Waiting
Login processing...

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

Engineering

Fabricage van Schottky Diodes op Zn-polaire BeMgZnO/ZnO Heterostructure gegroeid door moleculaire Beam Plasma-bijgewoonde epitaxie

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

Verwezenlijking van kwalitatief hoogwaardige Schottky contacten is noodzakelijk voor het bereiken van efficiënte gate modulatie in heterostructure veld effect transistors (HFETs). We presenteren de fabricage methodologie en de kenmerken van de dioden van de Schottky op Zn-polaire BeMgZnO/ZnO Heterostructuren met hoge dichtheid twee dimensionale electron gas (2DEG), geteeld door moleculaire straal plasma-bijgewoonde epitaxie op GaN sjablonen.

Abstract

Heterostructure veld effect transistors (HFETs) met behulp van een twee dimensionale electron gas (2DEG) kanaal hebben een groot potentieel voor hoge snelheid apparaat toepassingen. Zinkoxide (ZnO), een halfgeleider met een wide bandgap (3.4 eV) en hoge elektron verzadiging snelheid heeft opgedaan veel aandacht als een aantrekkelijk materiaal voor high-speed apparaten. Efficiënte gate modulatie, vereist echter kwalitatief hoogwaardige Schottky contacten op de laag van de barrière. In dit artikel presenteren wij onze onze Schottky diode fabricage procedure op Zn-polaire BeMgZnO/ZnO heterostructure met hoge dichtheid 2DEG die wordt bereikt door stam modulatie en opneming van een paar procent worden in de MgZnO gebaseerde barrière tijdens groei door moleculaire straal epitaxie (MBE). Om te bereiken kristallijne hoogwaardige, worden bijna rooster-matched high-soortelijke weerstand GaN sjablonen gegroeid door metaal-organische chemische damp afzetting (MOCVD) gebruikt als het substraat voor de verdere groei van de MBE van de oxide lagen. Te verkrijgen van de vereiste Zn-polariteit, zorgvuldige oppervlaktebehandeling van GaN sjablonen en controle over de verhouding van de VI/II tijdens de groei van lage temperatuur ZnO nucleatie laag worden gebruikt. TI/Au elektroden dienen als ohms contacten, en Ag elektroden gestort op het O2 plasma BeMgZnO oppervlak voorbehandeld worden gebruikt voor Schottky contacten.

Introduction

Heterostructure veld effect transistors (HFETs) op basis van twee dimensionale electron gas (2DEG) hebben een veelbelovende potentieel voor de toepassingen in hoge snelheid elektronische apparaten1,2,3. Zinkoxide (ZnO) als een wide bandgap (3.4 eV) halfgeleider hoge elektron verzadiging aanslaggevoelig heeft veel aandacht gekregen als platform voor HFETs4,5. Conventioneel gebruikte barrière materiële MgZnO Ternair vereisen een zeer hoog gehalte aan Mg (> 40%) geteeld op lage substraat temperaturen (300 ° C of lager)6,7, en als zodanig deze structuren zijn geneigd om te degraderen onder hoog vermogen operaties en tijdens de thermische behandelingen, zelfs als de ongewenste Ladingsdichtheid in de barrière is laag genoeg om poort modulatie. Om dit obstakel te omzeilen, hebben wij voorgesteld en aangenomen BeMgZnO als de barrière, waarin het teken van de stam in de barrière omschakelbaar van druksterkte treksterkte via de opneming van beryllium (Be), waardoor het spontane en piezoelectricpolarizations te zijn additief. Dientengevolge, kan hoge 2DEG concentratie worden bereikt met relatief bescheiden Mg inhoud. Met behulp van deze aanpak, hoge 2DEG dichtheden wordt waargenomen in de buurt van de plasmon-LO phonon resonantie (~ 7 × 1012 cm-2) in BeMgZnO/ZnO Heterostructuren terwijl de Mg inhoud hieronder is 30% en zijn inhoud is slechts op 2 ~ 3%8.

Als gevolg van zijn soortgelijke crystal symmetrie, UV en zichtbaar licht transparantie, is robuuste fysische en chemische eigenschappen en low-cost, c-vliegtuig sapphire wijd werkzaam epitaxie van GaN zowel ZnO. Dankzij de opmerkelijke vooruitgang in de technologie van groei van GaN gebaseerde elektronische en opto-elektronische apparaten in saphhire, kunnen hoogwaardige GaN sjablonen worden gemakkelijk geproduceerd op saffier substraten met behulp van de AlN of lage temperatuur (LT) GaN buffer, ondanks haar grote lattice mismatch van 16% met saffier9. Epitaxiale groei van ZnO, die een nog grotere discrepantie in-plane rooster van 18% met saffier heeft, is betrekkelijk goed begrepen voor O-polaire verscheidenheid, terwijl de groei van Zn-polaire materiaal in tweedimensionale modus niet goed is gevestigd. Vanwege de matige lattice mismatch van 1,8% is epitaxie van ZnO op GaN een aantrekkelijk alternatief.

Zowel MOCVD als MBE zijn de meest succesvolle halfgeleider afzetting technieken voor het fabriceren van hoogwaardige dunne films en Heterostructuren met hoge reproduceerbaarheid. De belangrijkste reden dat MBE minder populair dan MOCVD voor epitaxie van GaN is is de kostprijs en de ontoereikendheid voor massaproductie. Het groeitempo op jaarbasis in GaN door MOCVD kunnen verschillende micrometers per uur, en tientallen van 2 inch (50 mm) diameter plaatjes of die zo groot is als de 6-8" kunnen worden geteeld in een run9. Hier, ook wij MOCVD voor de groei van GaN in onze studie. Voor de groei van ZnO gebaseerde Heterostructuren, echter worden meer verslagen over de vorming van 2DEG gerealiseerd door MBE op dit moment voorafgaand aan de commercialisering van de potentiële toepassingen10,11,12. We hebben onlangs, MBE groei van hoge kwaliteit ZnO Heterostructuren met een nauwkeurige controle van oppervlakte polariteit op Ga-polaire GaN sjablonen13ontwikkeld. Bleek dat met Zn pre blootstelling behandeling, ZnO zo volwassen tentoongestelde Zn-polariteit lagen wanneer nucleated met lage VI/II-ratio's (< 1.5), terwijl die nucleated met VI/II ratio's boven 1.5 tentoongesteld O-polariteit. Om te voorkomen dat de parallelle geleiding kanaal via GaN sjablonen, wij aangenomen koolstof gecompenseerd semi-isolerende GaN MOCVD geteeld onder omstandigheden van de lagedruk op AlN buffer voor de verdere groei van ZnO gebaseerde HFET structuren.

Voorafgaand aan onze werk14, is er geen rapporten over het onderzoek van Schottky dioden op BeMgZnO/ZnO Heterostructuren. Alleen verscheidene studies hebben gemeld op Schottky contacten op MgZnO15,16, bijv., met een factor idealiteit 2.37, een hoogte van de barrière van 0.73 eV en een rectificatie ratio van slechts 103 15. Verschillende Schottky metalen zijn gebruikt voor ZnO17, en onder hen, zilver (Ag) is algemeen goedgekeurd, als gevolg van een relatief hoge Schottky barrière hoogte van 1.11 eV op bulk ZnO met een idealiteit factor van 1,08 18.

In dit werk streven wij naar kwalitatief hoogwaardige Schottky dioden voor de toepassingen in ZnO-high-speed HFET apparaten te fabriceren. Het volgende protocol geldt specifiek voor de fabricage van Ag/BeMgZnO/ZnO Schottky dioden door verdamping van de e-bundel van Ag op de Heterostructuren van de BeMgZnO/ZnO geteeld door plasma-bijgewoonde MBE op MOCVD-gestort GaN sjablonen.

Protocol

1. groei en voorbereiding van GaN sjabloon MBE groei

  1. Groei van semi-isolerende GaN sjabloon door MOCVD
    1. Zorg ervoor dat de klep van de gate isoleren van de belasting-lock-zaal van de reactor is gesloten. Vent de belasting-lock met N2 aan de atmosferische druk. Open de load-lock te nemen uit de houder van het substraat.
    2. Laad het 2-inch saffier substraat op de houder en plaats vervolgens de houder terug in het slot van de belasting. Pomp beneden de druk van de belasting-lock tot 2,5 × 10-2 Torr door een mechanische droge pomp.
    3. Vent de belasting-lock met N2 te egaliseren van de druk mee in de reactor kamer (15 Torr).
    4. Open de load-lock isolatie gate klep en laadt de houder in de vergadering van de houder van het monster in de reactor. Zet de motor van de rotatie en selecteer de draaisnelheid van de substraat-houder voor 100 rpm. Sluit de klep van de poort.
    5. Zorg ervoor dat het koelwater wordt uitgevoerd, beide H2 NH3 levering is voldoende, mass flow controller (MFC) en druk controller (PC) lezingen hetzelfde als de basiswaarden zijn en de houder van het substraat is roteren.
    6. Schakelen het gas systeem van N2 H2. Zet de monitor in situ optische reflectie.
    7. Het initiëren van de groei door het starten van het recept-bestand, dat vooraf installeert alle groeiparameters met inbegrip van de speedramp substraat temperaturen, gas debiet en druk van de reactor en omschakeling van de kleppen.
    8. Oprit 30 Torr in 3 min de reactor druk en de temperatuur van het substraat tot 1055 ° C tot desorb residuele vormen van verontreiniging van het oppervlak van het substraat voor 3 min in H2 omgeving.
    9. Helling naar beneden de temperatuur van het substraat tot 941 ° C voor de nucleatie en groei van lage-temperatuur (LT) AlN buffer laag.
    10. Het stabiliseren van de stroom van de trimethylaluminum (TMAl) als 12 standaard kubieke centimeter per minuut (sccm) en ammoniak (NH3) stroom als 7 sccm en de temperatuur van de ondergrond gedurende 3 minuten.
    11. De groei van de LT-AlN laag starten door het overschakelen van TMAl van vent aan de run lijn.
    12. De dikte van de laag van de LT-AlN bepalen met behulp van een custom-built reflectiviteit meetsysteem, waarin een 637-nm laserdiode, een p-i-n Si foto-elektrische cel en een Labview-based software. Het groeitempo op jaarbasis van de periode van19,20van de trillingen van de reflectiecoëfficiënt te bepalen. Gebruik in geselecteerde monsters, transversale scannen elektronenmicroscopie en Transmissie Electronenmicroscopie beelden te bevestigen de juistheid van de in situ toezicht.
    13. De groei voor 6 min te bereiken een dikte van ~ 20 nm en vervolgens oprit de substraat temperatuur tot 1100 ° C in 3 min zonder een onderbreking van de groei en de groei van de AlN laag met een dikte van 300 blijven houden nm, zoals gecontroleerd door de evolutie van de trilling van de in s ITU optische reflectie.
    14. TMAl vanuit de run overschakelen naar vent en vervolgens naar inactieve lijn om de groei van de AlN te stoppen. Stabiliseren van de stroom van de trimethylgallium (TMGa) op 15,5 sccm, oprit de NH3 doorstroming naar 7000 sccm en stabiliseren voor 1 min. helling omhoog de reactor druk 76 Torr in 1 min. helling omhoog de temperatuur van het substraat tot 1107 ° C in 1 min.
    15. Ervoor en groeien van een GaN herstel laag met een dikte van ~ 400 nm, terwijl de controle van de reflectiecoëfficiënt evolutie. In eerste instantie vertoont de reflectiviteit een scherpe daling wanneer GaN mononucleate op AlN oppervlak eilanden en vervolgens de intensiteit tot het oorspronkelijke niveau overeenkomt met een succesvol vlakke ondergrond herstelt wanneer de eilanden samensmelten.
    16. Oprit van het substraat tot 1124 ° C in 2 min. groeien de hoge-temperatuur-semi-GaN isolatielaag met een dikte van ~2.5 mm. Stop de groei door het overschakelen van TMGa van run naar vent en vervolgens naar de niet-actieve lijn.
    17. Het substraat tot kamertemperatuur afkoelen gedurende een periode van 40 min.
    18. Helling naar beneden de reactor druk 15 Torr gedurende een periode van 1,5 min.
    19. Het substraat van de reactor verwijderen door de omgekeerde procedure van 1.1.1-1.1.4 van de stappen te volgen.
  2. GaN sjabloon voorbereiding en laden naar MBE reactor
    1. De 2-inch GaN sjabloon in 6 gelijke taart-vormige stukjes gesneden met behulp van een diamant scriber.
    2. Aqua regia zure oplossing binnen de zure zuurkast voor te bereiden door het toevoegen van salpeterzuur (HNO368.0-70,0 w/w%, 50 mL) aan zoutzuur (HCl, 36,5-38,0 w/w%, 150 mL) langzaam in een bekerglas van kwarts.
    3. Zet het bekerglas aqua regia op een hete plaat met een temperatuur van 220 ° C.
    4. Na het verschijnen van een oranje/rode kleur en gasbellen, geniet één taart-vormige GaN template in de oplossing en laat het gedurende 10 min koken.
    5. Spoel de GaN sjabloon in stromend-geïoniseerde (DI) water gedurende 3 minuten.
    6. Geniet van de GaN-sjabloon in de lijst met compatibele hardware (36,5-38,0 w/w%):H2O oplossing (1:1) gedurende 3 minuten te verwijderen Ga oxide.
    7. Spoel de GaN sjabloon in stromend DI water gedurende 5 minuten.
    8. De sjabloon met N2 gas droog.
    9. De schoongemaakte GaN sjabloon zetten een Mo-houder en het laden in MBE belasting-lock kamer onmiddellijk.
    10. Beginnen met pompen naar beneden van de belasting-lock door een mechanische droge pomp.

2. MBE groei van BeMgZnO/ZnO Heterostructuren

  1. Voorbereiding van de cellen van effusie
    1. Na het verpompen naar beneden van de belasting-lock gedurende 1 uur, beginnen met de voorbereiding van de Zn, Mg, effusie cellen worden. De temperatuur van de bovenste zone van de dubbel-zone Zn cel ingesteld op 525 ° C met een ramping snelheid van 17 ° C/min, wachten op 5 min en vervolgens oprit tot 515 ° C met een ramping tarief van 5 ° C/min. Set de Mg cel temperatuur tot 570 ° C met een ramping snelheid van 15 ° C/min , na het bereiken van de set-punt, wacht 10 min dan oprit van de cel van de Mg tot 300 ° C. Stel de temperatuur van de cel tot 900 ° C met een ramping snelheid van 10 ° C/min, wachten na het bereiken van de set-punt, de 3 min dan oprit van de cel tot 650 ° C.
    2. Na 30 min, stelt u de lagere temperatuur van de zone van de dubbel-zone Zn cel tot 360 ° C met een ramping snelheid van 10 ° C/min.
    3. Na het verpompen naar beneden van de belasting-lock voor 2 h tot een druk van ~ 5 × 10-7 Torr, inschakelen van het systeem van reflectie hoog-energetische elektronen diffractie (RHEED) en de GaN sjabloon laden in de bedwelmingsruimte MBE.
    4. Tune de hoek van de GaN sjabloon door het draaien van de manipulator om de evolutie van de patroon RHEED langs [1-100] azimutale richting volgen.
    5. De lagere temperatuur van de zone van de dubbel-zone Zn cel ingesteld op 355 ° C met een ramping snelheid van 10 ° C/min.
  2. Controle van de polariteit van ZnO op GaN en groei van LT-ZnO buffer
    1. In de oprit van de temperatuur van het substraat tot 615 ° C met een ramping snelheid van 13.6 ° C/min naar de desorb van de resterende vormen van verontreiniging van het oppervlak van het substraat voor 15 min.
    2. Helling naar beneden de temperatuur van het substraat van 615 tot 280 ° C met een ramping snelheid van 13.6 ° C/min voor de groei van LT-ZnO. Wanneer de temperatuur 550 ° C bereikt, open de sluiter Zn cel om het oppervlak van de sjabloon GaN met Zn flux bloot te stellen. O2 plasma voeding inschakelen, stel de macht als 100 W en controleren om te verifiëren dat O2 gas lijn is gesloten.
    3. Wanneer de temperatuur 280 ° C bereikt, stel de O2 plasma macht op 400 W, set de O2 debiet tot 0.3 sccm te ontbranden van het plasma dan verlagen van het debiet van de2 O aan 0,25 sccm.
    4. Wacht voor 1 min en open de sluiter2 O om te beginnen met de groei van LT-ZnO buffer laag.
    5. Het opnemen van een RHEED patroon elke 5 min. Na een groei voor ongeveer 15 min overeenkomt met een dikte van de buffer van ~ 20 nm, wanneer het RHEED patroon gewijzigd van strepen (2D-modus) elliptische vlekken (3D modus), sluit Zn zowel O2 luiken om de groei te stoppen.
    6. Ingesteld de stroomsnelheid van de O-2 op 0.4 sccm, en de temperatuur van het substraat tot 730 ° C met een ramping snelheid van 13.6 ° C/min te ontharden de LT-ZnO buffer laag. De lagere temperatuur van de zone van de dubbel-zone Zn cel tot 345 ° C met een ramping snelheid van 10 ° C/min voor de groei van HT-ZnO laag ingesteld.
    7. Wanneer de temperatuur van het substraat de set-punt van 730 ° C bereikt, wacht 5 minuten en controleren van het oppervlak van de ZnO door RHEED. Wanneer het RHEED patroon transits van 3D aan 2D, stoppen gloeien door speedramp neer de temperatuur van het substraat tot 700 ° C.
  3. Groei van hoge-temperatuur ZnO laag
    1. Wanneer de temperatuur van het substraat 700 ° C bereikt en stabiliseert, verhoging van het debiet van O2 naar 3.2 sccm.
    2. Allereerst dat de groei van HT-ZnO laag Zn zowel O2 luiken gelijktijdig openen.
    3. Groeien de HT-ZnO-laag voor ~ 140 min tot een dikte van ~ 300 nm. Record de RHEED patronen meerdere malen tijdens de groei om te bevestigen de groei van de 2D-modus.
    4. Stop de groei van HT-ZnO laag door Zn zowel O2 luiken gelijktijdig sluiten.
  4. Groei van BeMgZnO barrière
    1. De stroomsnelheid van de O-2 0.3 sccm, ingesteld de cel temperatuur tot 820 ° C met een ramping snelheid van 10 ° C/min, de Mg cel temperatuur instellen tot 510 ° C met een ramping snelheid van 15 ° C/min, en stel de temperatuur van het substraat tot 325 ° C met een ramping tarief van 13.6 ° C/min voor de groei van de BeMgZnO-barrière.
    2. Wanneer de temperatuur van het substraat stabiliseert, verhoging van de O-2 debiet tot 1,25 sccm, en start van de groei door concurrent openen de Zn, Mg, worden, en O2 luiken.
    3. Groeien de BeMgZnO-barrière laag voor ~ 12 min tot een dikte van ~ 30 nm. Record RHEED patronen meerdere malen tijdens de groei te volgen de evolutie van de groei modus.
    4. Stop de groei van de BeMgZnO laag door het sluiten van de Mg en sluitertijd worden, terwijl de Zn en O2 sluiter open voor 1 min hebben een ~ 2 nm ZnO GLB Dickschicht.
    5. Tot slot de groei Zn zowel O2 luiken te sluiten.
    6. Helling naar beneden de temperatuur van het substraat tot de standby-temperatuur 150 ° C. Verlagen van het debiet van de2 O aan 0,25 sccm.
    7. Wanneer de temperatuur van het substraat lager dan 250 ° C is, verlagen de O2 plasma kracht tot en met 100 W, O2 plasma voeding uitschakelen, verlagen van het debiet van de2 O op 0, sluiten de O2 gas lijn en afkoelen van de temperatuur van de cel naar standby voorwaarden.
    8. Wacht tot de temperatuur van het substraat bereiken van de standby-temperatuur: 150 ° C, de groei kamer poort klep open en laden de wafer houder aan de belasting-lock-kamer.
    9. De belasting-lock kamer met N2 gas vent en neem uit het monster.

3. characterizations

  1. Ongeveer het meten van de dikte van het monster met behulp van een stap-profiler, door middel van de overdekte ruimte aan de rand van het monster.
  2. Evalueren de dikte, stam en structurele kwaliteit van de heterostructure met behulp van hoge resolutie röntgendiffractie (HRXRD) (2S-w scans van (0002) reflectie).
  3. Snijd het monster in 5 × 5 mm2 vierkant stuk met behulp van een diamant scriber. Onderzoeken de elektronische eigenschappen van het monster met behulp van temperatuurmetingen afhankelijke Hall-Effect in de meetkunde van der Pauw met indium (In) puntjes als contact elektroden.
  4. Controleer de bovengrondse morfologie met behulp van atomaire kracht microscopie (AFM).

4. fabricage van Schottky Diodes

  1. Fabricage van ohms contacten op BeMgZnO/ZnO Heterostructuren
    1. Het monster (~ 20 × 20 mm2 in grootte) ontvet met aceton in een ultrasone reiniger voor 5 min, gevolgd door schoonmaak met methanol in de ultrasoon reiniger voor 5 min spoelen in DI water gedurende 5 minuten en blazen droog met N2.
    2. Spin vacht fotoresist met 1000 rpm voor 3 s en dan 3000 rpm voor 30 s.
    3. Zachte bak de fotoresist bij 100 ° C voor 140 s.
    4. Bloot met UV-licht door de Ohmse contact masker op 6.5 mW UV lamp kracht voor 2,38 min op fotolithografie masker aligner.
    5. Post bakken de fotoresist bij 110 ° C gedurende 80 s.
    6. Ontwikkelen in een ontwikkelaar voor 60 s met een schudden frequentie van 1/s.
    7. Spoel in DI water voor 3 min en klap droog met N2.
    8. Laad het monster in de electron beam verdamper.
    9. Zonder de verwarming van het monster, Ti/Au te storten met een dikte van 30/50 nm, zoals gemeten door kwartskristal dikte monitor.
    10. Astronauten in aceton, gevolgd door schoonmaak in methanol voor 5 min, spoelen in DI water gedurende 5 minuten, en waait droog met N2.
    11. Ontharden van de contactpersoon door snelle thermische annealer (RTA) bij 300 ° C gedurende 30 s.
    12. Controleer contactweerstand via overgang lijn model (TLM) meting21.
  2. Fabricage van Schottky contacten op BeMgZnO/ZnO Heterostructuren
    1. Volg de stappen 4.1.1-4.1.7 voor fotolithografie van Schottky contact.
    2. Behandeling van het monster oppervlak met externe O2 plasma voor 5 min met een O2 stroom van 35 sccm en een RF-kracht van 50 W.
    3. Volg de stappen 4.1.8-4.1.10 voor de afzetting van Ag met een dikte van 50 nm.
    4. Karakteriseren de verkregen structuur door I-V metingen voor de Schottky dioden17.

Representative Results

De linkerkolom van Figuur 1 toont de evolutie van RHEED patroon opgenomen in de richting [1-100] azimutale tijdens MBE groei van een worden0,02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure met een 300 nm HT-ZnO Dickschicht en een 30 nm dik worden0.02 Mg0.26ZnO barrière. De rechterkolom toont representatieve oppervlakte morphologies op verschillende groeifasen (niet van hetzelfde monster). Zoals blijkt uit het uiterlijk van een vlekkerige RHEED patroon, is de LT-ZnO buffer laag van driedimensionale (3D) eiland groei modus aard. De bovengrondse morfologie werd verbeterd door thermische onthardende behandeling bij een temperatuur boven de 700 ° C. Het is duidelijk dat het oppervlak van 3D getransformeerd naar 2D morfologie. De daaropvolgende HT-ZnO laag blijft groeien in een 2D-modus, gevolgd door de 2D groei van0,02Mg0.26ZnO laag worden zonder de vorming van een tweede fase. AFM metingen hebben aangetoond dat de GaN sjabloon een root mean square (RMS) ruwheid van 0.28 heeft nm voor 5 × 5 μm2 scan. Een glad oppervlak met een RMS-ruwheid van 0.35 nm voor de HT-ZnO laag zonder een barrière wordt verkregen door de groeiende onder O-rijke voorwaarde en een RMS-ruwheid van 0,45 nm wordt waargenomen na de groei van BeMgZnO barrière.

HRXRD triple-as 2θ-ω scannen voor een typische Zn-polaire worden0,02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure met een 300 nm dikke HT-ZnO laag, en een 50 nm dik worden0,02Mg0.26ZnO barrière laag is afgebeeld in Figuur 2. De reflecties op 34.46 o, 34.54 oen 34.75 o stroken met (0002) reflecties van ZnO, GaN, en worden0,02Mg0.26ZnO, respectievelijk. Merk op dat de verbreding van de reflectie van0,02Mg0.26ZnO worden vanwege de dunheid. De treksterkte biaxial stam in het laag ZnO is een indicatie van de Zn-polaire heterostructure, zoals in onze vorige studie13onderzocht. Worden en Mg inhoud in het Kwartair BeMgZnO werden berekend op basis van de Bragg hoek van haar XRD (0002) reflectie en emissie foton energie in LT-fotoluminescentie (LT-PL) spectrum gemeten bij 13 K (niet afgebeeld).

Figuur 3 toont de resultaten van metingen van temperatuur-afhankelijke Hall-Effect voor een0,02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure worden. De concentratie van de vervoerder blad teruggebracht van 8,8 × 1012 cm-2 tot en met 6.4 × 1012 cm-2 wanneer het monster was afgekoeld van kamertemperatuur (293 K) tot ongeveer 100 K. Met verder afkoelen tot 13 K, de blad vervoerder concentratie verzadigde vetzuren in 6.2 × 1012 cm-2. Deze bevinding manifesteert dat de waargenomen afname van de concentratie van de elektron is voortgekomen uit de bijdragen van de parallelle geleiding kanalen waaronder defecte nucleatie laag en HT-ZnO evenals de0,02Mg0.26ZnO worden barrière, indien van toepassing. Deze trend heeft ook gemeld voor MgZnO/ZnO Heterostructuren10,22. De mobiliteit van de elektronen in het worden van0,02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure monotoon toeneemt met afnemende temperatuur; zowel de 293 K mobiliteit van 206 cm2/Vs en de mobiliteit van de 13 K van 1550 cm2/Vs zijn vergelijkbaar met de waarden in de literatuur22,23. De evolutie van de elektronische eigenschappen als functie van de temperatuur geeft duidelijk de aanwezigheid van 2DEG op de0,02Mg0.26ZnO/ZnO heterointerface worden.

Figuur 4 toont de stroom-spanning (I-V) bochten gemeten bij kamertemperatuur voor vier vertegenwoordiger Ag / Be0,02Mg0.26ZnO/ZnO Schottky dioden met een Schottky oppervlakte van 1,1 × 10-4 cm2 binnen één wafer. De voorwaartse stromen toenemen exponentieel met de toegepaste spanning tot 0,25 V, waarboven de spanning over de weerstand van de serie blijken daalt. De hoogste Schottky barrière hoogte van Φap van 1,07 eV werd bereikt met een idealiteit factor n van 1.22. Rectificatie verhoudingen van ongeveer 1 × 10-8 worden bereikt met behulp van de huidige waarden gemeten bij V= ±2 V.

Figure 1
Figuur 1. Oppervlakte karakterisering. Linker kolom ziet u de patronen van de RHEED genomen in de richting [1-100] azimutale tijdens MBE groei van een0,02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure en rechterkolom presenteert de oppervlakte morphologies van de GaN sjabloon, HT-ZnO laag, en worden 0.02Mg0.26ZnO laag gemeten door de AFM. LT-ZnO buffer technologie maakt de groei van de 2D-modus van kwalitatief hoogwaardige ZnO Heterostructuren op lage rooster-mismatched GaN sjablonen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2. HRXRD van de heterostructure. HRXRD triple-as 2θ-ω scan van een typische Zn-polaire0,02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure worden met een 50 nm dik worden0,02Mg0.26ZnO barrière laag. De reflecties op 34.46 o, 34.54 oen 34.75 o stroken met (0002) reflecties van ZnO, GaN, en worden0,02Mg0.26ZnO, respectievelijk. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3. Elektronische eigenschappen van de heterostructure. Temperatuur verslaafdheden blad vervoerder dichtheid en elektron mobiliteit van een Zn-polaire0,02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure worden. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4. Schottky dioden. Typische I-V kenmerken van vier vertegenwoordiger Ag /0,02Mg0.26ZnO/ZnO Schottky dioden gemeten worden bij kamer-temperatuur. De gelijkenis van de vier I-V bochten geeft de hoge in-wafer uniformiteit van het monster. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Discussion

Integratie van BeO in MgZnO om te vormen van de quaternaire BeMgZnO biedt de haalbaarheid om af te stemmen, de omvang en de teken van stam in het Kwartair en vandaar beduidend verhoogt de 2DEG dichtheid8. De representatieve resultaten tonen aan dat de worden0,02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure resultaten in een dichtheid van 2DEG dicht bij de gewenste plasmon-LO phonon resonantie elektronen dichtheid (~ 7 × 1012 cm-2)24. Hoewel de mobiliteit van de elektron van het heterostructure is sterk afhankelijk van de groeiparameters MBE zoals de temperatuur van het substraat en VI/II verhouding van de HT-ZnO én de BeMgZnO barrière laag, de dichtheid van het 2DEG is zwak afhankelijk van de voorwaarden voor groei en vooral bepaald door de worden en Mg inhoud in de barrière.

Een GaN-sjabloon wordt gebruikt voor de groei van BeMgZnO/ZnO Heterostructuren met kristallijn hoogwaardige als gevolg van de gematigde lattice wanverhouding van 1,8% tussen GaN en ZnO, vergeleken met een groot rooster mismatch van 18% tussen saffier en ZnO. Om te voorkomen dat een geleidende parallelle kanaal, is het van cruciaal belang dat een hoge weerstand in het bereik van de MΩ/plein voor de GaN-sjabloon. In ons geval, wordt dit bereikt door het groeien bij een lage kamer druk van 76 Torr om koolstof compensatie. Om te zorgen voor de controle van de polariteit in de Heterostructuren van de BeMgZnO/ZnO (Zn-polariteit), onontbeerlijk zorgvuldige oppervlaktebehandeling van GaN sjabloon. Oxidatie of besmetting tijdens de voorbereiding op het oppervlak van de GaN geïntroduceerd zou veroorzaken Zn - en O-mix-polariteit in de Heterostructuren zelfs de determinant VI/II-verhouding < 1.5 is voldaan.

Chemische reactie tussen het metaal en de halfgeleider, de aanwezigheid van oppervlakte contaminanten, Staten, gebreken in de buurt van het oppervlak, en de verspreiding van metaal in de halfgeleider zijn veelvoorkomende problemen op het gebied van de fabricage van Schottky contactpersonen. Een verscheidenheid van methoden is gemeld in de literatuur voor het voorbereiden van het oppervlak van ZnO voor Schottky contact fabricage. Onder hen zijn etsen in HCl (of andere zuren), fysieke etsen met Ar+, UV ozon reiniging, behandeling van H2O2, en O2 plasma (of mengsel met He)25,26,27, 28. de etsen-procedures gericht voor het verwijderen van een toplaag met dikte een variërend van een paar nanometer tot micron en daarom kan niet worden toegepast voor HFET apparaten. De UV-ozon reiniging of O2 plasma procedure verwijdert alleen de bovenlaag. Het is daarom zeer geschikt voor de oppervlakte voorbereiding van onze BeMgZnO/ZnO-Heterostructuren.

Schottky contactpersonen zijn meestal bereikt door nederlegging van een hoge werk functie metaal zoals Pd, Pt, Ir, enz. Daarentegen heeft Ag een lage functie van het werk van 4,26 eV. Desondanks prima apparaten met behulp van Ag elektrode rectificatie gedrag als gevolg van de vorming van een interface zilver oxide laag veroorzaakt door gedeeltelijke oxidatie van Ag met zuurstof uit ZnO matrix overweg. Het zo gevormde oxide laag is transparant voor elektronen en heeft hogere werk functie ten opzichte van Ag. Raju et al. aangegeven zijn werk functies ongeveer 5.5 eV voor geleden gegroeid door gepulste laser afzetting (PLD), oftewel 1,3 eV hoger is dan dat van Ag, en dicht bij het kenmerk van Pd, Pt en Ir29. Onze resultaten wijzen erop dat dat Ag-elektrode (met O2 plasma voorbehandeling op het oppervlak van ZnO heterostructure) een veelbelovende contact metaal voor de vorming van Schottky diodes is.

We hebben een methode voor het fabriceren van hoogwaardige Schottky contacten voor ZnO gebaseerde HFETs aangetoond. MOCVD gegroeid GaN sjabloon met zorgvuldige oppervlaktevoorbereiding vlak voor MBE groei en een lage VI/II-verhouding < 1.5 tijdens ZnO nucleatie zorgen de Zn-polaire oriëntatie van de ZnO gebaseerde Heterostructuren met hoge kwaliteit. MOCVD is een veel gebruikte volwassen techniek voor epitaxie van GaN voor diverse toepassingen. De MBE-procedure die wordt beschreven in dit werk geeft de combinatiemogelijkheden van MOCVD en MBE technieken en GaN en oxide halfgeleiders voor elektronische apparaten. Opneming van een kleine hoeveelheid worden in de BeMgZnO barrière laag resultaten in HFETs met hoge 2DEG dichtheid, hoge elektron mobiliteit en hoge thermische stabiliteit, voor een betere prestatie bij hoge snelheid.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit werk werd gesteund door Air Force Office voor wetenschappelijk onderzoek (AFOSR) onder 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

Engineering kwestie 140 moleculaire straal epitaxie (MBE) ZnO BeMgZnO tweedimensionaal electron gas (2DEG) heterostructure veld effect transistors (HFETs) Ag Schottky diodes
Fabricage van Schottky Diodes op Zn-polaire BeMgZnO/ZnO Heterostructure gegroeid door moleculaire Beam Plasma-bijgewoonde epitaxie
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