Electrostatics and Magneto-Transport in Two-Dimensional Hole Gases by Ge/GeSi Heterostructures
Yi-Hsin Su1*, Yen Chuang1, Po-Yuan Chiu2, Nai-Wen Hsu2, Tzu-Ming Lu3, Jiun-Yun Li1,2,4
1Department of Electrical Engineering, National Taiwan University, Taipei, Taiwan
2Graduate Institute of Electronic Engineering, National Taiwan University, Taipei, Taiwan
3Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM, USA
4National Nano Device Laboratories, Hsinchu, Taiwan
* presenting author:Yi Hsin Su, email:r04943070@ntu.edu.tw
鍺與鍺矽異質結構所形成的二維電洞氣(two-dimensional hole gas, 2DHG),近年來由於鍺及鍺矽磊晶技術提升,電洞遷移率已可達1,000,000 cm2/V-s1,關於鍺二維電洞之量子霍爾效應(quantum Hall effect)及自旋-軌域耦合(spin-orbit coupling)等相關工作亦陸續地發表在期刊論文中2,3。因此,本研究將針對鍺二維電洞系統的靜電特性及磁傳輸(magneto-transport)特性進行深入的研究。

在本研究中,我們利用超高真空化學氣相沉積(Ultra-High Vacuum Chemical Vapor Deposition, UHVCVD)成長無摻雜之鍺/矽鍺半導體異質結構,透過改變二維電洞層到表面的距離,首次觀察到電洞濃度可從非平衡態到平衡態的交會現象(equilibrium-non-equilibrium crossover),此現象是因為電洞的表面穿隧效應所造成4。此外,在距離表面9奈米與26奈米的二維電洞樣品中,我們發現異常低的等效電容,主要是因為半導體/氧化層介面缺陷造成的表面穿隧電流導致電容減少。

另外在磁傳輸特性方面,在0.3 K下,距離表面116奈米的二維電洞系統其霍爾遷移率為180,000 cm2/V-s,而在距離表面僅9奈米的樣品中,其二維電洞遷移率也有70,000 cm2/V-s,顯示出二維電洞樣品的高磊晶品質。透過電洞遷移率與電洞濃度變化的冪次關係(power law)與Dingle ratio,我們認為遷移率的主要限制為游離雜質散射,距離表面較近的二維電洞主要受到表面氧化層的遠端雜質散射,而較深的二維電洞則是受磊晶時的背景摻雜濃度影響。最後我們從Shubnikov-de Hass(SdH)振盪數據中觀察到清楚的量子霍爾平台(clear quantum plateau),將SdH數據進行傅立葉轉換,我們發現在9奈米的樣品中有清楚的雙層傳導特性,我們將針對此淺層二維電洞系統所產生的雙層傳導特性,與雙層二維電洞系統(bilayer 2DHGs)進行比較與探討。

參考文獻-
[1] A. Dobbie et al., Appl. Phys. Lett. 101, 172108 (2012)
[2] Q. Shi et al., Phys. Rev. B 90, 161301(R) (2014)
[3] R. Moriya et al., Phys. Rev. Letter 113, 086601 (2014)
[4] T.M. Lu et al., Appl. Phys. Lett. 99, 153510 (2011)



Keywords: 二維電洞, 鍺/矽鍺, 異質結構, 穿隧效應, 非平衡