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利用分子束外延技术自组织生长的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体量子点(InAs或GaSb量子点),由于其三维的量子束缚效应和较为可控的尺寸分布,在新型量子器件应用和基础物理研究方面得到了人们的普遍关注。而将这种自组织生长的量子点与高电子迁移率晶体管(HEMT)结合在一起的结构,有望实现新型光电存储和单光子探测的功能。
本论文通过测量含量子点和不含量子点HEMT器件的低温输运性质,系统研究了自组织生长的、能带结构具有第二类对准型特点的GaSb/GaAs量子点对n-型调制掺杂的AlGaAs/GaAs二维电子气的散射作用,主要的研究内容及得到的结果总结如下:
1.在液氦温度下,测量了二维电子气在不同载流子浓度下的整数霍尔效应(Integer Hall Effect)和舒伯尼科夫-德哈斯振荡(Shubnikov-de Hass Oscillation),得到二维电子气输运寿命和量子散射寿命随载流子浓度的变化特性。发现量子点的引入对二维电子气产生了很强的散射作用,通过计算量子点散射决定的输运寿命和散射寿命的比值,发现比值介于1-4之间,推断出二类GaSb/GaAs量子点对二维电子气的散射应该属于短程散射。
2.建立了第二类能带对准型GaSb/GaAs量子点对二维电子气的散射模型。从波尔兹曼方程出发,在有效质量近似和波恩近似的基础上,推导出低温下由单一GaSb量子点散射决定的输运寿命和量子寿命的表达式,进而进行数值计算并与实验结果相比较。发现当以一个短程的常数有限势垒来描述二类量子点的散射势时,在现有样品中量子点密度较低的情况下(~109cm-2),应用独立散射(散射事件间无耦合)假设,数值计算的结果可以很好的解释实验中测量到的电子迁移率以及散射寿命比值随载流子浓度的变化曲线。在此模型下,理论计算预言得出输运寿命和散射寿命的比值将会随着载流子浓度的增加出现振荡的现象,这与我们实验中测量的结果和文献中报道的现象一致。
3.观测到与定向择优生长的GaSb量子点相关的各向异性输运现象,并应用上述常数有限势模型从理论上很好地给予了解释。首先通过调控自组织生长GaSb量子点过程中AS4和Sb4的束流流量大小比,控制生长出了沿[110]方向定向伸长的GaSb量子点。在低温输运测量的实验中发现,二维电子气的迁移率明显出现各向异性的性质,即二维电子气平面内电子沿[110]方向的迁移率大于沿[110]的迁移率,并且这种GaSb/GaAs第二类自组织量子点对AlGaAs/GaAs二维电子气低温输运的散射机制迁移率之间的各向异性比率会随着载流子的浓度增加而增加。我们从线性波尔兹曼微分方程出发,在考虑由定向伸长GaSb量子点产生的准周期散射势的假设下,进行了数值计算,发现可调参量中量子点的长度和宽度分别取其平均值附近数值时,计算结果与实验测量得到的由沿[110]方向伸长的GaSb量子点散射决定的各向异性迁移率比值相符。