Дизайн, технология и свойства метаморфных наногетероструктур для In(Ga)As/InAlAs НЕМТ-транзисторов СВЧ и терагерцового диапазона на подложках GaAs

Транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT – high electron mobility transistor) являются основными активными компонентами современной СВЧ-электроники и применяются в различных системах связи и радиолокации. На сегодняшний день HEMT на основе гетероструктур In_{0.7}Ga_{0.3}As/In_{0.52}Al_{0.48}As/InP обладают наивысшими рабочими частотами ~690 ГГц и минимальными шумами [D.-H. Kim, J. A. del Alamo, IEEE Trans. Electron Devices, Vol. 57, No. 7, P. 1504 (2010)]. Дальнейшее увеличение быстродействия транзисторов с высокой подвижностью электронов возможно путем увеличения мольной доли индия в двумерном канале, однако при этом необходимо решать проблему рассогласования параметров решётки слоев активной области и подложки во избежание процессов релаксации упругих механических напряжений, которые приводят к увеличению дефектности гетероструктур и резкому ухудшению транспортных параметров. Для решения данной проблемы применяется технология метаморфного роста, суть которой заключается в использовании относительно толстого (~1 мкм) метаморфного буферного слоя (МБС) переменного состава для создания малодефектной упруго ненапряженной виртуальной подложки (ВП), на которой происходит дальнейший псевдоморфный рост активных слоёв [Г.Б. Галиев и др., Нано- и микросистемная техника, №12, С. 8 (2011)]. Кроме того, метаморфный подход позволяет использовать подложки GaAs, которые являются менее хрупкими, а также обладают меньшей стоимостью и большим диаметром (что особо важно при промышленном производстве), чем подложки InP, традиционно использующиеся для изготовления транзисторных гетероструктур с высокой подвижностью электронов. Следует отметить, что обычно в метаморфных гетероструктурах используются МБС с линейным или ступенчатым профилем изменения состава благодаря их относительно простой технологической реализации. Однако, как теоретически [D.J. Dunstan, J. Mater. Sci.: Mater. Electron., Vol. 8, P. 337 (1997); F. Romanato et al., J. Appl. Phys., Vol. 86, P. 4748 (1999)], так и экспериментально [H. Choi et al., J. Cryst. Growth, Vol. 311, P. 1091 (2009); M.Yu. Chernov et al., J. Cryst. Growth, Vol. 477, P. 97 (2017); S.V. Ivanov et al., Prog. Cryst. Growth Charact. Mater., Vol. 65, P. 20 (2019)] было показано, что МБС с нелинейным профилем изменения состава являются более перспективными для снижения плотности дефектов в метаморфных гетероструктурах. Основной сложностью использования МБС с нелинейным градиентом состава в метаморфных гетероструктурах является отсутствие универсальной теории релаксации для таких слоев, а также недостаток экспериментальных данных. Предлагаемый проект направлен на разработку и получение методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках GaAs(001) малодефектных (<10^7 см^-2) метаморфных HEMT-наногетероструктур In(Ga)As/InAlAs, включающих двумерный электронный канал In_xGa_{1-x}As с высоким содержанием индия (x>0.7). В качестве МБС для согласования параметров решетки подложки GaAs и квантовой ямы InGaAs/InAlAs будет использован тройной твердый раствор InAlAs с нелинейным градиентом состава. При этом наиболее оптимальный профиль изменения состава МБС InAlAs будет выбран исходя из результатов моделирования распределения дислокаций несоответствия, полученных для МБС с различными нелинейными градиентами изменения состава. Моделирование будет производиться в рамках энергетической модели, предложенной в работе [В. Bertoli et al., J. Appl. Phys., Vol. 106, P. 073519 (2009)], которая продемонстрировала свою согласованность с полученными ранее экспериментальными результатами [Д.В. Побат и др., Физика твердого тела, Т. 63, С. 85 (2021)]. Следует отметить, что ранее экспериментально было установлено, что релаксация упругих напряжений в МБС InAlAs с корневым профилем изменения состава осуществляется посредством двух механизмов: 1) через образование ортогональной сетки дислокаций несоответствия и 2) разориентации кристаллической решетки МБС относительно подложки. В связи с этим, моделирование распределения дислокаций несоответствия и упругих напряжений в «корневом» МБС будет осуществляться с учетом ранее полученных значений разориентации кристаллической решетки МБС относительно подложки. Кроме того, из соображений баланса упругих механических напряжений будет проведена оптимизация конструкции метаморфных HEMT-гетероструктур, включая составы и толщины эпитаксиальных слоев, расположение легирования. Создание метаморфных HEMT-гетероструктур In(Ga)As/InAlAs на широко используемых подложках GaAs является крайне актуальной задачей. Её реализация не только удешевит технологию изготовления СВЧ транзисторов, но и повысит их быстродействие. Существенный задел автора проекта в области разработки технологии молекулярно-пучковой эпитаксии метаморфных гетероструктур InAs/InGaAs/InAlAs/GaAs(001), апробированный с мировой новизной в рамках фундаментального проекта РФФИ (№18-02-00950, 2018-2020 гг.), а также в области электрофизических исследований метаморфных гетероструктур с квантовой ямой In(Ga)As (проект РНФ №15-12-30022, 2015-2017 гг.) позволяет рассчитывать на успешную реализацию данного Проекта.