Научный руководитель – И. С. ВАСИЛЬЕВСКИЙ, к. ф.-м. н., доцент
Г. Б. ГАЛИЕВ, д. ф.-м. н., зав. лаб.
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники (ИСВЧПЭ) РАН, Москва
Наногетероструктура In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As с компенсацией механической деформации для радиационно стойких СВЧ транзисторов
НАНОГЕТЕРОСТРУКТУРА In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As С компенсацией механической деформации для радиационно стойких СВЧ транзисторов
Впервые предложена и апробирована полупроводниковая наногетероструктура In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As с двумя вставками InAs, позволяющая существенно уменьшить эффективную массу электронов в квантовой яме и снизить концентрацию протяженных линейных дефектов в активном слое.
В НИЯУ МИФИ на кафедре «Физика наноразмерных гетероструктур и СВЧ наноэлектроники» при участии сотрудников ИСВЧПЭ РАН и ИФЯЭ НИЯУ МИФИ в рамках проекта -136 была разработана и изготовлена многослойная полупроводниковая наногетероструктура InxGa1-xAs/In0.52Al0.48As c активной областью, состоящей из комбинации решеточно-согласованных с подложкой InP слоев In0.53Ga0.47As, разделенных двумя дополнительными слоями нелегированного InAs толщиной от 1.2 до 3.6 нм, расположенных симметрично относительно гетерограниц In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As [1], которая обеспечивает более плавное распределения механической деформации в активном слое наногетероструктуры и большую стойкость к термическому перегреву и радиационному облучению.
В наногетероструктурах In0.52Al0.48As/InхGa1-хAs/In0.52Al0.48As с разной мольной долью InAs (х = 0.5÷0.8) на подложках InP двумерный электронный газ с высокой концентрацией ns ~ 2÷3×1012 см-2 обладает высокой подвижностью μe ≥ 10000 см2/(В·с) и наиболее высокой дрейфовой скоростью насыщения электронов среди всех арсенидных наногетероструктур. Данные структуры активно применяются для создания СВЧ устройств миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн, например HEMT (high electron mobility transistor). Однако, при возрастании х и сохранении изоморфного состава барьерных слоев InyAl1-yAs (у = 0.52) толщина напряженного слоя InxGa1-xAs должна последовательно уменьшаться. Так, для приемлемой ширины квантовой ямы (КЯ) ~ 16 нм превышение x > 0.7 приводит к релаксации напряженного эпитаксиального слоя и резкому падению μe. Сильное рассогласование параметров решетки InхGa1-хAs относительно In0.52Al0.48As приводит к возникающей упругой деформации в активном слое и не позволяет добиться желаемого увеличения µе и, как следствие, усиления рабочей частоты транзистора за счет увеличения дрейфовой скорости электронов. Известно, что введение одного тонкого слоя InAs в КЯ InGaAs приводит к увеличению μe по сравнению со структурой, содержащей однородную КЯ. Таким образом, введение вставки InAs, c одной стороны, увеличивает µе за счет возрастающего энергетического зазора между подзонами размерного квантования и уменьшения mе* в КЯ. С другой стороны, увеличение толщины слоя InAs еще более ограничено критическим значением порядка 4 нм (x = 1), превышение которого приводит к ухудшению качества вставки и всей активной области из-за образования дислокаций несоответствия и прорастающих дислокаций.
Таким образом, для дальнейшего увеличения рабочей частоты HEMT необходимо изменять слоевую конструкцию КЯ с учетом ограничений, накладываемых механической деформацией слоев. Тем самым, необходимо соединить воедино преимущество как наногетероструктур с одиночной вставкой InAs, так и использовать активные слои на основе составных КЯ (СКЯ), неоднородных по составу, в том числе содержащих несколько наноразмерных гетеровставок различных полупроводников [2].
Предложенная и апробированная наногетероструктура, во-первых, в отличие от структуры с одной вставкой InAs в КЯ, обеспечивает увеличение дрейфовой скорости насыщения электронов в канале транзистора за счет уменьшения эффективной массы в составном активном слое In0.53Ga0.47As/InAs/In0.53Ga0.47As/InAs/In0.53Ga0.47As, а во-вторых, не приводит к сильному напряжению в растущем эпитаксиальном слое InGaAs за счет разделения двух вставок InAs слоем In0.53Ga0.47As, не вызывающем нарастание деформации, в отличие от сильно напряженных СКЯ с повышенным содержанием индия, что обеспечивает бόльшую стойкость к радиационному воздействию.
Список литературы
1. Пат. № РФ «Полупроводниковая наногетероструктура In0.52Al0.48As/InхGa1-хAs с составной активной областью In0.53Ga0.47As/InAs/In0.53Ga0.47As/InAs/In0.53Ga0.47As c двумя вставками InAs». // , , от 01.01.2001 г.
2. , , . Инженерия волновых функций в наногетероструктурах InAlAs/InGaAs/InAlAs с композитной квантовой ямой, содержащей нановставки InAs. // Ядерная физика и инжиниринг, 2011, том 2, номер 1, стр. 89-93.
