Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 3 Большое повышение максимальной дрейфовой скорости электронов в канале полевого гетеротранзистора й Ю.К. Пожела, В.Г. Мокеров+ Институт физики полупроводников, 01108 Вильнюс, Литва + Институт СВЧ полупроводниковой электроники Российской академии наук, 117105 Москва, Россия (Получена 23 мая 2005 г. Принята к печати 30 июня 2005 г.) Показано, что квантование моментов оптических фононов в квантовой яме GaAs путем формирования барьерного слоя InAs с квантовыми точками позволяет исключить неупругое рассеяние электронов на оптических фононах и повысить дрейфовую скорость электронов выше дрейфовой скорости насыщения.

Экспериментально установлено десятикратное увеличение максимальной дрейфовой скорости электронов в сильных электрических полях в гетероструктуре AlGaAs/GaAs с введенными барьерами в виде квантовых точек InAs в квантовой яме GaAs в сравнении с дрейфовой скоростью насыщения в объемном GaAs.

Увеличение максимальной дрейфовой скорости электронов позволяет повысить максимальную плотность тока, крутизну и частоту отсечки гетероструктурного полевого транзистора с квантовыми точками.

PACS: 85.30.Tv, 85.35.Be 1. Введение бесстолкновительном пролете дрейфовая скорость электронов в GaAs может достигать (5-10) 107 см/c [1].

Повышение крутизны и быстродействия транзисторов В настоящей работе предложена слоистая гетероявляется центральной задачей современной электрони- структура GaAs/AlGaAs/GaAs/InAs/GaAs/InAs/GaAs, в ки. Крутизна полевого транзистора (ПТ) gm и пре- которой удается путем квантования моментов фононов подавить рассеяние оптическими фононами и эксперидельная частота f определяются размерами активной T области (длиной затвора Lg) и дрейфовой скоростью vdr ментально наблюдать увеличение максимальной скорости дрейфа электронов в квантовой яме (КЯ/QW) GaAs электронов в канале:

с введенными тонкими слоя InAs с квантовыми точками (КТ/QD).

gm vdr, f vdr/Lg.

T Повышение быстродействия достигается минимизаци2. Квантование моментов оптических ей длины канала транзистора на уровне предельных фононов и увеличение дрейфовой возможностей литографического процесса. Повышение скорости в слоистой быстродействия за счет увеличения подвижности и гетероструктуре дрейфовой скорости электронов в структурах с модулированным легированием (MODFET или HEMT) Рассмотрим транспорт электронов в модулированно ограничивается условием vdr

поле превышает 103-104 B/см и дрейфовая скорость В отсутствие слоев InAs с КТ электроны, захваченные электронов достигает своего максимального значения в КЯ GaAs, ускоряясь в электрическом поле до энергии vS 107 см/с, которое соответствует насыщению тока.

оптического фонона, теряют приобретенную в поле Насыщение дрейфовой скорости является физическим скорость в результате резкого неупругого рассеяния ограничением, которое формирует предел для повышес эмиссией оптического фонона и останавливаются.

ния крутизны и быстродействия транзистора.

Повторение процесса ускорения и остановки приводит Максимальная дрейфовая скорость электронов в полук тому, что средняя дрейфовая скорость электронов проводнике определяется резко неупругим рассеянием не растет с ростом поля, а насыщается [2]. Рис. электронов на оптических фононах. В этом смысле иллюстрирует эффект ограничения дрейфовой скорости.

vS 0 ( 0 Ч энергия оптического фонона) явСредняя максимальная дрейфовая скорость vS может ляется фундаментальной постоянной материала. Фундабыть оценена как ментальным решением проблемы повышения дрейфовой vS = vopt/2, (1) скорости электронов в сильных электрических полях где vopt = 2 0/m. Именно этот эффект лимитирует является исключение неупругого рассеяния электронов рост дрейфовой скорости электрона и ограничивает оптическими фононами в канале транзистора. Известно, быстродействие и крутизну транзистора.

например, что в субмикрометровых структурах при В GaAs момент электрона с энергией оптиче E-mail: pozela@spi.pfi.lt ского фонона 0 = 36 мэВ равен kopt = /Lopt, где Большое повышение максимальной дрейфовой скорости электронов в канале... фононов многократно уменьшает скорость рассеяния электронов на захваченных оптических фононах [5,6].

Однако захват фононов в фононную КЯ сопровождается генерацией поверхностных фононов на границе раздела гетероструктуры, и электрон при своем движении параллельно плоскостям раздела неупруго рассеивается на поверхностных фононах так же эффективно, как на объемных. Уменьшение скорости рассеяния на захваченных фононах в значительной степени компенсируется ростом скорости рассеяния на поверхностных фононах.

Это означает, что квантование моментов оптических фононов только в одном, поперечном движению электронов, направлении не решает задачи о резком снижении скорости рассеяния электронов на оптических фононах.

Формирование в КЯ GaAs слоев КТ InAs приводит к квантованию моментов оптических фононов в GaAs между КТ InAs как в продольном, так и в поперечном движению электрона направлении. Каждая линзообразная КТ [12] является отражателем для оптических фононов в GaAs. Минимальный момент оптического фонона в направлении x есть Рис. 1. Схема гетероструктуры AlGaAs/GaAs со слоями qx =, (2) lx квантовых точек в квантовой яме GaAs. Cлои структуры показаны не в масштабе.

где lx Ч толщина слоя GaAs между КТ InAs и гетеропереходом. Если lx < 12.5 нм, то электроны в своем движении, достигнув энергии оптического фонона, не встречают фононов, на которых они могли бы рассеяться (рис. 2), и их дрейфовая скорость растет с ростом электрического поля, пока не происходит неупругое рассеяние на квантованном оптическом фононе. Условия сохранения энергии и импульса дают для нового максимального значения дрейфовой скорости электрона, vmax, в направлении, перпендикулярном x, vmax Lopt = 1 +. (3) vS lx Необходимым условием для существенного увеличения максимальной дрейфовой скорости является малый размер длины квантования lx. Это условие можно выполнить при достаточной плотности КТ, образующих сплошной барьер вдоль всего канала структуры и малой Рис. 2. Плоскость волновых векторов электронов k толщине слоев GaAs между слоями КТ. Например, в и фононов q. В отсутствие квантования волновой векGaAs при lx 4 нм, согласно (3), дрейфовая скорость тор электронов ограничивается окружностью с радиусом электрона vmax при квантовании момента фонона превыk kopt = 2 0m/. При квантовании оптические фононы шает максимальную дрейфовую скорость при рассеянии между плоскостями qx = /lx отсутствуют. Электрон ускоряна объемных фононах, vS, в 10 раз.

ется до km > kopt.

Квантование момента оптических фононов выталкивает их из пространства моментов электронов и тем самым снимает ограничение роста дрейфовой скорости.

Lopt = 12.5нм, и vS = 2 107 см/с. В полях E > 104 B/cм в результате переброса электронов в верхние доли3. Экспериментальное наблюдение ны максимальная дрейфовая скорость снижается до повышения дрейфовой скорости vS (0.7-1) 107 см/c [3].

Задача о снижении электрон-фононного рассеяния Схема выращенных методом молекулярно-лучевой путем квантования моментов оптических фононов ре- эпитаксии структур показана на рис. 1. На полуизолишалaсь во многих работах [4Ц11]. Показано, что захват рующей подложке GaAs (100) выращивался нелегироФизика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 364 Ю.К. Пожела, В.Г. Мокеров ванный барьерный слой GaAs толщиной 0.5 мкм и разделенные слоями GaAs (5.6 нм) два слоя InAs (1.07 нм), в которых формировались КТ различных размеров и с различной плотностью. Затем выращивались нелегированный спейсерный слой Al0.2Ga0.8As толщиной 10 нм, -слой Si (2.5 1012 см-2) и нелегированный барьерный слой Al0.2Ga0.8As толщиной 35 нм. Формирование гетероструктур завершалось выращиванием нелегированного слоя GaAs толщиной 6 нм и легированного кремнием (3 1018 см-3) контактного слоя n+-GaAs.

Длина структуры между токовыми контактами составляла 2 мкм, а ширина канала GaAs Ч 0.4 мкм. Квантовые точки представляли собой ДлинзыУ диаметром 20Ц40 нм и толщиной 3Ц5нм [10Ц12]. Существенным является Рис. 3. Вольт-амперные характеристики структур с большой то, что в отличие от работ [13,14] оба слоя КТ InAs плотностью КТ: a, b и c Ч различная толщина контактного располагались на расстоянии меньше 10 нм от границы слоя n+-GaAs, d Ч стравлен контактный слой. e Ч ВАХ гетероперехода AlGaAs/GaAs, т. е. внутри КЯ GaAs (шиструктуры с малой плотностью КТ.

рина КЯ на уровне нижнего энергетического состояния L 15 нм). Это приводило к захвату на КТ свободных электронов, индуцированных в КЯ GaAs.

В рассматриваемой структуре расстояние между сло- различной толщиной контактного слоя составляет 450 - 500 мкА (рис. 3). Этому приросту тока соответствует ями КТ и гетеропереходом с учетом толщины КТ было равенство 1Ц2 нм, благодаря чему величина минимального момента оптического фонона оказывалась много больше kopt. Это ndvmax =(0.7-0.8) 1020 см-1 c-1, (4) обеспечивало при достаточной плотности КТ отсутствие рассеяния электронов на захваченных фононах.

где vmax Ч новое значение максимальной дрейфовой Были выращены также структуры с меньшей конскорости.

центрацией КТ. В этих структурах нарушались условия Плотность и латеральные размеры КТ InAs в расквантования моментов фононов на малых длинах, и сматриваемой структуре не превышали 5 1010 см-2 и лишь малое число свободных электронов в канале 40 нм [12,13,16,17]. Соответственно максимальное колизахватывалось на КТ.

чество электронов, захваченных на КТ, не превышало Выращенные оба типа структур Ч с большой и малой nd 1012 cм-2. Значит, согласно (4), наблюдаемая макплотностью КТ Ч имели существенно разные провосимальная дрейфовая скорость в области насыщения димости и вольт-амперные характеристики. Измерение тока составляет низкополевой холловской подвижности и концентрации электронов показывает, что от плотности КТ зависит vmax (7 - 8) 107 см/с (5) не только число захваченных электронов на КТ, но и их подвижность. Измерения концентрации свободи на порядок превышает максимальную дрейфовую ных электронов в этих структурах показали, что в скорость в объемном GaAs vS 0.8 107 см/с при структуре с малым числом КТ концентрация свободных E > 3 104 В/см.

электронов близка к той, что имеет структура без КТ, Столь большое увеличение дрейфовой скорости соот8 1011 см-2. В структуре с большой концентрацией КТ ветствует условию независимости низкополевой подвижэта концентрация лишь 6 1010 cм-2. Практически все ности 0 = 3 103 см2/B c от величины электрического свободные электроны оказываются захваченными на КТ поля благодаря исключению рассеяния на оптических и не участвуют в проводимости.

фононах. В поле E2 = 3 104 B/cм в области второй В образцах с большим количеством КТ (3 1010 cм-2) ступеньки дрейфовая скорость vdr2 = 0E2 = 108 см/с, подвижность ( 2830 см2/В с) оказалась выше, чем в или vdr2 vmax. В поле E1 = 104 B/см в области перобразцах с малым числом КТ ( 1000 см2/B c).

вой ступеньки vdr1 = 0E1 = 3 107 cм/с, или vdr1 >vS.

Зависимости тока ID через структуру с большой Эксперимент подтверждает, что в области первой ступлотностью КТ от напряжения на структуре VD демонпеньки не наблюдается насыщения тока, обусловленного стрируют двухступенчатый рост тока, характерный для насыщением дрейфовой скорости vS, характерного для полевого транзистора с КТ [15], с хорошо проявленным ПТ без КТ.

насыщением тока на уровне 500 мкА для всех образцов Таким образом, экспериментально открыт эффект ги(см. рис. 3). Первая ступенька соответствует началу гантского увеличения максимальной дрейфовой скороионизации КТ в сильном электрическом поле, вторая Ч насыщению тока после ионизации КТ. сти электронов в КЯ GaAs при введении в нее барьера Прирост тока от первой полки до второй за счет InAs с КТ в сравнении с дрейфовой скоростью насыщеосвобождения nd электронов из КТ во всех образцах с ния в объемном GaAs (vS 107 cм/с).

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Большое повышение максимальной дрейфовой скорости электронов в канале... Гигантский рост максимальной дрейфовой скорости тического фонона и тем самым повысить максимальную электронов наблюдается только в структуре с боль- дрейфовую скорость электрона.

шой плотностью КТ в слое InAs (выше 3 1010 см-2). Экспериментально установлено десятикратное увелиB cтруктуре с малой плотностью КТ в слое InAs чение максимальной дрейфовой скорости в сильных (меньше 3 1010 см-2) дрейфовая скорость не превыша- электрических полях в гетероструктурах AlGaAs/GaAs c ет дрейфовой скорости насыщения в объемном GaAs. введенными барьерами КТ InAs с большой плотностью Об этом свидетельствует то обстоятельство, что мак- (3 1010 см-2) в КЯ GaAs в сравнении с дрейфовой скоростью насыщения в объемном GaAs.

симальный ток через такую структуру, несмотря на Увеличение дрейфовой скорости в гетероструктурах высокую концентрацию свободных электронов в канале (8 1011 см-2), не превышает 70 мкА (рис. 3). Это соот- с КТ позволяет значительно повысить плотность тока, крутизну и частоту отсечки полевых транзисторов на ветствует дрейфовой скорости насыщения vS 107 см/с.

базе таких структур.

Этот факт мы связываем с тем, что при концентрации КТ больше 3 1010 см-2 образуется сплошной, разделяющий фононы в КЯ GaAs барьер из КТ. Из-за отражения Список литературы фононов от барьеров из КТ их момент квантуется и максимальная дрейфовая скорость электронов, согласно [1] J. Poela. Physics of High-Speed Transistors (Plenum Press, (3), растет. При меньшем числе КТ оптические фононы N. Y.ЦLondon, 1993.).

захватываются лишь на отдельных малых участках вдоль [2] I. Vosylius, I. Levinson. Zhurn. Exp. Theor Fiz., 50, (1966); Fiz. Tverd. Tela, 10, 1462 (1968).

канала GaAs. На большой части длины канала фононный [3] G. Hill, P.N. Robson. Sol. St. Electron., 25, 589 (1982).

барьер отсутствует и рассеяние электронов на оптиче[4] N. Mori, T. Ando. Phys. Rev. B, 40, 6175 (1989).

ских фононах велико.

[5] I. Lee, S.M. Goodnick, M. Gulia, E. Molinary, P. Lugli. Phys.

Гигантский рост тока насыщения не обусловлен Rev. B, 51, 7046 (1995).

ростом тока через поверхностный контактный слой [6] J. Poela, K. Poela, V. Jucien. Semicond. Sci. Technol., 10, n+-GaAs высокой проводимости (рис. 1). Ток насыще1076, 1555 (1995).

ния через слой n+-GaAs толщиной 10 нм не превышал [7] J. Poela, V. Jucien, A. Namajnax, K. Pozla. Physica E, 5, 50 мкА и был малым по сравнению с большим ростом 108 (1999).

тока насыщения в канале с КТ. Токи в переходной об- [8] B.K. Ridley. Phys. Rev. B, 39, 5282 (1989).

[9] B.K. Ridley, M. Babiker, N.A. Zakhleniuk, C.R. Bennett. In:

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам