Магнетотранспортные свойства непланарного двумерного электронного газа в модулированных полупроводниковых структурах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Горан, Андрей Васильевич

• Горан, Андрей Васильевич
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Горан, Андрей Васильевич

Список сокращений и обозначений.

Введение.

Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи.

§1.1. Транспортные свойства непланарного двумерного электронного газа.

§ 1.2. Транспорт двумерных электронов в неоднородном магнитном поле.

Постановка задачи.

Глава 2. Исследуемые образцы и методика эксперимента.

§2.1. Технология изготовления образцов.

§2.2. Морфология поверхности исследуемых структур.

§2.3. Методика магнетотранспортных измерений.

Глава 3. Численный анализ квазиклассического транспорта в неоднородном магнитном поле.

§3.1. Характеризация случайного неоднородного магнитного поля.

§3.2. Траектории электронов в неоднородном магнитном поле.

§3.3. Моделирование квазиклассического транспорта.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Магнетотранспортные свойства непланарного двумерного электронного газа в модулированных полупроводниковых структурах»

Актуальность темы. Полупроводниковые структуры с модулированным легированием на основе соединений А3В5, в том числе селективно-легированные GaAs/AlGaAs гетеропереходы и GaAs квантовые ямы, являются в настоящее время предметом широкого научного изучения и базой для создания новых микроэлектронных приборов. Транспортные свойства высокоподвижного двумерного электронного газа (ДЭГ) в модулированных полупроводниковых структурах в значительной мере определяются качеством границ раздела между слоями. Многочисленные исследования показали, что гетерограницы в селективно-легированных структурах, выращенных при помощи молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), не являются идеально плоскими. В той или иной степени неровность (корругация) гетерограниц присутствует в любой реальной МЛЭ структуре. Существует несколько причин, приводящих к неровности гетерограниц, однако следует выделить две наиболее важные: непланарность исходных подложек [1] и самоорганизация корругированных ростовых поверхностей [2].

Принципиальной особенностью транспорта ДЭГ в селективно-легированных гетеропереходах и квантовых ямах с непланарными гетерограницами является то, что перенос носителей заряда в таких структурах, помещённых в однородное внешнее магнитное поле, происходит в неоднородном эффективном магнитном поле [3, 4]. Связано это с тем, что орбитальное движение двумерных электронов чувствительно лишь к нормальной компоненте внешнего магнитного поля, величина которой для непланарного ДЭГ, в отличие от планарного, зависит от координат и ее можно рассматривать как некое эффективное пространственно неоднородное магнитное поле. Такая особенность магнетотранспорта в полупроводниковых МЛЭ-структурах с непланарными гетерограницами позволяет использовать их в качестве модельного объекта для экспериментального изучения переноса носителей заряда в неоднородном магнитном поле, многие фундаментальные аспекты которого остаются до настоящего времени неисследованными [5-10].

Хорошо известно, что теоретический анализ магнетосопротивления (МС) вырожденного ДЭГ в рамках кинетического уравнения Больцмана в приближении времени релаксации приводит к независимому от магнитного поля В выражению Друде: рхх(В) = р0 = rnle2nvtr, где п - концентрация носителей заряда, т -эффективная масса, т,г - транспортное время релаксации. Однако, как это впервые было показано в работе [11], учет эффектов "памяти", сделанный вне рамок приближения времени релаксации, приводит к чисто классическим причинам отклонения рхх{В) от константы. Причем, в зависимости от характера случайного рассеивающего потенциала (в общем случае короткодействующего и дальнодействующего) квазиклассическое МС ДЭГ может быть как положительным [9], так и отрицательным [12].

При рассеянии ДЭГ на случайном магнитном поле теория квазиклассического магнетотранспорта также предсказывает как положительное [8, 9], так и отрицательное МС [6, 7]. Как отмечалось выше рассеяние носителей заряда на неоднородном магнитном поле должно проявляться в МС непланарного ДЭГ, что делает экспериментальное изучение магнетотранспорта ДЭГ в селективно-легированных полупроводниковых структурах с непланарными гетерограницами актуальным для проверки предсказаний теории и установления роли эффектов "памяти" в квазиклассическом транспорте в неоднородном магнитном поле. Изучение транспортных свойств непланарного ДЭГ имеет не только научное, но и важное практическое значение для выбора условий синтеза МЛЭ -структур с гетерограницами необходимой формы, в том числе с максимально гладкими гетерограницами.

Цель данной диссертационной работы состоит в экспериментальном изучении и численном моделировании транспорта двумерных электронов в селективно-легированных GaAs/AlGaAs гетеропереходах и GaAs квантовых ямах с непланарными гетерограницами в параллельном и наклонном магнитных полях.

Основной научной задачей является экспериментальное обнаружение и исследование квазиклассического положительного и отрицательного МС непланарного ДЭГ, обусловленного переносом носителей заряда в условиях неоднородного эффективного магнитного поля.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. По результатам диссертации опубликовано 14 работ [1326].

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Горан, Андрей Васильевич

Основные результаты и выводы диссертационной работы состоят в следующем:

1. Экспериментально исследовано МС ДЭГ в узких GaAs квантовых ямах с AIAs/GaAs сверхрешёточными барьерами и GaAs/AIGaAs гетеропереходах в параллельном магнитном поле. Обнаружено анизотропное положительное МС, зависящее от направлений магнитного поля и измерительного тока. В слабых магнитных полях МС имеет квадратичную зависимость от величины магнитного поля, в сильных полях зависимость МС становится линейной.

2. Установлено, что положительное МС ДЭГ в параллельном магнитном поле в узких GaAs квантовых ямах с AIAs/GaAs сверхрешёточными барьерами является квазиклассическим и обусловлено непланарностью гетерограниц. Непланарность гетерограниц приводит к тому, что в однородном внешнем магнитном поле, параллельном гетероструктуре, транспорт двумерных электронов происходит в неоднородном эффективном магнитном поле, которое в общем случае является анизотропным.

3. Проведено численное моделирование транспорта ДЭГ в GaAs квантовых ямах и GaAs/AIGaAs гетеропереходах в неоднородном эффективном магнитном поле, рассчитанном исходя из АСМ изображений поверхности гетероструктур. Согласие экспериментальных данных и результатов моделирования позволило сделать вывод о том, что рассеяние на эффективном магнитном поле является основным фактором, определяющим МС непланарного ДЭГ в изучаемых МЛЭ -структурах в параллельном магнитном поле.

4. Экспериментально исследовано МС непланарного ДЭГ в GaAs/AlGaAs гетеропереходе в наклонном магнитном поле. Обнаружено, что перпендикулярная компонента наклонного магнитного поля приводит к уменьшению сопротивления ДЭГ, что не может быть объяснено в рамках приближения времени релаксации и требует учета эффектов памяти при рассмотрении транспорта ДЭГ в сильном неоднородном магнитном поле.

5. Установлено, что анализ анизотропного положительного МС ДЭГ в параллельном магнитном поле позволяет определить величину пространственной модуляции гетерограниц в селективно-легированных GaAs квантовых ямах с AlAs/GaAs сверхрешёточными барьерами, выращенных методом МЛЭ.

6. Показано, что селективно-легированные GaAs/AlGaAs гетеропереходы и GaAs квантовые ямы с непланарными гетерограницами, выращенные методом МЛЭ могут быть использованы для экспериментального изучения переноса носителей заряда в неоднородном магнитном поле.

Заключение

В данной работе исследован магнетотранспорт ДЭГ в непланарных GaAs квантовых ямах и GaAs/AIGaAs гетеропереходах в параллельном и наклонном магнитном поле. Экспериментально и при помощи численного моделирования изучены транспортные свойства ДЭГ в неоднородном эффективном магнитном поле.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Горан, Андрей Васильевич, 2005 год

1. G.Biasiol, A.Gustafsson, K.Leifer, E.Kapon. Mechanisms of self-ordering in nonplanar epitaxy of semiconductor nanostructures. Phys Rev. В., 2002, vol. 65, pp. 205306-1-205306-15.

2. G.Apostolopoulos, J.Herfort, L.Daweritz, K.Ploog and M.Luysberg. Reentrant mound formation in GaAs(OOl) homoepitaxy observed by ex situ atomic force microscopy. Phys Rev. Lett., 1999, vol. 85, pp. 3358-3361.

3. M.L.Leadbeater, C.L.Foden, J.H.Burroughes, M.Pepper, T.M.Burke, L.L.Wang, M.P.Grimshaw, and D.A.Ritchie. Magnetotransport in a nonplanar two-dimensional electron gas. Phys Rev. В., 1995, vol. 52, pp. 8629-8632.

4. G.M.Gusev, J.R.Leite, A.A.Bykov, N.T.Moshegov, V.M.Kudryashev, A.I.Toropov, and Yu.V.Nastaushev. Single-particle relaxation time in a spatially fluctuating magnetic field.-Phys Rev. В., 1999, vol. 59, pp. 5711-5716.

5. J.E.Muller. Effect of a nonuniform magnetic field on a two-dimensional electron gas in the ballistic regime. Phys Rev. Lett., 1992, vol. 68, pp.385-388.

6. D.V.Khveshchenko. Magnetoresistance of two-dimensional fermions in a random magnetic field. Phys Rev. Lett., 1996, vol. 77, pp. 1817-1820.

7. A. D. Mirlin, D.G. Polyakov, P. Wolfle. Composite Fermions in a Long-Range Random Magnetic Field: Quantum Hall Effect versus Shubnikov-de Haas Oscillations. Phys Rev. Lett., 1998, vol. 80, pp.2429-2432.

8. M.Calvo Ergodic approach to magnetoresistance of a two-dimensional electron gas in a random magnetic field. Phys. Rev. В., 1998, vol. 57, pp. 4241-4244.

9. A.D.Mirlin, J.Wilke, F.Evers, D.G.PoIyakov, P.Wolfle. Strong magnetoresistatce induced by long-range disorder. Phys Rev. Lett., 1999, vol. 83, pp.2801-2804.

10. F.Evers, A.D.Mirlin, D.G.PoIyakov, P.Wolfle. Semiclassical theory of transport in a random magnetic field. - Phys. Rev. В., 1999, vol. 60, pp. 8951-8969.

11. Э.М.Баскин, Л.И.Магарилл, М.В.Энтин. Двумерная электрон-примесная система в сильном магнитном поле. ЖЭТФ, 1978, том 75, вып. 8, с.723-734.

12. A. D. Mirlin, D.G. Polyakov, F. Evers, P. Wolfle. Quasiclassical Negative Magnetoresistance of a 2D Electron Gas: Interplay of Strong Scatterers and Smooth Disorder. Phys Rev. Lett., 2001, vol. 87, pp. 126805-1-126805-4.

13. А.А.Быков, А.К.Бакаров, А.В.Горан, А.В.Латышев, А.И.Торопов. Анизотропия магнетотранспорта и самоорганизация корругированных гетерограниц в селективно легированных структурах на (100) GaAs подложках. Письма в ЖЭТФ, 2001, том 74, вып.З, с. 182-185.

14. A.A.Bykov, G.M.Gusev, J.R.Leite, A.K.Bakarov, A.V.Goran, V.M.Kudryashev, A.I.Toropov. Quasiclassical negative magnetoresistance of a two-dimentional electron gas in a random magnetic field. Phys.Rev.B., 2001, vol. 65, pp. 035302-1 -035302-7.

15. A.K.Bakarov, A.A.Bykov, A.V.Goran, A.V.Latyshev, A.I.Toropov. Nonplanar two-dimentional electron gas grown on the substrates with self-organized surface corrugation. Phys. Low.-Dim. Struct., 2001, vol. 11/12, pp. 253-260.

16. А.А.Быков, Д.В.Номоконов, А.К.Бакаров, А.В.Горан, О.Естибаль, Ж.К.Портал. Влияние киральности ферми-системы на температурную зависимость эффекта Ааронова-Бома. Письма в ЖЭТФ, 2004, том 79, вып.1, с.34-37.

17. А.В.Горан, А.А.Быков, А.К.Бакаров, Ж.К.Портал. Анизотропное положительное магнетосопротивление непланарного двумерного электронного газа в параллельном магнитном поле. Письма в ЖЭТФ, 2004, том 79, вып. 10, с.608-611.

18. A.Ballestad, B.J.Ruck, J.H.Schmid, M.Adamcyk, E.Nodwell. Surface morphology of GaAs during molecular beam epitaxy growth: Comparison of experimental data with simulations based on continuum growth equations. Phys. Rev. В., 2002, vol. 65, 205302.

19. А.К.Бакаров, А.А.Быков, Н.Д.Аксенова, Д.В.Щеглов, А.В.Латышев, А.И.Торопов. Соизмеримые осцилляции магнетосопротивления двумерного электронного газа в GaAs квантовых ямах с корругированными гетерограницами. Письма в ЖЭТФ, 2003, том 77, стр. 794-797.

20. G.M.Gusev, U.Gennser, X.Kleber, D.K.Maude, J.C.Portal, D.I.Lubyshev, P.Basmaji, M.de P.A.Silva, J.C.Rossi, Yu.V.Nastaushev. Quantum interference effects in a strongly fluctuating magnetic field. Phys Rev. В., 1996, vol. 53, pp. 13641-13644.

21. G.M.Gusev, A.A.Quivy, J.R.Leite, A.A.Bykov, N.T.Moshegov, V.M.Kudryashev, A.I.Toropov, Yu.V.Nastaushev. Shubnikov-de Haas oscillations in a nonplanar two-dimensional electron gas. Semicond. Sci. Technol., 1999, vol. 14, pp. 1-5.

22. A.A.Bykov, G.M.Gusev, J.R.Leite, A.K.Bakarov, N.T.Moshegov, M.Casse, D.K.Maude, J.C.Portal. Hall effect in a spatially fluctuating magnetic field with zero mean. -Phys.Rev.B., 2000, vol. 61, pp. 5505-5510.

23. A.A.Bykov, G.M.Gusev, J.R.Leite, N.T.Moshegov, A.K.Bakarov, A.I.Toropov, D.K.Maude, J.C.Portal. Magnetoresistance in a stripe-shaped two-dimensional electron gas. -Physica B, 2001, vol. 298, pp.79-82.

24. N.M.Sotomayor, G.M.Gusev, J.R.Leite, A.A.Bykov, A.K.Kalagin, V.M.Kudryashev, A.I.Toropov. Negative linear classical magnetoresistance in corrugated two-dimensional electron gas. Phys Rev. B, 2004, vol. 70, pp. 2353261-235326-6.

25. A.C. Churchill, G.H. Kim, A. Kurobe, M.Y. Simmons, D.A. Ritchie, M. Pepper, G.A.C. Jones. Anisotropic magnetotransport in two-dimensional electron gases on (311)B GaAs substrates. Journal of Physics: Condensed Matter, 1994, vol. 6, pp.6131-6138.

26. D.Weiss, K. von Klitzing, K.Ploog, G.Weimann. Magnetoresistance oscillations in a two-dimensional electron gas induced by a submicrometer periodic potential. -Europhysics Letters, 1989, vol. 8, pp. 179-184.

27. C. W. J. Beenakker. Guiding-center-drift resonance in a periodically modulated two-dimensional electron gas. Phys. Rev. Lett., 1989, vol. 62, pp.2020-2023.

28. P. H. Beton, M. W. Dellow, P. C. Main, E. S. Alves, L. Eaves, S. P. Beaumont and C. D. W. Wilkinson. Magnetic breakdown of a two-dimensional electron gas in a periodic potential. Phys. Rev. B, 1991, vol. 43, pp.9980-9983.

29. B.L.Altshuler, L.B.Ioffe. Motion of fast particles in strongly fluctuating magnetic fields. Phys Rev. Lett., 1992, vol. 69, pp. 2979-2982.

30. D.V.Khveshchenko, S.V.Meshkov. Particle in a random magnetic field on a plane. -Phys Rev. В., 1993, vol. 47, pp. 12051-12058.

31. A.G.Aronov, A.D.Mirlin and P.Wolfle. Localization of charged quantum particles in a static random magenetic field. Phys Rev. В., 1994, vol. 49, pp. 16609-16613.

32. D.K.K.Lee, J.T.Chalker, D.Y.K.Ko. Localization in a random magnetic field: the semiclassical limit. Phys. Rev. В., 1994, vol. 50, pp. 5272-5284.

33. I.S.Ibrahim, V.A.Schweigert, F.M.Peeters. Classical transport of electrons through magnetic barriers. Phys. Rev. В., 1997, vol. 56, pp. 7508-7516.

34. D.Lawton, A.Nogaret, M.V.Makarenko, O.V.Kibis, S.J.Bending, M.Henini. Electrical rectification by magnetic edge states. Physica E, 2002, vol. 13, pp. 699702.

35. D.C.Tsui, H.L.Stormer, A.C.Gossard. Two-dimensional magnetotransport in the exstreme quantum limit. Phys. Rev. Lett., 1982, vol. 48, pp.1559-1562.

36. H.W.Jiang, H.L.Stormer, D.T.Tsui, L.N.Pfeiffer, and K.W.West. Transport anomalies in the lowest Landau level ot two-dimensional electrons at half-filling. -Phys. Rev. В., 1989, vol. 40, pp 12013-12016.

37. B.I.Halperin, P.A.Lee, and N. Read. Theory of the half-filled Landau level. Phys Rev. В., 1993, vol. 47, pp 7312-7343.

38. G.H.Kruithof, P.C. van Son, T.M.Klapwijk. Interaction between moving flux lines and a two-dimensional electron gas. Phys. Rev. Lett., 1991, vol. 67, pp. 27252728.

39. A.K.Geim, S.J.Bending, and I.V.Grigorieva. Assymertic scattering and diffraction of a two-dimensional electrons at quantized tubes of magnetic flux. Phys Rev. Lett., 1992, vol. 69, pp. 2252-2255.

40. A.Smith, R.Taborski, L.T.Hansen, C.B.Sorensen, P.Hedegard, and P.E.Lindelof. Magnetoresistance of a two-dimensional electron gas in a random magnetic field. -Phys. Rev. В., 1994, vol. 50, pp. 14726-14729.

41. F.B.Mancoff, R.M.Clarke, C.M.Marcus, S.C.Zhang, K.Campman, and A.C.Gossard. Magnetotransport of a two-dimensional electron gas in a spatially random magnetic field. -Phys Rev. В., 1995, vol. 51, pp. 13269-13273.

42. P.D.Ye, D.Weiss, R.R.Gerhardts, M.Seeger, K.von Klitzing, K.Eberl, and H.Nickel. Electrons in aperiodic magnetic field induced by a regular array of micromagnets. -Phys Rev. Lett., 1995, vol. 74, pp. 3013-3016.

43. S.Izawa, S.Katsumoto, A.Endo, Y. Iye. Magnetoresistance oscillation in two-dimensional electron gas under spatially modulated vector potential. Journal of the Physical Society of Japan, 1995, vol. 64, pp. 706-710.

44. A.Nogaret, S.J.Bending, M.Henini. Resistance resonance effects through magnetic edge states. Phys. Rev. Lett., 2000, vol. 84, pp. 2231-2234.

45. V.T.Dolgopolov, A.Gold. Magnetoresistance of a twodimensional electron gas in a parallel magnetic field. JETP Letters, 2000, vol. 71, pp. 27-30.

46. S. Das Sarma, E.H.Hwang. Parallel magnetic field induced giant magnetoresistance in low density quasi-two-dimensional layers. Phys. Rev. Lett., 2000, vol. 84, pp. 5596-5599.

47. G.Zala, B.N.Narozhny, I.L.Aleiner. Interaction corrections at intermediate temperatures: magnetoresistance in a parallel field. Phys. Rev. В., 2001, vol. 65, pp. 020201-1-020201-4.

48. V.S.Khrapai. Screening and inplane magnetoresistance of anisotropic two-dimensional gas. Pis'ma v ZhETF, 2003, vol. 77, pp. 368-371.

49. J.Zhu, H.L.Stormer, L.N.Pfeiffer, K.W.Baldwin, K.W.West. Spin susceptibility of and ultra-low-density two-dimensional electron system. Phys Rev. Lett., 2003, vol. 90, pp. 056805-1 - 056805-4.

50. M.M.Fogler, A.Yu.Dobin, V.I.Perel, B.I.Shklovskii. Suppression of chaotic dynamics and localization of two-dimensional electrons by a weak magnetic field. -Phys. Rev. B, 1997, vol. 56, pp. 6823-6838.

51. E.M.Baskin, M.V.Entin. Magnetic localization of classical electrons in 2D disordered lattice. Physica B, 1998, vol. 249-251, pp. 805-808.

52. D.G.Polyakov, F.Evers, A.D.Mirlin, P.Wolfle. Quasiclassical Magnetotransport in a random array of antidotes. Phys. Rev. B, 2001, vol. 64, pp. 205306-1 - 20530619.

53. A.Dmitriev, M.Dyakonov, RJullien. Classical mechanism for negative magnetoresistance in two dimensions. Phys. Rev. В., 2001, vol. 64, pp. 233321-1 -233321-4.

54. A.Dmitriev, M.Dyakonov, RJullien. Anomalous low-field classical magnetoresistance in two dimensions. Phys. Rev. Lett., 2002, vol. 89, pp. 2668041 - 266804-4.

55. N.V.Smith. Memory effects in the Magnetotransport properties of the classical Drude metal. Phys. Rev. B, 2003, vol. 68, pp. 132406-1 - 132406-2.

56. V.V.Cheianov, A.P.Dmitriev, V.Yu.Kachorovskii. Anomalous negative magnetoresistance caused by non-Markovian effects. Phys. Rev. В., 2003, vol. 68, pp. 201304-1-201304-4.

57. G.M.Gusev, Z.D.Kvon, L.V.litvin, Yu.V.Nastaushev, A.K.Kalagin, A.I.Toropov. Magnetoresistance of a two-dimensional electron gas in a disordered artificial array of scatterers. Superlattices an Microstructures, 1993, vol. 13, pp. 263-265.

58. G.M.Gusev, P.Basmaji, Z.D.Kvon, L.V.Litvin, Yu.V.Nastaushev, A.I.Toropov. Negative magnetoresistance and anomalous diffusion of two-dimensional electrons in a disordered array of antidotes. Surface Science, 1994, vol. 305, pp. 443-447.

59. V. Renard, Z. D. Kvon, G. M. Gusev, J. C. Portal. Large positive magnetoresistance in a high-mobility two-dimensional electron gas: Interplay of short- and long-range disorder. Phys. Rev. B, 2004, vol. 70, pp. 033303-1 - 033303-4.

60. K.-J.Friedland, R.Hey, H.Kostial, R.Klann and K.Ploog. New concept for the reduction of impurity scattering in remotely doped GaAs quantum wells. Phys. Rev. Lett., 1996, vol. 77, pp. 4616-4619.

61. R.Hey, K.-J.Friedland, H.Kostial, R.Klann and K.Ploog. New route to reduce impurity scattering in modulation-doped GaAs quantum wells. Journal of Crystal Growth, 1997, vol. 175/176, pp. 1126-1130.

62. K.J.Friedland, R.Hey, H.Kostial, K.H.PIoog. Reduction of remote impurity scattering in heavily modulation-doped GaAs and (Galn)As qyantum wells with AIAs/GaAs type-II-supperlatice barriers. Jpn. J. Appl. Phys., 1998, vol. 37, pp. 1340-1342.

63. Руководство пользователя СЗМ Смена. Компания "НТ-МДТ". Москва, 2002, стр. 1-157.

64. R.Kubo. Statistical-mechanical theory of irreversible processes. I. General theory and simple applications to magnetic and conduction problems. — J. Phys. Soc. Jpn., 1957, vol. 12, pp. 570-586.

65. R.Menne, R.R.Gerhardts. Magnetoresistance of a two-dimensional electron gas with spatially periodic lateral modulations: Exact consequences of Boltzmann's equation. -Phys. Rev. В., 1998, vol. 57, pp. 1707-1722.