化鎵鋁層的載子被冷釋出，在二維電子氣系統的電子遷移率大幅度提升前，載子
圖 4-1 結構與溫度關係[19]
圖 4-2 在低溫下影響電子遷移率的幾項主要散射機制[19]
圖 4-3 LM4712 變溫量測統計圖
圖 4-4 LM4712 變溫量測其淺層施體能階
圖 4-5 LM4712 變溫量測其深層施體能階
圖 4-6 LM4656 變溫變偏壓- T > 120 K 載子濃度大量上升
圖 4-7 LM4656 變溫下電子遷移率與偏壓的關係
圖 4-8 T > 203K 靠近零偏壓時載子濃度大幅提高[18]
圖 4-9 LM4755 電子遷移率與溫度關係、從 1.42K 到 50K
圖 4-10 LM4783 在 1.4K 量子霍爾效應量測圖
圖 4-11 LM4755 變溫之量子霍爾效應在 T > 10K 消失
圖 4-12 LM4755 量子霍爾效應在 T=1.4K 與 T=0.3K 比較
表 4-1 不同樣品載子濃度與電子遷移率比較
4-2 隔離層大小對電子遷移率的影響
文獻中量測統計的結果隔離層在 40nm 時會有最好的電子遷移率，如 圖 4-13[17]，但是因為通道離值入層越遠了所以載子濃度下降，所以在超過適 當的厚度後，因為濃度下降所造成的砷化鎵鋁中的施體離子與砷化鎵中的背景雜 質的遮蔽效應降低，因而使電子遷移率下降。另外，摻雜的砷化鎵鋁層必須被完 全的空乏，又如果摻雜的砷化鎵鋁層沒有被完全的空乏，在量測時將會在此層產 生平行通道，而較高電導的層將主宰著霍爾量測的結果，如式(4-1)而降低了元 件的電子遷移率，而改善的方法可將砷化鎵鋁層蝕刻到薄一點。然而這個牽扯到 複雜的表面費米能階問題，於是我們便做了一系列不同隔離層之電子遷移率研究，
表 4-2。了解到本實驗室設計的 40nm 隔離層樣品的載子濃度過低，而照光實驗 載子濃度大幅度提升，卻造成電子遷移率下降，圖 4-14。由此可知本實驗室分
子束磊晶比較適合成長 30nm 附近隔離層的二維電子氣系統。而 40nm 的隔離層載 子濃度大幅度的下降，可能代表著大量的電子仍然待在砷化鎵鋁層內，因而降低 了電子遷移率。這一部分有帶進一步的變溫量測實驗確認。也有可能是因為過厚 的砷化鎵鋁層形成一些不完美的缺陷，這一部分有待將來進行更細微的研究，譬 如穿透式電子顯微鏡研究(TEM)。
另外過大的電子氣濃度也會造成多於一個次能帶(subband)導通的可能性，
在較上層的次能帶因為較少的等效遮蔽所以會受到較大的離子雜質散射影響會 有較低的電子遷移率。還有非拋物線型(nonparabolicity)的導帶會在較高能帶 有較大的等效質量，因此也會降低電子遷移率。而文獻中也提到較大的隔離層不 僅會提高電子遷移率也會改變電子遷移率與載子濃度的關係，使其 logu-logNs 特性變的較激烈。
除了成長沒摻雜的砷化鎵鋁隔離層外，另有研究相信利用砷化鎵與砷化鎵鋁 層所成長的超晶格(supperlattice)的隔離層將更有效的阻隔更高濃度參雜所造 成的雜質與缺陷。事實上，在調變式摻雜法發明之前超晶格為提高電子遷移率的 研究主軸，甚至第一個發現調變式摻雜法也是運用在超晶格上。
圖 4-13 Spacer layer 與載子濃度、電子遷移率關係圖[19]
圖 4-14 不同隔離層厚度之電子遷移率與載子濃度之關係
Spacer Ns(E11cm-2) μ(E5 cm2V-1S-1) (donor-vacancy complex , DX center)，而這些電子會擴散到砷化鎵；在低溫 下這些電子的能量低於砷化鎵鋁與砷化鎵之間彼此導帶的能差而產生一個
濃度。此種機制類似將 DX-centre 的能量往砷化鎵鋁導帶的底部移動，以致從二 兩種方式：一種是在通道表面(front gate)覆蓋一蕭基閘極( Schottky gate)，
另一種方式是在基板做背電極(back gate)。但是因為後者離二維電子氣系統較
圖 4-15 LM4656 載子濃度，電子遷移率與偏壓的關係
另外如果砷化鋁佔的比例會造成能帶的不連續情況，進而使的波函數擴散到 砷化鎵鋁層。如此會增加合金散射(alloy scattering)和降低二維電子氣的載子 濃度。而文獻指出在砷化鋁佔的比例低於百分之三十五時電子遷移率是隨著比例 的增加而增加[18]。而本實驗參考文獻採用 Al0.33Ga0.63As 的構成。而透過研究電 子遷移率與載子濃度的相關性，如式(4-3) (Log u ~ Log Ns)可以了解影響電子 遷移率主要的散射源。例如矽金氧半導體反置層(Si-MOS)在室溫時電子遷移率與 載子濃度成指數負三分之一的關係，而在這個關係電子主要是受到透過形變勢能 (deformation potential)感應的聲波聲子(acoustic phonons)的散射影響。文 獻[18]中研究不同隔離層在不同溫度下電子遷離率與載子濃度的關係，表 4-3。
在 12K 下表示著隔離層厚度對電子遷移率與載子濃度關係的影響關係，電子遷移 率與載子濃度強烈的正比關係表示著主要的散射源，來自V r 的傅立葉項( ) V q( )
中變數 q 的增加所造成。而這散射源最可能來自砷化鎵鋁層中的離子雜質散射
LM4640 LM4656 LM4745 LM4755
u(E5cm2v-1s-1) 1.8 2.7 6.1 6.8
N (Es 11cm-2) 2.4 2.9 2.5 2.7
r
2.736 1.08 1.029 0.779表 4-5 不同樣品電子遷移率與濃度關係
不過從本文量測探討的樣品，見圖 4-16，圖 4-17 由變閘極電壓求出電子遷移率 與載子濃度的指數相關性，如表 4-5 電子遷移率約高的樣品卻呈現越低的指數關 係，與文獻所指出的散射關係不相同，這一部分也是將來需要再進一步探討。
在改變表面雜極偏壓下進行量子霍爾效應，可以發現表面閘極在偏壓到 4.5 ~ 0.6V V
− 間的漏電流都小於10nA。而量子霍爾效應隨著負偏壓載子濃度 變少，電子遷移率降低，而變得不明顯圖 4-18。雖然在正偏壓下量子霍爾 效應仍可見，但霍爾平台也出現一些不平整的現象，如圖 4-17。
圖 4-16 LM4745 載子濃度與電子遷移率關係
圖 4-17 LM4755 載子濃度與電子遷移率關係圖
圖 4-18 LM4755 在 0.3K 偏壓到 0.15V 霍爾平台開始模糊
4-4 照光對量子霍爾效應的影響
在低於 100K 的溫度下樣品在照光後載子濃度會增加而電子遷移率也可能會 跟著增加，而即使只是一個短暫的照射這個光電導效應(Photoconductivity effect)也可以維持相當久的時間，所以稱之為反覆的光電導(Persistent Photoconductivity , PPC)[18]。
雖然照光所引起載子濃度增加的來源仍有爭議。當砷化鋁鎵層載子濃度增加 因為緩衝層(buffer layer)存在的電場，朝向介面飄移。而在超過 1.9ev 附近也 有小量的增加，而其變化隨著 AlxGa1-xAs 的構成有關。這些現象代表著牽涉到 GaAs
PPC 效應對量測的影響可以從圖 4-10 不照光標準的低溫(1.4K)霍爾量測可以觀 察到量子霍爾效應的片電阻平台非常的貼近零值，而圖 4-19 是採用光纖探棒量 測，因為光纖有一段短距離外漏在室內燈光下而產生些微的光透到樣品中如圖 4-19 中片電阻不貼近於零。圖 4-20 是在光纖照光讓片電阻達到最低後進行的量 測，由此可見量子霍爾效應幾乎已經不可見。即使 PPC 效應會增高電子遷移率，
但因為會讓樣品效應變得複雜，所以必須在避免 PPC 效應下進行研究。
表 4-6 樣品照光與沒照光之霍爾量測結果比較
5 2 1 1
10
u− cm V S− − −
5 2 1 1
s 10
N − cm V S− − −
圖 4-19 LM4770 使用光性探棒有漏光隻量子霍爾效應量測
圖 4-20 照光下的量子霍爾效應量測
4-5 一維通道量測
建立在二維電子氣系統的高電子遷移率代表著樣品極少散射，使得研究電子 的彈道傳輸特形(ballistic transport)可行，當分離閘極的偏壓加到-0.6v 時 電子被空乏至分離閘極的底下的一定深度，此時電子通道便會被定義出來[22]。
而之後隨著偏壓的增加，電導值便會隨著偏壓出現一個個平台的下降，代表著一 個個電子能階被抬高出費米能階，最後能限制到通道只有一個電子能階存在。如 果通道只有一個電子能階存在，表示著在樣品的源極，汲極端單一時間只有兩個 電子能通過，如此便可以進行單電子元件的研究，如圖 4-21。
圖 4-21 高電子遷移率一維通道電導量子化情形[22]
本文利用電子束微影製作分離閘極，其希望分離閘極寬 0.7um 長 0.4um，但 由於製作 LM4770 樣品時學生 CAD 檔設計錯誤使得寬度達 1.7um 而長仍維持 0.4um，
如圖 4-22。而 LM4755 樣品則設計成三對不同寬度的分離閘極，分別是 0.6um，
0.55um，0.5um，進行了選擇了銲完金線看起來還完整的分離閘極，圖 4-23，圖 4-24 在低溫下進行變溫變磁場的負偏壓量測其結果表示在圖 4-25。
圖 4-22 LM4745 分離閘極圖
圖 4-23 LM4770 進行分離閘極量測接腳示意圖(1)
圖 4-24 LM4770 進行分離閘極量測接腳示意圖(2)
圖 4-25 不同分離閘極負偏壓低溫量測圖 LM4770 樣品在降低溫度下進行量測，平台效應卻沒有明顯許多，圖 4-27。
雖然通道電導有較似線性下降，而多出一個類似的平台，但卻非在整數倍
圖 4-26 不同溫度下通道電導量子化的變化情形[10]
圖 4-27 LM4770 變溫的分離閘極負偏壓量測
如果對樣品加以垂直長晶方向的磁場進行一維電子通道的量測，由於多了磁 場對電子的限制，增加了一維次能帶間的能量間距，隨著磁場的增加而更加增加，
如圖 4-28。
圖 4-28 不同磁場下分離閘極偏壓之通道電導量子化圖[22]
雖然一維彈道通道量子化的量測都在低磁場下進行觀察，而本文進行 LM4770 變磁場的觀察卻發現在超過 2 Tesla 下電導便產生震盪的效應而其類似 平台的電導也產生在低於一個整數倍以下，圖 4-29，關於這一點還需要進一步 確認是樣品分離閘極的損壞或是量測系統上的誤差。
圖 4-29 LM4770 不同磁場下分離閘極負偏壓之電導圖
另外本文在低溫強磁場進行較高電子遷移率6.8 10 cm v s× 5 2 −1 −1載子濃度
11 2
2.74 10 cm× − 的分離閘極量測，量測溫度是 1.5K。而量測結果如圖 4-30，
而比較圖 4-31，圖 4-32 中 LM4770 Split Gap 1.7um 與 LM4755 Split Gap 0.6um 電導值的比較，雖然其接近夾止時的電導是比較線性的情況，但是其 結果更難辨別出對照到整數倍的電導值，其造成的原因是因為所使用的量測 系統不同，亦或式樣品製作上的原因，還須更進一步量測確認。
圖 4-30 LM4755 不同磁場下分離閘極偏壓之電導圖
圖 4-30 LM4755 不同磁場下分離閘極偏壓之電導圖