Scattering in inverted modulation-doped Si two-dimensional electron gases
蘇誼炘1*, Leonard Rokhinson2, James Sturm3, 李峻霣1,4
1電子工程學研究所, 國立台灣大學, 台北市, Taiwan
2Purdue University, Indiana, USA
3Princeton University, New Jersey, USA
4電機工程學系, 國立台灣大學, 台北市, Taiwan
* presenting author:Yi-Hsin Su, email:r04943070@ntu.edu.tw
透過雙量子井結構形成雙層二維電子氣體(two-dimensional electron gas bilayer, 2DEG bilayer),可觀察電子-電子散射(electron-electron scattering)造成的庫倫拖曳效應(Coulomb drag effect)[1]。在遠端調變摻雜(modulation-doped)的矽/矽鍺二維電子氣體中,底部摻雜(bottom-doped)有利於調控底部量子井中二維電子氣體,但n型摻雜容易往表面擴散(surface segregation)[2]並對底層二維電子造成強大的散射效應,進而降低電子遷移率。在本報告中,我們利用化學氣相沉積系統(chemical vapor deposition, CVD)成長底部摻雜的矽鍺/矽異質介面,以形成反轉(inverted)遠端調變的矽二維電子氣。透過降低矽鍺壁壘層的成長溫度,我們有效地減少磷原子的表面擴散行為[3],並得到了與一般頂部摻雜相當的霍爾電子遷移率-在0.3 K下達470,000 cm2/V-s。

我們也重新計算了電子遷移率與電子濃度變化的冪次關係(power law)。在磷摻雜截止斜率(turn-off slope)大於100 nm/dec及小於1 nm/dec下,冪次關係分別收斂為背景雜質散射(background impurity scattering)主導與遠端雜質散射(remote impurity scattering)主導。在磷摻雜截止斜率介於1~100 nm/dec之間時,我們的實驗結果顯示出與理論計算吻合的電子遷移率冪次關係。

最後,我們在矽量子井系統中首次發現第二能階占據(second subband occupancy)與能階間散射(intersubband scattering)的現象。此結果可在0.3 K下所量測的電子遷移率與電子濃度關係圖看到此現象。隨著閘極電壓增加,量子井內第一與第二能階之間的缺陷態將會造成電子遷移率下降,直到第二能階開始被電子占據,電子遷移率因為電子屏蔽效應又再度上升,Shubnikov-de Haas震盪的量測數據也提供證據支持此現象。


參考文獻-
[1] M. Kellogg, et al., Phys. Rev. Lett. 66, 1216 (2002).
[2] J. F. Nűtzel and G. Abstreiter, Phys. Rev. B 53, 13551 (1996).
[3] J. Y. Li et al., Appl. Phys. Lett. 101, 142112 (2012).


Keywords: 二維電子, 遷移率, 散射, 矽/矽鍺, 異質結構