[论文解读] 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 12

一句话总结

本研究首次报道了在高载流子浓度的AlInN/GaN异质结构中观测到弱局域化和Shubnikov-de Haas（SdH）振荡。通过温度依赖的磁阻测量和SdH振荡分析，作者确定电子-电子散射是主要的相位破坏机制，并提取出电子有效质量为0.2327me，主要来自远距离电离杂质的小角散射。

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.

研究动机与目标

• 研究高载流子浓度AlInN/GaN异质结构中的量子输运现象。
• 识别低温下高迁移率二维电子气（2DEG）中占主导的散射机制。
• 测量并分析弱局域化和Shubnikov-de Haas振荡，以提取基本电子参数。
• 确定电子-电子散射与声子散射在相位破坏过程中的作用。
• 通过SdH振荡和Dingle图分析提取电子有效质量和散射动力学。

提出的方法

• 开展低温磁输运测量，以观测弱局域化和Shubnikov-de Haas振荡。
• 通过零场电导率的温度依赖性分析，利用lnT行为确认弱局域化。
• 利用磁阻的角依赖性进一步验证弱局域化效应。
• 使用Lifshitz-Kregel近似，从温度依赖的SdH振荡幅度中提取电子有效质量。
• 应用Dingle图分析以确定量子寿命，并与霍尔测量得到的输运寿命进行比较。
• 通过分析迁移率的温度依赖性，识别20 K以上时从声学到光学声子散射的转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高载流子浓度的AlInN/GaN 2DEG中，量子干涉效应的性质是什么？弱局域化是否可观测？
• RQ2 在低温区域，哪种散射机制主导了相位破坏速率？
• RQ3 SdH振荡幅度和Dingle图如何提供关于电子有效质量和散射各向异性的信息？
• RQ4 该体系中声学与光学声子散射之间的转变温度是多少？
• RQ5 量子寿命与输运寿命的比值如何反映异质结构中的散射机制？

主要发现

• 在高载流子浓度的AlInN/GaN异质结构中观测到弱局域化，其通过零场电导率的lnT依赖性以及磁阻的角依赖性得到证实。
• 非弹性散射速率表现出线性温度依赖性，表明电子-电子散射是主导的相位破坏机制。
• 通过温度依赖的SdH振荡幅度和Dingle图分析，提取出电子有效质量为0.2327me。
• 量子寿命短于霍尔测量得到的输运寿命，表明来自远距离电离杂质的小角散射占主导。
• 在20 K以上，载流子迁移率迅速下降，这是由于从声学声子散射向光学声子散射的转变。
• 观测到的散射动力学表明，远距离电离杂质是该体系中主要的散射源。