radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2018-21-5-44-50radioelectronics-259Research ArticleКВАНТОВАЯ, ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ, ПЛАЗМЕННАЯ И ВАКУУМНАЯ ЭЛЕКТРОНИКАQUANTUM, SOLID-STATE, PLASMA AND VACUUM ELECTRONICSЭМИССИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КВАНТОВОЙ ЯМЫ С ДОНОРНЫМ ДЕЛЬТА-СЛОЕМ В pHEMT-ГЕТЕРОСТРУКТУРАХEMISSION PROCESSES OF QUANTUM WELL INTERACTION WITH DELTA-LAYER IN pHEMT-HETEROSTRUCTURESИвановаЯ. В.IvanovaYana V.

Иванова Яна Владимировна – магистр техники и технологии по направлению "Электроника и микроэлектроника" (2012), аспирант кафедры микро- и наноэлектроники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина). Автор двух научных публикаций. Сфера научных интересов – физика наноразмерных полупроводников, компьютерные технологии, численное моделирование.

ул. Профессора Попова, д. 5, Санкт-Петербург, 197376, Россия

Yana V. Ivanova – Master’s Degree in Techniques and Technology in Electronics and Micro-Electronics (2012), postgraduate student of the Department of micro- and nanoelectronics of Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI". The author of two scientific publication. Area of expertise: physics of semiconductor; computer modeling; numerical methods in researches.

5, Professor Popov Str., 197376, St. Petersburg, Russia

ivanova@unix-server.suЯковлевГ. Е.YakovlevGeorge E.

Яковлев Георгий Евгеньевич – магистр техники и технологии по направлению "Электроника и наноэлектроника" (2014), аспирант кафедры микро- и наноэлектроники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина). Автор более 30 научных работ. Сфера научных интересов – диагностика наноразмерных полупроводников, компьютерные технологии, моделирование.

ул. Профессора Попова, д. 5, Санкт-Петербург, 197376, Россия

George E. Yakovlev – Master’s Degree of Techniques and Technology in Electronics and Nano-Electronics (2014), postgraduate student of the Department of micro- and nanoelectronics of Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI". The author of 30 scientific publication. Area of expertise: physics of semiconductor; diagnostics of nanoheterostructures, computer modeling.

5, Professor Popov Str., 197376, St. Petersburg, Russia

gy@etu.ruЗубковВ. И.ZubkovVasily I.

Зубков Василий Иванович – доктор физико-математических наук (2008), профессор (2018), профессор кафедры микро- и наноэлектроники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина), главный научный сотрудник АО «ЦНИИ "Электрон"». Автор более 150 научных работ. Сфера научных интересов – физика твердого тела и физика полупроводников, наноэлектроника, моделирование и диагностика квантово-размерных гетероструктур.

ул. Профессора Попова, д. 5, Санкт-Петербург, 197376, Россия

Vasily I. Zubkov – D.Sc. in Physics and Mathematics (2008), Professor (2018) of the Department of Micro- and nanoelectronics of Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI". Chief Researcher of JSC "NRI "Electron". The author of more than 150 scientific publications. Area of expertise: physics of semiconductor; nanoelectronics; admittance spectroscopy; diagnostics of nanoheterostructures; computer modeling.

5, Professor Popov Str., 197376, St. Petersburg, Russia

VZubkovspb@mail.ruСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical University "LETI"Russian Federation201828102018054450Copyright © Иванова Я.В., Яковлев Г.Е., Зубков В.И., 20182018Иванова Я.В., Яковлев Г.Е., Зубков В.И.Ivanova Y.V., Yakovlev G.E., Zubkov V.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/259

В настоящей статье проведено экспериментальное и теоретическое исследование pHEMT-гетероструктур (ГС) с квантовой ямой (КЯ) AlGaAs/InGaAs/GaAs и дельта-легированным слоем, используемых как активные области при изготовлении СВЧ-транзисторов, работающих в частотном диапазоне 4...18ГГц. В качестве экспериментальных методик применялись: электрохимическое вольт-фарадное профилирование, методы адмиттансной спектроскопии (полной проводимости). Была проведена модернизация установки ECV-Pro, что позволило впервые в эксперименте наблюдать два концентрационных пика: от приповерхностного дельта-слоя pHEMT-транзистора и пик обогащения от КЯ. Для определения оптимальной скорости травления осуществлялся контроль дна кратера в процессе травления посредством АСМ-микроскопа. Емкость контакта "электролит–полупроводник" измерялась RLCизмерителем Agilent. Основной теоретический метод исследования в работе – численное моделирование ключевых электрофизических параметров наногетероструктуры путем самосогласованного решения уравнений Шредингера и Пуассона. Были определены профили дна зоны проводимости и рассчитаны уровни размерного квантования для исследуемых образцов гетероструктуры. Проведен комплексный анализ серии образцов с целью исследования влияния положения дельта-слоя на глубину залегания уровней и концентрацию носителей в КЯ. Определено оптимальное расстояние между КЯ и дельта-слоем, обеспечивающее наиболее эффективный процесс поставки носителей заряда в квантовую яму. Проведенный цикл исследований направлен на совершенствование приборов СВЧ-электроники. Он позволяет увеличить коэффициент усиления и крутизну передаточной характеристики транзисторов.

The paper provides experimental and theoretical study of pHEMT heterostructures with quantum well (QW) AlGaAs/InGaAs/GaAs and delta-doped layer used as active layers for fabrication of 4-18 GHz transistors. As the experimental techniques, the electrochemical capacitance-voltage (ECV) profiling and other methods of admittance spectroscopy are applied. Modernization of commercial ECV-profiling setup allows observing for the first time the concentration peak from a near-surface delta-layer of pHEMT heterostructures together with the enrichment peak from the quantum well. In order to optimize the etching speed the crater bottom control is performed by means of AFM. The electrolyte-semiconductor contact capacitance is measured with Agilent RLC-meter. The main theoretical technique used in the research is numerical modeling of nanoheterostructure key electronic features by self-consistent solution of Schrödinger and Poisson equations. The potential line-up for the conduction band bottom is obtained, and the quantized energy levels are calculated. The complex analysis of series of samples is carried out in order to understand the influence of delta-layer position on the level depth and at the carrier concentration. The optimum distance between QW and delta-layer providing the most efficient charge carrier delivery to quantum well is found. The performed research is aimed at improvement of microwave electronic devices allowing increase of the gain coefficient and the transfer characteristic of SHF-transistors.

электрохимическое вольт-фарадное профилированиеECVpHEMTквантовая ямаGaAsInGaAs/GaAs/AlGaAsтуннелированиесамосогласованное решение уравнений Шредингера и Пуассонаelectrochemical capacitance-voltage (ECV) profilingpHEMTquantum wellGaAsInGaAs/GaAs/AlGaAstunnelingself-consistent solution of poisson and schrodinger equationsReferencesMimura T. Development of High Electron Mobility Transistor // Jpn. J. Appl. Phys. 2005. Vol. 44, no. 12. P. 8263– 8268. doi: 10.1143/JJAP.44.8263Mimura T. Development of High Electron Mobility Transistor. Jpn. J. Appl. Phys. 2005, vol. 44, no. 12, pp. 8263–8268. doi: 10.1143/JJAP.44.8263Golio M., Golio J. RF and Microwave Passive and Active Technologies. Boca Raton: CRC Press, 2007. 736 p.Golio M., Golio J. Название. Boca Raton, CRC Press, 2007, 736 p.Pejovic Momcilo M., Pejovic Milic M. Different Types of Field-Effect Transistors. Rijeka: InTech, 2017. 182 p. doi: 10.5772/65626Pejovic Momcilo M., Pejovic Milic M. Different Types of Field-Effect Transistors. Rijeka, InTech, 2017, 182 p. doi: 10.5772/65626Электрохимическое вольт-емкостное профилирование концентрации свободных носителей заряда в HEMT-гетероструктурах на основе соединений InGaAs/AlGaAs/GaAs / П. Н. Брунков, А. А. Гуткин, М. Э. Рудинский, О. И. Ронжин, А. А. Ситникова, А. А. Шахмин // ФТП. 2011. Т. 45, No 6. С. 829–835.Brunkov P. N., Gutkin A. A., Rudinskii M. E., Ronzhin O. I., Sitnikova A. A., Shakhmin A. A. Electrochemical Volt-Capacitance Profiling of Free Charge Carriers Concentration in HEMT Heterostructures Based on InGaAs/AlGaAs/GaAs Compounds. Semiconductors. 2011, vol. 45, no. 6, pp. 829–835. (In Russian)Гетероструктуры с квантовыми точками InGaAs/GaAs, легированными атомами переходных элементов. II: Исследование циркулярно-поляризованной люминесценции / М. В. Дорохин, С. В. Зайцев, А. В. Рыков, А. В. Здоровейщев, Е. И. Малышева, Ю. А. Данилов, В. И. Зубков, Д. C. Фролов, Г. Е. Яковлев, А. В. Кудрин // ЖТФ. 2017. Т. 87, No 10. С. 1539–1544. doi: 10.21883/JTF.2017.10.44999.1989Dorokhin M. V., Zaitsev S. V., Rykov A. V., Zdoroveishchev A. V., Malysheva E. I., Danilov Yu. A., Zubkov V. I., Frolov D. C., Yakovlev G. E., Kudrin A. V. Heterostructures with InGaAs / GaAs Quantum Dots Doped with Atoms of Transition Elements. II. The Study of Circularly Polarized Luminescence. Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics. 2017, vol. 87, no. 10, pp. 1539–1544. (In Russian) doi: 10.21883/JTF.2017.10.44999.1989Ambridge T., Faktor M. An Automatic Carrier Concentration Profile Plotter Using an Electrochemical Technique // J. Appl. Electrochem. 1975. Vol. 5, no. 4. P. 319– 328. doi: 10.1007/BF00608796Ambridge T., Faktor M. An Automatic Carrier Concentration Profile Plotter Using an Electrochemical Technique. J. Appl. Electrochem. 1975, vol. 5, no. 4, pp. 319– 328. doi: 10.1007/BF00608796Blood P. Capacitance-Voltage Profiling and the Characterisation of III–V Semiconductors Using Electrolyte Barriers // Semicond. Sci. Technol. 1986. Vol. 1. P. 7– 27. doi: 10.1088/0268-1242/1/1/002Blood P. Capacitance-Voltage Profiling and the Characterisation of III–V Semiconductors Using Electrolyte Barriers. Semicond. Sci. Technol. 1986, vol. 1, pp. 7– 27. doi: 10.1088/0268-1242/1/1/002Иванова Я. В., Зубков В. И. Численный расчет коэффициента прозрачности легированной гетероструктуры с квантовой ямой методом внутренней задачи // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". 2018. Вып. 5. С. 5–10.Ivanova Ya. V., Zubkov V. I. Numerical Calculation of Doped Heterostructure Transparency Coefficient with Quantum Well by Internal Problem Method. Izvestiya SPbGETU "LETI" [Proceedings of Saint Petersburg Electrotechnical University]. 2018, vol. 5, pp. 5–10. (In Russian)Зубков В. И. Диагностика гетероструктур с квантовыми ямами InxGax–1As/GaAs методом вольт-фарадных характери-стик: разрывы зон, уровни квантования, волновые функции // ФТП. 2007. Т. 41, Вып. 3. С. 331–337Zubkov V. I. Diagnostics of InxGax–1As/GaAs Quantum Well Heterostructures Using the Capacitance-Voltage Characteristic Method: Band Breaks, Quantization Levels, Wave Func-tions. Semiconductors. 2007, vol. 41, iss. 3, pp. 331–337. (In Russian)A Delta-Doped InGaP/InGaAs pHEMT with Different Doping Profiles for Device-Linearity Improvement / Y-C. Lin, E. Y. Chang, H. Yamaguch, W.-Ch. Wu, Ch.-Y. Chang // IEEE Trans. Electron Devices. 2007. Vol. 54. no. 7. P. 1617– 1625. doi: 10.1109/TED.2007.899398Lin Y.-C., Chang E. Y., Yamaguch H., Wu W.-Ch., Chang Ch.-Y. A Delta-Doped InGaP/InGaAs pHEMT with Different Doping Profiles for Device-Linearity Improvement. IEEE Trans. Electron Devices. 2007, vol. 54, no. 7, pp. 1617–1625. doi: 10.1109/TED.2007.899398Теоретические и экспериментальные исследования вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик HEMT структур и полевых транзисторов / Е. А. Тарасова, Е. С. Оболенская, А. В. Хананова, С. В. Оболенский, В. Е. Земляков, В. И. Егоркин, А. В. Неженцев, А. В. Сахаров, А. Ф. Цацульников, В. В. Лундин, Е. Е. Заварин, Г. В. Медведев // ФТП. 2016. Т. 50, вып. 12. С. 1599 –1604. doi: 10.21883/ftp.2016.12.43883.29Tarasova E. A., Obolenskaya E. S., Khananova A. V., Obolenskii S. V., Zemlyakov V. E., Egorkin V. I., Nezhentsev A. V., Sakharov A. V., Tsatsul'nikov A. F., Lundin V. V., Zavarin E. E., Medvedev G. V. Theoretical and Experimental Studies of Current-Voltage and Capacitance-Voltage Characteristics of HEMT Structures and Field-Effect Transistors. Semiconductors. 2016, vol. 50, iss. 12, pp. 1599 –1604. (In Russian) doi: 10.21883/ftp.2016.12.43883.29Особенности электрохимического вольт-фарадного профилирования арсенид-галлиевых светоизлучающих и pHEMT-структур с квантово-размерными областями / Г. Е. Яковлев, М.В. Дорохин, В. И. Зубков, А. Л. Дудин, А. В. Здоровейщев, Е. И. Малышева, Ю. А. Данилов, Б. Н. Звонков, А. В. Кудрин // ФТП. 2018. Т. 52, No 8. С. 873–880. doi: 10.21883/FTP.2018.08.46212.8708Yakovlev G. E., Dorokhin M.V., Zubkov V. I, Dudin A. L., Zdoroveishchev A. V., Malysheva E. I., Danilov Yu. A., Zvonkov B. N., Kudrin A. V. Features of Electrochemical Volt-Farad Profiling of Gallium Arsenide Light-Emitting and Phemt Structures with Quantum-Size Regions. Semiconductors. 2018, vol. 52, no. 8, pp. 873–880. (In Russian) doi: 10.21883/FTP.2018.08.46212.8708Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984. 456 с.Zi S. Semiconductor Physics. Moscow, Mir, 1984, 456 p. (In Russian)Kroemer H., Chien W. Y. On the Theory of Debye Averaging in the C-V Profiling of Semiconductors // Solid State Eelctron. 1981. Vol. 24, no. 7. P. 655–660. doi: 10.1016/0038-1101(81)90195-7Kroemer H., Chien W. Y. On the Theory of Debye Averaging in the C-V Profiling of Semiconductors. Solid State Eelctron. 1981, vol. 24, no. 7, pp. 655–660. doi: 10.1016/0038-1101(81)90195-7Kokorev M. F., Maleev N. A. A New Approach to the Determination of Gate Length and Other Parameters of Gaas MESFETs and MODFETs // Solid-State Electron. 1996. Vol. 39, no. 2. P. 297–302. doi: 10.1016/0038-1101(95)00121-2Kokorev M. F., Maleev N. A. A New Approach to the Determination of Gate Length and Other Parameters of Gaas MESFETs and MODFETs. Solid-State Electron. 1996, vol. 39, no. 2, pp. 297–302. doi: 10.1016/0038-1101(95)00121-2

The authors declare that there are no conflicts of interest present.