[論文レビュー] Scattering, weak localization and Shubnikov-de Haas oscillation in high carrier density AlInN/GaN heterostructures

Leizhi Wang, Ming Yin+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2017

GaN-based semiconductor devices and materials参考文献 36被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、高キャリア密度のAlInN/GaNヘテロ構造における弱局在化およびシュービニコフ＝ド・ハース（SdH）振動の初回観測を報告する。温度依存磁気抵抗およびSdH振動解析を通じて、電子-電子散乱が主な位相破壊メカニズムであることが特定され、電子有効質量は0.2327meに抽出された。主に遠く離れたイオン化不純物からの小角度散乱が支配的であることが示された。

ABSTRACT

We provide the first observation of weak localization in high carrier density two-dimensional electron gas in AlInN/GaN heterostructures; at low temperatures and low fields the conductivity increases with increasing magnetic field. Weak localization is further confirmed by the lnT dependence of the zero-field conductivity and angle dependence of magnetoresistance. The inelastic scattering rate is linearly proportional to temperature, demonstrating that electron-electron scattering is the principal phase breaking mechanism. Shubnikov-de Haas (SdH) oscillations at high magnetic fields are also observed. From the temperature dependent amplitude of SdH oscillation and Dingle plot, the effective mass of electron is extracted to be 0.2327me; in addition the quantum lifetime is smaller than transport time from Hall measurement, indicating small angle scattering such as from remote ionized impurities is dominant. Above 20 K, the scattering changes from acoustic phonon to optical phonon scattering, resulting in a rapid decrease in carrier mobility with increasing temperature.

研究の動機と目的

• 高キャリア密度AlInN/GaNヘテロ構造における量子輸送現象を調査すること。
• 低温度における高移動度2次元電子ガス（2DEG）における主な散乱メカニズムを特定すること。
• 弱局在化およびシュービニコフ＝ド・ハース振動の測定と解析を通じて、基本的電子パラメータを抽出すること。
• 位相破壊過程における電子-電子散乱とフォノン散乱の役割を特定すること。
• SdH振動およびDingleプロット解析から電子有効質量および散乱ダイナミクスを抽出すること。

提案手法

• 弱局在化およびシュービニコフ＝ド・ハース振動を観測するため、低温度磁気輸送測定を実施した。
• 弱局在化の確認のため、ゼロ磁場における電導度の温度依存性をlnT依存性で分析した。
• 磁気抵抗の角度依存性を用いて、弱局在化効果をさらに検証した。
• Lifshitz-Kregel近似を用いて、SdH振動の温度依存振幅から電子有効質量を抽出した。
• Dingleプロット解析を適用し、量子寿命を決定し、ホール測定からの輸送寿命と比較した。
• 移動度の温度依存性を分析し、20 K以上で音響フォノン散乱から光学フォノン散乱への遷移を特定することで、散乱メカニズムを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高キャリア密度AlInN/GaN 2DEGにおける量子干渉効果の性質は何か。弱局在化は観測可能か。
• RQ2 低温度領域における位相破壊率を支配する散乱メカニズムは何か。
• RQ3 SdH振動振幅およびDingleプロットは、電子有効質量および散乱の異方性に関するどのような情報を与えるか。
• RQ4 この系における音響フォノン散乱と光学フォノン散乱の遷移温度は何か。
• RQ5 量子寿命と輸送寿命の比は、ヘテロ構造における散乱メカニズムをどのように示唆するか。

主な発見

• 弱局在化が高キャリア密度AlInN/GaNヘテロ構造で観測され、ゼロ磁場電導度のlnT依存性および角度依存磁気抵抗により確認された。
• 非弾性散乱率は温度に線形依存を示し、電子-電子散乱が主な位相破壊メカニズムであることを示した。
• 温度依存SdH振動振幅およびDingleプロット解析から、電子有効質量は0.2327meに抽出された。
• 量子寿命はホール測定からの輸送寿命よりも短く、遠く離れたイオン化不純物からの小角度散乱が支配的であることを示唆した。
• 20 K以上で、音響フォノン散乱から光学フォノン散乱への遷移に伴い、キャリア移動度が急激に低下した。
• 観測された散乱ダイナミクスは、遠く離れたイオン化不純物がこの系における主な散乱源であることを示唆している。