Создан высокоподвижный двумерный электронный газ (ДЭГ) на цилиндричес- кой поверхности на основе GaAs; подвижность электронов в ДЭГ превышает 240 000 см²/В·с. Впервые продемонстрирован баллистический режим транспорта электронов в цилиндрическом ДЭГ; реализован двумерный баллистический волновод, равномерно изогнутый в направлении квантования.

Рис. Магнитосопротивление цилиндрического ДЭГ. Верхняя вставка показывает геометрию эксперимента, нижняя - магнитосопротивление rxx в увеличенном масштабе. Индексами указаны номера контактов, между которыми проводилось измерение магнитосопротивления.

Экспериментально показано, что при протекании тока в ДЭГ на цилиндрической поверхности в направлении градиента магнитного поля магнитосопротивление ρ_xx в диффузионном режиме обладает сильной асимметрией - отношение значений ρ_xx для противоположных направлений магнитного поля может превышать 1000 (см. Рис.). Этот эффект проявляется уже в классических магнитных полях и сохраняется в квантующих (до 14 Т); его причиной является экспоненциальная зависимость плотности тока от поперечной координаты в двумерной системе, помещенной в неоднородное магнитное поле.

Работа направлена на решение фундаментальной проблемы, связанной c поиском и возможностью практической реализации физических механизмов, позволяющих значительно повысить эффективность излучательной рекомбинации в непрямозонных полупроводниках, таких как кремний и германий. Цель работы заключалась в экспериментальной и теоретической проверке гипотезы о существовании локализованных электронных состояний в напряженных слоях Si в окрестности самоорганизующихся квантовых точек Ge. Ранее считалось, что в гетероструктурах Ge/Si(001) с квантовыми точками Ge существуют связанные состояния только для дырок и расположены они в нанокластерах Ge, тогда как электроны находятся в делокализованных состояниях зоны проводимости Si.
В модели поля валентных сил с использованием межатомного потенциала Китинга рассчитаны механические напряжения в многослойных гетероструктурах Ge/Si(001) с вертикально совмещенными нанокластерами Ge. Обнаружено, что неоднородное пространственное распределение упругих деформаций в такой среде приводит к появлению в напряженных слоях Si вблизи нанокластеров Ge трехмерной потенциальной ямы для электронов. Рассчитаны энергии связи электронов в этой яме и пространственное распределение плотности электронного заряда. Основное состояние имеет s-образную симметрию и характеризуется энергией связи электрона от 60 мэВ до 90 мэВ при изменении элементного состава Ge в нанокластерах от 70% до 100% (Рис. а).

Рис. (а) Энергия связи электронов для первых шести связанных состояний и различного состава Ge в нанокластерах. Число слоев квантовых точек Ge равно 4. (б) Температурные зависимости емкости (C) и проводимости (G) диодов Шоттки с четырьмя слоями нанокластеров Ge и одним слоем (показана только проводимость). Частота зондирующего напряжения 1 МГц, напряжение смещения 0 В. Размеры нанокластеров в плоскости роста 20 нм. Для многослойной структуры толщины Si прослоек между Ge составляют 3 нм, 5 нм и 3 нм, соответственно.

Экспериментально исследован отклик комплексной проводимости кремниевых диодов Шоттки со встроенными в базовую область слоями квантовых точек Ge на внешнее переменное электрическое поле. В многослойных структурах на зависимостях высокочастотной проводимости и емкости от температуры при различных частотах и напряжениях смещения обнаружены соответственно максимумы и ступени (Рис. б), обусловленные перезарядкой электронных уровней вследствие эмиссии электронов из связанных состояний в отщепленных деформацией - долинах Si вблизи нанокластеров Ge в делокализованные состояния зоны проводимости ненапряженного Si. Экспериментально определена энергия связи электронов в основном состоянии, равная 50 мэВ и 70 мэВ для состава Ge в нанокластерах 70% и 80%, соответственно. Близкие величины получены в результате моделирования распределения упругих напряжений и электронной структуры исследуемых образцов, выполненного в рамках атомистического подхода Китинга и приближения эффективной массы. В структурах с одним слоем квантовых точек связанных электронных состояний не наблюдалось. Показано, что причиной возникновения локализованных электронных состояний в напряженных многослойных гетероструктурах Ge/Si является расщепление долин в зоне проводимости напряженного Si, вызванное упругими деформациями в среде.

Экспериментально исследовано поведение Бозе-изолятора (состояния с локализованными куперовскими парами) в сильном магнитном поле в очень тонких плёнках нитрида титана. Обнаружено, что магнитополевые зависимости сопротивления плёнок, находящихся вблизи перехода сверхпроводник - изолятор в нулевом магнитном поле, проявляют следующие особенности: (1) наблюдается огромный пик сопротивления в некотором магнитном поле B_m (рис. (а)), обусловленный наличием локализованных куперовских пар; (2) при дальнейшем увеличении магнитного поля, сопротивление уменьшается в несколько раз и насыщается на величине, близкой к кванту сопротивления (h/e²). Анализ поведения в сильном магнитном поле (B > B_m), показывает, что при подборе единственного параметра (R_sat(T_i)) для каждой изотермы R(B,Ti) зависимости ln(1/R_sat(T_i) 1/R(B,T_i)) оказываются линейными по магнитному полю (см. рис. (б)), причём с независящим от температуры наклоном. Значение R_sat, определённое экстраполяцией при T = 0, с высокой точностью оказывается равным кванту сопротивления (h/e²). Мы провели аналогичный анализ магнитополевых зависимостей сопротивления плёнки InO из работы [V.F. Gantmakher и др., Письма в ЖЭТФ 71, 693 (2000)] и получили такой же результат: R_sat(T = 0) = h/e². Таким образом, обнаружено новое состояние с сопротивлением h/e², реализующееся в сильном магнитном поле на диэлектрической стороне квантового фазового перехода сверхпроводник-изолятор.

Рис. (а) Магнитополевые зависимости сопротивления плёнки TiN при различных температурах. (б) Те же данные, что и на рис. (а). При подборе значений сопротивления насыщения R_sat зависимости ln(1/R_sat - 1/R_sq) являются линейными по магнитному полю с независящим от температуры наклоном.

Впервые на основе полупроводниковой мембраны, отделенной от подложки (Рис. 1a), изготовлен транзистор с эффектом кулоновской блокады - квантовая точка, соединенная двумя туннельными барьерами с областями истока s и стока d, рядом с которой расположены два боковых затвора g₁ и g₂ (Рис. 1б). Полупроводниковая мембрана изготовлена методом селективного травления жертвенного AlAs слоя, отделяющего GaAs подложку от AlGaAs/GaAs гетероструктуры, содержащей двумерный электронный газ (Рис. 1в).

Рис. 1. Изображения подвешенной мембраны (a) и транзистора (б), полученные с помощью электронного микроскопа. в) - схема используемой гетероструктуры.
Рис. 2. Зависимость кондактанса G от тянущего V_sd и затворного V_g1 напряжений.

Зависимость кондактанса транзистора от тянущего (исток-сток) и затворного напряжения (Рис. 2) имеет ромбовидную структуру, характерную для эффекта кулоновской блокады. Вертикальный размер ромба ΔV_sd = E_c/e, где E_c - зарядовая энергия квантовой точки. Отрыв образца от подложки, обладающей высокой диэлектрической проницаемостью, привел к резкому снижению полной емкости C квантовой точки и как следствие к увеличению зарядовой энергии E_c = e²/C и критической температуры работы транзистора T_c = E_c/k = 40 K. Подобные устройства перспективны с точки зрения создания одноэлектронных приборов, работающих при высоких температурах. В изготовленном транзисторе обнаружена термоэдс фононного увлечения, которая имеет аномальную знакопеременную зависимость от затворного напряжения и интенсивности потока фононов. Для объяснения этих закономерностей предложены возможные физические механизмы: акустогальванический эффект, баллистическое переотражение, приводящие к наблюдаемым аномалиям термоэдс.
Описанная технология изготовления подвешенных наноструктур может быть расширена и на другие материалы, такие, например, как кремний-на-изоляторе.