Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Fabrikation af Schottky Dioder på Zn-polar BeMgZnO/ZnO Heterostructure vokset med Plasma-assisteret molekylære Beam Epitaxy

Published: October 23, 2018 doi: 10.3791/58113
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1
1Department of Electrical and Computer Engineering, Virginia Commonwealth University

Summary

Opnåelse af høj kvalitet Schottky kontakter er afgørende for at opnå effektiv gate graduering i heterostructure field effect transistorer (HFETs). Vi præsenterer fabrikationsanlæg metode og karakteristika af Schottky Dioder på Zn-polar BeMgZnO/ZnO heterostructures med high-density to dimensionelle elektron gas (2DEG), dyrket af plasma-assisteret molekylære stråle epitaxy på GaN skabeloner.

Abstract

Heterostructure felt effekt transistorer (HFETs) bruger en to-dimensionelle elektron gas (2DEG) kanal har et stort potentiale for høj hastighed enhed applikationer. Zink oxid (ZnO), en halvleder med en bred bandgap (3,4 eV) og high electron mætning hastighed har fået stor opmærksomhed som et attraktivt materiale til høj hastighed enheder. Effektiv gate graduering, men kræver høj kvalitet Schottky kontakter på laget barriere. I denne artikel, vi præsenterer vores Schottky diode fabrikation procedure på Zn-polar BeMgZnO/ZnO heterostructure med høj tæthed 2DEG, som er opnået gennem stamme graduering og indarbejdelse af et par procent være i de MgZnO-baserede barriere under væksten af Molekylær stråle epitaxy (MBE). For at opnå høj krystallinske kvalitet, anvendes næsten gitter-matchede high-resistivitet GaN skabeloner vokset med metal-organisk kemisk dampudfældning (MOCVD) som substrat for den efterfølgende MBE vækst af oxid lag. For at opnå fornødne Zn-polaritet, omhyggelig overfladebehandling af GaN skabeloner, og kontrol over VI/II forholdet under væksten af lav temperatur ZnO Nukleering lag er udnyttet. Ti/Au elektroder tjene som ohmske kontakter og Ag elektroder deponeret på O2 plasma massiv BeMgZnO overflade anvendes til Schottky kontakter.

Introduction

Heterostructure field effect transistorer (HFETs) baseret på to-dimensionelle elektron gas (2DEG) har et lovende potentiale for programmerne i højhastigheds elektroniske enheder1,2,3. Zinkoxid (ZnO) som en halvleder, bred bandgap (3,4 eV) med høj elektron mætning hastighed har fået betydelig opmærksomhed som en platform for HFETs4,5. Konventionelt brugte barriere materielle MgZnO ternær nødvendiggøre et meget højt indhold af Mg (> 40%) dyrkes på lav substrat temperaturer (300 ° C eller lavere)6,7, og som sådan disse strukturer er tilbøjelig til at forringe under høj effekt operationer og i løbet af termiske behandlinger, selv om den uønskede afgift tæthed i barrieren er lav nok til gate graduering. For at omgå denne hindring, har vi foreslået og vedtaget BeMgZnO som barriere, hvor tegnet stamme i barrieren kan skiftes fra trykstyrke til trækstyrke via inddragelsen af beryllium (være), at gøre den spontane og piezoelectricpolarizations til være additiv. Som et resultat, kan høj 2DEG koncentration opnås med forholdsvis moderat Mg indhold. Udnytte denne fremgangsmåde, høj 2DEG tætheder er observeret i nærheden af plasmon-LO phonon resonans (~ 7 × 1012 cm-2) i BeMgZnO/ZnO heterostructures mens Mg indhold nedenfor er 30% og de være indhold er kun på 2 ~ 3%8.

På grund af dens lignende crystal symmetry, UV og synligt lys gennemsigtighed, er robust fysiske og kemiske egenskaber og lav pris, c-plane sapphire bredt ansat til epitaxy af både GaN og ZnO. Takket være den bemærkelsesværdige fremskridt i vækst teknologi af GaN-baseret elektronisk og optoelektroniske enheder på saphhire kan høj kvalitet GaN skabeloner nemt fremstilles på safir substrater ved hjælp af AlN eller lav temperatur (LT) GaN buffer, trods dens store gitter misforhold af 16% med safir9. Epitaxial vækst af ZnO, som har en endnu større i flyet gitter misforhold af 18% med safir, er relativt godt forstået for O-polar sort, mens væksten i Zn-polar materiale i to-dimensionelle tilstand ikke er godt etableret. På grund af uoverensstemmelse mellem moderate gitter på 1,8% er epitaxy af ZnO på GaN et attraktivt alternativ.

Både MOCVD og MBE er de mest succesfulde semiconductor deposition teknikker for at fabrikere høj kvalitet tynd film og heterostructures med høj reproducerbarhed. Hovedårsagen til, at MBE er mindre populære end MOCVD for epitaxy af GaN er omkostninger og utilstrækkelige for masseproduktion. Vækstrate i GaN af MOCVD kan være flere mikrometer i timen, og snesevis af 2 tommer (50 mm) diameter vafler eller dem så store som 6-8" kan dyrkes i én køre9. Her, vedtage vi også MOCVD for væksten af GaN i vores undersøgelse. For væksten af ZnO-baseret heterostructures, men er flere rapporter om dannelse af 2DEG realiseret af MBE på nuværende tidspunkt forud for markedsføringen af de potentielle applikationer10,11,12. For nylig, har vi udviklet MBE vækst af høj kvalitet ZnO heterostructures med en nøjagtig kontrol af overflade polaritet på Ga-polar GaN skabeloner13. Det blev konstateret, at med Zn pre-eksponering behandling, ZnO lag så dyrkes udstillede Zn-polaritet når nukleeret med lav VI/II nøgletal (< 1,5), mens de nukleeret med VI/II nøgletal over 1,5 udstillet O-polaritet. For at undgå parallelle overledning kanal gennem GaN skabeloner, vi vedtog CO2 kompenseret semi-isolerende GaN MOCVD vokset lavtryks betingelser på AlN buffer for den efterfølgende vækst af ZnO-baserede HFET strukturer.

Før vores arbejde14, er der ingen rapporter om undersøgelsen af Schottky Dioder på BeMgZnO/ZnO heterostructures. Kun flere undersøgelser har rapporteret om Schottky kontakter til MgZnO15,16, fx., med en Idealitet faktor på 2,37, barriere højde 0,73 eV, og forholdet berigtigelse af kun 103 15. Forskellige Schottky metaller har været brugt til ZnO17, og blandt dem, sølv (Ag) er blevet bredt vedtaget, på grund af en relativt høj Schottky barriere højde af 1.11 eV på bulk ZnO med en Idealitet faktor 1.08 18.

I dette arbejde, vi sigter mod at fremstille høj kvalitet Schottky Dioder til applikationer i ZnO-baserede enheder med høj hastighed HFET. Følgende protokol gælder specifikt for fabrikation af Ag/BeMgZnO/ZnO Schottky Dioder af e-beam fordampning af Ag på BeMgZnO/ZnO heterostructures dyrkes af plasma-assisteret MBE på MOCVD-deponeret GaN skabeloner.

Protocol

1. vækst og forberedelse af GaN skabelon for MBE vækst

  1. Vækst af semi-isolerende GaN skabelon ved MOCVD
    1. Sikre, gate ventil isolere belastning-lock salen fra reaktoren er lukket. Lufte belastning-lås med N2 til atmosfærisk tryk. Åbn belastning-lås til at tegne indehaveren af substrat.
    2. Indlæse den 2-tommer safir substrat indehaveren og derefter Sæt holderen tilbage i belastning lås. Pumpen ned belastning-lock presset ned til 2,5 × 10-2 Torr af en mekanisk tør pumpe.
    3. Lufte belastning-lås med N2 til at udligne sine pres med det i reaktoren kammer (15 Torr).
    4. Åbn belastning-lock isolation gate ventil og indlæse indehaveren i stikprøven indehaveren forsamling i reaktoren. Tænd rotation motor og Indstil substrat-indehaveren rotationshastighed af 100 rpm. Luk derefter gate ventil.
    5. Sikre, at kølevandet kører, begge H2 og NH3 udbud er tilstrækkelig, masse flow controller (MFC) og pres controller (PC) aflæsninger er den samme som sætpunkter, og indehaveren af underlaget roterer.
    6. Skifte system gas fra N2 H2. Tænde i situ optisk Reflektionsgraden skærmen.
    7. Indlede væksten ved at starte filen opskrift, som forudinstallerer alle vækst parametre herunder ramping substrat temperaturer, gas strømningshastigheder og reaktor pres, og skift af ventiler.
    8. Rampe op reaktor presset til 30 Torr i 3 min og substrat temperatur til 1055 ° C til desorb residual forureninger fra substrat overfladen i 3 min. i H2 miljø.
    9. Rampe ned substrat temperatur 941 ° c for Nukleering og vækst af lav temperatur (LT) AlN buffer lag.
    10. Stabilisere trimethylaluminum (TMAl) strømmen som 12 standard kubikcentimeter pr. minut (sccm) og ammoniak (NH3) flow som 7 sccm og substrat temperaturen i 3 min.
    11. Indlede væksten af LT-AlN lag ved at skifte TMAl fra aftræk til den opstille kø.
    12. Kontrollere tykkelsen af laget LT-AlN ved hjælp af en specialbygget refleksionsevne målesystem, som omfatter en 637-nm laserdiode, en p-i-n Si fotodetektor og en Labview-baseret software. Bestemme vækstrate for perioden af refleksionsevne svingninger19,20. I stikprøver, skal du bruge tværsnits scanning Elektron Mikroskopi og transmissions Elektron Mikroskopi billeder til at bekræfte rigtigheden af i situ overvågning.
    13. Holde væksten for 6 min at nå frem til en tykkelse af ~ 20 nm, derefter rampe op substrat temperatur til 1100 ° C i 3 min en uafbrudt vækst og fortsat vækst af AlN lag til en tykkelse på 300 nm, som overvåges af evolution af svingningerne i i s ITU optisk reflektionsgrad.
    14. Skifte TMAl fra at køre til udluftning og derefter til tomgang linje at stoppe AlN vækst. Stabilisere trimethylgallium (TMGa) strømmen på 15,5 sccm, rampe op for NH3 strømmen til 7000 sccm og stabilisere i 1 min. rampe presset reaktor til 76 Torr i 1 min. rampe op substrat temperatur til 1107 ° C i 1 min.
    15. Samme og dyrke en GaN opsving lag med en tykkelse på ~ 400 nm, mens overvågning refleksionsevne evolution. I første omgang udstiller refleksionsevne en skarp nedgang når GaN øer nucleate på AlN overflade og derefter genopretter intensitet til den oprindelige niveau svarende til en atomically flad overflade når coalesce-øerne.
    16. Rampe op substrat til 1124 ° C i 2 min. vokse høj temperatur semi-isolerende GaN lag med en tykkelse af ~2.5 mm. stoppe væksten ved at skifte TMGa fra at køre til udluftning og derefter til tomgang linje.
    17. Køle ned substrat til stuetemperatur over en periode på 40 min.
    18. Rampe ned reaktor presset til 15 Torr over en 1,5 min periode.
    19. Losse substrat fra reaktoren ved at følge den omvendte fremgangsmåde af skridt 1.1.1-1.1.4.
  2. GaN skabelon forberedelse og læsning til MBE reaktor
    1. Skær 2-tommer GaN skabelon i 6 lige store pie-formede stykker ved hjælp af en diamant scriber.
    2. Forberede aqua regia syreopløsning inde den syre stinkskab ved at tilføje salpetersyre (HNO3, 68.0-70,0 w/w%, 50 mL) saltsyre (HCl, 36,5-38,0 w/w%, 150 mL) langsomt i et quartz bægerglas.
    3. Sætte aqua regia bægerglasset på en varmeplade med en temperatur på 220 ° C.
    4. Efter fremkomsten af en orange/rød farve og gasbobler, sættetid en cirkel-formet GaN skabelon i opløsningen og kog det i 10 min.
    5. Skyl skabelonen GaN i kører afioniseret (DI) vand i 3 min.
    6. Sættetid skabelonen GaN i HCl (36,5-38,0 w/w%):H2O løsning (1:1) til 3 min fjerne Ga oxid.
    7. Skyl skabelonen GaN i kører DI vand i 5 min.
    8. Tørre skabelonen med N2 gas.
    9. Sætte den rensede GaN skabelon på en Mo indehaveren og indlæse den på MBE belastning-lock kammer øjeblikkeligt.
    10. Begynde at pumpe ned belastning-lås med en mekanisk tør pumpe.

2. MBE vækst af BeMgZnO/ZnO Heterostructures

  1. Forberedelse af at effusion celler
    1. Efter pumpning ned belastning-lås for 1 h, begynde udarbejdelsen af Zn, Mg, være effusion celler. Indstil øvre zone temperaturen af den dobbelt-zone Zn celle til 525 ° C med en ramping på 17 ° C/min., vente i 5 min og derefter rampe ned til 515 ° C med en ramping sats på 5 ° C/min. sæt Mg prøverummets temperatur til 570 ° C med en ramping hastighed på 15 ° C/min , efter at nå sætpunktet, vente i 10 min og derefter rampe cellen Mg ned til 300 ° C. Angiv den skal prøverummets temperatur til 900 ° C med en ramping sats på 10 ° C/min., efter at nå sætpunktet, venter på 3 min og derefter rampe celle ned til 650 ° C.
    2. Efter 30 min, sat lavere zone temperaturen af den dobbelt-zone Zn celle til 360 ° C med en ramping hastighed på 10 ° C/min.
    3. Efter pumpning ned belastning-lås i 2 timer at nå frem til et tryk på ~ 5 × 10-7 Torr, Tænd refleksion højenergi elektron diffraktion (RHEED) system, og indlæse skabelonen GaN i MBE kammer.
    4. Tune vinklen af GaN skabelonen ved at dreje manipulator til at overvåge RHEED mønster evolution langs [1-100] azimutale retning.
    5. Indstil lavere zone temperaturen af den dobbelt-zone Zn celle til 355 ° C med en ramping sats på 10 ° C/min..
  2. Polaritet kontrol af ZnO GaN og vækst af LT-ZnO buffer
    1. Rampe op substrat temperatur til 615 ° C med en ramping 13,6 ° C/min. til desorb de resterende forureninger fra substrat overfladen i 15 min.
    2. Rampe ned substrat temperatur fra 615 til 280 ° C med en ramping 13,6 ° C/min. til vækst af LT-ZnO. Når temperaturen når 550 ° C, åbne Zn celle lukkertid for at udsætte GaN skabelon overfladen med Zn flux. Tænde O2 plasma strømforsyning, indstille effekt som 100 W, og check at kontrollere, at O2 gas linje er lukket.
    3. Når temperaturen når 280 ° C, skal du indstille O2 plasma magt til 400 W, sæt O2 strømningshastighed til 0,3 sccm til at antænde plasmaet derefter falde O2 strømningshastighed til 0,25 sccm.
    4. Vente 1 min., derefter åbne O2 lukkertid for at starte vækst af LT-ZnO buffer lag.
    5. Optage et RHEED mønster hvert 5 min. Efter voksende i ca 15 min. svarende til en buffer tykkelse af ~ 20 nm, når RHEED mønster ændres fra striber (2D tilstand) til elliptiske steder (3D-tilstand), lukke både Zn og O2 skodder til at stoppe væksten.
    6. Indstille O2 strømningshastighed til 0,4 sccm, og Indstil substrat temperaturen til 730 ° C med en ramping 13,6 ° C/min. til anneal LT-ZnO buffer lag. Indstil lavere zone temperaturen af den dobbelt-zone Zn celle til 345 ° C med en ramping sats på 10 ° C/min. til vækst af HT-ZnO lag.
    7. Når substratet temperaturen når sætpunktet af 730 ° C, vente i 5 min og kontrollere ZnO overfladen af RHEED. Når RHEED mønster transit fra 3D til 2D, stoppe Udglødning af ramping ned substrat temperatur til 700 ° C.
  3. Vækst af høj temperatur ZnO lag
    1. Når substratet temperaturen når 700 ° C og stabiliserer, øge O2 strømningshastighed til 3,2 sccm.
    2. Start vækst af HT-ZnO lag ved at åbne både Zn og O2 skodder samtidigt.
    3. Vokse HT-ZnO lag for ~ 140 min. at nå frem til en tykkelse på ~ 300 nm. Optage RHEED mønstre flere gange under væksten at bekræfte 2D vækst tilstand.
    4. Stoppe væksten af HT-ZnO lag ved at lukke både Zn og O2 skodder samtidigt.
  4. Vækst af BeMgZnO barriere
    1. Angive O2 strømningshastighed til 0,3 sccm, angive den skal prøverummets temperatur til 820 ° C med en ramping sats på 10 ° C/min., sat Mg prøverummets temperatur til 510 ° C med en ramping sats på 15 ° C/min., og Indstil substrat temperaturen til 325 ° C med en ramping 13,6 ° C/min. til vækst af BeMgZnO barrieren.
    2. Når substratet temperatur stabiliserer, øge O2 strømningshastighed til 1,25 sccm, og starte væksten af samtidige åbning Zn, Mg, være, og O2 skodder.
    3. Vokse BeMgZnO barriere lag for ~ 12 min. at nå frem til en tykkelse af ~ 30 nm. Optag RHEED mønstre flere gange under væksten at overvåge vækst tilstand evolution.
    4. Stoppe væksten af BeMgZnO lag ved at lukke en Mg og være lukkeren, samtidig med at Zn og O2 shutter åben for 1 min at have en ~ 2 nm tykke ZnO cap lag.
    5. Afslutte væksten ved at lukke både Zn og O2 skodder.
    6. Rampe ned substrat temperatur til standby temperatur 150 ° C. Formindske O2 strømningshastighed til 0,25 sccm.
    7. Når substratet temperatur er under 250 ° C, mindske O2 plasma strøm til 100 W, slukke O2 plasma strømforsyning, mindske O2 strømningshastighed til 0, lukke O2 gas linje og køle ned de celle temperaturer til standby betingelser.
    8. Afvente substrat temperaturen nå de standby temperatur 150 ° C, åben vækst kammer gate ventil og losse wafer indehaveren til belastning-lock kammer.
    9. Lufte belastning-lock kammer med N2 gas og tage prøven.

3. beskrivelser

  1. Groft måle tykkelsen af prøven ved hjælp af en step-profiler, gennem det dækkede område i udkanten af prøven.
  2. Vurdere heterostructure tykkelse, stamme og strukturelle kvalitet ved hjælp af høj opløsning røntgen diffraktion (HRXRD) (2q-w scanninger af (0002) refleksion).
  3. Skær prøven i 5 × 5 mm2 firkantet stykke ved hjælp af en diamant scriber. Undersøge de elektroniske egenskaber af prøven ved hjælp af temperatur afhængige Hall effekt målinger i van der Pauw geometri med indium (i) prikker som kontakt elektroder.
  4. Kontroller overfladen morfologi ved hjælp af atomar kraft mikroskopi (AFM).

4. fabrikation af Schottky Dioder

  1. Fabrikation af ohmske kontakter på BeMgZnO/ZnO heterostructures
    1. Affedt prøve (~ 20 × 20 mm2 i størrelse) med acetone i en ultralydsrenser i 5 min, efterfulgt af rengøring med methanol i ultralydsrenser i 5 min, skylning i DI vand i 5 min, og blæse tør med N2.
    2. Spin frakke photoresist med 1000 rpm i 3 s og derefter 3000 rpm for 30 s.
    3. Blød bage photoresist ved 100 ° C til 140 s.
    4. Expose med UV-lys gennem den ohmske kontakt maske på 6,5 mW UV lampe strøm til 2,38 min på fotolitografi maske aligner.
    5. Post bage photoresist på 110 ° C til 80 s.
    6. Udvikle i en udvikler for 60 s med en rystende hyppigheden af 1/s.
    7. Skyl i DI vand i 3 min, og blæse tør med N2.
    8. Læg prøven i elektron beam fordamper.
    9. Uden varme prøven, deponere Ti/Au med en tykkelse på 30/50 nm, som målt af kvarts krystal tykkelse skærm.
    10. Lift-off i acetone, efterfulgt af rengøring i methanol i 5 min, skylning i DI vand i 5 min, og blæse tør med N2.
    11. Anneal kontakt af hurtige termisk annealer (RTA) til 300 ° C til 30 s.
    12. Kontrollere Kontakt modstand gennem overgang line model (TLM) måling21.
  2. Fabrikation af Schottky kontakter på BeMgZnO/ZnO heterostructures
    1. Følg trin 4.1.1-4.1.7 for fotolitografi Schottky kontaktperson.
    2. Behandling af prøveoverfladen med remote O2 plasma i 5 min. med en O2 flow af 35 sccm og en RF power 50 W.
    3. Følg trin 4.1.8-4.1.10 for deposition af Ag med en tykkelse på 50 nm.
    4. Karakterisere den opnåede struktur af I-V målinger for Schottky Dioder17.

Representative Results

Kolonnen til venstre på figur 1 viser udviklingen i RHEED mønster indspillet langs [1-100] azimutale retning under MBE vækst af en være0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostructure med en 300 nm tykke HT-ZnO lag og en 30 nm tykke være0.02 Mg0,26ZnO barriere. Den højre kolonne viser repræsentative overflade morfologier på forskellige vækststadierne (ikke fra den samme prøve). Som det fremgår fra udseendet af en plettet RHEED mønster, er LT-ZnO buffer lag af tre-dimensionelle (3D) ø vækst tilstand karakter. Dens overflade morfologi blev forbedret af optimerende varmebehandling ved en temperatur over 700 ° C. Det ses tydeligt, at overfladen forvandlet fra 3D til 2D morfologi. Den efterfølgende HT-ZnO lag fortsætter med at vokse i en 2D-funktion, efterfulgt af 2D vækst være0,02Mg0,26ZnO lag uden dannelse af en anden fase. AFM målinger har vist at skabelonen GaN har en root mean square (RMS) ruhed af 0,28 nm for 5 × 5 μm2 scanning. En glat overflade med en RMS ruhed af 0,35 nm er opnået for HT-ZnO lag uden en barriere ved dyrkning under O-rige betingelse og en RMS ruhed af 0,45 nm er observeret efter vækst i BeMgZnO barriere.

HRXRD triple-aksede 2θ-ω scanne for en typisk Zn-polar være0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostructure med en 300 nm tykke HT-ZnO lag, og en 50 nm tykke være0,02Mg0,26ZnO barriere lag er vist i figur 2. Refleksioner på 34.46 o, 34.54 oog 34.75 o er i overensstemmelse med (0002) refleksioner af ZnO, GaN, og være0,02Mg0,26ZnO, henholdsvis. Bemærk, at en udvidelse af refleksion fra være0,02Mg0,26ZnO er på grund af dens thinness. Trækstyrke biaksiale stammen i laget ZnO er en indikation af Zn-polar heterostructure, som blev undersøgt i vores tidligere undersøgelse13. Være og Mg indholdet i BeMgZnO kvaternære blev beregnet fra Bragg vinkel på sin XRD (0002) refleksion og emission photon energi i LT-fotoluminescens (LT-PL) spektrum målt på 13 K (ikke vist).

Figur 3 viser temperatur-afhængige Hall effekt måleresultaterne for en være0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostructure. Ark carrier koncentration reduceret fra 8.8 × 1012 cm-2 til 6.4 × 1012 cm-2 når prøven var kølet ned fra rum temperatur (293 K) til ca 100 kV Med yderligere afkøling til 13 K, ark carrier koncentration mætter på 6,2 × 1012 cm-2. Denne konstatering manifesterer, at den observerede reduktion i elektron koncentration er stammer fra bidrag fra parallel overledning kanaler, som omfatter defekte Nukleering lag og HT-ZnO lag samt de være0,02Mg0,26ZnO barriere, hvis nogen. Denne tendens er også blevet rapporteret til MgZnO/ZnO heterostructures10,22. Elektron mobilitet i den være0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostructure monoton stiger med faldende temperatur; både 206 cm2/Vs 293 K mobilitet og 1550 cm2/Vs 13 K mobilitet kan sammenlignes med værdier i litteratur22,23. Udviklingen af de elektroniske egenskaber som funktion af temperatur klart indikerer tilstedeværelsen af 2DEG på den være0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterointerface.

Figur 4 viser den aktuelle spænding (V) kurver målt ved stuetemperatur til fire repræsentative Ag / være0,02Mg0,26ZnO/ZnO Schottky Dioder med en Schottky område af 1.1 × 10-4 cm2 i en wafer. De fremskudte strømninger stige eksponentielt med anvendt spænding op til 0,25 V, ud over hvilken spændingen falder på tværs af serien modstand bliver synlige. Den højeste Schottky barriere højde på Φap 1.07 EV var nået med et Idealitet faktor n af 1,22. Berigtigelse nøgletal for omkring 1 × 108 er opnået ved hjælp af de aktuelle værdier målt på V= ±2 V.

Figure 1
Figur 1. Overflade karakterisering. Venstre kolonne viser de RHEED mønstre taget langs [1-100] azimutale retning under MBE vækst af en være0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostructure, og højre kolonne præsenterer de overflade morfologier af skabelonen GaN, HT-ZnO lag, og være 0,02Mg0,26ZnO lag målt af AFM. LT-ZnO buffer teknologi gør det muligt for 2D-mode vækst af høj kvalitet ZnO heterostructures på lavt gitter-uoverensstemmende GaN skabeloner. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2. HRXRD af heterostructure. HRXRD triple-aksede 2θ-ω scanning af en typisk Zn-polar være0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostructure med et 50 nm tykke være0,02Mg0,26ZnO barriere lag. Refleksioner på 34.46 o, 34.54 oog 34.75 o er i overensstemmelse med (0002) refleksioner af ZnO, GaN, og være0,02Mg0,26ZnO, henholdsvis. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3. Elektroniske egenskaber af heterostructure. Temperatur dependences ark carrier tæthed og elektron mobilitet af en Zn-polar være0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostructure. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4. Schottky Dioder. Typisk V egenskaber af fire repræsentant Ag / måles0,02Mg0,26ZnO/ZnO Schottky Dioder ved stuetemperatur. Ligheden mellem de fire-V kurver angiver høj i wafer ensartethed af prøven. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Integreringen af BeO i MgZnO til at danne de Kvartære BeMgZnO giver muligheden for at tune omfang og tegn på stamme i kvaternære og dermed øger 2DEG massefylde8. De repræsentative resultater viser, at den være0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostructure resulterer i en 2DEG massefylde tæt på den ønskede plasmon-LO phonon resonans electron density (~ 7 × 1012 cm-2)24. Selv om elektron mobilitet af heterostructure afhænger kraftigt MBE vækst parametre som substrat temperatur og VI/II forholdet mellem både HT-ZnO og BeMgZnO barriere lag, 2DEG tætheden er svagt afhængig af vækstbetingelser og først og fremmest bestemmes af den være og Mg indhold i barrieren.

En GaN skabelon bruges til væksten i BeMgZnO/ZnO heterostructures med høj krystallinske kvalitet på grund af moderate gitter mismatch på 1,8% mellem GaN og ZnO, sammenlignet med et stort gitter misforhold på 18% mellem sapphire og ZnO. For at undgå enhver ledende parallelle kanal, er det afgørende at have en høj modstand i området MΩ-pladsen til skabelonen GaN. I vores tilfælde opnås dette ved at dyrke ved et lavt kammer Tryk på 76 Torr at øge kulstof erstatning. For at sikre polaritet kontrol i BeMgZnO/ZnO heterostructures (Zn-polaritet), er omhyggelig overfladebehandling af GaN skabelon uundværlig. Enhver oxidation eller forurening indført under forberedelse på GaN overflade ville fremkalde Zn - og O-mix-polaritet i heterostructures selv determinant VI/II forholdet < 1.5 er opfyldt.

Enhver kemisk reaktion mellem metal og halvleder, tilstedeværelsen af overflade forureninger, hedder, defekter ved overfladen og diffusion af metal i en halvleder er fælles problemer inden for fabrikation af Schottky kontakter. En række forskellige metoder er blevet rapporteret i litteraturen for at forberede Schottky kontakt fabrikation overfladen af ZnO. Blandt dem er ætsning i HCl (eller andre syrer), fysisk ætsning med Ar+, UV-ozon rengøring, behandling i H2O2, og O2 plasma (eller blanding med han)25,26,27, 28. ætsning procedurer sigte til fjernelse af en overflade lag med tykkelse en lige fra et par nanometer til mikron og derfor ikke kan anvendes af HFET enheder. UV-ozon rengøring eller O2 plasma procedure fjerner kun overflade lag. Derfor er det velegnet til forbehandling af vores BeMgZnO/ZnO heterostructures.

Normalt er Schottky kontakter opnået ved at deponere en høj arbejde funktion metal såsom Pd, Pt, Ir, osv. Derimod har Ag en lav arbejde funktion af 4.26 eV. På trods af at, kan enheder udnytter Ag elektrode vise berigtigende adfærd på grund af dannelsen af en grænseflade sølv oxidlag skyldes delvis oxidation af Ag med ilt fra ZnO matrix. Det så dannede oxidlag er gennemsigtig for elektroner og har højere arbejde funktion i forhold til Ag. Raju mfl. har rapporteret arbejdsfunktioner omkring 5,5 eV for siden vokset med pulserende laser deposition (PLD), som er 1,3 eV højere end af Ag, og karakteristisk for Pd, Pt og Ir29. Vores resultater viser, at Ag elektrode (med O2 plasma forbehandling på overfladen af ZnO heterostructure) er en lovende kontakt metal for dannelsen af Schottky Dioder.

Vi har demonstreret en metode for at fabrikere høj kvalitet Schottky kontakter for ZnO-baseret HFETs. MOCVD vokset GaN skabelon med omhyggelig forberedelse af overfladen lige før MBE vækst og en lav VI/II forholdet < 1,5 under ZnO Nukleering sikre Zn-polar orientering af ZnO-baseret heterostructures med høj kvalitet. MOCVD er en meget udbredt modne teknik for epitaxy af GaN til forskellige applikationer. MBE fremgangsmà ¥ den i dette arbejde viser combinability af MOCVD og MBE teknikker og GaN og oxid halvledere til elektroniske enheder. Inkorporering af en lille mængde af være i BeMgZnO barriere lag resultater i HFETs med høj 2DEG tæthed, høj elektron mobilitet og høj termisk stabilitet, forbedret høj hastighed ydeevne.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af Air Force Office af videnskabelig forskning (AFOSR) under Grant FA9550-12-1-0094.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
MOCVD Emcore custom-built
MBE SVT Associates
TMAl SAFC CAS: 75-24-1
TMGa SAFC CAS: 1445-79-0
NH3 The Linde group CAS: 7664-41-7
H2 National Welders Supply Co. supplier part no. 335-041 Grade 5.0
O2 National Welders Supply Co. supplier part no. OX 300 Industrial Grade Oxygen, Size 300 Cylinder, CGA-540
Mg Sigma-Aldrich Product No.: 474754-25G MAGNESIUM, DISTILLED, DENDRITIC PIECES, 99.998% METALS BASIS
Be ESPI Metals Stock No. K646b Beryllium pieces, 3N
Zn Alfa Aesar, Thermo Fisher Scientific Chemicals Inc. Product No.: 10760-30 Zinc shot, 1-6mm (0.04-0.24in), Puratronic, 99.9999%
Au Kurt J. Lesker part no. EVMAUXX40G Gold Pellets, 99.99%
Ag Kurt J. Lesker part no. EVMAG40QXQ Silver Pellets, 99.99%
Ti Kurt J. Lesker part no. EVMTI45QXQ Titanium Pellets, 99.995%
Developer Rohm and Haas electronic Materials LLC MF-CD-26 Material number 10018050
Photoresist Rohm and Haas electronic Materials LLC SPR 955 Material number 10018283

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Morkoc, H., Solomon, P. M. The hemt: A superfast transistor: An experimental GaAs-AlGoAs device switches in picoseconds and generates little heat. This is just what supercomputers need. IEEE spectrum. 21 (2), 28-35 (1984).
  2. Aktas, O., et al. Microwave performance of AlGaN/GaN inverted MODFET's. IEEE Electron Device Letters. 18 (6), 293-295 (1997).
  3. Leach, J. H., et al. Effect of hot phonon lifetime on electron velocity in InAlN/AlN/GaN heterostructure field effect transistors on bulk GaN substrates. Applied Physics Letters. 96 (13), 133505 (2010).
  4. Sasa, S., et al. Microwave performance of ZnO/ZnMgO heterostructure field effect transistors. Physica status solidi (a). 208 (2), 449-452 (2011).
  5. Ye, D., et al. Enhancement-mode ZnO/Mg0.5Zn0.5O HFET on Si. Journal of Physics D: Applied Physics. 47 (25), 255101 (2014).
  6. Koike, K., et al. Molecular beam epitaxial growth of wide bandgap ZnMgO alloy films on (111)-oriented Si substrate toward UV-detector applications. Journal of Crystal Growth. 278 (1-4), 288-292 (2005).
  7. Du, X., et al. Controlled Growth of High-Quality ZnO-Based Films and Fabrication of Visible-Blind and Solar-Blind Ultra-Violet Detectors. Advanced Materials. 21 (45), 4625-4630 (2009).
  8. Ding, K., Ullah, M., Avrutin, V., Özgür, Ü, Morkoç, H. Investigation of high density two-dimensional electron gas in Zn-polar BeMgZnO/ZnO heterostructures. Applied Physics Letters. 111 (18), 182101 (2017).
  9. Ding, K., Avrutin, V., Özgür, Ü, Morkoç, H. III-Nitride Light-Emitting Diodes. Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering. , 1-21 (2017).
  10. Tsukazaki, A., et al. Quantum Hall effect in polar oxide heterostructures. Science. 315 (5817), 1388-1391 (2007).
  11. Tsukazaki, A., et al. Observation of the fractional quantum Hall effect in an oxide. Nat Mater. 9 (11), 889-893 (2010).
  12. Falson, J., et al. MgZnO/ZnO heterostructures with electron mobility exceeding 1 x 10(6) cm(2)/Vs. Sci Rep. 6, 26598 (2016).
  13. Ullah, M. B., et al. Polarity control and residual strain in ZnO epilayers grown by molecular beam epitaxy on (0001) GaN/sapphire. physica status solidi (RRL) Rapid Research Letters. 10 (9), 682-686 (2016).
  14. Ullah, M. B., et al. Characterization of Ag Schottky Barriers on Be0.02Mg0.26ZnO/ZnO Heterostructures. physica status solidi (RRL) - Rapid Research Letters. , (2017).
  15. Lee, J. H., et al. Schottky diodes prepared with Ag, Au, or Pd contacts on a MgZnO/ZnO heterostructure. Japanese Journal of Applied Physics. 51 (9S2), 09MF07 (2012).
  16. Singh, R., et al. Investigation of barrier inhomogeneities and interface state density in Au/MgZnO: Ga Schottky contact. Journal of Physics D: Applied Physics. 49 (44), 445303 (2016).
  17. Brillson, L. J., Lu, Y. ZnO Schottky barriers and Ohmic contacts. Journal of Applied Physics. 109 (12), 121301 (2011).
  18. Müller, S., et al. Method of choice for fabrication of high-quality ZnO-based Schottky diodes. Journal of Applied Physics. 116 (19), 194506 (1945).
  19. Figge, S., Böttcher, T., Einfeldt, S., Hommel, D. In situ and ex situ evaluation of the film coalescence for GaN growth on GaN nucleation layers. Journal of Crystal Growth. 221 (1-4), 262-266 (2000).
  20. Han, J., Ng, T. -B., Biefeld, R., Crawford, M., Follstaedt, D. The effect of H 2 on morphology evolution during GaN metalorganic chemical vapor deposition. Applied Physics Letters. 71 (21), 3114-3116 (1997).
  21. Berger, H. Models for contacts to planar devices. Solid-State Electronics. 15 (2), 145-158 (1972).
  22. Tampo, H., et al. Polarization-induced two-dimensional electron gases in ZnMgO/ZnO heterostructures. Applied Physics Letters. 93 (20), 202104 (2008).
  23. Ye, J. D., et al. Two-dimensional electron gas in Zn-polar ZnMgO/ZnO heterostructure grown by metal-organic vapor phase epitaxy. Applied Physics Letters. 97 (11), 111908 (2010).
  24. Šermukšnis, E., et al. Hot-electron energy relaxation time in Ga-doped ZnO films. Journal of Applied Physics. 117 (6), 065704 (2015).
  25. Singh, C., Agarwal, G., Rao, G. D., Chaudhary, S., Singh, R. Effect of hydrogen peroxide treatment on the electrical characteristics of Au/ZnO epitaxial Schottky diode. Materials Science in Semiconductor Processing. 14 (1), 1-4 (2011).
  26. Mohanta, S., et al. Electrical characterization of Schottky contacts to n-MgZnO films. Thin Solid Films. 548, 539-545 (2013).
  27. Schifano, R., Monakhov, E., Grossner, U., Svensson, B. Electrical characteristics of palladium Schottky contacts to hydrogen peroxide treated hydrothermally grown ZnO. Applied Physics Letters. 91 (19), 193507 (2007).
  28. Ip, K., et al. Improved Pt/Au and W/Pt/Au Schottky contacts on n-type ZnO using ozone cleaning. Applied Physics Letters. 84 (25), 5133-5135 (2004).
  29. Raju, N. R. C., Kumar, K. J., Subrahmanyam, A. Physical properties of silver oxide thin films by pulsed laser deposition: effect of oxygen pressure during growth. Journal of Physics D: Applied Physics. 42 (13), 135411 (2009).

Tags

Teknik spørgsmålet 140 Molekylær stråle epitaxy (MBE) ZnO BeMgZnO to-dimensionelle elektron gas (2DEG) heterostructure field effect transistorer (HFETs) Ag Schottky Dioder
Fabrikation af Schottky Dioder på Zn-polar BeMgZnO/ZnO Heterostructure vokset med Plasma-assisteret molekylære Beam Epitaxy
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ding, K., Avrutin, V., Izioumskaia,… More

Ding, K., Avrutin, V., Izioumskaia, N., Ullah, M. B., Özgür, Ü., Morkoç, H. Fabrication of Schottky Diodes on Zn-polar BeMgZnO/ZnO Heterostructure Grown by Plasma-assisted Molecular Beam Epitaxy. J. Vis. Exp. (140), e58113, doi:10.3791/58113 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter