Charge carrier transport in field-effect transistors with two-dimensional electron gas channels studied using geometrical magnetoresistance effect
Doktorsavhandling, 2022

During the last decades, significant efforts have been made to exploit the excellent and promising electronic properties exhibited by field-effect transistors (FETs) with two-dimensional electron gas (2DEG) channels. The most prominent representatives of this class of devices are high-electron-mobility transistors (HEMTs) and graphene field-effect transistors (GFETs). Despite the relative maturity of the HEMTs and considerable efforts recently applied to develop the GFETs, a better understanding of the charge carrier transport mechanisms is required for their further development. This thesis work is focused on studying the charge carrier transport in the InGaAs/InP HEMTs and GFETs using the geometrical magnetoresistance (gMR) effect.

The angular dependencies of output characteristics of the InGaAs/InP HEMTs oriented in a magnetic field (B) up to 14 T at 2 K were investigated. A strong angular dependence as a function of the B-field was identified. It was shown that the gMR effect governs the observed performance of the HEMTs, and the measured dependencies were accurately described by gMR theory. Additionally, the carrier velocity in InGaAs/InP HEMTs was studied using the gMR effect in the wide range of the drain fields at a cryogenic temperature of 2 K. The velocity peak was observed experimentally for the first time, and it was found that the peak velocity and corresponding field decreased significantly with the transverse field. The relevant scattering mechanisms were analyzed, and it was further demonstrated, that the low-field mobility and peak velocity reveal opposite dependencies on the transverse electric field, indicating the difference in carrier transport mechanisms dominating at low and high electric fields.

It was demonstrated, that the mobility in the GFETs can be directly characterized and analyzed using the gMR and that the method is free from the limitations of other commonly used approaches requiring an assumption of constant mobility and knowledge of the gate capacitance. This allowed for interpretation of the measured dependencies of mobility on the gate voltage, i.e., carrier concentration, and identifying the corresponding scattering mechanisms. The charge carrier transport in the GFETs, characterized using the gMR method in combination with the drain-source resistance model, was also studied by applying a model of the quasi-ballistic charge carrier transport and transfer formalism. The charge carrier mean free path was found to be in the range of 374-390 nm. GFETs with a gate length of 2 μm were shown to have ≈ 20 % of the charge carriers moving ballistically, while at the gate length of 0.2 μm this number increases to above 60 %.

low-field mobility

high-electron-mobility transistor

velocity saturation

quasi-ballistic charge carrier transport

two-dimensional electron gas

charge carrier scattering mechanisms

geometrical magnetoresistance

low noise and high frequency applications

velocity peak

graphene field-effect transistor

charge carrier trans- port

Kollektorn, lecture room, Kemivägen 9, MC2-huset, Göteborg
Opponent: Prof. Peter Bøggild, Department of Physics, Technical University of Denmark

Författare

Isabel Harrysson Rodrigues

Chalmers, Mikroteknologi och nanovetenskap, Terahertz- och millimetervågsteknik

Low-field mobility and high-field velocity of charge carriers in InGaAs/InP high-electron-mobility transistors

IEEE Transactions on Electron Devices,;Vol. 69(2022)p. 1786-1791

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Geometrical magnetoresistance effect and mobility in graphene field-effect transistors

Applied Physics Letters,;Vol. 121(2022)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Mobility and quasi-ballistic charge carrier transport in graphene field-effect transistors

Journal of Applied Physics,;Vol. 132(2022)p. 244303-1-244303-9

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Idag använder vi oss dagligen av digitala instrument och elektroniska apparater. Dessa styrs av elektriska signaler i form av elektroner. Elektriska signaler skickas i allt från mobiltelefoner och datorer till sjukhusutrustning och satelliter. Om dessa ska fungera som önskat behöver man kunna styra de elektriska signalerna. Det kan man göra med hjälp av en transistor, som är en liten komponent som används för att stänga av och sätta igång ström genom elektriska signaler. Transistorer är väldigt små och i en dator används exempelvis flera miljarder transistorer.

I vissa elektriska apparater används även magnetfält, t.ex. vid magnetröntgen på sjukhus. Magnetfält kan påverka elektriska signaler negativt genom att hindra elektroner att färdas som de ska. Det är därför viktigt att undersöka hur en transistor påverkas av magnetfält. Ett magnetfält kan även användas som verktyg till att ta fram olika materialegenskaper. Man jämför då hur elektroner beter sig i och utanför magnetfältet. Avhandlingen handlar om hur elektroner färdas i en transistor och hur ett magnetfält påverkar dem.

Två transistortyper har tillverkats och undersökts. Den ena typen, indiumfosfid-baserad, är väletablerad i industrin, men det finns väldigt lite kunskap om hur dessa transistorer påverkas av magnetfält. Den andra typen är baserad på materialet grafen – världen tunnaste och snabbaste material. Grafen är även miljömässigt hållbart och uppvisar stor potential för framtiden.

Infrastruktur

Kollberglaboratoriet

Nanotekniklaboratoriet

Styrkeområden

Nanovetenskap och nanoteknik

Materialvetenskap

Ämneskategorier

Fysik

Nanoteknik

Den kondenserade materiens fysik

ISBN

978-91-7905-728-2

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5194

Utgivare

Chalmers

Kollektorn, lecture room, Kemivägen 9, MC2-huset, Göteborg

Online

Opponent: Prof. Peter Bøggild, Department of Physics, Technical University of Denmark

Mer information

Senast uppdaterat

2023-11-09