半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中二維電子氣與調(diào)制摻雜器件課件2

問題：二維電子氣的散射機(jī)構(gòu)有哪些?二維電子氣的郎道能級sdH振蕩量子霍爾效應(yīng)5.3.3二維電子氣的散射機(jī)構(gòu)5.4強(qiáng)磁場中的二維電子氣(2DEG)5.4.1磁場中二維電子氣的本征值5.4.2二維電子氣朗道能級5.4.3量子霍爾效應(yīng)5.5AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中二維電子氣的磁電阻振蕩5.3.3二維電子氣的散射機(jī)構(gòu)影響A1GaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中載流子遷移率的散射機(jī)制主要包括:電離雜質(zhì)散射，晶格振動散射.界面粗糙度散射，合金無序散射.V’V’電離雜質(zhì)散射示意圖vv電離施主散射電離受主散射(a)電離雜質(zhì)散射(b)晶格振動散射ABEcEv導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶Eg晶格振動擾亂了晶體勢場的周期性，產(chǎn)生了附加勢。附加場和電子的相互作用使電子由某一個本征態(tài)躍遷到另一個本征態(tài)而形成了散射。晶格振動散射就是電子和聲子的相互作用。如果構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的兩種材料的介電常數(shù)、態(tài)密度和晶格常數(shù)相近，聲子不受層狀結(jié)構(gòu)的影響，仍可看成是三維的。interfaceroughnessinterfaceimperfectionsandroughnessrepresentsdeviationfromtheperfectcrystalandcanthereforecreatescattering.Duetocrystalmatching,inGaAs=AlGaAsheterostructuresthistypeofscatteringisusuallyverysmall,unlikethecaseoftheSi?MOSFET.異質(zhì)結(jié)面幾何上的不平整也相當(dāng)于有一個起伏的勢場使界面二維電子氣發(fā)生散射。界面粗糙度可用兩個參數(shù)來表征：一個是界面上起伏的高度差Δ，另一個是沿界面方向起伏的平均周期Λ。(c)界面粗糙度散射(d)合金無序散射雖然理想情況下2DEG波函數(shù)在界面處消失了，但是由于半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)壘層并不是無限高，所以電子波函數(shù)可透入到AlxGa1-xAs勢壘層，由于Al和GaAs在三元合金中的無序分布，AlxGa1-xAs勢壘層的周期性勢場將受到干擾，它對電子的散射成為合金無序散射。面電子密度增加，電子波函數(shù)更靠近界面，滲透到AlxGa1-xN勢壘層中的部分也就增加，散射加強(qiáng)。同理，Al組分的減少將導(dǎo)致勢壘高度降低，也將引起散射增加。5.4強(qiáng)磁場中的二維電子氣(2DEG)BVI電場磁場二維電子氣在磁場中的有效質(zhì)量方程為：5.4.1磁場中二維電子氣的本征值在磁場中的二維電子氣系統(tǒng)，在垂直表面和平行表面的方向都是量子化的。Ay5.4.2二維電子氣朗道能級態(tài)密度當(dāng)改變磁場測量磁阻時，朗道能級態(tài)密度~BEF

不隨磁場變化朗道能級完全填滿的時候是震蕩極大值位置ni/(qB/hc)5.4.3量子霍爾效應(yīng)（一）經(jīng)典霍爾效應(yīng)TheHalleffectwasdiscoveredbyEdwinHallin1879whenhewasagraduatestudentintheJohnsHopkinsUniversityundertheadvisoryofProfessorHenryA.Rowland.1范德堡方法(vanderPauw)

樣品制備：semiconductor歐姆接觸歐姆接觸電極制作：測量電路ThevanderPauwconfigurationisshownforasamplewitharbitraryshape.TheconfigurationsareforResistivity(b)Hall-effectmeasurements.(5.41)(5.42)(5.43)2標(biāo)準(zhǔn)的霍爾橋樣品RxyRxxIxxB-fieldB-fieldRxy(5.48)(5.47)（5.49)（5.50）1978年KlausvonKlitzing和Th.Englert發(fā)現(xiàn)霍爾平臺,但直到1980年,才注意到霍爾平臺的量子化單位1985年,KlausvonKlitzing獲諾貝爾物理獎.（二）量子霍爾效應(yīng)觀測量子霍爾效應(yīng)示意圖(與經(jīng)典Hall效應(yīng)相同)：固定B，改變柵電壓以改變載流子數(shù)目，觀察霍爾電壓VH和柵電壓VL的變化*霍爾電壓呈現(xiàn)平臺的地方，縱向電壓VL為零縱向電阻為零！?幾種樣品都有同樣的結(jié)果（外型尺寸、載流子類型、能帶結(jié)構(gòu)，…），這是一個普適現(xiàn)象應(yīng)用:1.1990年起,國際電阻標(biāo)準(zhǔn)為:

精度2.精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)精度5.5二維電子氣低溫磁輸運(yùn)測量研究實(shí)驗(yàn)

3.磁電阻測量用范德堡和標(biāo)準(zhǔn)法進(jìn)行，測量溫度在1.4K到25K之間，磁場從0T到13T。1.用MOCVD方法制備了AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)。2.歐姆接觸：Au/Ni/Al/Ti，電子束蒸發(fā)，在高純N2氣氛下快速熱退火。二維電子氣的磁電阻振蕩（SdH）:

子帶占據(jù)情況：上式中的余弦項(xiàng)反映子帶底穿越費(fèi)米能級引起的周期變化是溫度相關(guān)項(xiàng)，其中，R0是零場電阻，有兩個子帶被2DEG占據(jù)：

cm-2

cm-2

電子有效質(zhì)量：式中，A=x／sinhx即每一子帶SdH振蕩在某一磁感應(yīng)強(qiáng)度B下的振幅，m是該子帶電子的有效質(zhì)量由此得到第一子帶電子的有效質(zhì)量m1*=0.052m。．對第二子帶做相同的處理，得m2*=0.049m。雙子帶占據(jù)的In0.52AlGa0.48As／In0.53Ga0.47As單量子阱中磁電阻的Shubnikov-deHaas(SdH)振蕩效應(yīng)APPLIEDPHYSICSLETTERS88:172115,2006Effectivemassm*(B=0)plottedasafunctionofthe2DEGdensityninAlxGa1-xN/GaNheterostructures.Thelineisalinearfit.Dependenceofmeasuredeffectivemassm*inthreeAlxGa1-xN/GaNheterostructuresonmagneticfieldB.

利用SdH振蕩曲線可以求得電子的量子散射時間tqAPPLIEDPHYSICSLETTERS84:1425-1426,2004明顯有兩種頻率的振蕩JOURNALOFAPPLIEDPHYSICS94:5420,20032DEG的MIS效應(yīng)25K：只有一種頻率的振蕩14K：振蕩有明顯的調(diào)制現(xiàn)象Rxx隨磁場B的振蕩的高頻部分1.5K：以一種頻率的振蕩為主，振幅有微弱的調(diào)制14K：振幅調(diào)制最為明顯25K：振幅調(diào)制消失1.5K和25K是兩種不同頻率的振蕩分析：高頻部分有兩個頻率接近的振蕩，兩者的振幅對溫度的依賴關(guān)系不同，14K時振幅相當(dāng)，調(diào)制最強(qiáng)。TTTMIS效應(yīng)引起的磁電阻振蕩的幅度隨溫度上升略有減小

2.SdH效應(yīng)引起的磁電阻振蕩的幅度隨溫度上升快速減小

MISEffectFermilevelStaircaseofLandaulevelsofthefirstsubbandStaircaseofLandaulevelsofthesecondsubbandSdHSdHMISPeriodicalignment零場自旋分裂APPLIEDPHYSICSLETTERS88:172112,2006Rxxofthe2DEGinanAl0.11Ga0.89N/GaNheterostructureasafunctionofBat2K

ThefastFouriertransformspectraoftheSdHoscillationsTwoSdHfrequencies114Tand109Tareobtained.

Weobtainthezero-fieldspinsplittingenergytobe2.5meV,andtheyarealmostconstantinthemeasuredtemperaturerange.2DEG塞曼分裂JOURNALOFAPPLIEDPHYSICS100:073704,2006Spinsplittingenergyofthe2DEGasafunctionofmagneticfield.Rxxofthe2DEGintwoAlxGa1-xN/GaNheterostructuresasafunctionofBMagnetophononOriginationofbeatingpatternsTwooscillationswithcloseamplitudesandfrequencies.Twooscillations:SdH+SdHSdH+MISSdH:initialphaseπMIS:initialphase0cosθ＋cosφ＝2cos[(θ＋φ)/2]·cos[(θ－φ)/2]cosθ－cosφ＝－2sin[(θ＋φ)/2]·sin[(θ－φ)/2]ν=1,2,3,…ν=1/2,3/2,5/2,…Thezero-f