一种低磁场砷化镓量子化霍尔电阻样品及其制作方法技术

一种低磁场砷化镓量子化霍尔电阻样品及其制作方法，既能在较低磁场条件下复现量子化霍尔电阻效应，又具有较宽量子电阻样品的平台宽度，平台宽度

【技术实现步骤摘要】
一种低磁场砷化镓量子化霍尔电阻样品及其制作方法


[0001]本专利技术涉及量子测量
，具体涉及一种低磁场砷化镓量子化霍尔电阻样品及其制作方法
。

技术介绍

[0002]量子化霍尔电阻标准实现了电阻计量单位由普朗克常数
h
和电子电荷量
e
直接定义，具有准确度高
、
不随时间地点变化等优点，技术指标相比实物电阻标准提高了2～3个数量级，是颠覆性测量技术，其核心部件是量子化霍尔电阻样品
。
[0003]基于砷化镓的量子化霍尔电阻样品是目前使用最广泛
、
可靠性最高的量子电阻基准器件
。
其中2号平台复现的电阻量值为
12906.4037
Ω
，接近
10
的整数幂
。
如图1所示中的2号平台（
i=2
）是国际上普遍采用的量子电阻平台
。
但是现有技术中的砷化镓量子电阻样品2号平台中心磁场通常在
10T
以上，对超导磁体的绕制材料和绕制工艺要求很高
。
当前
9T
以上超导磁体与
9T
以下超导磁体使用的超导线材料和绕制工艺均不同，
9T
以下超导磁体的成本大幅降低
。
但砷化镓量子电阻样品在过低磁场下复现量子化霍尔效应会存在量子化不充分的问题，多个国家实验室的研究表明通常需要
7T
以上，因此选择2号平台中心磁场在 7T
～
8T
之间的量子电阻样品既可降低磁体成本，又可保证充分量子化
。
[0004]当前研制2号平台中心磁场在
7T
～
8T
的量子电阻样品是各国科学家的努力方向
。
理论上通过降低
Si
的掺杂浓度和增加隔离层的厚度可以降低二维电子气的载流子浓度，进而可以降低量子电阻样品复现效应所需的磁感应强度
。
但是载流子浓度的降低会导致迁移率的上升，使得量子电阻的平台变窄，德国联邦物理技术研究院（
PTB
）研制的
8T
以下的量子电阻样品的平台宽度为
0.27T
，这一平台宽度不适用于电阻计量标准
。
量子电阻的平台宽度越宽说明二维电子气的朗道能级间隔越大，量子效应越稳定
。
平台宽度是衡量量子电阻样品水平的重要技术指标，过窄的量子电阻平台不宜作为计量标准
。
因此，需要研制既能在较低磁场条件下复现量子化霍尔效应，又具有较宽量子平台的量子电阻样品
。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种低磁场砷化镓量子化霍尔电阻样品及其制作方法，既能在较低磁场条件下复现量子化霍尔电阻效应，又具有较宽量子电阻样品的平台宽度，所述平台宽度
≥0.6T
，所述磁场条件是2号平台中心处对应的磁场在
7T
～
8T
之间
。
[0006]本专利技术技术解决方案如下：一种低磁场砷化镓量子化霍尔电阻样品，其特征在于，包括砷化镓异质结材料，所述砷化镓异质结材料具有结合于砷化镓衬底上表面的依次向上叠合的七层结构，第一层是
GaAs
隔离层，第二层是
GaAs/AlGaAs
超晶格层，第三层是高纯净度
GaAs
层，第四层是二维电子气层，第五层是未掺杂的
Al
x
Ga1‑
x
As
隔离层，第六层是掺杂
Si
的
Al
x
Ga1‑
x
As
层，
x=0.28
～
0.32
，第七层是
GaAs
表面层，所述二维电子气层的载流子浓度为（
3.0
～
3.8
）
×
10
17
/cm2，载
流子迁移率为（
1.0
～
4.0
）
×
105/(cm2·
V
·
s)。
以使所述二维电子气层的载流子浓度既匹配于与之正相关的量子化霍尔电阻2号平台中心磁场所期望的低磁场，所述低磁场在
7T
～
8T
之间，也匹配于与之正相关的2号平台宽度所期望的下限值，所述2号平台宽度
≥0.6T。
[0007]所述未掺杂的
Al
x
Ga1‑
x
As
隔离层
203
厚度为
10nm
～
30nm。
[0008]所述未掺杂的
Al
x
Ga1‑
x
As
隔离层厚度为
15nm
～
20nm
，所述2号平台中心磁场为
7.6T
，2号平台对应的磁场区间从
7.3T
起始到
7.9T
结束
。
[0009]所述掺杂
Si
的
Al
x
Ga1‑
x
As
层厚度为
45nm
～
55nm
，所述掺杂
Si
的
Al
x
Ga1‑
x
As
层中
Si
元素的掺杂浓度为（8～9）
×
10
17
/cm3，所述
GaAs
表面层厚度为
9nm
～
11nm。
[0010]所述高纯净度
GaAs
层中的杂质浓度量级为
10
13
/cm3，所述高纯净度
GaAs
层厚度为
380nm
～
420nm
，所述二维电子气层形成于所述高纯净度
GaAs
层与未掺杂的
Al
x
Ga1‑
x
As
隔离层的接触面，所述二维电子气层厚度为
9nm
～
11nm。
[0011]所述
GaAs/AlGaAs
超晶格层用于隔离所述
GaAs
隔离层的杂质，所述
GaAs/AlGaAs
超晶格层具有通过交替生长
GaAs
和
AlGaAs
材料
20
个周期所形成的结构，所述
GaAs
隔离层厚度为
200nm
～
500nm。
[0012]所述2号平台中心磁场处复现的电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种低磁场砷化镓量子化霍尔电阻样品，其特征在于，包括砷化镓异质结材料，所述砷化镓异质结材料具有结合于砷化镓衬底上表面的依次向上叠合的七层结构，第一层是
GaAs
隔离层，第二层是
GaAs/AlGaAs
超晶格层，第三层是高纯净度
GaAs
层，第四层是二维电子气层，第五层是未掺杂的
Al
x
Ga1‑
x
As
隔离层，第六层是掺杂
Si
的
Al
x
Ga1‑
x
As
层，第七层是
GaAs
表面层，所述未掺杂的
Al
x
Ga1‑
x
As
隔离层厚度为
10nm
～
30nm
，
x=0.28
～
0.32
，以使所述二维电子气层的载流子浓度既匹配于与之正相关的量子化霍尔电阻2号平台中心磁场所期望的低磁场，所述低磁场在
7T
～
8T
之间，也匹配于与之正相关的2号平台宽度所期望的下限值，所述2号平台宽度
≥0.6T。2.
根据权利要求1所述的低磁场砷化镓量子化霍尔电阻样品，所述未掺杂的
Al
x
Ga1‑
x
As
隔离层厚度为
15nm
～
20nm
，所述2号平台中心磁场为
7.6T
，2号平台对应的磁场区间从
7.3T
起始到
7.9T
结束
。3.
根据权利要求1所述的低磁场砷化镓量子化霍尔电阻样品，所述2号平台中心磁场处复现的电阻量值为
12906.4037
Ω
，测量不确定度相对值小于2×
10
‑8。4.
根据权利要求1所述的低磁场砷化镓量子化霍尔电阻样品，所述高纯净度
GaAs
层中的杂质浓度量级为
10
13
/cm3，所述高纯净度
GaAs
层厚度为
380nm
～
420nm
，所述二维电子气层形成于所述高纯净度
GaAs
层与未掺杂的
Al
x
Ga1‑
x
As
隔离层的接触面，所述二维电子气层厚度为
9nm
～
11nm
，所述二维电子气层的载流子浓度为（
3.0
～
3.8
）
×
10
17
/cm2，载流子迁移率为（
1.0
～
4.0
）
×
105/(cm2·
V
·
s)。5.
根据权利要求1所述的低磁场砷化镓量子化霍尔电阻样品，所述
GaAs/AlGaAs
超晶格层用于隔离所述
GaAs
隔离层的杂质，所述
GaAs/AlGaAs
超晶格层具有通过交替生长
GaAs
和
AlGaAs
材料
20
个周期所形成的结构，所述
GaAs
隔离层厚度为
200nm
～
500nm。6.
根据权利要求1所述的低磁场砷化镓量子化霍尔电阻样品，所述掺杂
Si
的
Al
x
Ga1‑

【专利技术属性】
技术研发人员：黄晓钉，王忠伟，蔡建臻，曾一平，杨宝平，
申请(专利权)人：北京东方计量测试研究所，
类型：发明
国别省市：