[논문 리뷰] Scattering, weak localization and Shubnikov-de Haas oscillation in high carrier density AlInN/GaN heterostructures

Leizhi Wang, Ming Yin외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 24.

GaN-based semiconductor devices and materials참고 문헌 36인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 고운전자 농도를 가진 AlInN/GaN 이종접합에서의 약한 국소화 및 Shubnikov-de Haas (SdH) 진동의 최초 관측을 보고한다. 온도 의존성 자기저항 및 SdH 진동 분석을 통해 저자들은 전자-전자 산란을 주요 위상 파괴 메커니즘으로 규명하고, 전자 효과 질량 0.2327me를 추출하였다. 이는 원거리 이온화 불순물에 의한 주로 작은 각도 산란에 기인한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고운전자 농도를 가진 AlInN/GaN 이종접합에서의 양자 운반체 현상 연구.
• 저온에서 고이동도 2차원 전자 가스(2DEG)에서 지배적인 산란 메커니즘 규명.
• 기본 전자적 매개변수를 추출하기 위해 약한 국소화 및 Shubnikov-de Haas 진동의 측정 및 분석.
• 위상 파괴 과정에서 전자-전자 산란과 격자 진동자 산란 간의 역할 규명.
• SdH 진동 및 Dingle 플롯 분석을 통해 전자 효과 질량과 산란 동역학 추출.

제안 방법

• 약한 국소화 및 Shubnikov-de Haas 진동 관측을 위해 저온 자기운반체 측정 수행.
• 약한 국소화를 확인하기 위해 영자기 전도도의 온도 의존성을 분석하고 lnT 의존성 확인.
• 자기저항의 각도 의존성을 활용해 약한 국소화 효과를 추가로 검증.
• Lifshitz-Kregel 근사법을 사용해 온도 의존성 SdH 진동 진폭에서 전자 효과 질량 추출.
• Dingle 플롯 분석을 통해 양자 수명을 산정하고, 홀 측정에서의 운반체 수명과 비교.
• 이동도의 온도 의존성 분석을 통해 20 K 이상에서 음향파와 산란의 전이를 규명하고 산란 메커니즘 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고운전자 농도를 가진 AlInN/GaN 2DEG에서의 양자 간섭 현상의 성격은 무엇이며, 약한 국소화는 관측 가능한가?
• RQ2 저온 영역에서 위상 파괴 속도를 지배하는 산란 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 SdH 진동 진폭과 Dingle 플롯은 전자 효과 질량과 산란 이방성에 대해 어떤 정보를 제공하는가?
• RQ4 이 시스템에서 음향파 산란과 산란 간의 전이 온도는 무엇인가?
• RQ5 양자 수명과 운반체 수명의 비율은 이 이종접합에서의 산란 메커니즘을 어떻게 규명하는가?

주요 결과

• 약한 국소화는 고운전자 농도를 가진 AlInN/GaN 이종접합에서 관측되었으며, 영자기 전도도의 lnT 의존성과 각도 의존성 자기저항을 통해 확인되었다.
• 비탄성 산란 속도는 선형 온도 의존성을 보이며, 전자-전자 산란이 주요 위상 파괴 메커니즘임을 시사한다.
• 온도 의존성 SdH 진동 진폭과 Dingle 플롯 분석을 통해 전자 효과 질량 0.2327me를 추출하였다.
• 양자 수명이 홀 측정에서의 운반체 수명보다 짧게 나타나, 원거리 이온화 불순물에 의한 주로 작은 각도 산란이 지배적임을 나타낸다.
• 20 K 이상에서 이동도가 급격히 감소하였으며, 이는 음향파 산란에서 산란으로의 전이 때문임을 규명하였다.
• 관측된 산란 동역학은 원거리 이온화 불순물이 이 시스템에서 주요 산란 기여원임을 시사한다.