CC BY
28
М.М. Афанасова, Ю.Н. Г орбунова, В.А. Степанов
КИНЕТИКА ЭЛЕКТРОНОВ В КОМПОЗИТНОЙ НАНОСТРУКТУРЕ INAS/ALSB С ДВУМЕРНЫМ ВЫРОЖДЕННЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ГАЗОМ
Обнаружен аномальный характер затухания квантования Ландау для структур 1п-As/AlSb в сильных магнитных полях, который проявляется в осцилляциях амплитуды поперечного магнитосопротивления и появлении участков с отрицательной температурой Дингла. Установлено, что причиной указанных аномалий является резонансное межподзонное взаимодействие электронов. Оценены времена релаксации электронов
~т,р _тр /гттл
внутри Тц и между Тц подзонами размерного квантования (ПРК) в режиме малоуг-
—т \ _ р \ _тр
лового рассеяния и установлено следующее соотношение: Тц > тц >ТЧ .
наноструктура, затухание квантования Ландау, резонансное межподзонное взаимодействие электронов, малоугловое рассеяние.
Введение
Исследована серия образцов наноструктур, выращенных методом молекулярно лучевой эпитаксии [1]. Активный канал структуры 1пА8/А^Ь с двумерным электронным газом образован слоем 1пА8 толщиной 15 нм, заключенным между слоями А^Ь, толщина каждого из которых 40 нм. Концентрация двумерного электронного газа достигала значений (0.6^4.2)-1012 см-2 в зависимости от уровня легирования (^Те) атомами примеси. Для изучения характера поведения электронного газа и его параметров использованы измерения поперечного магнитосопротивления в квантующих магнитных полях. При исследовании магнитополевых зависимостей амплитуды и спектров Фурье осцилляций поперечного магнитосопротивления нами выявлена динамика формирования разрушения квантования Ландау в сильнолегированных гетероструктурах. Обнаружен аномальный характер затухания квантования Ландау, заключающийся в следующем:
1) осциллирующая зависимость нормированной амплитуды осцилляций 3 (1/ В )Т=сот( от обратного магнитного поля;
2) наличие участков с отрицательной температурой Дингла.
Природа затухания квантования Ландау в структурах InAs/AlSb
Магнитополевая зависимость амплитуды осцилляций магнитосопротивления и столкновительного уширения описывается известным выражением [2]:
3т,р( 1/ В) ~ (х / sh(x) )ехр (- 2п2№т р / Ьа>), (1)
где х = 2п2km * T/ heB, Smp - амплитуды осцилляций m- и p-подзон, m* - эффективная масса, е - заряд электрона, h - постоянная Планка, k - постоянная Больцмана, Т£ p - температура Дингла, связанная с квантовым временем релаксации: TD = h /2nnkq.
На рисунке 1 представлена зависимость амплитуды осцилляций магнитосопротивления в обратном магнитном поле для наноструктуры InAs/AlSb при заполнении Em и Ep подзон размерного квантования ns = 2.4-1012 см-2. Осциллирующий характер зависимости оказалось возможным объяснить в представлении о роли внутри- и межподзонных е-е взаимодействий в формировании столк-новительного уширения.
При исследовании магнитополевой зависимости нормированной амплитуды рхх(В) для всех образцов InAs/AlSb выявлены общие закономерности.
Экстремумы зависимости ln^m = f(1/B) в магнитном поле B определяются областью локализации функций плотности состояний Dm(E), Dp(E) в Em, Ep подзонах; Dm,p(E) описывается несимметричной ^-функцией с уширением kTD + kT и имеет резкие границы.
1. Магнитные поля для максимумов зависимости lnS(1/B)T = const (В, Г1: 0.155,
0.225, 0.3, 0.365) соответствуют перекрытию верхнего по энергии «шлейфа» плотности состояний уровней Ландау Ep подзоны и функции плотности состояний Em подзоны вблизи уровня Ферми. Это перекрытие приводит к инициированию меж-подзонного взаимодействия. Резонансное взаимодействие возникает при одновременном прохождении уровней Ландау обоих подзон размерного квантования через уровень Ферми, то есть при энергетическом совпадении максимумов плотности состояний в обоих подзонах в пределах k(T +TD) на уровне Ферми.
2. Магнитные поля в минимумах lnS(1/B)T=const: (В, Т-1: 0.19, 0.27, 0.35,
0.42) определяются выходом на уровень Ферми низкоэнергетической границы функции плотности состояний на уровнях Ландау Ер подзоны. Резкость границ функции плотности состояний на Np уровнях, обусловливает резонансность включения и выключения межподзонного взаимодействия при изменении магнитного поля.
Рис. 1. Зависимости нормированной на конечную температуру (Т = 4.2 К) амплитуды осцилляций 1п[ ё (lГBУ(x/shх)] от обратного магнитного поля 1ГВ для структуры InAsГAlSb основной Ет (1) и возбужденной Ер (2) ПРК, образец № 2. ■, ■ (□, о) - максимумы (минимумы) осцилляций ШдГ
Ломаная зависимость 1пё(1/В)Т = соп^ аппроксимирована системой линейных участков серии 1(а, с, е, g) графиков Дингла. Точки, соответствующие величине 1/В = 0, определяют фокусы (полюсы) Фа,с,е,% Физическое содержание полюсов амплитуды ёт (1Г В\=соп,,1 связано с вероятностью внутри- и межпод-
зонных электрон-электронных взаимодействий и определяет тип разрушения квантования Ландау в системе т- ир-двумерных электронов.
В квантующем магнитном поле к основным механизмам релаксации, формирующим каналы рассеяния, можно отнести взаимодействие двумерных электронов Ет (Ер) подзон с атомами легирующей примеси с характерным временем
релаксации т'т (тр ) и между собой со временем .
Если в рассеяние вносят вклад одновременно несколько процессов, то полное сечение рассеяния S объема V является суммой отдельных сечений
Suё^ = 2 SY . Учит™аЯ, что Sm^ ~ 1 Г 1Жа Лд . ~1Г Т , получим:
V
1Гт,- !>ГТ, . (3)
1=т,р,тр
На участках серии I (а, с, е, g) магнитное поле инициирует межподзонное е-е взаимодействие. Суммарное квантовое время определяется правилом Маттисена:
1Г тадсе = 1Г тт + 1Г тр +1Г т^ , (4)
подзонного взаимодействия электронов. Параметр ^ в (4) для областей «а»,
«с» и «е» различен. По наклону участков I («а», «с», «е», <^») найдено время столкновительного уширения (см. табл.) с учетом концентрационной зависимости эффективной массы 2D электронов [3].
Таблица
Параметры двумерного электронного газа в образцах InAs/AlSb
Номер образца пт / пр , 1012 см-2 Тт / Тр , К тт / тр, 10-14 с тт/ , 10-14 с
1. 0.61 ± 0.05/- 14.6 ± 1.2/- 8.3 ± 0.5/- -
2. 1.8 ± 0.1/0.61 ± 0.05 19.4 ± 1/24 ± 1.3 6.2 ± 0.4/5.0 ± 0.5 3.8 ± 0.2
3. 2.7 ± 0.15/1.1 ± 0.1 17.0 ± 0.5/21 ± 1 7.1 ± 0.3/5.8 ± 0.4 5.2 ± 0.3
4. 3.6 ± 0.15/0.62 ± 0.05 9.7 ± 0.3/22 ± 1.5 12.0 ± 0.2/5.5 ± 0.7 5.5 ± 0.3
На участках магнитных полей (рис. 1) «Ь», «d» и <ф», когда максимумы плотности состояний Dm (Е) с номером Ыт в Ет подзоне попадают в энергетический
зазор между Dp(E) Ыр и Ыр+! уровней Ландау, время нетеплового уширения т^^ определяется временем внутриподзонной релаксации 2D электронов Ет и Ер:
1/ < ‘<- 1/ г'т + И тр . (5)
Исследования показали, что для структуры 1пАз/А^Ь с энергетической структурой типа Ет, Ер и определенным соотношением пт, пр и Ыт, Ыр из магнитополевой зависимости амплитуды определить время столкновительного уширения
на участках серии II т^ * f невозможно. Подавление межподзонного взаимодействия магнитным полем является настолько резким, что приводит к изменению наклона графика Дингла с инверсией знака; наблюдаются участки д( 1/ В)Т=сопх(
с отрицательной температурой Дингла То: А\пё( 1/В) / Л( 1/В) < 0. И на участках «Ь», «d», <ф> формально введенный параметр, характеризующий нетепловое уширение То, не имеет физического смысла. Такой характер зависимости является аномальным по сравнению с аналогичными графиками для структуры А1х-Ga1_xAs/GaAs [4].
Применение методов Фурье к анализу осцилляций Шубникова — де Г ааза в сложной системе формирования интегрального процесса затухания квантования Ландау позволило выделить компоненту, соответствующую межподзонному рассеянию электронов. Использован метод измерения времени релаксации меж-
А, и амплитуды основной гармоники А,
т+р
4,/ аг =к -Тт / ттр), (6)
т т+р ^ 4
где К определяется параметрами системы и физическими условиями [5] (частотами Fm, Fp , энергией Ферми EF , Тв , эффективным фактором спектроскопического расщепления gmp ). Ранее этот метод применялся для оценки внутри-
и междолинного рассеяния электронов в многодолинных системах [6].
В общем случае амплитуда пиков является функцией параметров, входящих в формулу (1). Спектральный анализ экспоненциально затухающих осцилляций вида е а / ‘ cosюt дает величину амплитуды пика А~ 1/ а . Амплитуда пиков частот Fm,p , согласно (1), определяется температурой Дингла
Ар,, ~ Тт,р}
Спектры Фурье содержат пики, соответствующие основным AF (AF )
т р
(рис. 2 а, Ь) в Ет(Ер) подзонах и комбинационным частотам Ар. (Ар. )
т+ р т—р
(рис. 2 с, С). Возникновение комбинационных пиков объяснено вероятностью внутри- и межподзонных переходов [7].
Оценки времени межподзонной релаксации электрона для структуры 1п-As/AlSb приведены в таблице. Проанализировав результаты, можно сделать вывод, что в полупроводниковой наноструктуре InAs/AlSb в режиме малоуглового
рассеяния соблюдается иерархия времен релаксации: т'т >тр>ттр.
Рис. 2. Фурье-спектр осцилляций поперечного магнитосопротивления
Соотношение компонентов времени релаксации в данной структуре обусловлено:
1. Наличием ^-слоя атомов Те, который находится в пределах длины экранирования, что создает одинаковые условия для рассеяния электронов первой и второй подзон размерного квантования на кулоновском потенциале. Неравен-
ство т’т > Тр обусловлено воздействием короткодействующего потенциала шероховатостей гетерограниц. Это возмущение «воспринимают» электроны второй подзоны, которые локализованы пространственно ближе к гетерограницам AlSb/InAs/AlSb.
2. Созданием физических условий для резонансного межподзонного е-е
~ -.тр^ _т, р
взаимодействия Тд<Тд .
Заключение
Исследования затухания квантования Ландау в сильнолегированных структурах AlSb/InAs/AlSb позволяют сделать вывод о том, что наблюдаемая в магнитном поле осциллирующая зависимость нормированной амплитуды осцилляций и участки с отрицательной температурой Дингла определяются в резонансных условиях сильным межподзонным взаимодействием.
Полученные соотношения времен релаксации и существенно большая контрастность резонансов на зависимости амплитуды от магнитного поля обусловлена следующими причинами:
1. В наноструктуре InAs/AlSb электроны Ет и Ер подзон двумерные и функции плотности состояний ВП1р(Е) имеют 3-образную форму (с уширением ЦТ+ГВ)).
2. В квантовой яме гетероструктуры InAs/AlSb распределение электронной плотности симметрично. Следовательно, возмущающий потенциал ионизованных примесей 3 -Те (а именно этот механизм формирует столкновительное ушире-ние) воспринимает вся 2D электронная т- и р-система.
3. Архитектура полупроводниковых слоев специфична, а именно 3-слой теллур находится от гетерограниц на расстоянии, сравнимом с длиной экранирования.
1. Aлешкин В.Я., Гавриленко В.И., Иконников A^., Садофьев Ю.Г., Bird J.P. Циклотронный резопапс в легированных и нелегированных гетероструктурах InAs/AlSb с квантовыми ямами // Физика и техника полупроводников. 2005. № 1. С 71-75.
2. Dingle R.B. Some magnetic properties of metal // Proceedings of the Royal Society of London. Ser. A. 1952. № 1107. С. 500-516.
3. Aлешкин В.Я., Гавриленко В.И., Иконников A^., Садофьев Ю.Г., Bird J.P. Циклотронный резопапс в легированных и нелегированных гетероструктурах InAs/AlSb с квантовыми ямами.
4. Кадушкин В.И. Особенности межэлектронного взаимодействия в потенциальной яме сильнолегированного гетероперехода AlxGa1-xAs(Si)/GaAs // Физика и техника полупроводников. 2005. № 2. С. 242-243.
5. Козлов ВА., Нариманов Е.Е., Сахаров K.A. Влияние междолинного рассеяния па спектральный состав осцилляций Шубникова — де Гааза // Физика твердого тела. 1994. № 2. С. 309312.
6. Там же.
7. Aфанасoва М.М., Степанов ВА. Сравнительный анализ параметров и свойств электронного газа в структурах InAs/AlSb и AlxGa1-xAs // Вестник Рязанской радиотехнической академии. 2007. № 22. С. 52-59.
1. Aлешкин, В.Я. Циклотронный резонанс в легированных и нелегированных гетероструктурах InAs/AlSb с квантовыми ямами [Текст] / В.Я. Aлешкин [и др.] // Физика и техника полупроводников. - 2005. - № і. - С. 71-75.
2. Aфанасoва, М.М. Сравнительный анализ параметров и свойств электронного газа в структурах InAs/AlSb и AlxGa1-xAs [Текст] / М.М. Aфанасoва, ВА. Степанов // Вестник Рязанской радиотехнической академии. - 2007. - № 22. - С. 52-59.
3. Кадушкин, В.И. Особенности межэлектронного взаимодействия в потенциальной яме сильнолегированного гетероперехода AlxGa1-xAs(Si)/GaAs [Текст] / В.И. Кадушкин // Физика и техника полупроводников. - 2005. - № 2. - С. 242-243.
4. Козлов, ВА. Влияние междолинного рассеяния на спектральный состав осцилляций Шубникова — де Гааза [Текст] / ВА. Козлов, Е.Е. Нариманов, KA. Сахаров // Физика твердого тела. - 1994. - № 2. - С. 309-312.
5. Dingle, R.B. Some magnetic properties of metal [Text] / R.B. Dingle // Proceedings of the Royal Society of London. Ser. A. - 1952. - № 1107. - С. 500-5іб.
