Perovskite oxides and their heterostructures have demonstrated considerable potential for devices that require high carrier densities. These oxides are typically grown on ceramic substrates that suffer from low thermal conductivity, which limits performance under high currents, and from the limited size of substrates, which precludes large scale integration and processing. We address both of these hurdles by integrating oxide heterostructures with high carrier density 2D electron gases (2DEGs) directly on (001) Si. 2DEGs grown on Si show significant improvement of the high current performance over those grown on oxide substrates, a consequence of the higher thermal conductivity of the substrate. Hall analysis, transmission line measurements, and the conductance technique are employed for a detailed analysis of the carrier density, contact resistance, mobility, and electron drift velocities. Current densities of 10 A/cm are observed at room temperature with 2.9 × 1014 electrons/cm2 at a drift velocity exceeding 3.5 × 105 cm/s. These results highlight the promise of oxide 2DEGs integration on Si as channels for high electron density devices.

1.
A.
Ohtomo
and
H. Y.
Hwang
,
Nature
427
(
6973
),
423
426
(
2004
).
2.
J.
Mannhart
and
D. G.
Schlom
,
Science
327
(
5973
),
1607
1611
(
2010
).
3.
P.
Zubko
,
S.
Gariglio
,
M.
Gabay
,
P.
Ghosez
, and
J.-M.
Triscone
,
Annu. Rev. Condens. Matter Phys.
2
(
1
),
141
165
(
2011
).
4.
S.
Stemmer
and
S.
James Allen
,
Annu. Rev. Mater. Res.
44
(
1
),
151
171
(
2014
).
5.
S. S. A.
Seo
,
W. S.
Choi
,
H. N.
Lee
,
L.
Yu
,
K. W.
Kim
,
C.
Bernhard
, and
T. W.
Noh
,
Phys. Rev. Lett.
99
(
26
),
266801
(
2007
).
6.
P.
Xu
,
D.
Phelan
,
J.
Seok Jeong
,
K.
Andre Mkhoyan
, and
B.
Jalan
,
Appl. Phys. Lett.
104
(
8
),
082109
(
2014
).
7.
X.
Xiang
,
L.
Qiao
,
H. Y.
Xiao
,
F.
Gao
,
X. T.
Zu
,
S.
Li
, and
W. L.
Zhou
,
Sci. Rep.
4
,
5477
(
2014
).
8.
S. W.
Lee
,
Y.
Liu
,
J.
Heo
, and
R. G.
Gordon
,
Nano Lett.
12
(
9
),
4775
4783
(
2012
).
9.
D.
Fuchs
,
R.
Schäfer
,
A.
Sleem
,
R.
Schneider
,
R.
Thelen
, and
H.
von Löhneysen
,
Appl. Phys. Lett.
105
(
9
),
092602
(
2014
).
10.
Y. Z.
Chen
,
N.
Bovet
,
F.
Trier
,
D. V.
Christensen
,
F. M.
Qu
,
N. H.
Andersen
,
T.
Kasama
,
W.
Zhang
,
R.
Giraud
,
J.
Dufouleur
,
T. S.
Jespersen
,
J. R.
Sun
,
A.
Smith
,
J.
Nygård
,
L.
Lu
,
B.
Büchner
,
B. G.
Shen
,
S.
Linderoth
, and
N.
Pryds
,
Nat. Commun.
4
,
1371
(
2013
).
11.
Y. Z.
Chen
,
N.
Bovet
,
T.
Kasama
,
W. W.
Gao
,
S.
Yazdi
,
C.
Ma
,
N.
Pryds
, and
S.
Linderoth
,
Adv. Mater.
26
(
9
),
1462
1467
(
2014
).
12.
P.
Moetakef
,
T. A.
Cain
,
D. G.
Ouellette
,
J. Y.
Zhang
,
D. O.
Klenov
,
A.
Janotti
,
C. G.
Van de Walle
,
S.
Rajan
,
S. J.
Allen
, and
S.
Stemmer
,
Appl. Phys. Lett.
99
(
23
),
232116
(
2011
).
13.
A.
Janotti
,
L.
Bjaalie
,
L.
Gordon
, and
C. G.
Van de Walle
,
Phys. Rev. B
86
(
24
),
241108
(
2012
).
14.
S.
Stemmer
,
P.
Moetakef
,
T.
Cain
,
C.
Jackson
,
D.
Ouellette
,
J. R.
Williams
,
D.
Goldhaber-Gordon
,
L.
Balents
, and
S. J.
Allen
,
Proc. SPIE
8626
,
86260F
(
2013
).
15.
P.
Moetakef
,
J. Y.
Zhang
,
A.
Kozhanov
,
B.
Jalan
,
R.
Seshadri
,
S. J.
Allen
, and
S.
Stemmer
,
Appl. Phys. Lett.
98
(
11
),
112110
(
2011
).
16.
O.
Ambacher
,
J.
Smart
,
J. R.
Shealy
,
N. G.
Weimann
,
K.
Chu
,
M.
Murphy
,
W. J.
Schaff
,
L. F.
Eastman
,
R.
Dimitrov
,
L.
Wittmer
,
M.
Stutzmann
,
W.
Rieger
, and
J.
Hilsenbeck
,
J. Appl. Phys.
85
(
6
),
3222
3233
(
1999
).
17.
V.
Umansky
,
M.
Heiblum
,
Y.
Levinson
,
J.
Smet
,
J.
Nübler
, and
M.
Dolev
,
J. Cryst. Growth
311
(
7
),
1658
1661
(
2009
).
18.
L.
Shen
,
S.
Heikman
,
B.
Moran
,
R.
Coffie
,
N. Q.
Zhang
,
D.
Buttari
,
I. P.
Smorchkova
,
S.
Keller
,
S. P.
DenBaars
, and
U. K.
Mishra
,
IEEE Electron Device Lett.
22
(
10
),
457
459
(
2001
).
19.
M.
Boucherit
,
O. F.
Shoron
,
T. A.
Cain
,
C. A.
Jackson
,
S.
Stemmer
, and
S.
Rajan
,
Appl. Phys. Lett.
102
(
24
),
242909
(
2013
).
20.
M.
Boucherit
,
O.
Shoron
,
C. A.
Jackson
,
T. A.
Cain
,
M. L. C.
Buffon
,
C.
Polchinski
,
S.
Stemmer
, and
S.
Rajan
,
Appl. Phys. Lett.
104
(
18
),
182904
(
2014
).
21.
A.
Verma
,
S.
Raghavan
,
S.
Stemmer
, and
D.
Jena
,
Appl. Phys. Lett.
105
(
11
),
113512
(
2014
).
22.
E. N.
Jin
,
L.
Kornblum
,
D. P.
Kumah
,
K.
Zou
,
C. C.
Broadbridge
,
J. H.
Ngai
,
C. H.
Ahn
, and
F. J.
Walker
,
APL Mater.
2
(
11
),
116109
(
2014
).
23.
L.
Kornblum
,
E. N.
Jin
,
D. P.
Kumah
,
A. T.
Ernst
,
C. C.
Broadbridge
,
C. H.
Ahn
, and
F. J.
Walker
,
Appl. Phys. Lett.
106
(
20
),
201602
(
2015
).
24.
X.
Gu
,
D.
Lubyshev
,
J.
Batzel
,
J. M.
Fastenau
,
W. K.
Liu
,
R.
Pelzel
,
J. F.
Magana
,
Q.
Ma
,
L. P.
Wang
,
P.
Zhang
, and
V. R.
Rao
,
J. Vac. Sci. Technol., B
27
(
3
),
1195
1199
(
2009
).
25.
L.
Zhang
and
R.
Engel-Herbert
,
Phys. Status Solidi RRL
8
(
11
),
917
923
(
2014
).
26.
C. M.
Brooks
,
L. F.
Kourkoutis
,
T.
Heeg
,
J.
Schubert
,
D. A.
Muller
, and
D. G.
Schlom
,
Appl. Phys. Lett.
94
(
16
),
162905
(
2009
).
27.
P.
Moetakef
,
D. G.
Ouellette
,
J. Y.
Zhang
,
T. A.
Cain
,
S. J.
Allen
, and
S.
Stemmer
,
J. Cryst. Growth
355
(
1
),
166
170
(
2012
).
28.
H.
Marom
,
J.
Mullin
, and
M.
Eizenberg
,
Phys. Rev. B
74
(
4
),
045411
(
2006
).
29.
S.
Raghavan
,
J. Y.
Zhang
, and
S.
Stemmer
,
Appl. Phys. Lett.
106
(
13
),
132104
(
2015
).
30.
S. A.
Chambers
,
Y.
Liang
,
Z.
Yu
,
R.
Droopad
,
J.
Ramdani
, and
K.
Eisenbeiser
,
Appl. Phys. Lett.
77
(
11
),
1662
1664
(
2000
).
31.
F.
Amy
,
A. S.
Wan
,
A.
Kahn
,
F. J.
Walker
, and
R. A.
McKee
,
J. Appl. Phys.
96
(
3
),
1635
1639
(
2004
).
32.
S. A.
Chambers
,
M.
Gu
,
P. V.
Sushko
,
H.
Yang
,
C.
Wang
, and
N. D.
Browning
,
Adv. Mater.
25
(
29
),
4001
4005
(
2013
).
33.
C.
Capan
,
G. Y.
Sun
,
M. E.
Bowden
, and
S. A.
Chambers
,
Appl. Phys. Lett.
100
(
5
),
052106
(
2012
).
34.
H. B.
Michaelson
,
J. Appl. Phys.
48
(
11
),
4729
4733
(
1977
).
35.
G. K.
Reeves
and
H. B.
Harrison
,
IEEE Electron Device Lett.
3
(
5
),
111
113
(
1982
).
36.
Z.
Zhengyong
,
L.
Zhijiong
,
X.
Jie
,
Z.
Hengliang
, and
C.
Shuai
,
IEEE Electron Device Lett.
34
(
7
),
927
929
(
2013
).
37.
I. A.
Khan
and
J. A.
Cooper
, Jr.
,
IEEE Trans. Electron Devices
47
(
2
),
269
273
(
2000
).
38.
E.
Johnson
, presented at the 1958 IRE International Convention Record, 1965; available at .
39.
R. W.
Keyes
,
Proc. IEEE
60
(
2
),
225
225
(
1972
).
40.
W. v.
Muench
and
E.
Pettenpaul
,
J. Appl. Phys.
48
(
11
),
4823
4825
(
1977
).
41.
R.
Quay
,
C.
Moglestue
,
V.
Palankovski
, and
S.
Selberherr
,
Mater. Sci. Semicond. Process.
3
(
1–2
),
149
155
(
2000
).
42.
A. F. M.
Anwar
,
W.
Shangli
, and
R. T.
Webster
,
IEEE Trans. Electron Devices
48
(
3
),
567
572
(
2001
).
43.
M.
Roschke
and
F.
Schwierz
,
IEEE Trans. Electron Devices
48
(
7
),
1442
1447
(
2001
).
44.
A.
Verma
,
A. P.
Kajdos
,
T. A.
Cain
,
S.
Stemmer
, and
D.
Jena
,
Phys. Rev. Lett.
112
(
21
),
216601
(
2014
).
45.
E.
Mikheev
,
B.
Himmetoglu
,
A. P.
Kajdos
,
P.
Moetakef
,
T. A.
Cain
,
C. G.
Van de Walle
, and
S.
Stemmer
,
Appl. Phys. Lett.
106
(
6
),
062102
(
2015
).
You do not currently have access to this content.