GaN中空穴的量子振荡
介观与纳米尺度物理
2025-01-28 v1 材料科学
应用物理
摘要
GaN因其在固态照明（关键得益于p型掺杂）以及高性能射频和电力电子领域的革命性影响，已成为类似于硅的主要半导体。由于空穴掺杂效率低且空穴迁移率低，p型GaN中的量子振荡尚未被观测到，这阻碍了对GaN中价带和空穴输运的基础研究。本文首次报道了GaN中空穴量子振荡的观测结果。在GaN/AlN界面的量子受限二维空穴气中观测到了空穴电阻率的Shubnikov-de Haas (SdH)振荡，其中极化诱导掺杂克服了热冻析效应，而清晰干净的界面将空穴迁移率提升至足以揭示量子振荡的程度。这些空穴简并占据GaN的轻空穴带和重空穴带，在3K时分别具有约1900 cm²/Vs和约400 cm²/Vs的创纪录高迁移率。我们利用高达72 T的磁场解析来自两个价带的空穴SdH振荡，从而提取它们各自的薄层密度、量子散射时间以及轻空穴（0.5-0.7 m₀）和重空穴（1.9 m₀）的有效质量。GaN中重空穴和轻空穴的SdH振荡构成了价带的直接计量学，并为这一重要技术半导体中的量子工程开辟了新途径。与应变硅晶体管类似，对GaN价带进行应变工程预计可通过降低空穴有效质量来大幅提高空穴迁移率，这一提议现在可以通过量子振荡在实验上加以探索，尤其是在完全制造的晶体管中。此外，本文的研究结果为在相关宽禁带半导体（如SiC和ZnO）中创建二维空穴气并观测空穴量子振荡提供了蓝图，这些半导体目前尚无法实现此类技术。
引用
@article{arxiv.2501.16213,
title = {Quantum oscillations of holes in GaN},
author = {Chuan F. C. Chang and Joseph E. Dill and Zexuan Zhang and Jie-Cheng Chen and Naomi Pieczulewski and Samuel J. Bader and Oscar Ayala Valenzuela and Scott A. Crooker and Fedor F. Balakirev and Ross D. McDonald and Jimy Encomendero and David A. Muller and Feliciano Giustino and Debdeep Jena and Huili Grace Xing},
journal= {arXiv preprint arXiv:2501.16213},
year = {2025}
}