简介概要

AlxGa1-xN/GaN异质结构中二维电子气的磁致子带间散射效应

来源期刊：稀有金属2004年第3期

论文作者：仇志军陈敦军沈波桂永胜唐宁郑有炓

关键词：AlxGa1-xN/GaN异质结构; 二维电子气; 磁致子带间散射;

摘要：通过在低温和强磁场下的磁输运测量研究了非故意掺杂Al0.22Ga0.78N/GaN异质结二维电子气(2DEG)的磁电阻振荡现象.观察到了磁致子带间散射(MIS)效应.在极低温下观察到了表征两个子带被2DEG占据的双周期舒勃尼科夫-德哈斯(SdH)振荡.实验观察到MIS效应引起的磁电阻振荡的幅度随温度上升略有减小,振荡的频率为两个子带SdH振荡频率之差.随着温度的升高,MIS振荡成为主要的振荡.由于SdH振荡和MIS振荡对温度的依赖关系不同,实验观察到SdH和MIS振荡之间的调制在温度10和17 K之间最为强烈,其它温度下的调制很弱.

稀有金属 2004,(03),480-483 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.03.008

Al_xGa_1-xN/GaN异质结构中二维电子气的磁致子带间散射效应

沈波陈敦军桂永胜仇志军郑有炓

南京大学物理系光电信息功能材料江苏省重点实验室,南京大学物理系光电信息功能材料江苏省重点实验室,南京大学物理系光电信息功能材料江苏省重点实验室,中科院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室,中科院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室,南京大学物理系光电信息功能材料江苏省重点实验室江苏南京210093 ,江苏南京210093 ,江苏南京210093 ,上海200083 ,上海200083 ,江苏南京210093

摘要：

通过在低温和强磁场下的磁输运测量研究了非故意掺杂Al0 .2 2 Ga0 .78N/GaN异质结二维电子气 ( 2DEG) 的磁电阻振荡现象。观察到了磁致子带间散射 (MIS) 效应。在极低温下观察到了表征两个子带被 2DEG占据的双周期舒勃尼科夫德哈斯 (SdH) 振荡。实验观察到MIS效应引起的磁电阻振荡的幅度随温度上升略有减小 , 振荡的频率为两个子带SdH振荡频率之差。随着温度的升高 , MIS振荡成为主要的振荡。由于SdH振荡和MIS振荡对温度的依赖关系不同 , 实验观察到SdH和MIS振荡之间的调制在温度 10和 17K之间最为强烈 , 其它温度下的调制很弱。

关键词：

AlGaN/GaN异质结构;二维电子气;磁致子带间散射;

中图分类号： O472.4

收稿日期：2003-09-15

基金：国家重点基础研究专项 (G2 0 0 0 0 683 );国家高科技研究发展计划 (2 0 0 2AA3 0 53 0 4);江苏省创新人才基金 (BK2 0 0 3 411);国家自然科学基金 (60 13 60 2 0 );国家杰出青年基金 (60 3 2 5 413 );教育部博士点基金 ( 2 0 0 2 0 2 840 2 3 ) 资助项目;

Magnetointersubband Scattering Oscillations of Two-Dimensional Electron Gas in Al_xGa_1-x N/GaN Heterostructures

Abstract：

Magnetoresistance oscillations of the two-dimensional electron gas (2DEG) in unintentionally doped Al_0.22Ga_0.78N/GaN heterostructures were investigated by means of magnetotransport measurements at low temperatures and high magnetic fields. Double periodic Shubnikov-de Haas (SdH) oscillations were observed at very low temperatures, which indicates two subbands are occupied by the 2DEG in the triangular quantum well at the heterointerface. Magnetointersubband scattering (MIS) oscillations become dominant with increasing temperature. It is found that the MIS oscillations become slightly weaker with increasing temperature. Due to the different temperature dependence between the SdH and the MIS oscillations, it is observed that the SdH oscillations modulated strongly by the MIS oscillations between 10 and 17 K while the modulations are very weak at other temperatures.

Keyword：

Al_xGa_1-xN/GaN heterostructure; two-dimensional electron gas; magneto-intersubband scattering;

Received： 2003-09-15

Al_xGa_1-xN/GaN异质结构体系是发展高温、高频、大功率电子器件的最重要也是最基本的结构 ^[1,2,3] , Al_xGa_1-xN/GaN异质结构界面二维电子气 (2DEG) 的输运性质直接影响基于Al_xGa_1-xN/GaN异质结构器件的性能。因此, 研究Al_xGa_1-xN/GaN异质结构中2DEG的输运性质有着重要的意义。由于Al_xGa_1-xN/GaN异质结具有大的能带偏移和强的极化电场, 异质界面的量子阱中有很高的2DEG浓度, 可能导致多个子带被2DEG占据的情况发生。子带间的散射将不可避免。磁输运测量是研究半导体异质结构子带间散射性质的重要手段。

Sander等 ^[4] 给出了磁致子带间散射 (MIS) 的磁电阻公式

其中X=2π2k_BT/?ω_c, ω_c=eB/m^*, E₁₂=E₂-E₁。 X是含有温度T的因子, ?为约化普朗克常数。公式的前两项描述了两个子带的舒勃尼科夫-德哈斯 (SdH) 振荡, 随着温度升高很快消失。第三项中的X有系数2, 对温度更加敏感。最后一项描述了磁致子带间散射的电阻振荡, 随1/B的振荡频率和两个子带底的能级间距有关, 是一个温度无关项。

1 实验

实验上用金属有机物化学气相沉积 (MOCVD) 方法制备了Al_0.22Ga_0.78N/GaN异质结。样品结构如图1所示。首先在488 ℃下在α-Al₂O₃的 (0001) 面上生长一层GaN过渡层, 接着在1071 ℃下生长一层2000 nm厚的非故意掺杂GaN (i-GaN) 层。然后生长一层30 nm厚的非故意掺杂Al_0.22Ga_0.78N (i-Al_0.22Ga_0.78N) 层, 生长温度为1080 ℃。样品的欧姆接触采用Al/Ti (15 nm/100 nm) 两层金属膜, 金属膜采用电子束蒸发方法沉积, 在高纯N₂气氛下经850 ℃ 30 s快速热退火, 形成欧姆接触。磁电阻测量用范德堡法进行, 测量温度在1.5～25 K之间, 磁场从0～10 T。实验曲线如图2所示。

图1 非故意掺杂Al0.22Ga0.78N/GaN异质结构示意图

Fig.1 Schematic diagram of unintentionally doped Al_0.22Ga_0.78N/GaN heterostructure used

图2 在1.5, 14和25 K温度下二维电子气的纵向磁电阻Rxx随垂直于异质界面的磁场B的变化

Fig.2 Magnetoresistance R_xx of 2DEG as a function of magnetic field B normal to the heterointerface at 1.5, 14, and 25 K

2 结果与讨论

由图2可以看出: 在1.5 K, 明显可以看到有高低两种频率的振荡, 对应着第一和第二两个子带的SdH振荡, 即两个子带被电子占据。温度升高到14和25 K时, 低频部分随温度升高而衰减, 已经观察不到了, 只剩下高频部分的振荡了。

为了能够更清楚的观察高频振荡部分, 滤掉了振荡的低频部分, 结果如图3所示。从图3可以看出: 温度为1.5 K时, 第一子带SdH振荡的振幅被微弱的调制。 14 K时, 第一子带SdH振荡的振幅被强烈的调制。当温度升高到25 K时, 调制基本消失。仔细观察可以看出, 3种温度下的振荡频率并不相同, 其中有细小的差别。这说明存在一种周期和第一子带的SdH振荡接近的振荡。由于两者对温度依赖关系的不同, 1.5 K时以第一子带的SdH振荡为主, 25 K时以这种未知振荡为主, 14 K时两者的周期和振幅接近, 表现出强烈的调制现象。这种振荡可能就是MIS振荡。

对R_xx～1/B曲线进行快速傅立叶变换, 结果如图4所示。

由图4 (b) 可以看出: 一共有3种频率的振荡, 其中两个振荡对温度敏感, 随温度上升迅速衰减, 为SdH振荡。这两种振荡的频率差刚好为对温度不太敏感的振荡的频率。由前面的公式我们知道MIS振荡有两个特点: (1) 对温度变化不敏感。 (2) 振荡频率为两个子带SdH振荡的频率差。因此这个振荡为MIS振荡。与公式中MIS振荡随温度变化振幅不变不同, 观察到MIS振荡的幅度随温度上升略有减小。

图3 在1.5, 14和25 K温度下二维电子气的纵向磁电阻Rxx随垂直于异质界面的磁场B的振荡的高频部分

Fig.3 High frequency parts of magnetoresistance R_xx oscillations of 2DEG as a function of magnetic field B normal to heterointerface at 1.5, 14, and 25 K

图4 在温度 1.5 K (a) , 8～25 K (b) 下, 对Rxx～1/B纵向磁电阻振荡曲线的快速傅立叶变换

Fig.4 Fast Fourier Transforms of the magnetoresistance oscillations of the Al_0.22Ga_0.78N/GaN heterostructure at 1.5 K (a) and various temperatures between 8 and 25 K (b)

费米能级E_F和第i个子带的带底能量E_i之差为ΔE_i=E_F-E_i=π?²n_i/m^*, 其中n_i为第i个子带的电子面密度。 SdH振荡频率f_i只依赖于2DEG的浓度: f_i=hn_i/2e, 其中h为普朗克常数, e为电子电量。由图4 (a) 可以得到1.5 K时的一些基本参数: f₁=192 T, f₂=33 T。从而可以计算出两个子带的2DEG浓度: n₁=9.27×10¹² cm^-2, n₂=1.6×10¹² cm^-2。总的2DEG浓度: n=1.09×10¹³ cm^-2。当B=5 T时, 一个朗道能级能容纳的电子数为2.4×10¹¹ cm^-2, 因此每个子带都有好几个朗道能级被电子占据。图4 (a) 中频率接近f₁的第三个峰来源于MIS振荡: f_MIS=f₁-f₂=159 T。两个子带带底的能量差为ΔE₁₂=E₂-E₁=f_MiSe?/m^*。 SdH振荡振幅A对温度的依赖关系 , 其中C是和温度无关的常数, k_B为玻尔兹曼常数。选取以SdH振荡为主的低温区, 由图5得到电子的有效质量m^*为0.23m₀。可以算出两子带的能级间距为80 meV。由于MIS效应对SdH振荡振幅的调制, 用于求量子迁移率的Dingle绘图不再是线性的。用文献 [ 5] 中的方法求得两个子带的量子迁移率为μ₁=1493 cm²·Vs^-1, μ₂=3087 cm²·Vs^-1。由于第二子带的电子波函数分布比第一子带更加远离界面, 因而电子受到的界面粗糙散射和势垒层的合金无序散射更弱, 相应的第二子带电子的量子迁移率要高于第一子带电子的量子迁移率。

MIS效应和两个子带的一系列朗道能级相平齐相关 ^[6] , 此时子带间的弹性散射加剧, 磁电阻出现极值。随着磁场变大, 两子带的朗道能级周期性的出现相平齐的情况, 磁电阻发生振荡。 SdH效应和各个子带的朗道能级周期性的穿过费米面有关。温度的变化将显著的影响费米面附近的电子分布, 而对费米面以下的一系列朗道能级影响不大, 导致了SdH和MIS效应对温度依赖关系的不同。因而我们观察到的SdH振荡的幅度随温度上升迅速衰减, MIS振荡的幅度随温度上升略有减小。