In0,53Ga0,47As/In0,52Al0,48As heteroeklemlerin elektronik transport özellikleri ve iki-boyutlu elektronların güç kaybı mekanizmalarının Shubnikov -de Haas osilasyonları yöntemiyle araştırılması
Investigation of the electronic transport properties and power loss mechanisms of the two-dimensional electrons in In0,53Ga0,47As/In0,52Al0,48As heterojunctions by Shubnikov -de Haas oscillations technique
Yazar: ENGİN TIRAŞ
Danışman: PROF. DR. MEHMET CANKURTARAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2002
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Elektron = Electron ; Güç kaybı = Power loss ; Heteroeklem = Heterojunction ; Salınım = Oscillation

Özet:
lno,53Gao,47As/ln0js2Alo,48As HETEROEKLEMLERİN ELEKTRONİK TRANSPORT ÖZELLİKLERİ VE İKİ-BOYUTLU ELEKTRONLARIN GÜÇ KAYBI MEKANİZMALARININ SHUBNIKOV-DE HAAS OSİLASYONLARI YÖNTEMİYLE ARAŞTIRILMASI Engin Tıraş Hacettepe Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Fizik Mühendisliği Bölümü ÖZET lno,53Gao,47As/lno,52Alo,48As heteroeklemlerin elektronik transport özellikleri ve sıcak elektronların (hot electrons) güç kaybı mekanizmaları magnetotransport ölçümlerle incelendi. Deneylerde ayırıcı tabaka genişliği ts=0, 100, 200 ve 400 Â olan modülasyonlu katkılanmış örnekler kullanıldı. Klasik magnetotransport (elektriksel direnç ve zayıf magnetik alan Hail direnci) ölçümleri 3,25-295 K sıcaklık aralığında; Shubnikov-de Haas (SdH) osilasyonları ölçümleri ise 3,25-25 K sıcaklık aralığında ve yüksek magnetik alan (1,0-2,3 T) altında yapıldı. SdH osilasyonları fs=0, 100 ve 200 A olan örneklerde iki altbandın, fs=400 Â olan örnekte ise sadece birinci altbandın dolu olduğunu göstermektedir. Klasik magnetotransport deneylerinden örneklerin Hail taşıyıcı yoğunluğu ve Hail mobilitesi ayırıcı tabaka genişliği ve sıcaklığın fonksiyonu olarak elde edildi. Bu veriler kullanılarak lno,53Gao,47As/ln0,52Alo,48As heteroeklemlerde elektronların saçılma mekanizmaları tartışıldı. Düşük sıcaklıklarda (7<50 K) alaşım düzensizliği saçılmasının, yüksek sıcaklıklarda (T>90 K) ise optik fonon saçılmasının başat saçılma mekanizmaları olduğu sonucuna varıldı. SdH osilasyonları ve zayıf magnetik alanlarda ölçülen magnetoresistans verileri analiz edilerek, her altbandda bulunan iki-boyutlu (2D) elektronların taşıyıcı yoğunluğu, etkin kütlesi, transport mobilitesi, kuantum mobilitesi, Fermi enerjisi ve altband enerjileri farkı belirlendi. Düşük sıcaklıklarda ölçülen kuantum mobilitesi ile transport mobilitesi karşılaştırılarak lno,53Gao,47As/ln0,52Alo,48As heteroeklem örneklerde birinci altbandaki 2D elektronların küçük açı saçılması, ikinci altbanddakilerin ise nispeten büyük açı saçılması yaptıkları belirlendi. SdH osilasyonları genliğinin örgü sıcaklığı (3,25<71<15 K) ve örneğe uygulanan elektrik alan (F<200 V/m) ile değişimleri ölçülerek, elektron sıcaklığı (7e) ve sıcak elektronların güç kaybı (P) elektron sıcaklığı'nın fonksiyonu olarak elde edildi. İki ivaltbandı dolu olan heteroeklem örneklerde birinci ve ikinci altbandlar için ayrı ayrı ölçülen elektron sıcaklıklarının yaklaşık eşit olduğu gözlendi. Deneysel P(Te) verileri, dejenere yarıiletkenlerde akustik fonon bölgesi için geliştirilen kuramsal güç kaybı modelleri ile karşılaştırılarak, sıcak elektronların güç kaybı mekanizmaları incelendi. Modülasyonlu katkılanmış ln0,53Gao,47As/ln0,52Alo,48As heteroeklem örneklerde sıcak 2D elektronların kristal örgüyle perdelenmemiş piezoelektrik ve deformasyon potansiyeli etkileşmeleri yaparak soğudukları belirlendi. Anahtar Kelimeler: ln0,53Gao,47As/ln0ı52Alo,48As heteroeklemler, iki-boyutlu elektron gazı, Shubnikov-de Haas olayı, Hali olayı, etkin kütle, kuantum mobilitesi, transport mobilitesi, sıcak elektronlar, güç kaybı, akustik fonon ışıması, alaşım düzensizliği saçılması, uzak iyonize safsızlık saçılması, artık safsızlık saçılması, altbandlar arası saçılma, deformasyon potansiyeli saçılması, piezoelektrik saçılma, enerji durulma zamanı. Danışman: Prof. Dr. Mehmet Cankurtaran, Hacettepe Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Fizik Mühendisliği Bölümü

Abstract:
INVESTIGATION OF THE ELECTRONIC TRANSPORT PROPERTIES AND POWER LOSS MECHANISMS OF TWO-DIMENSIONAL ELECTRONS IN lno,53Ga0>47As/lno,52Alo,48As HETEROJUNCTIONS BY SHUBNIKOV-DE HAAS OSCILLATIONS TECHNIQUE Engin Tıraş Hacettepe University, Faculty of Engineering, Department of Physics Engineering ABSTRACT Electronic transport properties and power loss mechanisms of hot electrons in lno.53Gao.47As/lno.52Alo48As heterojunctions have been investigated by magnetotransport measurements. Modulation-doped samples with spacer layer thickness ts=0, 100, 200 and 400 A have been used in the experiments. Classical magnetotransport (resistivity and low-field Hall effect) measurements have been performed in the temperature range 3.25-295 K, while Shubnikov-de Hass (SdH) effect measurements in the temperature range 3.25-25 K and at high magnetic fields (1.0-2.3 T). The SdH oscillations show that two subbands are already populated for the samples with ts=0, 100 and 200 A and only the first subband is populated for that with ts=400 A. The variations of Hall mobility and Hall carrier density with spacer layer thickness and temperature have been obtained from the classical magnetotransport measurements. The results are used to investigate the scattering mechanisms of electrons in the modulation-doped lno.53Gao.47As/lno.52Alo.48As heterojunctions. It is shown that the alloy disorder scattering and optical phonon scattering are the major scattering mechanisms at low temperatures (T<50 K) and high temperatures (T>90 K), respectively. The SdH oscillations and the magnetoresistance measured at low magnetic fields have been used to determine the carrier density, effective mass, transport mobility, quantum mobility and Fermi energy of two-dimensional (2D) electrons in each subband, and subband separation in lno.53Gao.47As/lno.52Alo.48As heterojunctions. The data obtained for the low-temperature transport and quantum mobilities suggest that the 2D electrons in the first subband undergo low-angle scattering, while those in the second subband undergo mainly large-angle scattering. VIThe variations of the amplitude of SdH oscillations with lattice temperature (in the range 3.25<7ı<15 K) and applied electric field (in the range F<200 V/m) have been used to determine the electron temperature (Te) of hot electrons in each subband and the power loss versus electron temperature, P(Te). The electron temperatures for the samples with double-subband occupancy determined separately for each populated subband are essentially the same. The power loss mechanisms of hot electrons have been discussed by comparing the experimental P(Te) data with the current theoretical models developed for power loss in degenerate semiconductors, in the acoustic phonon regime. It is shown that the power loss from 2D hot electrons in the modulation-doped lno.53Gao.47As/lno.52Alo.48As heterojunctions is via unscreened piezoelectric and deformation-potential interactions with the lattice. Keywords: two-dimensional electron gas, lno.53Gao.47As/lno.52Alo.48As heterojunctions, Shubnikov-de Haas effect, Hall effect, effective mass, quantum mobility, transport mobility, hot electrons, power loss, acoustic phonon emission, alloy disorder scattering, remote ionized-impurity scattering, background impurity scattering, intersubband scattering, deformation potential scattering, piezoelectric scattering, energy relaxation time. Advisor: Prof. Dr. Mehmet Cankurtaran, Hacettepe University, Faculty of Engineering, Department of Physics Engineering Vll