The effect of surface charge self-organization on gate-induced electron and hole two-dimensional systems

Abstract

Предложена простая модель для описания самоорганизации локализованных зарядов и квантового рассеяния в нелегированных структурах GaAs/AlGaAs, в которых двумерный газ электронов, либо дырок создается соответствующим напряжением на затворе. Предполагается, что в такой структуре металл—диэлектрик—нелегированный полупроводник доминирует рассеяние носителей на локализованных поверхностных зарядах, которые могут находиться в любой точке плоскости, имитирующей интерфейс между GaAs и диэлектриком. Предложенная модель рассматривает эти поверхностные заряды и соответствующие заряды изображения в металлическом затворе как замкнутую систему в термостате. Электростатическая самоорганизация для данной системы в состояниях термодинамического равновесия исследована численно с помощью алгоритма Метрополиса в широком диапазоне температур. Показано, что при T > 100 К простая формула, выведенная из теории двумерной однокомпонентной плазмы дает почти такое же поведение структурного фактора при малых волновых числах, как алгоритм Метрополиса. Времена рассеяния затворно-индуцированных носителей описываются формулами, в которых структурный фактор характеризует замороженный беспорядок в данной системе. В этих формулах определяющим является поведение структурного фактора при малых волновых числах. Расчет по этим формулам при беспорядке, отвечающем бесконечной T, дал в два-три раза меньшие времена рассеяния, чем в соответствующих экспериментах. Мы нашли, что теория согласуется с экспериментом при температуре замерзания беспорядка T ≈ 1000 К в случае образца с двумерным электронным газом и T ≈ 700 К для образца с двумерным дырочным газом. Найденные величины являются оценкой сверху температуры замерзания в изучаемых структурах, поскольку модель игнорирует другие источники беспорядка кроме температуры.