Письма в ЖЭТФ, том 101, вып. 10, с. 781-786
© 2015 г. 25 мая
Интерференция соизмеримых и индуцированных микроволновым излучением осцилляций магнетосопротивления двумерного электронного газа в одномерной латеральной сверхрешетке
Памяти В. Ф. Гантмахера посвящается
А.А.Быков*х1\ И. С. Стрыгин*, Е. Е. Родякина*х, В.Майер+2\ С. А. Виткалов+ 2) * Институт физики полупроводников им. Ржанова СО РАН, 630090 Новосибирск, Россия
х Новосибирский государственный университет, 630090 Новосибирск, Россия + Physics Department, City College of the City University of New York, 10031 New York, USA Поступила в редакцию 16 апреля 2015 г.
Изучено влияние микроволнового излучения на низкотемпературный магнетотранспорт двумерных электронов в одномерной латеральной сверхрешетке, изготовленной на основе селективно-легированной гетероструктуры GaAs/AlAs. Обнаружено, что под действием микроволнового излучения сопротивление двумерного электронного газа в исследуемой сверхрешетке изменяется в минимумах соизмеримых осцилляций более существенно, чем в максимумах. Полученные экспериментальные данные демонстрируют "интерференцию" классических соизмеримых осцилляций магнетосопротивления и квантовых осцилляций, индуцированных микроволновым излучением.
DOI: 10.7868/S0370274X15100100
В последние годы исследования электронного транспорта в высококачественных полупроводниковых структурах привели к открытию ряда новых видов магнитных осцилляций проводимости, возникающих в двумерных (2Б) системах при больших факторах заполнения [1]. К ним относятся магнетофо-нонные осцилляции [2, 3], осцилляции, индуцированные микроволновым излучением [4, 5], и осцилляции, индуцированные постоянным электрическим полем [6-8]. Вскоре после обнаружения этих осцилляций было установлено, что они интерферируют друг с другом [9, 10]. Аналогичная интерференция была обнаружена и между различными типами квантовых осцилляций в двухподзонных электронных системах [11-15].
Причина интерференции квантовых осцилляций проводимости заключается в совместном действии различных механизмов электронных переходов между уровнями Ландау [16-18]. С теоретической точки зрения также возможна интерференция между классическими и квантовыми магнитными осцилляциями [19-22]. Однако до сих пор такой тип интерференции экспериментально не обнаружен [23]. Целью настоящей работы является экспериментальное обнаруже-
e-mail: bykov@isp.nsc.ru
2) W.Mayer, S.A.Vitkalov
ние интерференции между классическими соизмеримыми и индуцированными микроволновым излучением квантовыми осцилляциями магнетосопротивления 2Б-электронного газа в одномерной латеральной сверхрешетке.
В работе изучалось микроволновое фотосопротивление 2Б-электронного газа в одномерной латеральной сверхрешетке, изготовленной на основе гетероструктуры СаАв/АЬ^з. Исходная селективно-легированная гетероструктура представляла собой квантовую яму СаАэ с боковыми сверхрешеточными барьерами А^в/СаАв [24, 25]. Ширина квантовой ямы составляла 13 нм. Гетероструктура выращивалась методом молекулярно-лучевой эпитак-сии на (100) СаАэ подложке. Исследования проводились при температуре Т = 4.2 К в магнитных полях В < 1 Тл на мостиках шириной ТУ = 50 мкм и длиной Ь = 100 мкм. Холловские мостики изготавливались с использованием оптической фотолитографии и жидкостного травления. На вставке к рис. 1а приведена упрощенная геометрия образца, на один сегмент которого наносилась латеральная сверхрешетка. Концентрация 2В-электронов после кратковременной подсветки красным светодиодом, измеренная на сегменте без латеральной сверхрешетки, составляла пе к, 8.2 • 1015м~2, а их подвижность /л к, 200 м2/В • с.
Рис.1, (а) - Зависимости рхх(В), измеренные на мостике без решетки (тонкая линия) и на мостике с решеткой (толстая линия). Стрелкой указано положение основного соизмеримого максимума. На вставке - упрощенная геометрия образца, на один сегмент которого нанесена латеральная сверхрешетка. (Ь) - Зависимость Рхх(В), измеренная на мостике с решеткой в области В < 0.1 Тл. Стрелкой указано значение критического магнитного поля ВС1^.. Температура Г = 4.2 К
Одномерная латеральная сверхрешетка изготавливалась при помощи литографии остросфокуси-рованным электронным пучком и метода "взрыва" двухслойной металлической пленки Аи/Ть Толщина слоя золота составляла 40 нм, а слоя титана -5нм. Решетка представляла собой набор металлических полосок длиной 60 мкм и шириной 180 нм. Период сверхрешетки о = 400 нм. Концентрация 2Б-электронов после кратковременной подсветки красным светодиодом, измеренная на сегменте образца с латеральной сверхрешеткой, составляла пе « « 8.1 • 1015м~2, а их подвижность р к, 180м2/Вс. Длина свободного пробега электронов в сверхрешетке 1р « 27 мкм. В исследуемой решетке период о был много меньше 1Р, но много больше фермиев-ской длины волны электронов Ар. Сопротивление 2Б-электронного газа измерялось на переменном токе /ос < 10~6 А. Микроволновое излучение на часто-
те ui/2ti = 1.5 ГГц подавалось на образец при помощи коаксиального кабеля, а на частотах 75 и 142 ГГц -при помощи круглого волновода с внутренним диаметром 6 мм.
На рис. 1а представлены зависимости рхх(В), измеренные на различных частях образца после кратковременной подсветки. Сопротивление мостика без сверхрешетки в магнитных полях до 0.2 Тл слабо зависит от В, что указывает на классический характер электронного транспорта в этой области полей. В поле В > 0.2 Тл в зависимости рхх(В) наблюдается положительное магнетосопротивление, которое в исследуемых структурах является квантовым [26, 27]. Хорошо видно, что в изучаемой гетероструктуре осцилляции Шубникова-де Гааза возникают при температуре Т = 4.2 К в полях В > 0.4 Тл. Для 2D-электронного газа в латеральной решетке наряду с осцилляциями Шубникова-де Гааза наблюдается еще одна серия осцилляций. Эти дополнительные осцилляции начинают проявляться в полях В > > 0.05 Тл. Подобное поведение рхх(В) впервые наблюдалось в работе [28]. Оно было объяснено резонансом между орбитальным движением электронов в магнитном поле В и осциллирующим дрейфом, индуцированным статическим электрическим полем сверхрешетки [29].
Анализ показал, что возникающие в решетке дополнительные осцилляции, как и осцилляции Шубникова-де Гааза, периодичны по 1 /В. Положение максимумов этих осцилляций согласуется с соотношением [29] 2Rc/a = i + 1/4, где Rc -циклотронный радиус, a i — целое положительное число. Такое согласие позволяет заключить, что в исследуемой решетке наблюдаются классические соизмеримые осцилляции магнетосопротивления. Для изготовления сверхрешеток использовалась структура, у которой пе после кратковременной подсветки красным светодиодом при Т = 4.2 К увеличивалась с 7.9 • 1015 до 8.2 • 1015 м~2. Металлические полоски частично отражают свет. Поэтому под ними пе после подсветки изменяется меньше, чем в открытых областях образца. Мы полагаем, что такая латеральная модуляция подсветки гетероструктуры и является основной причиной возникновения периодического потенциала в наших образцах. Положение максимума в зависимости Рхх(В) (рис. lb), возникающего при В = Всгц, позволяет определить амплитуду периодического потенциала [30]: Vq = avpBcт-л/2и, где г/р - скорость Ферми. В исследуемой системе Vq ~ 0.44 мВ.
На рис. 2а приведены зависимости рхх(В) и р"х{В) для 2Б-электронного газа в исходной ге-
Рис.2. Зависимости рхх(В) и рхх(В), измеренные при Г = 4.2 К для 2Б-электронного газа в исходной гете-роструктуре без облучения (тонкая линия) и с облучением (толстая линия), (а) - со/'2тт = 1.5ГГц. Стрелкой указано положение максимума, обусловленного резонансным рассеянием на объемных акустических фоно-нах. (Ь) - со/'2тт = 142 ГГц. Стрелками указаны значения магнитных полей, соответствующие условиям шс = ш и шс = 2ш.
тероструктуре без облучения и с облучением на частоте ш/2и = 1.5ГГц. Кривая рхх(В) в области В < 0.15 Тл идет выше зависимости рхх(В), а затем пересекает ее. Слабо выраженный максимум, отмеченный на кривой рхх{В) стрелкой, обусловлен резонансным рассеянием 2В-электронов на объемных акустических фононах [31-33]. Фотосопротивление Архх(В) = рхх(В) — рхх(В) на частоте 1.5 ГГц в магнитных полях В < 0.15 Тл имеет положительный знак, а в больших полях становится отрицательным. Уменьшение рхх под действием излучения в полях В > 0.15 Тл обусловлено, по нашему мнению, спектральной диффузией электронов, возникающей в 2В-системе в скрещенных электрическом и магнитном полях [34, 35]. К настоящему времени установлено, что влияние микроволнового излучения на транспорт 2Б- электронов при больших факторах заполнения не может быть объяснено простым разогревом. Оказалось, что в
этом случае неравновесная функция распределения электронов по энергиям /(е) имеет осциллирующую компоненту [34], период которой равен где шс — циклотронная частота.
Микроволновое излучение малой мощности на частоте 1.5 ГГц в полях В > 0.15 Тл, как и слабое постоянное электрическое поле [7, 35], может приводить лишь к электронным переходам внутри одного уровня Ландау [36]. Спектральная диффузия таких неравновесных электронов ведет к тому, что /(е) в энергетических интервалах с повышенной плотностью состояний становится более пологой [37]. Указанная трансформация /(е) и приводит к наблюдаемому в эксперименте отрицательному фотосопротивлению [34], так как в сильных магнитных полях Р%х ~ р1у°%х, гДе = I ¿£сгхх(г)[-дЦг)/дг} - проводимость в присутствии излучения, <тжж(е) — вклад электронов с энергией е в диссипативный транспорт, а рху - холловское сопротивление. Зависимость рхх{В) для более высокой частоты излучения, со/2п = 142 ГГц (рис. 2Ь), показывает, что фотопроводимость становится знакопеременной в области В, где шс < 2ш. Такое поведение также можно объяснить ролью неравновесной функции распределения в электронном транспорте [38], так как производная д/(е)/д£ в области ш > шс/2 становится знакопеременной.
На рис. За приведены зависимости рхх(В) и рхх(В) для 2Б-электронного газа в сверхрешетке. Видно, что рхх образца при облучении с частотой и}/2т! = 1.5 ГГц изменяется в минимумах соизмеримых осци
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.