鄰近金屬閘極對 2DEG 及窄通道 A 電性傳輸的影響… 61

雖然沒有觀察到束縛能態所造成的振盪峰值，但寬通道 detector NC 當 其相鄰的金屬閘極偏壓為 - 0.1 V 以下時，detector NC 所量測的電導值似乎 稍微降低，如圖 4-9(a)-(d)中上方曲線，故我們接續探討鄰近金屬閘極的存 在造成 2DEG 的電性傳輸變化，單純觀察外加偏壓於鄰近金屬閘極在原先 的源極與汲極為 O₁至 O₄所產生的影響。

又如圖 4-9 的量測中，我們原先不認為所有的鄰近金屬閘極產生的位障 均會壓迫窄通道，例如圖 4-9(b)中 A₅為最遠的相鄰金屬閘極，與 detector NC 相距約 2020 nm，仍影響 detector NC 寬通道的傳輸，位置造成的影響遠超 過原先的預期，因此我們將一一找出影響因素。由於光微影金屬閘極的佈 局較以往使用的不同，直接橫跨在平台上( mesa )，如圖 4-10，且可能導致 單一金屬閘極外加偏壓後即影響平台上的電性傳輸；另外也因金屬閘極佈 局不同的原故，我們首先確定浮接( floating )的閘極可能存有些微電荷是否 影響量測，故進行 2DEG 電導值與單一金屬閘極偏壓關係的量測時，先後 將其餘閒置的金屬閘極浮接與外加 +50 mV，後者排除殘留電荷的影響，量 測情況如圖 4-11。

圖 4-11(a)(b)(c)分別改變金屬閘極 A₄、A₅以及 A₆的外加偏壓量測其對 2DEG 電性傳輸的影響，圖中下方實心方點曲線對應左方 Y 軸，量測單一 金屬閘極偏影響且其餘金屬閘極未外加 +50 mV；圖中上方空心方點曲線對 應右方 Y 軸，為量測單一金屬閘極偏壓影響，並同時將其餘金屬閘極外加

加 +50 mV，兩者電導值有明顯差異，電導值由 15 G0上升至約 280 G0，說 明金屬閘極上的殘留電荷可能在平台( mesa )上形成散射點( scattering

center )又或形成些許位障影響 2DEG 的傳輸；若 A4外加負偏壓後約於-0.1 V 處，電導值發生一階下降，且兩者發生變化的偏壓位置有些微差異，外加 +50 mV 的上方曲線變化的偏壓位置較 - 0.1 V 早，而只加偏壓於單支金屬 閘極並不會完全封閉傳輸通道，又持續減少閘極偏壓無法使位障無限擴 張，使得電導下降後繼續減少偏壓仍呈現一定值，電導變化率前者約 27%，

而後者約 5%，因後者無殘留電荷的局限，改變閘極偏壓後所阻絕的區域百 分比明顯較低。

圖 4-10 光微影金屬閘極與歐姆接點佈局圖，影像由 SEM 拍攝。

圖 4-11 2DEG 電性傳輸與單一金屬閘極偏壓關係圖，下方實心方點曲線對應左

另外，我們再次確定在其餘不使用的金屬閘極外加偏壓 +50 mV 時，

窄通道電導值與單對金屬閘極偏壓的關係是否改變，量測情況如圖 4-12，

圖 4-12(a)(b)(c)分別對 NCB、NCD以及 NCC作量測，上空心方點曲線即為在 其餘四支不使用的金屬閘極上外加 +50 mV 下量測的窄通道電導值，下實 心方點曲線則為將此不使用的四支金屬閘極浮接。圖 4-12(a)，金屬閘極 A2

及 A3外加偏壓為 0 V 以下時，兩條曲線的電導值隨外加偏壓 Vg的改變幾乎 沒有差別，但在外加偏壓為正偏壓時，兩條曲線有明顯分歧，然由於數據 是以電導值呈現若轉換成電阻值，則兩曲線最大差別僅約為 10 Ω，外加正 偏壓曲線電阻值均下降至~10 Ω，由於外加 +50 mV 於其餘四支不使用金屬 閘極之曲線，其傳輸平台受限較少，金屬閘極 A2及 A3外加正偏壓後，區 域的表面電荷被趕跑，使得散射點變少，電阻下降較另一曲線多；圖 4-12(b) 及(c)分別使用金屬閘極 A3A4及 A5A6，外加偏壓由 0 V 向正偏壓移動，兩 條曲線亦是電導值差異漸漸變大，最後電導值相差約 4~6 G0，但飽和電導 值較圖(a)的 NCB少很多，僅 20 GO，在窄通道金屬閘極外加偏壓為 0 V 時，

兩條曲線已有些許分野，將其餘閘極浮接之下方曲線電導值約少 2~3G0，而 當外加偏壓逐漸減少，兩條曲線漸漸重合，最終通道關閉的截止偏壓相同。

總觀其餘金屬閘極浮接與否所造成的影響，在窄通道閘極外加正偏壓 時造成的差異較明顯，在外加負偏壓處兩者差異較小，且兩者截止偏壓亦 相同；而 Bird 團隊所提出的束縛能態量測，其振盪峰值應發生於窄通道即 將關閉時，即外加偏壓接近截止偏壓處 ^[12,13]，故其餘金屬閘極浮接造成的 差異在束縛能態主要作用區間的並不顯著，因此推斷其餘金屬閘極浮接與 否應不影響原先束縛能態的量測結果。

圖 4-12 三窄通道電導值與金屬閘極偏壓關係圖，(a)使用 NC_B；(b)使用 NC_D； (c)使用 NC_C。下方實心方點曲線為除局域所使用之一對閘極外加偏壓

最後將外加偏壓於單一金屬閘極對於 2DEG 的影響與先前束縛能態的 量測作連結。將圖 4-9 系列中通道寬度最寬且受 swept NC 偏壓影響的曲線 與 2DEG 受單一金屬閘極影響曲線一起作圖，得圖 4-13，束縛能態量測曲 線位於下方對應左方 Y 軸 GD，另一標示 G'S曲線只外加 swept NC 對應單支 金屬閘極偏壓且對應右方 Y 軸，舉例來說若 swept NC 由 A6和 A3構成，則 僅負載偏壓於 A6，並在 O1至 O4量測對應電導值(G'S)的變化情形。以圖 4-13(a) 為例，當外加正偏壓於 A6時，將驅離原本殘留在金屬閘極上的電荷，僅減 少 A6附近的的散射點( scattering center )，並不影響所量測的電導值 G'S；在 外加負偏壓後漸漸驅離下層二維電子氣使得電導值下降，但只加偏壓於單 支金屬閘極並不會完全封閉傳輸通道，僅阻絕部分平台，又持續減少閘極 偏壓無法使位障無限擴張，並且將到達一極限，使得電導下降後繼續減少 偏壓 G'S仍呈現一定值；另外，值得一提的是，G'S與 GD( GD = 10 G0的曲線) 變化時對應的 VS位置雷同，因此推測在 detector NC 觀察到 GD = 10 G0曲線 的電導值變化是由於 swept NC 所形成的位障壓迫到 detector NC 內，致使電 導些許下降，然而 detector NC 再將寬度縮減後的通道位置已超過 swept NC 位障可影響範圍，故電導值無任何變化。

我們進一步觀察圖 4-13 系列 GD與 G'S的關係，GD的變化量由兩窄通 道相鄰間距近而遠，即圖(a)至(d)，依序為 0.27 G0、0.13 G0、0.14 G0以及 0.27 G0，明顯可見電導變化量與兩窄通道相鄰間距遠近無直接關係，但若 單看構成 swept NC 的金屬電極邊緣與 detector NC 中心間距，依序 650 nm、

2200 nm、2280 nm 以及 650 nm，則反應出對應關係，電極與 detector NC 中心愈靠近 GD變化愈大，故此重新驗證我們的推測，swept NC 的金屬閘極 產生的位障壓制 detector NC，使之電導值下降。

圖 4-13 以 O₁、O₂、O₃和 O₄為四點量測接點，I：O₁-O₄，V：O₂-O₃，下方曲線 對應左方 Y 軸，呈現 NC_B寬通道電導值 G_D對應 V_S的變化；而上方曲線 對應右方 Y 軸，呈現 2DEG 電導值 G'_S對應 V_S的變化。量測於 1.7K 下 進行，插圖為對應使用的元件閘極圖；(a) swept NC 由 A₃及 A₆構成，而 V_S僅外加於 A₆；(b) swept NC 由 A₃及 A₄構成，而 V_S僅外加於 A₄；(c) swept NC 由 A₃及 A₅構成，而 V_S僅外加於 A₅ ；(d) swept NC 由 A₅及 A₆構成，

下方曲線 V_S外加於 A₅及 A₆，上方曲線 V_S僅外加於 A₆。

4.3.3 束縛能態對其他鄰近窄通道電性傳輸行為的影響

另外，為確定 detector NC 的選取是否影響量測束縛能態的結果，後續 分別以 NC_D和 NC_C為 detector NC 量測改變 V_S的變化情形。圖 4-14 呈現以 NCD為 detector NC 進行束縛能態的量測情況，於元件中可找到兩組形成 swept NC 的金屬閘極，分別由 A6、A₃構成，以及 A₂、A₃構成，並且直接 內插 G'_S曲線，即僅外加偏壓於 swept NC 對應單一金屬閘極所影響 2DEG 的電導值 G'_S。改變負載 swept NC 的閘極偏壓 V_S後，G_D變化情形與以 NC_A 當作 detector NC 時呈同樣趨勢，當 NC_D控制在 G_D =10 G0，改變偏壓 V_S至 特定電壓值時，G_D明顯下降，且與 G'_S發生變化的偏壓位置相同；圖 4-14(a)，

VS = -0.10 V 時產生電導變化，變化量為 2.33 G0；而圖 4-14 (b)，V_S= -0.27 V 時產生電導變化，變化量為 8 G₀；總體變化量約為 NC_A當作 detector NC 時 的 10 倍，G_D於其餘通道寬度時則無對應變化。此閘極組合仍沒觀察到束縛 能態所產生的振盪峰值。另外，未使用的金屬閘極浮接與否並不影響量測。

(a) (b)

圖 4-14 以 NC_D為 detector NC，源極與汲極位於 O₇、O₈及 O₅、O₆，NC_D於不同 寬度下 G_D與 V_S的變化情況，標明 G'_S曲線對應右方 Y 軸，其餘曲線對 應左方 Y 軸 G_D，插圖為使用元件閘極圖，於 1.7K 下量測；(a) swept NC 由 A₃及 A₆構成，而 V_S僅外加於 A₆；(b) swept NC 由 A₃及 A₂構成，而 V 僅外加於 A 。

圖 4-15 為以 NCC為 detector NC 進行束縛能態的量測情形，於元件中 可找到三種形成 swept NC 的閘極組合，圖(a)(b)(c)三組 swept NC 分別由 A6

與 A3構成、A2與 A6構成，以及 A2與 A3構成，並且直接內插 swept NC 對 應單一金屬閘極對 2DEG 電導值 G'S曲線，即僅外加偏壓於 swept NC 對應 單一金屬閘極所影響 2DEG 的電導值 G'S。此系列依然沒有觀察到束縛能態 造成的振盪峰值。

然而，將其餘不使用的金屬閘極浮接與否對於此系列量測的影響甚 大，圖 4-15 將剩餘金屬閘極外加 +50 mV 情況下，進行束縛能態對其他鄰 近窄通道電性傳輸行為的影響。將其餘金屬閘極外加 +50 mV 驅離閘極上 殘留的電荷後，束縛能態量測的情況就和前面兩組系列的量測呈現相同趨 勢，以圖 4-15(a)為例，swept NC 由 A₃及 A₆構成，V_S僅外加於金屬閘極 A3，當 swept NC 的閘極偏壓 V_S由 0V 向負偏壓移動時，其造成的位障僅壓 迫 detector NC 寬度最寬的兩條曲線(即 G_D = 5,10 G0)，使得此兩曲線於特定 外加偏壓 V_S發生電導值下降，G_D = 10 G0曲線約位於 V_S = -0.05 V 時電導值 下降約 4 G₀，又 V_S = -0.2 V 時電導值下降約 0.2 G0；而 G'_S曲線發生變電導 值變化的位置亦為 V_S = -0.05 V 及 -0.2 V，電導值變化各為 6 G0及 0.3 G₀， GD及 G'_S兩者電導變化的電壓位置及電導值程度均雷同，而 detector NC 其 他通道寬度的曲線則均不受閘極偏壓 V_S的改變所影響；而圖 4-15(b)以及圖 4-15(c)也展現相同的變化趨勢，因此可將此電導值變化解釋為鄰近金屬閘 極位障壓迫造成窄通道電導值下降，故再次驗證我們於 4.3.2 末段的推測。

圖 4-15 NC_c為 detector NC，源極汲極位於 O₇、O₈及 O₅、O₆，控制其於不同寬度 下 G_D與 V_S的變化情況，其餘金屬閘極外加+50mV，於 1.7K 下量測，

標明 G'_S曲線對應右方 Y 軸 G'_S，其餘曲線對應左方 Y 軸 G_D，插圖為對 應使用的元件閘極圖； (a)swept NC 由 A₃及 A₆構成，而 V_S僅外加於 A₃；(b)swept NC 由 A₆及 A₂構成，而 V_S僅外加於 A₂；(c)swept NC 由 A₃及 A₂構成，G_D曲線外加 V_S於 A₃及 A₂，而 G'_S曲線僅外加 V_S於 A₅。

然而，其餘不使用的金屬閘極浮接與否對於此系列量測的影響甚大，

圖 4-16 則將剩餘金屬閘極浮接情況下進行與圖 4-15 相同的量測，GD的表

圖 4-16 則將剩餘金屬閘極浮接情況下進行與圖 4-15 相同的量測，GD的表