The frequency performance of a GaN heterostructure field-effect transistor is discussed in terms of plasmon-assisted dissipation of LO-mode heat accumulated by non-equilibrium longitudinal optical phonons (hot phonons). Hot phonons cause additional scattering of electrons and also facilitate defect formation. Plasmon–LO-phonon resonance is experimentally resolved in a wide range of experiments such as fluctuations, dissipation, hot-electron transport, transistor frequency performance, transistor reliability, and transistor phase noise.

Keywords: fluctuations, hot electrons, hot phonons, field-effect transistors
PACS: 73.50.Fq, 73.50.Td, 73.61.Ey, 73.63.Hs

KARŠTŲJŲ ELEKTRONŲ FLIUKTUACIJOS IR TRANZISTORIŲ VEIKIMAS:
KARŠTŲJŲ FONONŲ VAIDMUO
A. Matulionis^a, H. Morkoç^b
aFizinių ir technologijos mokslų centras, Vilnius, Lietuva
^bVirdžinijos Commonwealth universitetas, Ričmondas, JAV

Galio nitrido įvairialyčių lauko tranzistorių sparta aptariama pasitelkus žinias apie karštųjų fononų skilimą į akustinius fononus dalyvaujant kitokių svyravimų kvantams. Karštaisiais fononais įprasta vadinti išilginius optinius fononus, kuriuos išspinduliuoja karštieji elektronai, taip atsikratydami savo perteklinės energijos. Kaupdamiesi dvimatėje protakoje, karštieji fononai trukdo elektronams judėti, taigi jie riboja tranzistoriaus veikos dažnį. Dėl šios priežasties labai spartus fononų skilimas gerina tranzistorių dažnio ir kitokias savybes. Vilniuje sukurtas fliuktuacinis metodas yra pagrindinis būdas karštųjų fononų pusėjimo trukmei matuoti dvimatėse protakose femtosekundinių trukmių ruože. Metodas buvo aprobuotas tiriant silicį, kur patikimų rezultatų yra gautų ir kitais metodais. Pastebėtas labai spartus rezonansinis plazmonų skatinamas karštųjų fononų virtimas akustiniais fononais. Tai tranzistorių veiklą gerinantis reiškinys – tranzistoriaus protaka atsikrato karštųjų fononų, padidėja elektronų dreifo greitis, sulėtėja tranzistorių senėjimas, sumažėja fazinis ir amplitudinis triukšmas, padidėja ribinis veikos dažnis. Eksperimentiniai karštųjų fononų pusamžio ir susijusių reiškinių tyrimo rezultatai aptariami kartu su proveržiu gerinant įvairialyčių labai sparčių GaN lauko tranzistorių savybes.

References / Nuorodos

[1] H.L. Hartnagel, R. Katilius, and A. Matulionis, Microwave Noise in Semiconductor Devices (Wiley, New York, 2001),
http://www.amazon.co.uk/Microwave-Semiconductor-Devices-Ludwig-Hartnagel/dp/0471384321

[2] H. Morkoç, Handbook of Nitride Semiconductors and Devices, vol. 3 (Wiley-VCH, Weinheim, 2009),
http://eu.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-3527407979.html

[3] J. Kuzmik, IEEE Electron Device Lett. 22, 510–512 (2001),
http://dx.doi.org/10.1109/55.962646

[4] P. Kocevar, Physica B & C 134 , 155–158 (1985),
http://dx.doi.org/10.1016/0378-4363(85)90336-5

[5] A. Matulionis, J. Liberis, I. Matulionienė, M. Ramonas, and E. Šermukšnis, Proc. IEEE 98, 1118–26 (2010),
http://dx.doi.org/10.1109/JPROC.2009.2029877

[6] D.S. Lee, X. Gao, S. Guo, D. Kopp, P. Fay, and T. Palacios. IEEE Electron Device Lett. 32, 1525–27 (2011),
http://dx.doi.org/10.1109/LED.2011.2164613
 
[7] Y. Yuanzheng et al. IEEE Electron Device Lett. 33, 988–90 (2012),
http://dx.doi.org/10.1109/LED.2012.2196751
 
[8] H. Sun, A.R. Alt, H. Benedickter, E. Feltin, J-F. Carlin, M. Gonschorek, N. Grandjean, and C.R. Bolognesi, IEEE Electron Device Lett. 31, 957–959 (2010),
http://dx.doi.org/10.1109/LED.2010.2041745
 
[9] S. Tirelli, D. Marti, H. Sun, A.R. Alt, J-F. Carlin, N. Grandjean, and C.R. Bolognesi, IEEE Electron Device Lett. 32, 1364–1366 (2011),
http://dx.doi.org/10.1109/LED.2011.2162087
 
[10] D.S. Lee, J.W. Chung, H. Wang, X. Gao, Sh. Guo, P. Fay, and T. Palacios, IEEE Electron Device Lett. 32, 755–757 (2011),
http://dx.doi.org/10.1109/LED.2011.2132751
 
[11] R. Wang, G. Li, O. Laboutin, Y. Cao, W. Johnson, G. Snider, P. Fay, D. Jena, and H. Xing, IEEE Electron Device Lett. 32, 892–894 (2011),
http://dx.doi.org/10.1109/LED.2011.2147753
 
[12] R. Wang, G. Li, J. Verma, B. Sensale-Rodriguez, T. Fang, J. Guo, Z. Hu, O. Laboutin, Y. Cao, W. Johnson, G. Snider, P. Fay, D. Jena, and H. Xing, IEEE Electron Device Lett. 32, 1215–1217 (2011),
http://dx.doi.org/10.1109/LED.2011.2158288
 
[13] A. Šimukovič, A. Matulionis, J. Liberis, E. Šermukšnis, P. Sakalas, F. Zhang, J.H. Leach, V. Avrutin, and H. Morkoç, Semicond. Sci. Technol. 28, 055008 (2013),
http://dx.doi.org/10.1088/0268-1242/28/5/055008
 
[14] A. Matulionis, Semicond. Sci. Technol. 28, 074007 (2013),
http://dx.doi.org/10.1088/0268-1242/28/7/074007
 
[15] A. Matulionis, J. Liberis, I. Matulionienė, E. Šermukšnis, J.H. Leach, M. Wu, and H. Morkoç, Physica Status Solidi A 208, 30–36 (2011),
http://dx.doi.org/10.1002/pssa.201026361
 
[16] J.A. Kash and J.C. Tsang, Nonequilibrium phonons in semiconductors, in: Spectroscopy of Nonequilibrium Electrons and Phonons, eds. C.V. Shank and B.P. Zakharchenya, Modern Problems in Condensed Matter, vol. 35 (Elsevier, Amsterdam, 1992), pp. 113–167,
http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-444-89637-7.50008-9

[17] K.T. Tsen, J.G. Kiang, D.K. Ferry, and H. Morkoç, Appl. Phys. Lett. 89, 112111 (2006),
http://dx.doi.org/10.1063/1.2349315
 
[18] A. Dyson and B.K. Ridley, J. Appl. Phys. 103, 114507 (2008),
http://dx.doi.org/10.1063/1.2937918
 
[19] A. Matulionis, J. Liberis, I. Matulionienė, M. Ramonas, L.F. Eastman, J.R. Shealy, V. Tilak, and A. Vertiatchikh, Phys. Rev. B 68, 035338 (2003),
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.68.035338
 
[20] E. Šermukšnis, J. Liberis, and A. Matulionis, Lith. J. Phys. 47, 491–498 (2007),
http://dx.doi.org/10.3952/lithjphys.47423
 
[21] A. Matulionis, Lith. J. Phys. 47, 297–302 (2007),
http://dx.doi.org/10.3952/lithjphys.47307
 
[22] J. Liberis, I. Matulionienė, M. Ramonas, and L.F. Eastman, Hot phonons in high-power microwave HEMT and FET channels, in: Advanced Semiconductor Materials and Devices Research: III-Nitrides and SiC, ed. Ho-Young Cha (Transworld Research Network, Kerala, India, 2009), pp. 203–242
 
[23] A. Matulionis, Phys. Status Solidi C 6, 2834–2839 (2009),
http://dx.doi.org/10.1002/pssc.200982543
 
[24] A. Matulionis, J. Liberis, I. Matulionienė, M. Ramonas, E. Šermukšnis, J.H. Leach, M. Wu, X. Ni, X. Li, and H. Morkoç, Appl. Phys. Lett. 95, 192102 (2009),
http://dx.doi.org/10.1063/1.3261748
 
[25] L. Ardaravičius, J. Liberis, O. Kiprijanovič, A. Matulionis, M. Wu, and H. Morkoç, Phys. Status Solidi Rapid Res. Lett. 5, 65–67 (2011),
http://dx.doi.org/10.1002/pssr.201004502
 
[26] J.H. Leach, C.Y. Zhu, M. Wu, X. Ni, X. Li, J. Xie, Ü. Özgür, H. Morkoç, J. Liberis, E. Šermukšnis, A. Matulionis, T. Paskova, E. Preble, and K.R. Evans, Appl. Phys. Lett. 96, 133505 (2010),
http://dx.doi.org/10.1063/1.3358392
 
[27] C. Kayis, R.A. Ferreyra, M. Wu, X. Li, Ü. Özgür, A. Matulionis, and H. Morkoç, Appl. Phys. Lett. 99, 063505 (2011),
http://dx.doi.org/10.1063/1.3624702
 
[28] Z. Wang, K. Reimann, M. Woerner, T. Elsaesser, D. Hofstetter, J. Hwang, W.J. Schaff, and L.F. Eastman, Phys. Rev. Lett. 94, 037403 (2005),
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.037403
 
[29] A. Matulionis, J. Phys. Condens. Matter 21, 174203 (2009),
http://dx.doi.org/10.1088/0953-8984/21/17/174203
 
[30] J.H. Leach, M. Wu, X. Ni, J. Lee, Ü. Özgür, H. Morkoç, J. Liberis, E. Šermukšnis, A. Matulionis, H. Cheng, and C. Kurdak, Appl. Phys. Lett. 95, 223504 (2009),
http://dx.doi.org/10.1063/1.3271183