = 0) —»(п = 1. А = 0), где п — номер подзоны, N — номер уровня Ландау. Вертикальная линия "2" представляет ожидаемое положение пика для перехода (п = 0. N = 0) —> (п = 1, А" = 0). Кривые "1" и "2не учитывают взаимодействия между уровнями Ландау. Линии иАи ''В" имеют наклоны ЬТш/с, и 2 ГЛшс (Тыс —циклотронная энергия, Ь — ''леверидж фактор" в пашей структуре) и представляют тунне-лирование с ДА = 1 и ДА = 2 в пренебрежении уширением уровней Ландау.

на рис. 5. Измерялась зависимость дифференциальной туннельной проводимости от напряжения смещения при температуре 4 2 К для ра шы\ значений магнитного поля, перпендикулярного барьеру. На рис. 5 изображена веерная диаграмма для пиков па рис. 4Б. Ожидаемое положение пика для процесса резонансного туннелирования - вертикальная линия И = 0, для перехода из основного состояния в первый возбужденный уровень ((« = 0) —>(/) = 1)) - вертикальная линия "2'' Линии "А" и "'В'" имеют наклон 1 Ь Ты с н 2 Ты с (здесь Ь — ''леверидж-фактор' — отношение вечичипы приложенного напряжения к величине падения напряжения на барьере, Ли)с - циклотронный квант) соответственно и показывают ожидаемые положения переходов с изменением номера уровня Ландау АА' = 1.2 • (п = 0. N = 0) -> (п - 0. N = 1) и (п = 0. N = 0) —> (п = 0. N = 2) . Кривая '1" показывает ожидаемое пото-женис перехода (п = 0. N = 0) —> (п = 0, N = 1) с учетом уширсния уровней Ландау (детали обработки приведены в Приложении).

Наблюдаемое поведение пиков, отмеченных па рис. 5 закрашенными кр\ ж-ками и квадратами, демонстрирует антипересечепие с расщеплением по энергии ~ 10 мэВ и качественно отличается от ожидаемого простого пересечения без всякого проявления взаимодействия. В работе анализируются возможные причины такого взаимодействия резонансных пиков и связанного с этим взаимодействия уровней Ландау, происходящих из разных подзон. В качестве возможного объяснения предлагается модель 2В-2Б туннелирования в неупорядоченной системе с участием внутри- и межподзонпых плазмонов.

Третья глава под названием "Резонансные магнитополяроны в квантовой яме" основана на исследовании электронной структуры квантовой ямы в резонансно-туннельном диоде с квантовыми точками в широком диапазоне энергий и перпендикулярном слоям магнитном поле.

Во время исследований неупругого туннелирования па уровни Ландау с большими номерами (Д/У > 2) обнаружились области антикроссинга процес-

сов с излученном и без излучения продольного оптического (LO) фонола. Соизмеримость энергии LO-фоиопа и целого числа циклотронных квантов huic в области аптикроссингов позволило связать их с проявлением возбужденных состояний 2D резонансных магнитополяронов.

Представлены результаты изучения симметричной двухбарьерпой гетеро-структуры Ga.V¿> Alo iGaooAs GaAs AloiGa<)6As ' GaAs. которая г остояла нз двух Alo iGa<)bAs барьеров, разделенных GaAs квантовой ямой, в середину которой был встроен слой InAs с самооргашг юванными квантовыми точками, см. рис.С. Оценки показывают, что точки были заполнены электронами (заряжались) и создавали заметный флуктуашгонный потенциал в плоскости ямы. Это приводило к значительном}' увеличению вероятности процессов тунпелировапия с упругим рассеянием, когда сохраняется энергия, по не сохраняется импульс, что снимает запрет па сохранение номера уровня Ландау. Следовательно, становятся разрешенными процессы прямого туннелирования из эмиттера в коллектор с изменением номера уровня Ландау, и появляется возможность отслеживать плотность состояний в магнитном поле средствами туннельной спектрометрии как по упругим, так и по нсупругим процессам туннелирования. Тушгслирование с участием фононов включается как независимый капал переходов.

В полярных полупроводниках, таких как GaAs. электроны могут эффективно взаимодействовать с LO-фонопами и образовывать поляропы, т.е. "исходные'- электроны оказываются перенормироваппыми ("одетыми" облаком виртуальных LO-фонопов). В магнитном поле, перпендикулярном плоскости квантовой ямы, 2D электронные состояния расщепляются на дискретные уровни Ландау с номером N. При этом взаимодействие электронов с оптическими фононами становится особенно эффективным, когда выполняется резонансное условие п ■ ñujLO = т ■ Ни/с, где п,тп — целые числа. В этом смысле можно говорить о появлении резонансных 2D магнитополяронных состояний, обуслов-

-50 0 0 0 50 0 100 0

Расстояние нм

п* СаАэ СаАэ ^

/ У

АЮаА!!^/

1 8 моноглоя 1г»Аб з (ЗаАг

Рис. 6' Зонная диаграмма юны проводи иости иг следованной структуры при нулевом смещении <самосогласованный расчет). Внизу изображены сгон материалов щт< тиллч и Ьд - нижние уровни рал мерного квантования в квантовой ямс сложной формы и в квантовых точках.

ленных перемешиванием различных уровнен Ландау с помощью ЬО-фононов.

Это объясняет обнаруженное в работе сильное взаимодействие уровней Ландау с разными номерами (А = 2 4-7) вблизи энергий, когда выполняется указанное резонансное условие, причем л = 1,ат = 1,2.3.

На рис. 7 приведена веерная диаграмма точками обозначено положение (в координатах напряжение смещения - магнитное поле) максимумов па серии кривых дифференциальной проводимости от напряжения смещения и магнитного поля. Линии В*, В^, В*6,- это значения магнитного поля, где выполнены равенства Нш^о = 1 Ти^с > ^шьо = 2 Тш>с , Тшю = 3 • Ьи>с соответственно.

Таким образом, в туннельном спектре резонансно-туннельного диода с квантовой ямой, в центре которой присутствует источник сильных флуктуа-ций потенциала (слой квантовых точек), обнаружены несколько возбужденных состояний резонансных 2В магнитополяронов.

Приложение содержит схемы измерений, описание математических моделей и результатов моделирования тугшельных вольт-амперных характсри-

Л>-2+/,о1о

Но /

|_1-5+ ЛI,

'1о

50 100 150 200 250 300 350 400

Рис. 7: Веерная диаграмма исаедованной структуры. Закрашенные и пустые кружки обозначают положение пиков тока на кривых 1(В)\у=га,ы , соответственно с излучением фонона и без него. Метки ЬЬп и ЬЬп 4- Тшс соответствуют туннелированию на уровень Ландау с номером п без участия фоиоиа и с его участием. Другие подробности — в тексте

стик

Основные результаты

1. Идея "зонной инженерии'' в применении к ¿-слоям (модификация волновых функций и, как следствие, распределения плотности электронов) проверялась на двухслойных структурах (два ¿-слоя 81 в матрице СаАз). Подтверждено существование максимума на зависимости проводимости от расстояния между ¿-слоями. Оказалось, что максимум зависит не только от температуры, но и от уширения распре дал ения легирующих примесей в ¿-слое. Наблюдаемому эффекту дано объяснение в терми-

пах перекрытия вочновых функций эчектропов и конечной (сравнимой г размерами волновой функции) ширины распре лечения рассеивающих примесей.

2. Измерялись холловские параметры структур с ¿-счоями (холчовские концентрация и подвижность) Оказалось, что эти параметры сичьно зависят от поверхностного потенциала, что объясняется перекрытием волновых функций электронов 2Б подзон с рассеивающими центрами Поэтому корректное сравнение параметров таких структур возможно лишь в одинаковых условиях, например, в условиях замороженной фотопроводимости (режим распрямленных зон).

3. Проведенные эксперименты на структурах описанного выше типа с затвором показали, что замороженная фотопроводимость связана с межзонной генерацией носителей, электростатическим изменением формы потенциальной ямы ¿-слоя, перераспределением заряда между 2Б подзонами и перекрытием волновых функций состояний и потенциалом легирующей примеси.

4. В экспериментах с одиночными ¿-слоями и параллельным ¿-слою магнитным полем получена немонотонная зависимость холловской подвижности и проводимости от магнитного поля Это объясняется перераспределением электронов по 2Т) подзонам за счет эффекта диамагнитного сдвига подзон. С использованием упрощенной модели этой 2В системы (два типа носителей — из "нижней" и всех "'верхних" подзон размерного квантования) получены количественные оценки распределения электронов по подзонам ("нижней" и всем ""верхним"'). В достаточно больших полях, когда заполненными остаются только две подзоны, удалось получить зависимость подвижности в верхней подзоне от концентрации электронов в ней. Эти данные также объясняются в терминах перекрытия

волновых функций электронов 2D подзон с рассеивающими центрами

5. Исследованы процессы тунпелироваиия между силыгоисупорядоченны-ми 2D электронными системами в квантующем магнитном поле, параллельном току. В такой системе амплитуда резоиапсов, отвечающих упругим и неупругим процессам оказалась сравнимой (одного порядка). Этот факт п позволю обнаружить сильное взаимодействие между уровнями Ъшдау из разных 2D подзон Эффект связан с во $б\ ждепием взаимодействующих впутрипод зонных и межподзоипых магпитоплазмонов в неупорядоченной KBa3ii-2D системе.

6. В туннельном спектре резонансно-туннельного диода с квантовой ямой, в центр которой встроен слой квантовых точек, обнаружены резопансы, связываемые с возбужденными состояниями 2D резонансных магпито-поляронов. Они проявляются как антикроссипг туннельных переходов с излучением оптического фонона и без него.

Основные результаты опубликованы в следующих работах

1. Л.Ю. Иванов. C.B. Морозов, Ю.В. Дубровский. С.Ю. Шаповал, В.В. Валяев, В Л. Гуртовой. "О подвижности электронов в ¿-слоях при диамагнитном выталкивании уровней размерного квантования"'. Письма в ЖЭТФ 66 704-708 (1997).

2. В.В. Валяев, В.Л. Гуртовой, Д.Ю. Иванов, C.B. Морозов, В.В. Сироткин, Ю.В. Дубровский, С.Ю. Шаповал, Ю.Н Хаиип. Е Е. Вдовин, А.Н Пу-стовит. '"Проводимость и замороженная проводимость в эпитаксиальпых пленках GaAs с одиночными и двойными дельта-слоями". ЖЭТФ 113 693-702 (1998).

3 D.Yu. Ivanov, E. Takht.amirov, Yu.V. Dubrovskii, Y A. Volkov. L. Eaves, P.C Main, M. Ilcnini. D.K Maude, .J -C Portal, J С. Maan, C, Hill. 'Observation of the interaction between Landau levels of different two-dimensional subbands in GaAs in a normal magnetic field'' Письма в ЖЭТФ 72 684-688 (2000).

1. В.А. Волков, Э. Тахтамиров, Д.Ю. Иванов, Ю.В. Дубровский, Л. Иве, П К. Мэйн, М. Хеиини, Д.К. Мод, Ж.К Портал. Ж.К. Мааи, Дж. Хилл "Туннельная спектроскопия квазидвумерных плазмонов". УФН 17113681.370 (2001).

5 Ivanov D.Yu., Y.A.Volkov, Yu.V.Dubrovskii, E.E.Takhtamirov, E.E.Vdovin. L.Eaves, PC Main, M.Henmi, D.K.Maude, J.O.Portal, J.C.Maan, G.Hill ''Anti-crossing of Landau levels of different two-dimensional subbands in GaAs in normal magnetic field". Physica В 298 359-363 (2001)

6 D.Yu. Ivanov, Y.Y. Yaljacv, Yu.V. Dubrovskii, S.Yu. Shapoval, Y.L. Gurtovoi, S.Y. Morozov, E.E. Vdovin, Yu.N. Khanin, A.N. Pustovit. "Conductivity and persistent, photoconductivity in GaAs epitaxial films with single and double delta-doped layers". В сборнике Abstracts of minted lectures and contributed papers. International symposium ''Nanostructures physics and technology -96'' стр. 35-36, St. Petersburg, Russia, June 24-28 (199G).

7. D.Yu. Ivanov, V.V. Valjaev,Yu.V. Dubrovskii, S Yu. Shapoval, V.L. Gurtovoi. S.V. Morozov, E.E. Vdovin, Yu.N. Khanin, A.N. Pustovit. "Conductivity and persistent photoconductivity in GaAs epitaxial films with single and double delta-doped layers". В сборнике Program and summaries. 23rd International symposium on compound semiconductors стр. 84, St. Petersburg, Russia, September 23-27 (1996).

8. Д.Ю. Иванов, C.B. Морозов, Ю.В. Дубровский, С.Ю. Шаповал, В.В. Валяев, В.Л. Гуртовой. "О подвижности электронов в ¿-слоях при диа-

магнитном выталкивании уровней размерного квантования' В сборнике Тетсы III Всероссийской конференции по физике полупроводников "Полупроводники-97'' стр 2'31, Москва. Россия, 1-5 декабря (1997).

9. В.В. Валяев, Е.Е. Вдовин, В.Л. Гуртовой, Ю.В. Дубровский. Д.Ю. Иванов. Г.В. Морозов, А.Н. Пустовит,' В В Сироткин, Ю.Н Ханин, С.Ю. Шаповал "Влияние поверхностного потенциала и магнитного поля па проводимость ¿-слоев в GaAs'' В сборнике Молодежная конференция поев 15-гетию ИПТМ РАН и 275-летию РАН стр. 15. Черноголовка. Россия. 27 ноября (1998)

10. D.Yu. Ivanov, Е.Е. Takhtannrov, Yu.Y. Dubrovskii, Y.A. Yolkov, E.E. Vdovin. L Eaves, P C. Main, M. Henini, D.K Maude, J.-O. Portal, J C. Maan, G. Hill. "Interaction between Landau levels of different two-dimensional subbands in GaAs" В сборнике Proc. ■ 8th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" стр. 45-48, St. Petersburg, Russia, 19-23 June (2000).

11. Д.Ю Иванов. "Взаимодействие уровней Ландау разных подзон размерного квантования в GaAs в нормальном магнитном поле'-. В сборнике 2-я Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наномектронике Санкт-Петербург. Россия, 4-8 декабря (2000).

12. В.А. Волков, Э.Е. Тахтамиров. Ю.В. Дубровский, Д.Ю. Иванов, L. Eaves. Р.С. Main, D.K. Maude, J.-C. Portal, M. Henini, G. Hill. "Туннельная спектроскопия квази-2Б магнитоплазмопов". В сборнике Тезисы докладов V Российской конференции по физике полупроводников стр. 43, Нижний Новгород, Россия, 10-14 сентября (2001).

13. У А. \ olkov, Е.Е. Takhtamirov, Yu.V. Dubrovskii, D.Yu. Ivanov, L. Eaves. P.C. Main, M. Henini, D.K. Maude, J.-C. Portal. 'Tunneling spectroscopy

of quasi-2D magnetoplasmons' В сборнике 3rd International Conference. Physics of Low-Dimensional structures - 3 стр. 41-42, Chcrnogolovka. Russia, October 15-20 (2001).

14. D.Yu. Ivanov, Yu.\*. Dubrovskii, V.A. Volkov, D.K. Maude, J.-C. Portal, E.E. Vdovin, L.Eavcs, P.C.Main, M.Hcnini, G.Hill. ''Magnetotunnclling spectroscopy of the electron states in the quantum well with embedded self-assembled quantum dots: studies in magnetic fields up to 28 T". В сборнике 1 Ot.h International Symposium "Nanostructures: physics and technology" стр. 563-565, St. Petersburg, Russia. 17-21 June (2002).

15. D.Yu. Iyanov, Yu.Y. Dubrovskii. V.A. Volkov, D.K. Maude, J.-C. Portal, E.E. Vdovin, L.Eaves, P.C.Main, M.Henini, G.Hill. "Magnetotunnelling spectroscopy of electron states in a quantum well incoiporating self-assembled quantum dots in magnetic fields up to 28 T". В сборнике Book of abstracts. 15th International conference on high magnetic fields in semiconductor physics стр. 71, Oxford, UK, 5-9 August (2002).

16. M.Y. Chukalina, Yu.V. Dubrovskii, V.A. Volkov, L. Eaves, D.Yu. Ivanov, E.E. Vdovin, J.-C. Portal, D.K. Maude. M. Henini, G. Hill. "Observation and identification of excited two-dimensional magnetopolaron states in quantum well of resonant tunnel junction". В сборнике 11th International Symposium "Nanostructures: physics and technology"стр. 183-185, St. Petersburg, Russia, 23-28 June (2003).

17. Д.Ю. Иванов, M.B. Чукалина, L.Eaves. J.-C. Portal. "Туннельная спектроскопия возбужденных магпитополяронных состояний в кваптовых ямах". В сборнике VI Российская конференция по физике полупроводников стр. 365-366, С.-Петербург, Россия, 27-31 октября (2003).

18. М.В. Чукалина, Д.Ю. Иванов, Ю.В. Дубровский , Е.Е. Вдовин, И.А. Ларкин, В.А. Волков, L.Eaves, Р.С. Main, М. Henini, D.K. Maude, J.-C.

Portal, G. Hill. "Наблюдение и идентификация возбужденных магнито-поляронпых состояний в квантовой яме". В сборнике XXXIII Совещание по физике инзких температур стр. 295-296, Екатеринбург, Россия, 17-20 июня (2003).

D Yu. Ivanov, М V. Chnkalina, E.G. Takhtamirov, Yu.Y. Dubrovskii, L Eaves, Y.A. Yolkov, E.E. Ydovin, J.-C. Portal, D.K. Maude, M Henini. G. Hill. 'Excited two-dimensional magnetopolaron states in quantum well of resonant tunnel junction", http:, arXnj.org/cond-mat/0501S19 13 Jan (2005).

■i {

Ошеча1ано в ООО «ПРИН I» Г Ногинск, у л 200-ле1ия города л 2 Заказ 513 тираж 100 ж! 12 09 2005

«14646

РНБ Русский фонд

2006-4 15737

Введение и общая характеристика работы

Глава 1. Влияние формы потенциальной ямы на транспортные свойства квази-2П систем с ¿—слоями

1.1 Введение

1.2 Образцы.

1.3 Измерение холловских параметров

1.4 Результаты измерений

1.4.1 Двойные слои

1.4.2 Замороженная фотопроводимость

1.4.3 Диамагнитное выталкивание

2.1.1 Туннельная, или одночастичная плотность состояний.23

2.1.2 Туннелирование и коллективные возбуждения.24

2.1.3 Магнитотуннельная спектроскопия.27

2.2 Проблема пересечения туннельных пиков, связанных с разными уровнями Ландау.28

2.3 Измерения .29

2.3.1 Образцы .29

2.3.2 Эксперимент .30

2.4 Результат .30

2.5 Возможные причины антикроссинга.32

2.5.1 Разориентация магнитного поля.33

2.5.2 Непараболичность спектра Е(к) .33

2.5.3 Туннелирование с участием 2Б магнитоплазмонов.33

2.6 Заключение по второй главе .34

Глава 3. Резонансные магнитополяроны в квантовой яме .35

3.1 Введение .35

3.2 Измерения .36

3.2.1 Образцы .36

3.2.2 Эксперимент .37

3.3 Результат .39

3.4 Заключение по третьей главе .41

Заключение: сводка основных результатов .43

Приложения .45

Приложение А. Схемы измерений .45

А.1 Измерения холловских параметров .45

А.2 Туннельные измерения .46

Приложение Б. Туннельные характеристики с учетом уширенных подзон.46

Б.1 Простой случай - туннелирование в максимум плотности состояний .47

Б.2 Строгое решение с учетом уширенных уровней.49

Приложение В. Вэйвлет-преобразование .50

Литература .55

Введение и общая характеристика работы

Развитие методов роста полупроводниковых структур, зонной инженерии и микроструктурирования, стимулированные миниатюризацией электронных приборов, привели к созданию высококачественных тонкослойных полупроводниковых гете-роструктур и приборов малых размеров на их основе, в которых, вследствие сравнимости толщин слоев с длиной волны де Бройля, значительную роль играют квантовые эффекты, например, квантование импульса и энергетического спектра, тун-нелирование и резонансное туннелирование носителей. Это привело к появлению новой области фундаментальных и прикладных исследований- физики и техники низкоразмерных систем (главным образом, двумерных - 2Б). В настоящее время наиболее востребованными в фундаментальных исследованиях являются 2Б системы на основе Ш-У гетеропереходов, в частности, на основе СаАв/АЮаАв. Более того, перспективными, особенно с точки зрения применений в электронике, считаются подобные структуры с включенными в них ультратонкими слоями, содержащими легирующие примеси (¿-легирование) или массивы самоорганизованных квантовых точек. Электроны сильно рассеиваются на таких включениях, что и определяет специфику структур указанного типа. Именно такие системы исследованы в настоящей работе, чем и определяется актуальность темы исследования.

Типичные структуры, использованные в данной работе, содержат две 2Б подсистемы, созданные с использованием туннельных барьерных слоев, ¿-легированных кремнием слоев или монослоев квантовых точек 1пАб.

Используемое в работе понятие "сильный рассеивателъ" требует специального пояснения. В большинстве исследований туннельных 2Б структур используются "чистые" системы, в которых превалируют процессы туннелирования с сохранением компоненты импульса, параллельного границам раздела, или номера уровня Ландау. При измерении туннельных спектров это приводит к многократному различию в амплитуде резонансных пиков, отвечающих процессам с сохранением и без сохранения указанных квантовых чисел. Как следствие этого процессы без их сохранения обычно проявляются слабо. "Сильные рассеиватели", введенные в систему, выравнивают вероятности (и амплитуды пиков) для этих двух типов процессов, что позволило наблюдать взаимодействие различных процессов туннелирования.

Цель настоящей работы - выявить и исследовать эффекты в 21) системах, к которым приводит наличие сильных рассеивателей в многослойных туннельных структурах с латеральным или вертикальным транспортом.

В качестве объектов исследования были выбраны следующие структуры.

Для исследования латерального транспорта использовались одиночные и двойные 6-слои (¿-слои 81, ./Уо = 3 • 1012 см-2) в матрице из нелегированного СаАэ, выращенные методом газофазной эпитаксии при низком давлении из металлоорга-нических соединений.

Измерения туннельной проводимости между 2Б электронными слоями с разной степенью разупорядоченности проводились с использованием структур, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии, в которых латеральная (последовательная) проводимость вдоль 2Б слоев была исключена из измеряемого сигнала (структуры с чисто вертикальным транспортом электронов). При этом для исследования упругих туннельных процессов использовались, главным образом, образцы СаАв с одиночным барьером Al0.4Ga0.eAs, разделяющим два ¿-слоя (кремний, М™ = 3 • 10п см-2). Для изучения неупругих процессов использовались двухба-рьерные образцы с квантовой ямой сложной формы и квантовыми точками в ней типа п+ — СаАэ / СаАв / Alo.4Gao.6As ] СаАэ / 1пАв (слой самоорганизованных квантовых точек) ОаАэ / Alo.4Gao.6As / (7аА$ / п+ — СаАв.

В работе рассмотрен следующий круг вопросов:

• Исследование влияния на свойства латерального транспорта а) расстояния между одинаковыми параллельными ¿-слоями, б) остаточной фотопроводимости в одиночных и двойных слоях, в) изменения распределения носителей заряда по 2Т> подзонам за счет эффекта диамагнитного сдвига.

• Исследование туннельного спектра неоднородной 2Б системы и анализ причин взаимодействия между уровнями Ландау, принадлежащих различным 2Б подзонам.

• Исследование электронной структуры квантовой ямы в резонансно-туннельном СаАв диоде в широком диапазоне энергий и перпендикулярном слоям магнитном поле и наблюдение формирования резонансных магнитополяро-нов.

В работе получены следующие новые результаты:

1. В структурах с двойными ¿-слоями (два ¿-слоя в матрице СаАэ) проведены измерения холловских параметров для образцов с разным расстоянием между слоями. Показано, что положение максимума в зависимости проводимости от межслоевого расстояния (сам максимум был обнаружен в работе [1]) зависит не только от температуры, но и от уширения распределения легирующих примесей.

2. Обнаружено, что холловские параметры различных структур с ¿-слоями чувствительны к поверхностному потенциалу. Эффект объяснён пространственным смещением "центра тяжести" 2Б состояний.

3. Обнаружена и объяснена немонотонная зависимость холловской подвижности и проводимости в структурах с одиночным ¿-слоем от параллельного ¿-слою магнитного поля.

4. В туннельных структурах с двумя ¿-слоями, расположенными с двух сторон одиночного барьера, обнаружен и объяснён эффект сильного взаимодействия между уровнями Ландау из различных 2Б подзон.

5. Методом магнитотуннельной спектроскопии исследована электронная структура квантовой ямы с квантовыми точками в резонансно-туннельном ваАэ диоде в широком диапазоне энергий. Обнаружено, что уровни Ландау с большими номерами (./V = 2 ч- 7) значительно перенормируются вблизи энергий, когда энергия продольного оптического фонона кратна циклотронной энергии.

Необходимость изучения свойств структур ваАэ и гетероструктур СаАз/АЮаАэ с сильным встроенным потенциалом рассеивателей (¿-слои и/или квантовые точки) обусловлена перспективой их применения для создания электронных и оптоэлек-тронных приборов. Структуры с ¿-слоями, в которых легированная область не совпадает с областью проводимости, появились в результате естественного развития технологии полупроводников и являются альтернативой однородно легированным структурам и гетероструктурам. Сами по себе квантовые точки представляют интересный с точки зрения физики объект и в настоящее время применяются при разработке перспективных оптоэлектронных приборов. И ¿-слои, и квантовые точки все чаще используются в сложных, оптимизированных под конкретную задачу, многослойных гетероструктурах со сложным строением зон.

Предложенный в работе способ характеризации аналогичных материалов с неоднородным легированием в условиях прямых зон (режим остаточной фотопроводимости) позволит более корректно сравнивать материалы, полученные разными способами и прошедшими различную обработку. Полученные экспериментальные данные о взаимодействии электронов проводимости с ионами легирующей примеси в ¿-слое важны для проектирования новых приборов.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. В структурах с двойными ¿-слоями в матрице ваАэ подтверждено существование максимума на зависимости латеральной проводимости от расстояния между ¿-слоями. Установлено, что максимум зависит не только от температуры, но и от уширения распределения легирующих примесей в ¿-слое. Эффект связан с перекрытием волновых функций электронов и распределения рассеивающих примесей.

2. Холловские параметры структур с ¿-слоями сильно зависят от поверхностного потенциала, что объясняется изменением формы дна зоны проводимости и смещением волновых функций 2Б электронов при воздействиях, изменяющих величину поверхностного потенциала. Поэтому процедура сравнения этих параметров корректна лишь в одинаковых условиях, например, в условиях распрямленных зон.

3. Холловская подвижность и латеральная проводимость структур с одиночными ¿-слоями немонотонно зависят от параллельного 5-слою магнитного поля. Эффект объясняется перераспределением электронов по 2D подзонам за счет диамагнитного сдвига подзон. Полученные данные позволяют определить индивидуальные параметры 2D подзон (концентрация, подвижность).

4. В туннельных структурах с ¿-слоями по обеим сторонам одиночного барьера в магнитном поле, параллельном току, обнаружен эффект расталкивания резонансных пиков дифференциальной проводимости, отвечающих процессам туннелирования с изменением номера уровня Ландау и без него. Эффект связывается с возбуждением внутриподзонных и межподзонных магнитоплазмо-нов в неупорядоченной квази-20 системе.

5. В туннельном спектре резонансно-туннельного диода с квантовой ямой, в центр которой встроен слой квантовых точек, обнаружены резонансы, связываемые с возбужденными состояниями резонансных 2D магнитополяронов в сильнонеупорядоченной системе.

Материалы диссертации докладывались на научных семинарах ИПТМ РАН, на Всероссийских конференциях по физике полупроводников (Москва-1997, Н. Нов-город-2001, С.-Петербург-2003 гг.); на Международных конференциях "Physics of Low-Dimensional Structures - 3" , Chernogolovka, 2001 и "15th International conference on high magnetic fields in semiconductor physics, - SemiMag-15", Oxford, UK, 2002; на Международных симпозиумах "Nanostructures: physics and technology" (С.-Петербург, 1996, 2000, 2002, 2003 г.г. ) и "23rd International Symposium on Compound Semiconductors", С.-Петербург, 1996 ; на молодежных конференциях "Молодежная конференция, посвященная 15-летию ИПТМ РАН и 275-летию РАН", Черноголовка, 1998 и "2-я Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике", Санкт-Петербург, 2000; на "XXXIII Совещании по физике низких температур", Екатеринбург, 2003.

Основные результаты диссертации опубликованы в 19 работах [2-20], включая 5 журнальных статей [2-6], 13 публикаций в трудах и сборниках тезисов конференций [7-19] и 1 электронный препринт [20].

Основные результаты таковы:

1. Идея "зонной инженерии" в применении к ¿-слоям (модификация волновых функций и, как следствие, распределения плотности электронов) проверялась на двухслойных структурах (два ¿-слоя в матрице СаАэ). Подтверждено существование максимума на зависимости проводимости от расстояния между ¿-слоями. Оказалось, что максимум зависит не только от температуры, но и от уширения распределения легирующих примесей в ¿-слое. Наблюдаемому эффекту дано объяснение в терминах перекрытия волновых функций электронов и конечной (сравнимой с размерами волновой функции) ширины распределения рассеивающих примесей.

2. Измерялись холловские параметры структур с ¿-слоями (холловские концентрация и подвижность). Оказалось, что эти параметры сильно зависят от поверхностного потенциала, что объясняется перекрытием волновых функций электронов 2Т) подзон с рассеивающими центрами. Поэтому корректное сравнение параметров таких структур возможно лишь в одинаковых условиях, например, в условиях замороженной фотопроводимости (режим распрямленных зон).

3. Проведенные эксперименты на структурах, описанного выше типа с затвором показали, что замороженная фотопроводимость связана с межзонной генерацией носителей, электростатическим изменением формы потенциальной ямы ¿-слоя, перераспределением заряда между 2Б подзонами и перекрытием волновых функций состояний и потенциалом легирующей примеси.

4. В экспериментах с одиночными ¿-слоями и параллельным ¿-слою магнитным полем получена немонотонная зависимость холловской подвижности и проводимости от магнитного поля. Это объясняется перераспределением электронов по 2Б подзонам за счет эффекта диамагнитного сдвига подзон. С использованием упрощенной модели этой 2Б системы (два типа носителей — из "нижней" и всех "верхних" подзон размерного квантования) получены количественные оценки распределения электронов по подзонам ("нижней" и всем "верхним"). В достаточно больших полях, когда заполненными остаются только две подзоны, удалось получить зависимость подвижности в верхней подзоне от концентрации электронов в ней. Эти данные также объясняются в терминах перекрытия волновых функций электронов подзон с рассеивающими центрами.

5. Исследованы процессы туннелирования между сильнонеупорядоченными 2Б электронными системами в квантующем магнитном поле, параллельном току. В такой системе амплитуда резонансов, отвечающих упругим и неупругим процессам оказалась сравнимой (одного порядка). Этот факт и позволил обнаружить сильное взаимодействие между уровнями Ландау из разных 2Б подзон. Эффект связан с возбуждением взаимодействующих внутриподзонных и межподзонных магнитоплазмонов в неупорядоченной квази-2Б системе.

6. В туннельном спектре резонансно-туннельного диода с квантовой ямой, в центр которой встроен слой квантовых точек, обнаружены резонансы, связываемые с возбужденными состояниями 2Т> резонансных магнитополяронов. Они проявляются как антикроссинг туннельных переходов с излучением оптического фонона и без него.

Заключение: сводка основных результатов

1. X. Zheng, Т.К. Carns, K.L. Wang, В. Wu. "Electron-mobility enhancement from coupled wells in delta-doped GaAs". Appl. Phys. Lett 62 504-506 (1993).

2. Д.Ю. Иванов, C.B. Морозов, Ю.В. Дубровский, С.Ю. Шаповал, В.В. Валяев, B.JI. Гуртовой. "О подвижности электронов в ¿-слоях при диамагнитном выталкивании уровней размерного квантования". Письма в ЖЭТФ 66 704-708 (1997).

3. В.А. Волков, Э. Тахтамиров, Д.Ю. Иванов, Ю.В. Дубровский, JI. Иве, П.К. Мэйн, М. Хенини, Д.К. Мод, Ж.К. Портал, Ж.К. Маан, Дж. Хилл. "Туннельная спектроскопия квазидвумерных плазмонов". УФН 171 1368-1370 (2001).

4. Д.Ю. Иванов, C.B. Морозов, Ю.В. Дубровский, С.Ю. Шаповал, В.В.Валяев,

5. В.В. Валяев, Е.Е. Вдовин, B.JI. Гуртовой, Ю.В. Дубровский, Д.Ю. Иванов,

6. K. Ploog. "Delta-doping in MBE-grown GaAs: concept and device application". Journal of Crystal Growth 81 304-313 (1987).

7. E. F. Shubert. "Epitaxial Microstructures". Semiconductor and Semimetals 40 стр. 1-151, Academic Press edition (1994).

8. А.Я. Шик. "Полупроводниковые структуры с ¿-слоями". ФТП 26 1161-1181 (1992).

9. Н.Н. Radamson, M.R. Sardela, Jr.O. Nur, M. Willander, B.E. Sernelius, W.X. Ni, G.V. Hansson. "Electron-mobility enhancement in Si using doubly delta-doped layers". Appl. Phys. Lett. 64 1842-1844 (1994).

10. T. Ihn, H. Kostial, R. Hey et al. В сборнике Extended Abstract of the 1992 International Conference on Solid State Devices and Materials стр. 313 (1992).

11. P.M. Koenraad, A.C.L. Heessels, F.A.P. Blom, J.A.A.J. Perenboomb, J.H. Woltera. "Subband population and electron subband mobility for two interacting Si-5-doping layers in GaAs". Physica B 184 221-225 (1993).

12. T. Makimoto, N. Kobayashi, Y. Horikoshi. "Electron conduction in GaAs atomic layer doped with Si". J. Appl. Phys. 63 5023-5026 (1988).

13. G.Q. Hai, N. Studart. "Dependence of the electron mobility on the acceptor concentration in Si delta-doped GaAs". Phys. Rev. B 52 2245-2248 (1995).

14. A.G. de Olivera, G.M. Ribeiro, D.A.W. Soares, J.A. Correa, M.I.N, da Silva, H. Chacham. "Photoconductivity and n-type to p-type transition in silicon planar-doped GaAs structures with a doped cap layer". J. Appl. Phys. 78 2659-2665 (1995).

15. S. Arscott, M. Missous, L. Dobaczewski. "Observation of persistent photoconductivity in delta-doped GaAs". Semicond. Sci. Technol 7 620-6231992).

16. Y. Fu, M. Willander. "Subband structure and ionized impurity scattering of the two dimensional electron gas in ¿-doped field effect transistor". J. Appl. Phys. 78 3504-3510 (1995).

17. E.F. Shubert, J.M. Kuo, R.F. Kopf. "Theory and experiment of capacitance-voltage profiling on semiconductors with quantum confinement". J. of Electronic Materials 19 521 (1990).

18. G.Q. Hai, N. Studart, F.M. Peeters. "Multisubband electron transport in delta -doped semiconductor systems". Phys. Rev. B 52 8363-8371 (1995).

19. W. de Lange, F.A.P. Blom, P.J. van Hall, P.M. Koenrad, J.H. Wolter. "Intersubband scattering in GaAs/Al^/Gai.^/As heterostructures". Physica B 184 216-2201993).

20. R. C. Newman. "The lattice locations of silicon impurities in GaAs: effects due to stoichiometry, the Fermi energy, the solubility limit and DX behaviour". Semicond. Sci. Technol. 9 1749-1762 (1994).

21. Т. N. Theis, P. М. Mooney, S. L. Wright. "Electron Localization by a Metastable Donor Level in n-GaAs: A New Mechanism Limiting the Free-Carrier Density". Phys. Rev. Lett. 60 361-364 (1988).

22. D.C. Chadi, K.J. Chang. "Theory of the Atomic and Electronic Structure of DX Centers in GaAs and A^Ga^As Alloys". Phys. Rev. Lett. 61 873-876 (1988).

23. E.H. Rhoderick. Metal-semiconductor contacts, стр. 1. Clarendon Press, Oxford edition, 1978.

24. A. Zrenner, H. Reisinger, F. Koch, K. Ploog, J.C. Maan. "Electronic subbands of a delta doping layer in GaAs in a parallel magnetic field". Phys. Rev. В 33 5607-5610 (1986).

25. А.В. Henriques. "Quantum and transport mobilities in delta-doped semiconductor". Phys. Rev. В 53 16365-16371 (1996).

26. Т. Андо, А. Фаулер, Ф. Стерн. "Электронные свойства двумерных систем". Москва, Мир, 1985.

27. T.N. Theis, J.P. Kotthaus, P.J. Stiles. "Two-dimentional magnetoplasmons in the silicon inversion layer". Solid State Commun. 24 273-277 (1977).

28. D.C. Tsui, E. Gornik, R.A. Logan. "Far infrared emission from plasma oscillations of Si inversion layers". Solid State Commun. 35 875-877 (1980).

29. M.L.F. Lerch, D.J. Fisher, A.D. Martin, C. Zhang, L. Eaves. "Charge accumulation over a region of electrical multistability in a double barrier structure". Surface Science 361-362 226-230 (1996).

30. D.A. Dahl, L.J. Sham. "Electrodynamics of quasi-two-dimentional electrons". Phys. Rev. В 16 651-661 (1977).

31. J.G. Chen, C.H. Yang, M.J. Yang, R.A. Wilson. "Observation of two-dimensional resonant magnetopolarons and phonon-assisted resonant tunneling in double-barrier heterostructures". Phys. Rev. В 43 4531-4533 (1991).

32. D.C. Tsui, G. Kaminsky, P.H. Schmidt. "Tunneling study of surface quantization in n-РЬТе". Phys. Rev. В 9 3524-3531 (1974).

33. С.В. Duke. "Optical Absorption Due to Space-Charge-Induced Localized States". Phys. Rev. 159 632-644 (1967).

34. D.J. Ben-Daniel, C.B. Duke. "Conductance Anomalies due to Space-Charge-Induced Localized States". Phys. Rev. 160 679-685 (1967).

35. C.B. Duke. "Continuously-variabeinfrared line absorption due to narrow spacecharge channels". Phys. Lett. A 24 461-463 (1967).

36. G.A. Barraf, J.A. Appelbaum. "Effect of Electric and Magnetic Fields on the Self-Consistent Potential at the Surface of a Degenerate Semiconductor". Phys. Rev. B 5 475-497 (1972).

37. G.S. Bobinger, A.F. J. Levi, S. Schmitt-Rink, A. Passner, L.N. Pfeiffer, K.W. West. "Direct observation of two-dimensional magnetopolarons in a resonant tunnel junction". Phys. Rev. Lett. 65 235-238 (1990).

38. A.K. Louis, P. Maass, A. Rieder. "Wavelets: Theory and Applications". John Wiley&Sons Ltd (1997).

39. K.S. Chan, F.W. Sheard, G.A. Toombs, L. Eaves. "Magnetoquantum effect in III-V tunneling heterostructures". Phys. Rev. B 56 1447-1455 (1997).