[论文解读] Shubnikov-de Haas oscillations of two-dimensional electron gases in AlYN/GaN and AlScN/GaN heterostructures

Yu-Hsin Chen, Thai‐Son Nguyen+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2026

GaN-based semiconductor devices and materials被引用 0

一句话总结

本论文首次观测到在 AlYN/GaN 与 AlScN/GaN 界面形成的 2DEG 的 Shubnikov-de Haas (SdH) 振荡，并从 SdH 分析中提取载流子密度、电子有效质量和量子散射时间，结果由霍尔测量予以验证。

ABSTRACT

AlYN and AlScN have recently emerged as promising nitride materials that can be integrated with GaN to form two-dimensional electron gases (2DEGs) at heterojunctions. Electron transport properties in these heterostructures have been enhanced through careful design and optimization of epitaxial growth conditions. In this work, we report for the first time Shubnikov-de Haas (SdH) oscillations of 2DEGs in AlYN/GaN and AlScN/GaN heterostructures, grown by metal-organic chemical vapor deposition. SdH oscillations provide direct access to key 2DEG parameters at the Fermi level: (1) carrier density, (2) electron effective mass (m* ~ 0.24 me for AlYN/GaN and m* ~ 0.25 me for AlScN/GaN), and (3) quantum scattering time (~ 68 fs for AlYN/GaN and ~ 70 fs for AlScN/GaN). These measurements of fundamental transport properties provide critical insights for advancing emerging nitride semiconductors for future high-frequency and power electronics.

研究动机与目标

• 研究 GaN 中由新型氮化物屏障（AlYN 和 AlScN）形成的 2DEG 以用于高频与高功率电子学的动机。
• 证明在通过 MOCVD 生长的 AlYN/GaN 与 AlScN/GaN 2DEG 中可以分辨 SdH 振荡。
• 直接从 SdH 测量中提取关键 2DEG 参数（n_s, m*, τ_q）并与霍尔数据比较。

提出的方法

• 在垂直磁场下，在低温条件（2–14 K）测量纵向磁阻 R_xx，磁场 up to 14 T。
• 提取振荡分量 ΔR_xx 并分析其 1/B 周期性，通过 Onsager 关系获得 n_s。
• 利用 SdH 峰的温度阻尼，从 SdH 表达式中的 χ/sinh(χ) 因子确定 m*。
• 构建 Dingle 图以从 ΔR_xx 的无序阻尼项中提取量子散射时间 τ_q。
• 对 ΔR_xx 对 1/B 的 FFT 分析以识别主 SdH 频率，并用霍尔测量交叉验证 n_s。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有 AlYN/GaN 与 AlScN/GaN 屏障的 2DEG 中能否分辨 SdH 振荡？
• RQ2 这些异质结构中的 2DEG 密度 n_s 与电子有效质量 m* 是多少？
• RQ3 量子散射时间 τ_q 是多少，主导散射机制是什么？
• RQ4 SdH 推导的参数与低场霍尔效应测量及前人关于类似氮化物屏障的文献相比如何？

主要发现

• 2DEG 密度：n_s ≈ 1.23×10^13 cm^-2（AlYN/GaN）与 n_s ≈ 1.81×10^13 cm^-2（AlScN/GaN）（从 1/B 振荡周期得到）。
• 主导的 SdH FFT 频率：f = 257 ± 1 T（AlYN/GaN）与 f = 380.7 ± 5.5 T（AlScN/GaN）。
• 电子有效质量：m* = (0.24 ± 0.01) m_e（AlYN/GaN）和 m* = (0.25 ± 0.01) m_e（AlScN/GaN）。
• 量子散射时间：τ_q = 68 ± 2 fs（AlYN/GaN）与 τ_q = 70 ± 3 fs（AlScN/GaN）。
• 低场霍尔数据与 SdH 推导的 n_s 值一致；霍尔迁移率给出的 Dingle 比率表明存在长程库仑散射。