Резонансно-туннельный транспорт в сверхрешетках со слабой туннельной связью в сильных электрическом и магнитном полях

Размещено на http://www.allbest.ru/

8

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Резонансно-туннельный транспорт в сверхрешетках со слабой туннельной связью в сильных электрическом и магнитном полях

Теленков Максим Павлович

01.04.07 - физика конденсированного состояния

Москва - 2006

Работа выполнена в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН

(г. Москва)

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Ю.А. Митягин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

В.Я. Алешкин

кандидат физико-математических наук

П.И. Арсеев

Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники РАН,

г. Москва

Защита состоится “25” декабря 2006 г. в __ часов на заседании диссертационного совета К002.023.02 при физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (119991, г. Москва, Ленинский пр-т 53).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Физического института им. П.Н. Лебедева РАН.

Автореферат разослан “__” ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук В.А. Чуенков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проявляемый в последние годы значительный интерес к изучению поперечного транспорта в полупроводниковых сверхрешетках и структурах с квантовыми ямами обусловлен, прежде всего, использованием явления резонансного туннелирования в таких структурах для селективной накачки верхних подзон размерного квантования, достижения инверсной заселенности подзон и создания униполярных инжекционных ИК-лазеров на межподзонных оптических переходах [1], а также открытием новых эффектов, связанных с резонансно-туннельным характером протекания тока в таких структурах, например, токовой мультистабильности [2,3] и возникновения самоподдерживающихся высокочастотных осцилляций тока в поперечном постоянном электрическом поле [4-6].

В основе указанных явлений лежит резонансно-туннельный характер протекания тока. При этом принципиально важную роль в туннельном транспорте играют процессы рассеяния носителей, существенным образом определяя как величину туннельного тока, так и профиль туннельного резонанса. Поэтому при моделировании туннельного транспорта в сверхрешетках и структурах из квантовых ям учет процессов рассеяния носителей в процессах туннелирования чрезвычайно важен. При этом для количественного описания данного явления процессы рассеяния необходимо не привносить извне, как феноменологический параметр, а проводить их учет в процессе рассмотрения резонансного туннелирования на микроскопическом уровне.

Более того, для корректного описания процессов резонансного туннелирования в сильном электрическом поле, в частности туннелирования в высоколежащие подзоны, необходимо учитывать влияние электрического поля на процессы рассеяния, а также принимать во внимание наличие большого числа связанных электрическим полем подзон размерного квантования.

Значительный шаг в этом направлении был сделан в работах А.Вакера [7-9]. Им была построена микроскопическая модель, основанная на аппарате одноэлектронных функций Грина, позволившая без использования подгоночных параметров получить согласующиеся с экспериментом плотности туннельного тока. Однако диапазон применимости данной модели ограничен областью достаточно слабых электрических полей, для которых выполняется условие

eFa < E1

(F - напряженность электрического поля, а - ширина ямы, E1 - энергия основного состояния в яме). В этом случае влияние электрического поля на процессы рассеяния малосущественно, и им в [7-9] пренебрегалось. Кроме того, проведенные в [7-9] расчеты ограничивались рассмотрением туннельных переходов только между первой и второй подзонами.

В настоящей работе построена модель, на микроскопическом уровне учитывающая процессы рассеяния, и принимающая во внимание влияние на рассеяние сильного электрического поля, а также наличие в ямах большого числа связанных электрическим полем подзон размерного квантования. За счет этого существенно расширяется диапазон структур, для описания которых она может быть корректно применена. В частности, данная модель позволяет описать структуры с широкими квантовыми ямами [3,10-14] (т.е. малыми энергиями размерного квантования), в которых в яме имеется большое число низкорасположенных подзон размерного квантования, и уже для резонансов, отвечающих туннелированию в достаточно глубоко лежащие в яме подзоны, электрические поля существенно выходят за условия применимости модели [7-9].

Построение такой модели дает возможность ответить также и на ряд актуальных качественных вопросов. Во-первых, позволяет объяснить, почему ширины туннельного резонанса в структурах с широкими квантовыми ямами, полученные из экспериментов [3,10-12], в несколько раз превышают теоретические оценки с использованием времен релаксации, рассчитанных по правилу Ферми [13-15]. Во-вторых, позволяет получить зависимость характеристик туннельного резонанса (амплитуды, ширины и симметрии резонансного пика) от номера подзоны, в которую происходит туннельный переход, и указать относительную роль в такой зависимости различных механизмов рассеяния.

Изучение транспорта в структурах с широкими квантовыми ямами помимо фундаментальной, также имеет и практическую значимость, поскольку эти структуры имеют перспективу использования в качестве основы для создания нового типа полупроводниковых квантовых генераторов субмиллиметрового диапазона [12,13] и элементов многоуровневой логики [16].

Большой интерес с фундаментальной и прикладной точки зрения представляет задача о влиянии магнитного поля на туннельный транспорт в полупроводниковых сверхрешетках.

В ряде работ [17-26] было показано, что параллельное слоям магнитное поле приводит к существенным качественным изменениям в вольт-амперных характеристиках (ВАХ) сверхрешеток и структур с квантовыми ямами, в то время как при поперечной ориентации магнитного поля таких изменений не происходит. Это свидетельствует о том, что влияние магнитного поля на ВАХ сверхрешеток должно существенным образом меняться с ориентацией магнитного поля относительно плоскости слоев.

Поскольку магнитное поле является легко регулируемым внешним по отношению к структуре параметром, то указанное обстоятельство можно использовать при создании устройств с перестраиваемыми внешним образом вольт-амперными характеристиками, что вызывает определенный прикладной интерес.

К моменту начала данной работы не существовало теории, обеспечивавшей количественное описание поперечного транспорта в сверхрешетках в магнитном поле произвольной ориентации. Кроме того, имел место достаточно ограниченный объем и экспериментальных исследований влияния наклонного магнитного поля на поперечный транспорт в сверхрешетках и структурах из квантовых ям.

Поэтому задача построения такой теории и проведения с ее помощью численного эксперимента, позволяющего выявить главные механизмы влияния магнитного поля на резонансно-туннельный транспорт, была весьма актуальной.

Отдельный интерес представляет задача точного решения уравнения Шредингера для электрона в изолированной полупроводниковой квантовой яме в сильных произвольным образом ориентированном магнитном и поперечном электрическом полях. При этом особый интерес представляет случай, когда энергии размерного квантования и энергия Ландау близки по величине. Сложность данной задачи заключается в том, что переменные в уравнении Шредингера полностью не разделяются, задача является принципиально двумерной и аналитического решения не имеет.

Задача о спектре электрона в наклонном магнитном поле решалась численно в ряде работ [27-34], при этом использовались как теория возмущений и вариационный метод, так и различные численные подходы [32,35,36]. Тем не менее, в ситуации, когда энергии размерного квантования и энергия Ландау близки по величине, систематического исследования спектра во всем диапазоне ориентаций магнитного поля, как теоретического, так и экспериментального, не проводилось.

Вследствие этого задача о решении уравнения Шредингера в такой ситуации во всем диапазоне ориентаций магнитного поля сохраняла свою актуальность, даже и без внешнего электрического поля. Кроме того, в ряде приложений (например, в задаче о транспорте) помимо сильного магнитного поля, также важно учитывать влияние на спектр сильного поперечного электрического поля.

Целями настоящей работы являются:

1. построение микроскопической модели резонансно-туннельного транспорта в полупроводниковых сверхрешетках со слабой туннельной связью, позволяющей из первых принципов провести расчет туннельного тока для широкого класса структур, в том числе и для структур с щирокими квантовыми ямами, а также проведение численного эксперимента в таких структурах по изучению роли различных механизмов рассеяния при туннелировании в различные подзоны;

2. изучение поведения связанных состояний электрона в квантовой яме из немагнитных полупроводников в сильных наклонном к слоям структуры магнитном и поперечном электрическом полях во всем диапазоне ориентаций магнитного поля в ситуации, когда энергия Ландау и энергии размерного квантования близки по величине;

3. исследование влияния сильного магнитного поля произвольной ориентации на процессы резонансного туннелирования в сверхрешетках.

Научная новизна работы:

1. Построена модель резонансно-туннельного транспорта в слабосвязанных сверхрешетках и структурах из квантовых ям, принимающая во внимание влияние на процессы рассеяния сильного электрического поля, а также наличие в ямах большого числа связанных электрическим полем подзон размерного квантования, с помощью которой без использования подгоночных параметров рассчитаны количественно согласующиеся с экспериментом профили туннельного резонанса для переходов между различными подзонами размерного квантования. Для структур с широкими квантовыми ямами изучена роль различных механизмов рассеяния (на примесях, фононах и шероховатости гетерограниц) при туннелировании в различные подзоны.

2. Получена зависимость спектра связанных состояний электрона в квантовой яме из немагнитных полупроводников во всем диапазоне ориентаций магнитного поля в ситуации, когда энергии размерного квантования и энергия Ландау близки по величине. Изучено влияние на энергии и волновые функции наряду с магнитным, также и сильного электрического поля.

3. Теоретически изучен резонансно-туннельный транспорт, обусловленный туннельными переходами между уровнями Ландау различных подзон, в сверхрешетках со слабой туннельной связью из немагнитных полупроводников в сильном магнитном поле произвольной ориентации. Изучено поведение резонансно-туннельных характеристик сверхрешетки (профиля туннельного резонанса и ВАХ сверхрешетки в условиях формирования домена электрического поля) при изменении напряженности и ориентации магнитного поля.

Практическая ценность работы определяется полученной возможностью расчета параметров - энергетического спектра, резонансно-туннельных транспортных характеристик - широкого класса структур, используемых при разработке новых устройств в опто- и наноэлектронике.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. В структурах с широкими квантовыми ямами при уровнях легирования nimp>1010 см-2 внутриподзонные процессы рассеяния на примесях приводят к сильному уширению туннельного резонанса, существенно превышающему оценки с использованием рассчитанных по правилу Ферми времен рассеяния, и служат одной из главных причин обнаруженной сложной асимметричной формы туннельного резонанса.

2. Влияние на форму туннельного резонанса внутриподзонных процессов рассеяния на примесях в таких структурах существенно различно для туннельных переходов в различные подзоны, что проявляется в зависимости формы туннельного резонанса от его номера.

3. В рассматриваемых структурах учет порогов упругих процессов при определении экранированного потенциала примесей заметно сказывается на амплитуде и форме туннельного резонанса. Использование же приближения Томаса-Ферми, которое эти пороги не учитывает, существенно снижает точность результатов.

4. Влияние электрического поля на процессы рассеяния существенно сказывается на амплитуде и форме туннельного резонанса в достаточно сильных (падение напряжения на ширине ямы в несколько раз больше энергии основного состояния в яме) электрических полях.

5. Взаимосвязь размерного квантования и квантования Ландау в наклонном магнитном поле приводит к появлению сильных антипересечений уровней Ландау различных подзон и усложнению характера эволюции спектра с изменением ориентации магнитного поля.

6. При ориентации магнитного поля, близкой к параллельной слоям, взаимосвязь размерного квантования и квантования Ландау приводит к деформации уровней Ландау - неэквидистантности уровней Ландау в каждой из подзон и значительному уменьшению расстояния между уровнями (т.е. к существенному увеличению циклотронной массы).

7. Взаимодействие между размерным квантованием и квантованием Ландау в наклонном магнитном поле приводит к тому, что электрическое поле существенно влияет как на движение электрона вдоль оси роста, т.е. собственно в направлении электрического поля, так и на его движение в плоскости слоев, т.е. перпендикулярно направлению электрического поля.

8. Вклад индуцированных продольной компонентой магнитного поля туннельных переходов с Дn?0 (без сохранения номера уровня Ландау в подзоне) влечет за собой существенные уширение и сдвиг туннельного резонанса и приводит к значительным изменениям в ВАХ слабосвязанных сверхрешеток: сдвигу плато в сторону больших электрических полей и сглаживанию ОДП структуры на плато.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 7-ой Международной конференции по межподзонным переходам в квантовых ямах (Evolene, Швейцария, 2003), на 7-ой Российской конференции по физике полупроводников (Звенигород, 2005), на 12-ой Международной конференции по модулированным полупроводниковым структурам (Albuquerque, США, 2005), 17-ой Международной конференции по физике и практическому применению сильного магнитного поля в полупроводниках (Wьrzburg, Германия, 2006). Также основные результаты работы докладывались на семинарах отделения физики твердого тела Физического института им. П.Н. Лебедева РАН.

Достоверность результатов теоретических исследований, представленных в диссертации, обеспечена согласием результатов расчетов с экспериментом, а также получением в предельных случаях известных результатов.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 научных работ, из них 4 журнальных статьи. Перечень публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, трех оригинальных глав и заключения. Работа изложена на 147 страницах, включая 23 рисунка, 6 таблиц и список литературы (115 наименований).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

резонансный туннельный электрический магнитный

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, трех содержательных глав и заключения.

Во введении обоснована актуальность темы исследования, его цель и научная новизна. Приводится краткое содержание диссертации, а также сформулированы положения, выносимые на защиту.

В обзоре литературы дан обзор работ, посвященных транспорту в сверхрешетках и структурах из квантовых ям в электрическом и магнитном полях.

В первой главе проводится теоретическое исследование резонансно-туннельного транспорта в слабоствязанных сверхрешетках в поперечном слоям электрическом поле.

Построена микроскопическая модель резонансно-туннельного транспорта в полупроводниковых сверхрешетках со слабой туннельной связью, которая позволяет из первых принципов провести расчет зависимости туннельного тока от приложенного вдоль оси роста структуры электрического поля (профиль туннельного резонанса) для широкого класса структур, в том числе и для структур с широкими квантовыми ямами [3,10-14] (т.е. малыми энергиями размерного квантования). Модель принимает во внимание процессы рассеяния на примесях, фононах и шероховатости гетерограниц, зависимость процессов рассеяния от электрического поля и наличие в ямах большого числа связанных электрическим полем подзон размерного квантования.

Процессы рассеяния на примесях рассматриваются с учетом их экранировки. При расчете экранированного потенциала системы примесей в сверхрешетке решается трехмерная задача в приближении самосогласованного поля Хартри с учетом ее многоподзонного характера. При расчете экранированного примесного потенциала учитывается влияние сильного электрического поля. Последнее нельзя сделать при вычислении матричных элементов экранированного примесного потенциала с помощью преобразования матричных элементов при нулевом поле к новому зависящему от поля базису. Кроме того, мы не делаем никаких приближений типа обычно используемого приближения Томаса-Ферми. Последнее, как показал численный анализ, является важным, поскольку позволяет принять во внимание особенности в поляризационном операторе на порогах упругих процессов, за которыми довольно резко падает экранировка. Это вызывает усиление процессов рассеяния и приводит к усложнению картины. В отличие от большинства работ, где, как правило, рассматривается случая д- легирования, был рассмотрен случай равномерного легирования.

Процессы рассеяния на фононах рассматриваются в приближении правила Ферми на основании математического аппарата, развитого в [15].

Процессы рассеяния на шероховатости гетерограниц рассмотрены в статистическом подходе [7], в рамках которого были получены аналитические выражения для вкладов в собственно-энергетическую часть в борновском приближении различных каналов рассеяния с данным механизмом. Предложен феноменологический подход, позволяющий принимать во внимание наличие корреляции различных гетерограниц.

С помощью данной модели было проведено теоретическое исследование резонансно-туннельного транспорта в структурах с широкими квантовыми ямами [3,10-14] (высота барьера - несколько сотен мэВ, энергия основного состояния в отсутствие электрического поля меньше 10 мэВ). Получены зависимости плотности туннельного тока от приложенного к структуре электрического поля (профили туннельного резонанса), количественно согласующиеся с экспериментом [3,10-12], в том числе и в области сильных электрических полей, отвечающих туннелированию в высоколежащие подзоны. Изучена роль различных механизмов рассеяния при туннелировании в различные подзоны.

Показано, что при уровнях легирования nimp>1010 см-2 внутриподзонные процессы рассеяния на примесях приводят к сильному уширению всех туннельных резонансов, существенно превышающему оценки с использованием рассчитанных по правилу Ферми времен рассеяния и служат одной из главных причин обнаруженной сложной асимметричной формы туннельного резонанса.

Обнаружено, что при рассмотрении туннелирования в различные подзоны роль внутриподзонных процессов рассеяния на примесях существенно отличается, что довольно сильно проявляется в зависимости характеристик туннельного резонанса от его номера.

Показано, что учет порогов упругих процессов при расчете экранированного потенциала примесей существенно сказывается на амплитуде и форме туннельного резонанса.

Показано, что в электрических полях, когда падение напряжения на ширине квантовой ямы в несколько раз превышает энергию основного состояния в яме, электрическое поле существенно влияет на процессы рассеяния, что значительно сказывается на профиле туннельного резонанса.

Вторая и третья главы посвящены теоретическому исследованию резонансно-туннельных свойств сверхрешеток и структур из квантовых ям в сильных магнитных полях произвольной ориентации.

Во второй главе изложены результаты теоретического исследования энергий и волновых функций локализованных состояний электрона в квантовой яме из немагнитных полупроводников в сильных произвольным образом ориентированном по отношению к слоям структуры магнитном и поперечном электрическом полях. Предложена схема расчета энергий и волновых функций электрона в квантовой яме в сильных наклонном магнитном и поперечном электрическом полях. Схема расчета основана на непосредственной диагонализации матрицы гамильтониана с использованием в качестве исходного базиса связанных состояний электрона в квантовой яме при наличии только компоненты магнитного поля, перпендикулярной слоям. Предложенная схема расчета позволила вычислить энергии и волновые функции электронных состояний во всем диапазоне ориетаций магнитного поля, в том числе и в ситуации, когда энергии размерного и магнитного квантования близки по величине. Кроме того, предлагаемый подход дал возможность учесть влияние на состояния электрона в яме, наряду с магнитным, и сильного (падение напряжения на яме порядка энергий размерного квантования) поперечного электрического поля.

Получены зависимости энергетического спектра электрона во всем диапазоне ориентаций магнитного поля, в том числе и для ситуации, когда энергии размерного квантования и энергия Ландау близки по величине. Показано, что в этом случае сильная взаимосвязь между квантованием вдоль оси роста структуры и квантованием Ландау в плоскости слоев (описывающий эту взаимосвязь член в гамильтониане не является малым возмущением) приводит к сильному взаимодействию между уровнями Ландау различных подзон, что, в частности, проявляется в зависимости энергетического спектра от ориентации магнитного поля в виде сильных антипересечений уровней. В результате в данном случае спектр имеет гораздо более сложный характер по сравнению со спектром в случае, когда энергия размерного квантования существенно превышает энергию Ландау.

В ситуации, когда энергии размерного квантования и энергия Ландау близки по величине, обнаружено аномальное поведение уровней Ландау при ориентациях магнитного поля, близких к параллельной слоям. В этом случае, в отличие от ситуации, когда энергия размерного квантования существенно превышает энергию Ландау, система уровней отклоняется от линейного поведения, становится неэквидистантной, и, что самое главное, расстояние между уровнями в среднем уменьшается почти в два раза по сравнению с энергией Ландау компоненты магнитного поля, перпендикулярной слоям, что должно приводить к увеличению почти в два раза циклотронной массы.

Показано, что в поперечном электрическом поле на характер энергетического спектра (как на величину энергий уровней, так и на характер их пересечения) и волновых функций (как на зависимость от координаты вдоль оси роста структуры, так и на зависимость от координат в плоскости слоев) существенное влияние оказывает индуцированное электрическим полем взаимодействие между уровнями Ландау различных подзон.

В третьей главе изложены результаты теоретического исследования резонансно-туннельного транспорта в сверхрешетках GaAs/AlGaAs со слабой туннельной связью в наклонном по отношению к слоям структуры магнитном поле.

Построена модель последовательного резонасно-туннельного транспорта в сверхрешетках со слабой туннельной связью в магнитном поле произвольной ориентации, позволяющая провести расчет профиля туннельного резонанса с учетом сильного электрического поля, в том числе и для ситуации, когда энергии размерного квантования и энергия Ландау близки по величине.

С помощью данной модели изучено поведение туннельных характеристик при изменении напряженности и ориентации магнитного поля, в том числе и для структур с достаточно с широкими (порядка 10 нм) барьерами, глубокими (высота барьера - несколько сотен мэВ) ямами и малыми энергиями размерного квантования (в отсутствие электрического поля энергия основного состояния в яме меньше 10 мэВ).

Показано, что в таких структурах при достаточно больших углах (и>30?) наклона магнитного поля к оси роста структуры уже в относительно небольших магнитных полях (В=2-4 Т) туннельные переходы между уровнями Ландау с различными номерами в подзонах (переходы с Дn?0), которые запрещены при перпендикулярной слоям (и=0?) ориентации магнитного поля, дают определяющий вклад в форму туннельного резонанса, приводя к его сильному уширению и значительному сдвигу в сторону больших электрических полей.

Показано, что индуцированные магнитным полем изменения формы туннельного резонанса проявляются в ВАХ сверхрешетки, рассчитанной в условиях формирования статического домена электрического поля, в виде сильного сглаживания периодической ОДП структуры на плато и значительного сдвига плато в область больших приложенных напряжений.

Предсказанное поведение ВАХ при изменении ориентации и величины магнитного поля получило экспериментальное подтверждение.

В заключении кратко сформулированы основные результаты, полученные в работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1) Построена микроскопическая модель резонансно-туннельного транспорта в полупроводниковых сверхрешетках со слабой туннельной связью, которая позволяет из первых принципов провести расчет зависимости туннельного тока от приложенного вдоль оси роста структуры электрического поля (профиль туннельного резонанса) для широкого класса структур, в том числе и для структур с широкими квантовыми ямами (т.е. малыми энергиями размерного квантования). Модель принимает во внимание процессы рассеяния на примесях, фононах и шероховатости гетерограниц, зависимость процессов рассеяния от электрического поля и наличие в ямах большого числа связанных электрическим полем подзон размерного квантования.

С помощью данной модели были рассчитаны профили туннельного резонанса, включающие резонансы с большими номерами, для структур с широкими квантовыми ямам (высота барьера - несколько сотен мэВ, энергия основного состояния в отсутствие электрического поля меньше 10 мэВ). Было получено хорошее согласие результатов расчетов с экспериментом.

Показано, что при уровнях легирования nimp>1010 см-2 энергия электрона в квантовой яме, вычисленная в отсутствие процессов рассеяния, в реальной структуре является плохо определенной величиной и не сохраняется при рассеянии. Учет этого обстоятельства при рассмотрении процессов рассеяния на примесях приводит к тому, что реальная ширина туннельного резонанса между различными подзонами соседних ям существенно превышает ширину туннельного резонанса, полученную с учетом процессов рассеяния с помощью времен релаксации, рассчитанных по правилу Ферми. Также отклонение от правила Ферми при учете процессов рассеяния внутри ям приводит к сложной асимметричной форме туннельного резонанса.

Показано, что влияние на форму туннельного резонанса внутриподзонных процессов рассеяния на примесях существенно различно для туннельных переходов в различные подзоны, что проявляется в зависимости формы туннельного резонанса от его номера.

Показано, что учет порогов упругих процессов при расчете экранированного потенциала примесей существенно сказывается на амплитуде и форме туннельного резонанса.

Показано, что в электрических полях, когда падение напряжения на ширине квантовой ямы в несколько раз превышает энергию основного состояния в яме, электрическое поле существенно влияет на процессы рассеяния, что значительно сказывается на профиле туннельного резонанса.

2) Разработана схема расчета энергий и волновых функций локализованных состояний электрона в квантовой яме из немагнитных полупроводников в сильных наклонном по отношению к слоям структуры магнитном и поперечном электрическом полях. С ее помощью получен спектр локализованных состояний электрона в квантовой яме из немагнитных полупроводников во всем диапазоне ориентаций магнитного поля, в том числе и в ситуации, когда энергии размерного квантования и энергия Ландау близки по величине.

Изучена эволюция электронных состояний во всем диапазоне ориентаций магнитного поля, в том числе и в ситуации, когда энергии размерного квантования и энергия Ландау близки по величине.

Показано, что в такой ситуации квантование вдоль оси роста структуры и квантование Ландау в плоскости слоев являются сильно взаимосвязанными, что приводит к появлению сильного взаимодействия между уровнями Ландау различных подзон. В результате этого характер эволюции состояний электрона с изменением ориентации магнитного поля существенно усложняется.

Обнаружено аномальное поведение уровней Ландау при ориентациях магнитного поля, близких к параллельной слоям. В этом случае, в отличие от ситуации, когда энергия размерного квантования существенно превышает энергию Ландау, система уровней отклоняется от линейного поведения, становится неэквидистантной, и, что самое главное, расстояние между уровнями в среднем уменьшается почти в два раза по сравнению с энергией Ландау компоненты магнитного поля, перпендикулярной слоям, что должно приводить к увеличению почти в два раза циклотронной массы.

Показано, что наличие сильной взаимосвязи между квантованием вдоль оси роста структуры и квантованием Ландау в плоскости слоев приводит к сильному влиянию перпендикулярного слоям электрического поля не только на движение электрона вдоль направления электрического поля, но и на движение в плоскости слоев.

3) Изучен характер поведения туннельного резонанса в сверхрешетках со слабой туннельной связью из немагнитных полупроводников в сильном наклонном магнитном поле.

Построена модель резонансно-туннельного транспорта в таких системах, позволяющая провести расчет туннельного тока с учетом сильного электрического поля, в том числе и в ситуации, когда энергии размерного квантования и энергия Ландау близки по величине. С помощью данной модели изучено поведение туннельных характеристик при изменении напряженности и ориентации магнитного поля, в том числе и для сверхрешеток с достаточно с широкими (порядка 10 нм) барьерами, глубокими (высота барьера - несколько сотен мэВ) ямами и малыми энергиями размерного квантования (в отсутствие электрического поля энергия основного состояния в яме меньше 10 мэВ).

Показано, что в таких структурах при достаточно больших углах (и>30?) наклона магнитного поля к оси роста структуры уже в относительно небольших магнитных полях (В=2-4 Т) туннельные переходы между уровнями Ландау с различными номерами в подзонах, которые запрещены при перпендикулярной слоям (и=0?) ориентации магнитного поля, дают определяющий вклад в форму туннельного резонанса, приводя к его сильному уширению и значительному сдвигу в сторону больших электрических полей.

Показано, что индуцированные магнитным полем изменения формы туннельного резонанса проявляются в ВАХ сверхрешетки, рассчитанной в условиях формирования статического домена электрического поля, в виде сильного сглаживания периодической ОДП структуры на плато и значительного сдвига плато в область больших приложенных напряжений.

Предсказанное поведение ВАХ при изменении ориентации и величины магнитного поля получило экспериментальное подтверждение.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

Публикации в журналах:

1. М.П. Теленков, Ю.А. Митягин, “ Микроскопическая модель последовательного резонансно-туннельного транспорта в сверхрешетках со слабой туннельной связью”, ЖЭТФ, т. 126, вып. 3, стр. 712-726 (2004).

2. Yu.A.Mityagin, V.N.Murzin, M.P. Telenkov, “ Resonant tunneling in weakly coupled GaAs/AlGaAs superlattices in a transverse magnetic field: a probe of electronic distribution function”, Physica E 32, p. 297-300 (2006).

3. М.П. Теленков, Ю.А. Митягин, “ Спектр электрона в квантовой яме в сильных наклонном магнитном и поперечном электрическом полях”, ФТП, т. 40, вып. 5, стр.597-602 (2006).

4. М.П. Теленков, Ю.А. Митягин, “Резонансно-туннельный транспорт в сверхрешетках GaAs\AlGaAs в сильном наклонном магнитном поле”, ЖЭТФ, т. 130, вып. 3, стр. 491-499 (2006).

Доклады на научных конференциях:

1. M.P. Telenkov, Yu.A.Mityagin, “ Microscopic model of sequential resonant tunneling transport in weakly coupled superlattices with strong electric field induced intersubband binding”, 7-th Int. Conf. on Intersubband Transition in Quantum Wells (ITQW 2003), Evolene, Switzerland, 2003.

2. М.П. Теленков, Ю.А. Митягин, “ Спектр электрона в квантовой яме в сильных наклонном магнитном и поперечном электрическом полях ”, 7-я Российская конф. по физике полупроводников, Звенигород, 2005.

3. Yu.A.Mityagin, V.N.Murzin, M.P. Telenkov, “ Resonant tunneling in weakly coupled GaAs/AlGaAs Superlattices in a transverse magnetic field: a probe of electronic distribution function”, 12-th Int. Conf. on Modulated Semicond. Structures, Albuquerque, USA, 2005.

4. M.P. Telenkov, Yu.A.Mityagin, “Sequential resonant tunneling between Landau levels in GaAs\AlGaAs superlattices in strong tilted magnetic and electric fields.”, 17-th Int. Conf. On the Physics and Application of High Magnetic Field in Semiconductor Physics, Wьrzburg, Germany, 2006.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

[1]. J. Faist, F. Capasso, D. Sirtori, A.L. Hutchinson, S.N.G.Chu, and A.Y.Cho, Science 264, 553 (1994).

[2]. J. Kastrup, H.T. Grahn, K. Ploog, F. Prengel, A. Wacker, and E. E. Schцll, Appl. Phys. Lett. 65, 1808 (1994).

[3]. Ю.А. Митягин, В.Н. Мурзин, Письма в ЖЭТФ 64, 146 (1996).

[4]. A. Wacker, F. Prengel and E. Schцll, in Proc. 22nd Int. Conf. Phys. Semicond., ed. by D.J. Lockwood (World Scientific, Singapore, 1995, p. 1075).

[5]. H.T. Grahn, J. Kastrup, K. Ploog, L. Bonilla, J. Galбn, M. Kindelan, and M. Moscoso, Jpn. J. Appl. Phys. 34, 4526 (1995).

[6]. J. Kastrup, R. Klann, H. T. Grahn, K. Ploog, L. L. Bonilla, J. Galбn, M. Kindelan, M. Moscoso, and R. Merlin, Phys. Rev. B 52, 13761 (1995).

[7]. A. Wacker, in Theory of Transport Properties of Semiconductor Nanostructures, ed. by E. Schцll, Champman and Hall, London (1998), p.321

[8]. A. Wacker, A.-P. Jauho, S. Zeuner, and S.J. Allen, Phys. Rev. B 56, 132 (1997).

[9]. A. Wacker and A.-P. Jauho, Phys. Scripta 69, 321 (1997).

[10]. В.Н.Мурзин, Ю.А.Ефимов и Г.К.Расулова, Письма в ЖЭТФ 66, 818 (1997).

[11]. Yu.A. Mityagin, V.N.Murzin, Yu.A. Efimov, and G.K. Rasulova, Appl. Phys. Lett. 70, 3008 (1997).

[12]. В.Н. Мурзин, Ю.А. Митягин, УФН 169, 464 (1999)

[13]. В.А. Чуенков, В.Н. Мурзин, Ю.А. Митягин, Л. Ю. Щурова, Изв. РАН, сер. физ. 65 (2), 264 (2001).

[14]. V.N. Murzin, Yu.A. Mityagin, V.A. Chuenkov, A.L. Karuzskii, V.A. Perestronin, and L.Yu. Shchurova, Resonant tunneling and intersubband population inversion effects in asymmetric wide quantum-well structures , Physica E 7, 58 (2000).

[15]. R. Ferreira and G. Bastard, Phys. Rev. 40, 1074 (1989).

[16]. Yu.A. Mityagin, V.N. Murzin, Physica E 13, 961 (2002).

[17]. M.L. Leadbeater, E.S. Alves, L. Eaves, M. Henini, O.H. Hughes, A. Celeste, J.C. Portal, G. Hill and M.A. Pate, Phys. Rev. B 39, 3438 (1989).

[18]. J. Smoliner, E. Gornik, and G. Weimann, Phys. Rev. B 39, 12937 (1989).

[19]. W. Demmerle, J. S moliner, G. Berthold, E. Gornik, G. Weimann and W. Schlapp, Phys. Rev. B 44, 3090 (1991).

[20]. S. Ben Amor, K.P. Martin, J.L. Rascol, R.J. Higgins, A. Torabi, H.M. Harris and C.J. Summer, Appl. Phys. Lett 53, 2540 (1988).

[21]. M.L. Leadbeater, L. Eaves, P.E. Simmonds, G.A. Toombs, F.W. Sheard, P.A. Claxton, G. Hill, and M.A. Pate, Solid State Electron. 31, 707 (1998).

[22]. G. Rainer, J. Smoliner, E. Gornik, G. Bцhm, and G. Weimann, Phys. Rev. B 51, 17642 (1995).

[23]. W.M. Shu and X.L. Lei, Phys. Rev. B 50, 17378 (1994)

[24]. B. Sun, J. Wang, W. Ge, Y. Wang, D. Jiang. H. Zhu, H. Wang, Y. Deng and S. Feng, Phys. Rev. B 60, 8866 (1999).

[25]. Y. Shimada and K. Hirakawa, phys. status solidi (b) 204, 427 (1997).

[26]. T. Schmidt, A.G. Jansen, R.J. Hang, V. von Klitzing, Phys. Rev. Lett. 81, 3928 (1998).

[27]. F. Stern, Phys. Rev. B 5, 4891 (1972).

[28]. M. K. Bose, C. Majumdar, A.B. Maity, and A.N. Chakravarty, phys. stat. sol. 54, 437 (1982).

[29]. T. Chakraborty and B. Pietilдineu, Phys. Rev. B 39, 7971 (1989).

[30]. M.A. Brummel, M.A. Hopkins, R.J. Nicholast, J.C. Portal, K.Y. Cheng, and A.Y. Cho, J. Phys.C 19, L107 (1986).

[31]. T.M. Fromhold, P.B. Wilkinson, F.W. Sheard, L. Eaves, J. Miao, and G. Edwards, Phys. Rev. Lett. 75, 1142 (1995).

[32]. D. M. Mitrinoviж, V.Milanoviж, and Z. Ikoniж, Phys. Rev. B 54, 7666 (1996).

[33]. M. Bayer, A.A. Dremin, V.D. Kulakovskii, A. Forchel, F. Faller, P.A. Knipp, and T.L. Reinecke, Phys. Rev. B 52, 14 728 (1995).

[34]. T.M. Fromhold, P.B. Wilkinson, R.K. Hayden, L. Eaves , F.W. Sheard, N. Miura, and M. Henini, Phys. Rev. B 65, 155312-1 (1995).

[35]. I.P. Hamilton, and J.C. Light, J. Chem. Phys. 84, 306 (1986).

[36]. M. Bayer, A. Schmitd, A. Forchel, F. Faller, T.L. Reinecke, P.A. Knipp, A.A. Dremin, and V.D. Kulakovskii, Phys. Rev. Lett. 74, 3439 (1995).

Размещено на Allbest.ru

...