半导体异质结二维电子气的磁输运特性研究

论文摘要

半导体异质结二维电子气的磁阻振荡是由电子的量子效应引起的,反映朗道能级态密度在费米面处的变化。通过磁输运（Transport）测量来研究二维电子气的磁阻振荡,可以获得丰富的材料电学特性以及电子子带性质。本文主要通过深低温,强磁场下的Shubnikov-de Haas（SdH）效应测量和常规变磁场霍尔测量,采用快速Fourier变换方法（FFT）,并结合定量迁移率谱（QMSA）和多载流子拟合（MCF）,系统地研究了不同材料异质结二维电子气的磁阻振荡,并得到以下具有创新性的研究结果: 1.观察到在AlGaN/GaN异质结界面处的二维电子气占据两个子带,以及由电子子带间散射引起的磁阻振荡,该振荡不同于SdH振荡,它对温度的变化不敏感,也不依赖于费米能级,只与两个子带的能级间距有关。并在一定温度范围内观察到磁阻拍频现象,其来源于该磁阻振荡与SdH振荡的相互叠加。根据Sander等人和Raikh等人给出的磁阻振荡的具体表达式,拟合实验结果表明磁阻拍频是由第一子带SdH振荡和磁致子带间散射引起的磁阻振荡导致的。 2.观察到AlGaN/GaN异质结二维电子气的磁阻振荡在低场下出现正,负磁阻变化,分析表明其来源于AlGaN/GaN异质结二维电子气中的量子相干散射,表现为电子的反弱局域化与弱局域化效应。根据Hikami,Larkin和Nagaoka给出的扩散近似下的磁导率随磁场变化关系式,拟合实验结果得到电子自旋-轨道散射时间以及非弹性散射时间。电子的自旋-轨道散射主要来源于晶体场引起的自旋分裂,不受晶格温度的影响,而非弹性散射时间与温度成反比关系,表明非弹性散射机制主要来源于小能量转移的电子-电子散射。 3.通过对调制掺杂的n型Hg0.82Cd0.16Mn0.02Te/Hg0.3Cd0.7Te第一类量子阱中磁性二维电子气磁阻拍频振荡的研究,发现温度,栅压的变化都会引起磁阻拍频节点位置的变化。从对拍频的分析中,可以将依赖于栅压的Rashba自旋-轨道分裂和依赖于温度的巨大塞曼分裂区分开来。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• §1.1 GaN异质结构体系材料目前的研究状况和存在问题
• §1.2 InP基HEMT结构材料目前存在的问题和研究意义
• §1.3 稀磁半导体材料目前国内外的研究动态和存在问题
• 第二章 磁输运测试系统和实验技术
• §2.1 测试系统
• §2.2 测量方法
• §2.3 关于测量误差的讨论
• §2.4 迁移率谱技术和SdH测量分析
• §2.4.1 迁移率谱技术
• §2.4.2 Shubnikov-de Hass（SdH）振荡
• §2.4.3 FFT谱
• 参考文献
• 第三章 磁性半导体二维电子气的磁阻振荡研究
• §3.1 稀磁半导体中的sp-d交换相互作用
• §3.2 样品的结构，制备和实验
• §3.3 结果和讨论
• §3.3.1 温度对拍频磁阻的影响
• §3.3.2 栅压对拍频磁阻的影响
• §3.3.3 磁场方向对拍频磁阻的影响
• §3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 InAlAs/InGaAs单量子阱中二维电子气的磁输运研究
• §4.1 研究背景
• §4.2 多载流子体系的电导张量分析
• §4.2.1 玻尔兹曼方程的求解
• §4.2.2 混合电导分析
• §4.2.3 多载流子拟合过程
• §4.3 样品结构和实验
• §4.4 实验结果和讨论
• §4.5 小结
• 参考文献
• 第五章 AlGaN／GaN二维电子气的磁阻拍频和弱局域特性研究
• §5.1 引言
• §5.2 样品结构
• §5.3 磁致子带间散射
• §5.4 二维电子气中的相干散射现象
• §5.4.1 AlGaN／GaN异质结中的弱局域化
• §5.4.2 AlGaN／GaN量子阱中的反弱局域化
• §5.5 小结
• 参考文献
• 第六章 结论和展望
• 致谢
• 论文发表情况