Письма в ЖЭТФ, том 86, вып. 9, с. 695-698
© 2007 г. 10 ноября
Абсолютное отрицательное сопротивление в неравновесной двумерной электронной системе в сильном магнитном поле
А. А. Быков1}, Д. Р. Исламов, Д. В. Номоконов, А. К. Вакаров Институт физики полупроводников Сибирского отд. РАН, 630090 Новосибирск, Россия Поступила в редакцию 4 октября 2007 г.
Исследовано влияние электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн на сопротивление двумерного электронного газа в GaAs/AlAs гетероструктурах в сильном магнитном поле. Показано, что в изучаемой двумерной электронной системе в неравновесных условиях, создаваемых микроволновым излучением, возникают гигантские магнетополевые осцилляции сопротивления. Установлено, что при малых плотностях измерительного тока увеличение микроволновой мощности приводит к абсолютному отрицательному сопротивлению в основном минимуме этих осцилляций, расположенном вблизи циклотронного резонанса. Полученные в работе экспериментальные данные качественно согласуются с теорией многофотонного фотостимулированного примесного рассеяния [J.Inarrea and G.Platero, Appl. Phys. Lett. 89, 052109 (2006)].
РАСБ: 73.23.^Ь, 73.40.Gk
Наиболее ярким явлением, обусловленным особенностями поведения неравновесных электронов в магнитном поле, является абсолютная отрицательная проводимость. Отрицательный знак проводимости (или сопротивления) в этом случае означает, что ток в неравновесной электронной системе течет в направлении, противоположном электрическому полю. На такую возможность в трехмерной электронной системе указал Елесин в 1968 г. в работе [1]. Он теоретически показал, что поперечный ток в полупроводнике, помещенном в квантующее магнитное поле, становится отрицательным, если энергетическое распределение носителей заряда является неравновесным. Отрицательный вклад в проводимость в сильном магнитном поле, обусловленный искажением функции распределения фотоэлектронов, был впоследствии обнаружен экспериментально в р-ЪгБЬ [2] и р-ве [3]. Однако полной абсолютной отрицательной проводимости достичь не удалось из-за доминирующего вклада равновесных дырок и недостаточной интенсивности монохроматической межзонной подсветки.
Эффект абсолютной отрицательной проводимости в неравновесной двумерной (2Б) электронной системе, помещенной в магнитное поле, был предсказан в работе [4]. В этой работе Рыжий теоретически показал, что в неравновесных условиях, создаваемых электромагнитным излучением, диссипатив-ная проводимость 2Б электронной системы на постоянном токе является осциллирующей знакоперемен-
^ e-mail: bykovethermo.isp.nsc.ru
ной функцией отношения частоты излучения к циклотронной частоте. Осциллирующий в зависимости от магнитного поля фотоотклик, возникающий под действием электромагнитного излучения в 2Б электронной системе, был сравнительно недавно обнаружен в магнетосопротивлении СаАз/АЮаАв гетеропереходов с высокой электронной подвижностью при облучении их микроволновым полем [5]. Дальнейшие исследования этого явления на более совершенных СаАз/АЮаАв гетеропереходах показали, что сопротивление и проводимость в минимумах магнетопо-левых осцилляций, индуцированных микроволновым излучением, при понижении температуры стремятся к нулю [6-9], а не становятся отрицательными, как это предсказывает теория [4].
В настоящее время теоретические модели, объясняющие природу открытых магнетополевых осцилляций и состояний с нулевым сопротивлением и нулевой проводимостью, включают в себя индуцированное микроволновым полем рассеяние на примесях и фононах [10-13], учет неравновесности стационарной функции распределения электронов по энергии [8, 14] и плазменные эффекты [15, 16]. Для объяснения полученных к настоящему времени экспериментальных данных предложены и другие модели [6,1719]. Тем не менее, несмотря на обилие теоретических работ, механизмы возникновения магнетополевых состояний с нулевым сопротивлением и нулевой проводимостью в неравновесных электронных системах остаются до настоящего времени дискуссионными. Одна из точек зрения на их природу заключается в том, что состояния с нулевым сопротивлени-
ем, возникающие под действием микроволнового излучения в СаАз/АЮаАв гетеропереходах, являются пространственно неоднородными и обусловлены локальным отрицательным сопротивлением. Эта точка зрения базируется на том факте, что однородное состояние неравновесной электронной системы с абсолютной отрицательной проводимостью является неустойчивым [20-22]. Такая неустойчивость приводит к образованию доменов электрического поля и стратификации линий тока, что проявляется в экспериментах в виде состояний с нулевым сопротивлением [6-8,23] или нулевой проводимостью [9].
Однако в некоторых магнетотранспортных экспериментах на СаАз/АЮаАв гетеропереходах, в минимумах магнетополевых осцилляций, индуцированных микроволновым полем, наблюдается абсолютное отрицательное сопротивление [24, 25]. Причины возникновения такого аномального фотоотклика в 2Б электронной системе под действием микроволнового излучения пока не установлены. Остаются не до конца установленными и экспериментальные условия, при которых возникает абсолютное отрицательное сопротивление в неравновесных электронных системах на основе полупроводниковых гетероструктур в скрещенных электрическом и магнитном полях. В настоящей работе мы сообщаем об экспериментальном наблюдении абсолютного отрицательного сопротивления в основном минимуме магнетополевых осцилляций, индуцированных микроволновым излучением в СаАз/А1Аз гетероструктурах. Мы показываем, что аномальный фотоотклик возникает в исследуемой 2Б электронной системе при температуре жидкого гелия под действием излучения в миллиметровом диапазоне длин волн при плотностях измерительного тока менее 0.1мА/см.
Исследуемые в работе гетероструктуры с модулированным легированием представляли собой ваАв квантовые ямы с А1Аз/СаАз сверхрешеточными барьерами. Ширина ваАв квантовой ямы составляла 13 нм. Структуры выращивались методом молекулярно-лучевой эпитаксии на ваАв подложках. Концентрация и подвижность 2Б электронов в наших образцах при температуре Т = 4.2 К составляли пе = 7.4- 1011 см-2, ц = 1.7 ■ 106 см2/Вс, соответственно. Измерения проводились при температуре 4.2 К в магнитных полях В до 0.6 Тл на холловских мостиках, имеющих ширину 50мкм и расстояние между потенциометрическими выводами 250мкм. Микроволновое излучение подавалось на образец по круглому волноводу с внутренним диаметром 6 мм. Максимальная выходная мощность излучения используемого генератора составляла
-Pout = 4 мВт. Сопротивление измерялось на переменном токе /ас частотой F = (0.3-1) кГц, который имел величину /ас = (0.1-10) мкА. При изучении влияния микроволнового поля на сопротивление 2D электронного газа использовался режим непрерывной генерации излучения, а при регистрации фото-ЭДС - режим амплитудной модуляции. При этом сигнал ЭДС измерялся на частоте амплитудной модуляции микроволновой мощности, которая составляла F = (0.3-1) кГц.
На рис.1 представлены зависимости сопротивления RXX(B) при температуре 4.2К для измерительно
80
а
о
^о
-0.50 -0.25 0 0.25 0.50 В (Т)
Рис.1. Зависимости ИХХ(В) 21) электронного газа в СаАз/А1Аз гетероструктуре, измеренные на холлов-ском мостике длиной 250 мкм и шириной 50 мкм при различных величинах микроволновой мощности на выходе из генератора. Стрелками указано положение циклотронного резонанса
ного тока 0.1 мкА при микроволновом облучении хол-ловского мостика и в отсутствие микроволнового облучения. Хорошо видно, что микроволновое излучение приводит к возникновению гигантских осцилляций магнетосопротивления. При этом для максимального уровня микроволновой мощности в основном минимуме магнетополевых осцилляций, расположенном вблизи циклотронного резонанса, наблюдается отрицательное сопротивление. Причем необходимо отметить, что зависимость ЯХХ(В) в областях с отрицательными значениями сопротивления не является симметричной по знаку магнитного поля. Зависимости ЯХХ(В) при неизменных условиях эксперимента воспроизводились, по меньшей мере, в течение нескольких часов и не зависели от направления развертки магнитного поля. Качественно похожее поведение наблюдалось для двух серий холловских мос-
F= 131.70 GHz д
-Pout = 4mW \
Pout- 2mW Л
............ Г [ ................. Pout"» IA A A 4
- r....................1
Iac = 0.1 цА
1 1 T= 4.2 К , i ,
Абсолютное отрицательное сопротивление в неравновесной
697
тиков, изготовленных из двух различных СаЛв/ЛЬА^ гетероструктур.
К настоящему дню, насколько нам известно, индуцированное микроволновым полем отрицательное сопротивление (точнее, отрицательное напряжение на потенциометрических выводах, измеренное на частоте переменного измерительного тока) наблюдалось только в высококачественных СаАз/АЮаАв ге-тероструктурах с электронной подвижностью более 107см2/Вс [24,25]. В работе [24] такое аномальное поведение сигнала в основном минимуме магнетопо-левых осцилляций сопротивления, индуцированных микроволновым излучением, было объяснено токовой нестабильностью, обусловленной локальным отрицательным сопротивлением. Было также установлено, что зависимости ЯХХ(В), снятые в присутствии микроволнового поля с различных пар потенциометрических выводов существенно отличаются друг от друга, а на омических контактах к 2Б электронному газу возникает ЭДС. При этом вопрос о роли этой ЭДС в формировании состояний с отрицательным сопротивлением в 2Б электронной системе, помещенной в скрещенные магнитное и электрическое поля, остался открытым.
Рис.2а демонстрирует, что, в отличие от результатов работы [24], зависимости , измеренные в наших структурах с двух различных пар потенциометрических выводов, практически неотличимы. На рис.2Ь представлены зависимости микроволновой ЭДС от магнитного поля, снятые с тех же потенциометрических выводов на частоте амплитудной модуляции микроволновой мощности. Хорошо видно, что зависимости ЭДС, измеренные с различных пар потенциометрических выводов, существенно отличаются друг от друга. Отличие есть и в областях магнитных полей
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.