УДК 538971 621 739

В.Г. Мокеров, член-корр. РАН, Ю.В. Федоров, Л.Э. Великовский, М.Ю. Щербакова, Институт радиотехники и электроники РАН

ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРНОГО ТРАНЗИСТОРА НА КВАНТОВЫХ ТОЧКАХ

Исследованы модулированно-легированные гетероструктуры N-AlGaAs/GaAs/lnAs/ GaAs/lnAs/GaAs с квантовыми точками, встроенными в “токовый” канал GaAs, и изучены характеристики транзисторов на их основе. Показано, что подвижность и концентрация двумерных электронов значительно изменяются (уменьшаются) из-за наличия квантовых точек в приборном канале. Вольт-амперные характеристики этих гетероструктур в сильных электрических полях проявляют аномальную “двухступенчатую” форму, обусловленную вкладами квантовых точек в протекание тока от двух типов электронных состояний: от подвижных двумерных электронов и электронов, локализованных на квантовых точках. В отличие от всех ранее известных модулированно-легированных полевых транзисторов транзисторы на квантовых точках демонстрируют принципиально новый тип приборов на “горячих” электронах, представляющийся перспективным для высокочастотных применений.

Введение

Молекулярно-лучевая эпитаксия модулированно-легированных гетероструктур с КТ

Оптические и электрические свойства гетероструктур с КТ

Электронный транспорт в гетероструктурах с КТ в сильных электрических полях

Характеристики транзисторов на модулированно-легированных гетероструктурах с КТ

Введение

Полупроводниковые гетероструктуры с квантовыми точками (КТ), часто рассматриваемыми как искусственные атомы, привлекают большой интерес, как научный, так и практический. Наиболее перспективная технология их получения базируется на гетероэпитаксиальном росте по механизму Странски-Крастанова, при котором эпитаксиальный слой формируется на подложке, не согласованной с ним по параметрам решетки, и КТ возникают при толщине слоя, превышающей некоторое критическое значение [1-3]. Хотя в последние годы было выполнено много работ по изучению структурных и оптических свойств КТ, однако до сих пор мало известно об исследованиях электронного транспорта в этих системах, особенно в сильных электрических полях. Отсутствуют данные и по транзисторам на КТ.

В настоящей статье представлены исследования оптических и транспортных свойств двумерных электронов в модулированно-легированных гетероструктурах N-AlGaAs/GaAs/InAs/GaAs/InAs/GaAs с КТ InAs, встроенными в приборный канал, а также впервые исследованы характеристики транзисторов на их основе.

Молекулярно-лучевая эпитаксия модулированно-легированных гетероструктур с КТ

Рис. 1. Поперечное сечеиие модулированно-легированных гетероструктур с квантовыми точками

Исследованы два типа гетероструктур с КТ (S1 и S2), выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) на полуизолированной подложке GaAs (100). Их поперечное сечение схематически изображено на рис. 1. Оно включает нелегированный буферный слой GaAs толщиной 0,5 мкм, два очень тонких слоя InAs, разделенных нелегированным “спейсер”-слоем GaAs. Для образцов S1 толщина слоев InAs составляла 1,07 нм, а “спейсер”-слоя GaAs – 5,6 нм. Для образцов S2 эти толщины были 0,7 и 3,7 нм соответственно.

В обоих случаях формировались два слоя КТ с различными размерами и плотностью. Затем, после выращивания второго “спейсер”-слоя GaAs с толщинами 5,6 и 3,7 нм для образцов S1 и S2 соответственно, выращивались нелегированный “спей-сер”-слой Al_0,2Ga_0,8As толщиной 10 нм, (Si)-легированный слой и нелегированный барьерный слой Al_0,2Ga_0,8As толщиной 35 нм. Формирование гетероструктур завершалось выращиванием нелегированного слоя GaAs толщиной 6 нм и легированного кремнием (3×10¹⁸ см^-3) контактного слоя GaAs толщиной 40 нм. В качестве образцов сравнения (SR) были выращены псевдоморфные напряженные гетероструктуры AlGaAs/In_yGa_1-_y As/GaAs без КТ, но с той же средней мольной долей In () и толщиной слоя In_0,17Ga_0,83As 12 нм.

Оптические и электрические свойства гетероструктур с КТ

На рис. 2 показана фотография поверхности образца S1, сделанная на атомно-силовом микроскопе. Для этого образца МЛЭ-рост был завершен сразу после осаждения второго слоя InAs. На рис. 2 видно, что средний размер КТ и плотность их расположения составляют ~ 40 нм и 3×10¹⁰ см^-2 соответственно. Формирование КТ в образцах S1 и S2 было также подтверждено и измерениями спектров фотолюминесценции (ФЛ) при К Для этих образцов наблюдались характерные для КТ широкие полосы ФЛ при энергиях фотонов () 1,27 и 1,25 эВ соответственно. Вместе с тем в образце SR, где нет КТ, в спектре ФЛ вместо широкой полосы наблюдались две узких линии (при эВ и эВ), характерные для модулированно-легированных квантовых ям и соответствующие оптическим переходам между двумя заполненными электронными подзонами и дырочными состояниями [4-5].

Рис. 2. Фотография поверхности образца S1, выполненная на атомно-силовом микроскопе

В таблице приведены результаты Холловских измерений подвижности и плотности двумерных электронов в различных образцах. Из таблицы следует, что введение КТ в приборный канал (образцы S1 и S2) приводит к уменьшению электронной подвижности и к существенному снижению электронной концентрации в образце S1 по сравнению с образцом сравнения SR. В образцах S1, очевидно, имеет место захват большинства электронов на глубокие уровни КТ. В образцах S2, выращенных с меньшим количеством осажденного InAs, латеральные размеры КТ могут быть меньше, а их электронные уровни, соответственно, менее глубокими. В результате меньшее число электронов может захватываться этими КТ. Более низкие по сравнению с образцом SR значения электронной подвижности в образцах S1 и S2 являются прямым указанием на то, что введение КТ InAs в приборный канал приводит к формированию специфических потенциалов, эффективно рассеивающих двумерные электроны. Захваченные на КТ электронные заряды и упругие напряжения, возникающие вокруг каждой КТ, могут быть ответственны за эти рассеивающие потенциалы.

Таблица. Результаты Холловских измерений и

*Образцы*	, см² / (В×с)		, см^-2
*Образцы*	77 К	300 К	77 К	300 К
SR	10108	4500	8,2×10¹¹	9×10¹¹
S1	3000	2552	1×10¹¹	6×10¹⁰
S2	1500	1000	8,3×10¹¹	8,05×10¹¹

Электронный транспорт в гетероструктурах с КТ в сильных электрических полях

Если часть двумерных электронов в образцах S1 и S2 (особенно в S1) захватывается КТ, то они, естественно, не могут участвовать в низкополевом электронном транспорте. Однако, если это действительно так, то их вклады должны проявиться в сильных электрических полях в результате индуцированной полем эмиссии электронов из КТ. Для проведения таких экспериментов на образцах S1 и S2 были изготовлены специальные транзисторные структуры, такие же, как и изображенные на рис. 1, но без затворов. Расстояние между омическими контактами истока и стока в них составляло 2 мкм. На рис. 3 приведены их вольт-амперные (ВАХ) характеристики. Как видно на рис. 3, ВАХ гетероструктур с КТ, в отличие от кривых с насыщением для “классических” структур полевых транзисторов, имеют аномальную “двухступенчатую” форму.

Рис. 3. ВАХ гетероструктур с квантовыми точками (образец S1) в сильных электрических полях

Две ступеньки на этих ВАХ объясняются вкладами от двух различных типов электронных состояний подвижных двумерных электронов (как в стандартных полевых транзисторах), ответственных за первую ступеньку, соответствующую насыщению их дрейфовой скорости, и электронов, локализованных на КТ. Последние ответственны за вторую ступеньку. Они дают вклад в электронный транспорт только в сильных электрических полях , превышающих некоторое пороговое поле .

В результате эмиссии электронов из КТ, индуцированной этими полями. Как видно на рис. 3 (кривые b и с), при сокращении расстояния между поверхностью образца и каналом транзистора (путем стравливания некоторого поверхностного слоя) происходит уменьшение силы тока в области первой ступеньки или даже полное его исчезновение. Это, очевидно, обусловлено обеднением канала подвижными носителями за счет усиления эффекта воздействия поверхностного потенциала. При этом из-за наличия только второй ступеньки ВАХ приобретает отчетливо пороговый характер.

Характеристики транзисторов на модулированно-легированных гетероструктурах с КТ

Рис. 4. ВАХ гетероструктурных транзисторов на квантовых точках

На основе образцов гетероструктур S1 и S2 были изготовлены полевые транзисторы с длиной затворов от 0,3 до 0,4 мкм (см. рис. 1) ВАХ этих транзисторов показаны на рис. 4. Как видно, приложение даже нулевого смещения к затвору приводит к существенному сдвигу второй токовой ступеньки к более низким значениям напряжений по сравнению с “беззатворными” приборами. Этот эффект может быть объяснен перераспределением электрического поля в приборном канале. Действительно, поскольку большинство электронов в образцах S1 локализовано на глубоких уровнях в КТ, их концентрация должна слабо управляться напряжением на затворе. В соответствии с этим распределение потенциала вдоль длины затвора должно сохраняться постоянным. В этом случае, большая часть напряжения, приложенного между стоком () и истоком (), должна падать только на промежутке между стоком и ближайшим к нему краем затвора. Поскольку расстояние меньше, чем расстояние между стоком и истоком , электрическое поле в реальной рабочей области (т е. в промежутке ) должно быть больше, чем среднее электрическое поле в “беззатворном” приборе. Поэтому пороговое напряжение должно уменьшиться по сравнению с “беззатворными” приборами. Из рис. 4 также следует, что сила тока насыщения для второй ступеньки практически не зависит от напряжения на затворе , однако пороговое напряжение для этой ступеньки очень эффективно управляется напряжением . Эти характеристики принципиально отличаются от характеристик “классических” полевых транзисторов, для которых лишь электронная плотность и соответственно токи насыщения управляются напряжением . Таким образом, данные на рис. 4 показывают, что в исследуемых транзисторах концентрация электронов, участвующих в транспорте при сильном поле, не зависит от , тогда как пороговое напряжение , необходимое для эмиссии электронов из КТ, уменьшается, когда становится более отрицательным. Таким образом, вместо “запирания” транзистора при отрицательных , как это происходит во всех полевых транзисторах, в приборах на КТ ток стока в области малых напряжений в этом случае даже увеличивается. Наблюдаемое уменьшение порогового напряжения объясняется увеличением эффективного поля в промежутке .

Пороговое электрическое поле, достижение которого необходимо для инициирования эмиссии электронов из глубоких уровней в КТ, можно определить из ВАХ “беззатворных” приборов: В/см. На основании величины можно оценить и эффективную глубину (энергию залегания) заполненных электронных уровней в КТ:

мэВ (1)

где нм – латеральный размер КТ Из кривых, приведенных на рис. 4, была определена также максимальная удельная крутизна исследуемых транзисторов в области малых напряжений , т.е. там, где токи управляются смещением на затворе : мСм/мм. При этом следует ожидать, что рабочая емкость этих транзисторов невелика. Достаточно большая крутизна и предполагаемая малая емкость этих приборов дают основания рассматривать их весьма перспективными для высокочастотных применений.

В заключение отметим, что исследованные транзисторы на модулированно-легированных гетероструктурах с КТ принципиально отличаются от всех известных полевых транзисторов (например, НЕМТ). Необычность их характеристик обусловлена тем, что носителями тока в них являются “горячие” электроны, т.е. электроны, имеющие энергию, большую глубины залегания заполненных электронных состояний в КТ. Поэтому их можно рассматривать как новый тип приборов на “горячих” электронах. Ввиду высокой крутизны и малой емкости эти приборы могут оказаться очень перспективными для высокочастотных применений.

Список литературы

1. Leonard D., Pond К. and Petroff P.M. Phvs Rev, 1994, Vol. B50, № 16. P 11687-11692.

2. Moison J. M., Houzay F., Barthe F., Leprince L., Andre Е., Vatel О. Appl. Rhys. Lett., 1994. Vol. 64, № 2. P. 196-198.

3. Solomon G. S., Trezza J. A., Harris J., Jr. Appl. Phys. Lett. 1995. Vol. 66, № 23. P. 3161-3163.

4. Pozela J., Jucine V., Namajinas A., Pozela K., Mokerov V.G., Fedorov Yu.V., Kaminskii V.Е., Hook A.V., J. Appl. Phys., 1997. Vol. 32. № 1. P 5564-5567.

5. Мокеров В.Г., Федоров Ю.В., Гук А.В., Хабаров Ю.В. ДАН, 1998. Т. 362, № 3. С. 335-338.

Наверх