Waiting
Login processing...

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

Engineering

プラズマ援用分子線エピタキシー法により成長した Zn 極性 ZnO/BeMgZnO へテロ構造をショットキー ダイオードの作製

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

高品質ショットキー接触の達成はヘテロ構造電界効果トランジスタ (Hfet) の効率的なゲート変調を実現するために不可欠です。プラズマ援用分子線エピタキシによる GaN テンプレート上に成長した高密度 2 次元電子ガス (2 deg) と Zn 極性 BeMgZnO/酸化亜鉛ヘテロ構造をショットキー ダイオードの特性と製造方法を提案します。

Abstract

ヘテロ構造電界効果トランジスタ (Hfet) 二次元電子ガス (2 deg) チャネルを用いる高速デバイス アプリケーションの大きな可能性があります。酸化亜鉛 (ZnO)、ワイドバンド ギャップ (3.4 eV) と高電子飽和速度の半導体は、高速デバイスのための魅力的な材料として大量の関心を得ています。効率的なゲート変調、しかし、高品質ショットキー障壁層が必要です。この記事で現在私たちショットキー ダイオード歪み変調と、数パーセントの設立を通じて達成される高密度 2次元電子ガスと Zn 極性 BeMgZnO/酸化亜鉛ヘテロ構造の施工いたします MgZnO ベース障壁に成長時分子線エピタキシー (MBE)。高結晶品質を達成するために有機金属化学気相成長 (MOCVD) による成長ほぼ格子整合高抵抗 GaN テンプレートは酸化層の MBE 成長の基板として使用されます。必要な Zn 極性 GaN の表面処理の注意を取得するには、テンプレートおよび低温 ZnO 核形成層の成長の間に VI/II 比制御が利用されています。Ti/Au 電極は、オーミック接触と O2プラズマ前処理 BeMgZnO 表面ショットキー接触用 Ag 電極として機能します。

Introduction

ヘテロ構造電界効果トランジスタ (Hfet) 2 つの 2次元電子ガス (2 deg) に基づく高速電子デバイス1,2,3アプリケーションの有望な潜在性があります。酸化亜鉛 (ZnO) (3.4 eV) ワイドバンド ギャップ半導体であり、高電子飽和速度として Hfet4、5のためのプラットフォームとして脚光を浴びてきてください。非常に高い Mg コンテンツを必要とする従来のバリア材料 MgZnO 三元 (> 40%) 低基板温度 (300 ° C 以下)6、7で、そのような成長をしてこれらの構造が高い電源操作の下で低下する傾向があります。たとえバリアで不要な電荷密度がゲート変調のため十分に低く、サーマル ・ トリートメント中。この障害を回避するために提案し、バリア内ずみ符号に切り替えられる圧縮から (が)、ベリリウムの設立を介して引張自発的な作りの壁に piezoelectricpolarizations と BeMgZnO を採用添加剤。その結果、高い 2次元電子ガス濃度は比較的穏健な Mg コンテンツで実現できます。プラズモン近く観察される高い 2次元電子密度、このアプローチを活用-LO 以下 Mg コンテンツ中 BeMgZnO/酸化亜鉛ヘテロ構造におけるフォノン共鳴 (7 ~ 10 ×12 cm-2) は 30% とされるコンテンツは 2 のみで 〜 38。

類似の結晶対称性、紫外線と可視光透明性のため堅牢な物理・化学的性質、および低コスト、c 面サファイア広く GaN、ZnO 結晶のエピタキシャル成長の採用です。GaN ベースの成長技術電子 saphhire の光電子デバイスの実現する顕著な進歩のおかげで高品質 GaN テンプレート簡単にとれるサファイア基板上にもかかわらず AlN または低温 (LT) GaN バッファーを使用してその格子ミスマッチの大きなサファイア9と 16% の。O 極様々 な二次元モードにおける Zn 極性物質の成長がうまく確立されない間、サファイアと 18% のより大きい面内格子不整合のある ZnO エピタキシャル成長は理解比較的よく。1.8% の適度な格子の不一致により GaN 上への ZnO 結晶のエピタキシャル成長、魅力的な代替手段です。

MOCVD や MBE は、再現性の高い高品質薄膜の作製とヘテロ構造を製造するための最も成功した半導体成膜技術です。MBE は GaN のエピタキシャル成長の mocvd 法よりも人気の主な理由は、コストと大量生産のため不十分です。Mocvd 法による GaN の成長率は、時速数 μ m と 2 インチ (50 mm) 直径ウエハーや 6-8"育てることができる 1 つ実行9倍万にすることができます。ここでは、私たちも採用 MOCVD GaN の成長のため我々 の研究で。酸化亜鉛ヘテロ構造の成長、ただし、2次元電子ガスの形成に関する複数のレポートを実現しました mbe 現時点で潜在的なアプリケーション10、11,12化前に。最近では、Ga 極 GaN テンプレート13表面極性の正確な制御と高品質酸化亜鉛ヘテロ構造の MBE 成長をしました。Zn 曝露前治療と ZnO 層そう育った展示 Zn 極性 VI/II レシオが低い核とが分かった (< 1.5)、これらの VI/II 比率 1.5 以上と核は O 極性を展示中。GaN テンプレートを通じて並列伝導チャネルを避けるためには、我々 は炭素を採用した AlN バッファー ZnO 系 HFET 構造のそれに続く成長のための低圧の条件下で半絶縁性 GaN パッシベを補償。

私たちの仕事の14、前に報告されているない BeMgZnO/酸化亜鉛ヘテロ界面にショットキー ダイオードの調査。MgZnO15,16、例えばショットキー接触にのみいくつかの研究が報告している。、2.37 の理想係数、0.73 eV の障壁高さと整流の比率のみ 103 15の。ZnO17ショットキーの様々 な金属が使用されている中で、銀 (Ag) 採用されていると広く、1.08 18の理想係数とバルク ZnO の 1.11 eV の比較的高いショットキー障壁高さのため。

この作品で高速 HFET デバイスの酸化亜鉛ベースのアプリケーションに高品質のショットキー ダイオードを作製を目指します。次のプロトコルは、MOCVD 堆積 GaN テンプレート上 MBE により成長した BeMgZnO/酸化亜鉛ヘテロ構造の Ag の電子ビーム蒸着法による Ag/BeMgZnO/ZnO ショットキー ダイオードの作製に具体的に適用されます。

Protocol

1. 成長と Gan の MBE 成長のための準備

  1. Mocvd 法による半絶縁性 gan の成長
    1. 原子炉からロードロック室を隔離するゲート弁が閉じていることを確認します。N2の大気圧と負荷ロックをぶちまけます。基板ホルダーを取り出して読み込みロックを開きます。
    2. ホルダーに 2 インチ サファイア基板を読み込み、読み込みロックにホルダーを配置します。2.5 × 10、ロードロック圧力ポンプダウン-2機械ドライポンプでトル。
    3. N2炉 (15 Torr) のとは、その圧力を均等化するために読み込みロックをぶちまけます。
    4. ロードロック隔離ゲート弁を開き、原子炉内のサンプル ホルダー アセンブリにホルダーをロードします。回転モーターをオンにし、100 rpm の基板ホルダーの回転速度を設定します。ゲート弁を閉じます。
    5. 冷却水で両方 H2を実行しているコント ローラー (MFC) を質量流量 NH3供給は不十分であるおよびその圧力コント ローラー (PC) 測定値は、規定値と同じおよび基板ホルダーを回転すること。
    6. H2N2からシステムのガスを切り替えます。その場の光反射モニターの電源します。
    7. 基板温度、ガス流量および原子炉圧力のランプ、バルブの切り替えなどすべての成長パラメーターをプレインストールするレシピのファイルを起動することによって、成長を開始します。
    8. 3 分で 30 Torr まで原子炉圧力と H2の環境で 3 分間基板表面からの残留汚染を脱着し 1055 ° C に基板温度をランプ。
    9. 941 の ° c 核形成と低温 (LT の) AlN バッファー層の成長の基板温度ランプダウン。
    10. 毎分 (sccm) 12 の標準的な立方センチメートルとポリプロピオネート (TMAl) 流・ 7 sccm としてアンモニア (NH3) 流 3 分の基板温度を安定させます。
    11. LT AlN 層の成長を開始するには、実行の行に通気口から TMAl の切り替えします。
    12. 637 nm レーザー ダイオード、p i n Si 受光素子と Labview ベースのソフトウェアが含まれていますカスタム反射率測定システムを使用して LT AlN 層の厚さを制御します。反射率振動19,20の期間から成長率を決定します。選択した試料中の in situモニタリングの精度を確認するのに断面の走査型電子顕微鏡および透過電子顕微鏡画像を使用します。
    13. 6 分 〜 20 nm、成長中断することがなく 3 分で 1100 ° C に基板温度をランプの厚さに達するし、300 の厚さに AlN 層の成長を継続するための成長を続ける nm、s の監視、の振動の進化によって、itu光反射。
    14. 口にしアイドル ライン AlN 成長を止めることの実行から TMAl を切り替えます。15.5 sccm、7000 sccm に NH3流れランプアップ トリメチルガリウム (TMGa) 流れを安定させるし、1 分ランプ 1 分で 1107 ° C に基板温度を 1 分ランプ 76 Torr まで原子炉圧力を安定させます。
    15. 核し、〜 400 の厚さで回復 gan を成長 nm, 反射率の進化を監視中。最初 GaN AlN 表面上核諸島、島合体するとき原子平坦面に対応する元のレベルに強度を回復すると、反射率は急激な減少を展示します。
    16. 1124 ° C 2 分成長高温半絶縁性 GaN 層の厚さと ~2.5 mm の基板をランプは、口にし、アイドル状態の行に実行から一方を切り替えることにより成長を止めます。
    17. 40 分間室温に基板を冷やします。
    18. 1.5 分間 15 Torr まで原子炉圧力ランプダウン。
    19. 手順 1.1.1-1.1.4 の逆の手順で原子炉から基板をアンロードします。
  2. GaN テンプレート作製とロード MBE 原子炉。
    1. 6 円形等分にダイヤモンドのスクライバーを使用して 2 インチ GaN テンプレートをカットします。
    2. 石英ビーカーに塩酸 (HCl、36.5 38.0 w/w%、150 mL) に硝酸 HNO3、68.0 70.0 w/w% (50 mL) をゆっくり追加して王水酸発煙のフードの中の酸溶液を準備します。
    3. 220 ° C の温度でホット プレートに王水ビーカーを置く
    4. 赤/オレンジ色と気泡の出現の後扇形 GaN テンプレートを 1 つのソリューションに浸るし、10 分間煮る。
    5. 3 分間の脱イオン (DI) 流水で GaN テンプレートをすすいでください。
    6. GaN テンプレートに漬 HCl (36.5 38.0 w/w%):H2O 溶液が酸化を削除する 3 分間 (1:1)。
    7. 5 分・ ディ ・流水に GaN テンプレートをすすいでください。
    8. N2ガス テンプレートを乾燥させます。
    9. Mo ホルダーに掃除の GaN テンプレートを置いて、MBE ロードロック室にすぐにそれを読み込みます。
    10. 機械式ドライポンプで読み込みロックをポンピングを開始します。

2. BeMgZnO/酸化亜鉛ヘテロ構造の成長

  1. 胸水細胞の調製
    1. 1 h の読み込みロックを真空排気後の開始準備 Zn, Mg, 胸水細胞であります。ダブル ゾーン亜鉛電池のアッパー ゾーン温度 17 ° C/分のランピング加工率 525 ° C、5 分後 15 ° C/分のランピング加工速度 5 ° C/分セット Mg セル温度 570 ° c のランピング率 515 ° C までランプを待つ、セット ポイントに到達、後 10 分待つ、300 ° C まで Mg 細胞をランプ設定、セル温度を 900 ° C まで 10 ° C/分のランピング加工速度にする、セット ポイントに達すると後は、3 分待つ、650 ° c. までセルをランプ
    2. 30 分後に、360 ° C まで 10 ° C/分のランピング加工速度にダブル ゾーン亜鉛電池の下のゾーン温度を設定します。
    3. 2 h 〜 5 × 10-7 Torr の圧力に到達するため負荷ロックを真空排気後反射高速電子線回折 (RHEED) システムをオンにし、MBE チャンバーに GaN テンプレートを読み込みます。
    4. [1-100] 方位角方向に沿って RHEED パターンの進化を監視するマニピュレーターを回転させることにより GaN テンプレートの角度を調整します。
    5. 355 ° C まで 10 ° C/分のランピング加工速度にダブル ゾーン亜鉛電池の下のゾーン温度を設定します。
  2. GaN と LT ZnO バッファーの成長 zno 極性制御
    1. ランピング 13.6 ° C/分 15 分の基板表面からの残留汚染を脱着する率で 615 ° C に基板温度をランプ。
    2. 615 から 13.6 ° C/分 LT ZnO の成長のためのランピング加工速度 280 ° C への基板温度ランプダウン。温度 550 ° C に達すると、亜鉛フラックスと GaN テンプレート表面を公開する Zn 携帯シャッターを開きます。O2プラズマ電源をオンに、100 W と O2ガス管線が閉じていることを確認するチェック力を設定します。
    3. 温度 280 ° C に達すると、O2プラズマ電源をプラズマを点火し、0.25 sccm に O2流量を減少させる 0.3 sccm に 400 W、セット O2流量に設定します。
    4. LT ZnO バッファー層の成長を開始する O2シャッターを開くまで 1 分間待ちます。
    5. RHEED パターン 5 分ごとを記録します。約 15 分 ~ 20 のバッファー膜厚に対応するための成長後 nm、楕円形斑点 (3 D モード)、ストライプ (2 D モード) から RHEED パターンに変更するとき成長を止めること O と Zn2シャッターを閉じます。
    6. O2流量 0.4 sccm にし LT ZnO バッファー層のアニール 13.6 ° C/分のランピング レートで 730 ° C に基板温度を設定します。345 ° C まで 10 ° C/分 HT ZnO 層の成長のためのランピング加工速度にダブル ゾーン亜鉛電池の下のゾーン温度を設定します。
    7. 基板温度 730 ° C のセット ポイントに達すると、5 分待ってから、RHEED による ZnO 表面をチェックします。RHEED パターンは 3 D から 2 D へ遷移する、停止ランプの基板温度 700 ° c 下でアニール
  3. 高温酸化亜鉛層の成長
    1. 基板温度 700 ° C に達するし、安定、3.2 sccm に O2流量を増やします。
    2. O と Zn2シャッターを同時に開くことによって HT ZnO 層の成長を開始します。
    3. 成長 〜 140 分厚 〜 300 に到達する HT ZnO 層 nm。2 D の成長モードを確認する成長中の RHEED パターン数回を記録します。
    4. HT ZnO 層の成長を中止するには、同時に O と Zn2シャッターを閉じるします。
  4. BeMgZnO バリアの成長
    1. 0.3 sccm に O2流量、設定、セル温度 820 ° C まで 10 ° C/分のランピング加工速度に、Mg セル温度 15 ° C/分のランピング加工率で 510 ° C に設定して基板温度 13.6 ° の傾斜率 325 ° cC/分 BeMgZnO 障壁の成長のため。
    2. 基板温度が安定すると 1.25 sccm に O2の流量を増加し、Zn, Mg を開いて同時に成長を開始すると O2シャッター。
    3. 〜 12 分 ~ 30 の厚さに到達する BeMgZnO バリア層を成長 nm。レコードの RHEED パターンの成長モードの進化を監視する成長の間に数回。
    4. Mg を閉じることによって BeMgZnO 層の成長を停止し、1 分 ~ 2 nm 厚い ZnO キャップ層を持っているために開いた O と Zn2を維持しながらシャッターをするシャッターします。
    5. O と Zn2シャッターを閉じることによって成長を終了します。
    6. ランプダウン スタンバイ、その温度に基板温度 150 ° C0.25 sccm に O2流量を減少させます。
    7. 基板温度が 250 ° C 以下と、100 W O2プラズマ パワーを抑制、O2プラズマ電源をオフ、0 O2流量を減少させる、O2ガス管線を閉じる、スタンバイするセル温度を冷やす条件。
    8. 基板温度スタンバイ温度 150 ° C に達する成長室の仕切弁を開き、ロードロック室にウェハ ホルダーをアンロードするを待ちます。
    9. N2ガス ロードロック室をぶちまける、サンプルを取り出してください。

3. 特徴

  1. 大体サンプルの端にカバーされている領域を介してステップ プロファイラーを使用して、試料の厚みを測定します。
  2. 高分解能 x 線回折 (HRXRD) ((0002) 反射の第 2 四半期 w スキャン) を用いたヘテロ構造の厚さ、ひずみ、構造品質を評価します。
  3. 5 × 5 mm にカット、サンプル2ダイヤモンド罫書き針を使用して、正方形の部分。インジウム (In) ドットの接触電極としてのバンの der の Pauw ジオメトリの温度依存ホール効果測定を使用して、サンプルの電子特性を調査します。
  4. 原子間力顕微鏡 (AFM) を用いた表面の形態を確認してください。

4. ショットキーバリア ダイオードの作製

  1. BeMgZnO/酸化亜鉛ヘテロ構造のオーミック コンタクトの作製
    1. サンプル (~ 20 × 20 mm2のサイズ) を 5 分、次いでメタノールで 5 分間超音波洗浄機で洗浄、5 分の純水で洗浄、N2乾燥吹く用超音波クリーナー アセトンで脱脂します。
    2. 3 s の 1000 rpm とし、3000 rpm 30 コート フォトレジストをスピン s。
    3. 140 100 ° C でフォトレジストを焼くソフト s。
    4. オーミック接触を通して紫外線を公開 2.38 分露光マスクア ライナーの 6.5 mW UV ランプの電源投入時のマスク。
    5. ポスト焼く 80 110 ° C でフォトレジスト s。
    6. 60 の開発者の開発 1/秒の振動周波数で s。
    7. 3 分とブローは N2の DI 水ですすいでください。
    8. 電子ビーム蒸発器にサンプルをロードします。
    9. サンプルを加熱することがなく入金 Ti/Au 厚 30/50 nm、水晶膜厚モニターによって測定されます。
    10. 5 分のメタノールで洗浄後、アセトンでリフトオフ 5 分の純水ですすぎと吹いて乾燥 N2。
    11. 30 で 300 ° C で急速な熱炉 (RTA) による接触をアニール s。
    12. 遷移行モデル (TLM) 測定21による接触抵抗を確認してください。
  2. BeMgZnO/酸化亜鉛ヘテロ界面のショットキー接合の作製
    1. ショットキー接触の写真平版の手順 4.1.1-4.1.7 に従ってください。
    2. リモートの O2プラズマ 35 sccm の O2の流れと 50 ワットの高周波電力を 5 分間で試料表面を治療します。
    3. 50 の厚さと銀の沈着量のステップ 4.1.8-4.1.10 に従う nm。
    4. ショットキー ダイオード17- V の測定によって得られた構造を特徴付けます。

Representative Results

図 1の左の列の MBE 成長中 [1-100] 方位角方向に沿って記録した RHEED パターンの進化を示しています、ある0.02Mg0.26酸化亜鉛/酸化亜鉛ヘテロ構造、300 nm 厚い HT ZnO 層と、30 nm 厚0.02 をします。Mg0.26ZnO バリア。右側の列では、(同じサンプル) からではなく異なる生育段階で代表的な表面形態を示しています。むら RHEED パターンの外観から明らかなよう、LT ZnO バッファー層は三次元 (3 D) 島成長モード自然。その表面は 700 ° C 以上の温度で焼鈍熱処理によって改善されました。表面 3 D から 2 D の形態に変換することを明確に見られています。2 D モードで成長を続けているその後 HT ZnO 層0.02Mg0.26ZnO 層がなければ第 2 段階の形成の二次元成長が続きます。AFM 測定 GaN テンプレートが 0.28 の二乗平均平方根 (RMS) 粗さが示されている 5 × 5 μ m2スキャンの nm。O リッチ条件と 0.45 BeMgZnO 障壁の成長後は nm を観察の RMS 粗さの下で成長によって障壁なし HT ZnO 層の nm が得られる 0.35 の RMS 粗さを滑らかな表面。

HRXRD 3 軸 2 θ-ω スキャン Zn 極性の典型的なの0.02Mg0.26酸化亜鉛/酸化亜鉛ヘテロ構造と 300 nm 厚い HT ZnO 層と 50 nm 厚が0.02Mg0.26ZnO バリア層を図 2に示します。34.46 o、34.54 o、および 34.75 oでの反射は、GaN、zno (0002) 反射と一致しているし、それぞれ0.02Mg0.26ZnO であります。その薄さ0.02Mg0.26ZnO からの反射の拡がりが注意してください。ZnO 層の引張軸ひずみは、私たちの以前の研究13, Zn 極性ヘテロ構造を示す。BeMgZnO の第四紀層中の Mg 含量は 13 K (図示せず) で測定した LT-フォトルミネッ センス (LT PL) スペクトルに (0002) x 線回折の反射と放射光子エネルギーのブラッグ角から算出しました。

図 3温度依存ホール効果測定の結果を示します、0.02Mg0.26酸化亜鉛/酸化亜鉛ヘテロ構造をします。シート キャリア濃度減少 8.8 × 10 から12 cm-2 6.4 × 10 ~12 cm-2サンプルは室温 (293 K) から約 100 K に冷却されたときさらに 13 K に冷却、シート キャリア濃度飽和 6.2 × 10 で12 cm-2。この発見はマニフェスト電子濃度で観察される減少は欠陥の核形成層と HT ZnO 層を含む並列の伝導チャネルからの貢献が由来と同様0.02Mg0.26ZnOバリア、あれば。この傾向は、MgZnO/酸化亜鉛ヘテロ構造10,22の報告されています。電子移動度、温度の下降とともに0.02Mg0.26酸化亜鉛/酸化亜鉛ヘテロ構造が単調に増加をします。206 cm2/Vs の 293 K モビリティと 1550 cm2/Vs の 13 K 移動文学22,23の値に匹敵するが。温度の関数としての電子特性の進化で 2次元電子ガスの存在を明示、0.02Mg0.26酸化亜鉛/酸化亜鉛ヘテロ界面をします。

図 4カーブ 4 代表 Ag の室温で測定/0.02Mg0.261.1 × 10 のショットキー面積 ZnO/ZnO ショットキー ダイオードに電流-電圧 (i-v) を示しています 1 つのウェハ内で-4 cm2 。明らかになる直列抵抗での電圧を降下 0.25 V、最大印加電圧と順方向電流が急増します。最高のショットキー障壁高さ 1.22 の理想係数 n Φ の 1.07 eV のapが得られました。Vで測定された現在の値を使用して達成される整流比約 1 × 108 ± 2 V を =。

Figure 1
図 1。表面の特性評価します。左側の列の MBE 成長中 [1-100] 方位角方向に沿って撮影した RHEED パターンを示しています、0.02Mg0.26酸化亜鉛/酸化亜鉛ヘテロ構造をして右の列 GaN テンプレート、HT ZnO 層の表面モフォロジーをプレゼントし0.02Mg0.26ZnO 層の AFM による測定します。LT ZnO バッファー技術により、低格子不整結晶 GaN テンプレート上高品質酸化亜鉛ヘテロ構造の 2 D モードの成長率です。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 2
図 2。ヘテロ構造の HRXRD.HRXRD 3 軸 2 θ-ω スキャンの Zn 極性の典型的な 500.02Mg0.26酸化亜鉛/酸化亜鉛ヘテロ構造をする nm 厚が0.02Mg0.26ZnO バリア層。34.46 o、34.54 o、および 34.75 oでの反射は、GaN、zno (0002) 反射と一致しているし、それぞれ0.02Mg0.26ZnO であります。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 3
図 3。ヘテロ構造の電子物性は。Zn 極性のシート キャリア密度と電子移動度の温度依存性0.02Mg0.26酸化亜鉛/酸化亜鉛ヘテロ構造をします。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 4
図 4。ショットキー ダイオード。4 代表者 Ag の典型的な-V特性/0.02Mg0.26ZnO/ZnO ショットキー ダイオードは室温で測定します。4 - V 曲線の類似性は、サンプルのウエハの均一性を示します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Discussion

BeO の第四紀の BeMgZnO を形成する MgZnO への取り込み範囲と第四紀のひずみの兆しをチューニングする可能性を提供し、それ故 2次元電子ガス密度8を大幅増加させます。代表的な結果を示す、0.02Mg0.262 deg 密度目的のプラズモンに近い酸化亜鉛/酸化亜鉛ヘテロ構造の結果をする-LO フォノン共鳴電子密度 (7 ~ 10 ×12 cm-2)24。ヘテロ構造の電子移動度は、基板温度など HT ZnO と BeMgZnO のバリア層の VI/II 比 MBE 成長パラメーターに強く依存、2次元電子ガス密度が弱く成長条件依存と主に定めしてバリアで Mg コンテンツ。

GaN テンプレートは、GaN、ZnO、サファイアと ZnO 間 18% の大きい格子不整合と比較して間 1.8% の適度な格子不整合により高結晶品質と BeMgZnO/酸化亜鉛ヘテロ構造の成長に使用されます。任意の導電性のパラレル チャネルを避けるためには、GaN テンプレートの MΩ/平方の範囲で高い抵抗を持つことが重要です。私たちのケースで、これは炭素補償を強化する 76 Torr の低燃焼室圧力で成長によって達成されます。BeMgZnO/酸化亜鉛ヘテロ構造 (Zn 極性) の極性制御をように GaN テンプレートの注意の表面処理は不可欠です。Zn と O-ミックス-極性決定 6/2 比もヘテロ構造における酸化または GaN 表面の準備の間に導入された汚染物引き起こす < 1.5 を達成。

金属と半導体、表面汚染物質の存在の間の任意の化学反応の状態は、半導体に金属の拡散と表面近傍の欠陥はショットキーの製造の分野における一般的な問題連絡先。さまざまな方法は、ショットキー接触作製の ZnO の表面を準備するための文献で報告されています。その中には Ar+UV オゾン洗浄、H2O2O2プラズマ (や彼との混合物) の治療と HCl (または他の酸) 物理エッチング エッチング25,26,27,28. エッチング プロシージャ、数ナノメートルからミクロンまでの厚さで表面層の除去のための目的およびしたがって HFET デバイスに適用できません。UV オゾン洗浄または O2プラズマ プロシージャは、表面層のみを削除します。したがって、私たち BeMgZnO/酸化亜鉛ヘテロ構造の表面処理に最適です。

通常ショットキーはPd, Pt、Ir など高仕事関数金属を堆積によって達成されます。対照的に、Ag は 4.26 eV の低仕事関数であります。それにもかかわらず、Ag 電極を用いたデバイスは ZnO マトリックスから酸素と銀の部分酸化によって引き起こされるインターフェイス銀酸化層の形成により整流動作を表示できます。だから形成された酸化膜は電子の透過的であり高仕事関数は、Ag と比較して。ラジュら。1.3 ev より高い Ag と Ir、Pt、Pd の29の特性に近いパルス レーザー蒸着 (PLD) により成長前の約 5.5 eV の仕事関数を報告しています。我々 の結果は、その Ag 電極 (O ZnO 構造の表面に2プラズマの前処理) がショットキー ダイオードの形成のための有望な接触金属であることを示します。

ZnO 系 Hfet の高品質ショットキー接触を製造する方法を示しました。直前の MBE 成長と低 VI/II 比慎重な表面処理と MOCVD 成長 GaN テンプレート < ZnO 核中に 1.5 確実高品質の酸化亜鉛ヘテロ構造の Zn 極性の向き。Mocvd 法は、様々 な用途に GaN のエピタキシャル成長の広く使われている成熟した手法です。MBE の手順はこの作品には、MOCVD や MBE 技術と電子デバイス用 GaN と酸化物半導体の組合せ可能を示します。定款の少量の高速性能を強化、2 deg の高密度、高電子移動度、高い熱安定性と Hfet の BeMgZnO 障壁層の結果になります。

Disclosures

著者が明らかに何もありません。

Acknowledgments

この作業によって空軍オフィスの科学的研究 (AFOSR) グラント FA9550-12-1-0094 下に対応しました。

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

工学、問題 140、分子線エピタキシー (MBE)、酸化亜鉛、BeMgZnO、2次元電子ガス (2 deg) ヘテロ構造フィールド効果トランジスタ (Hfet) Ag、ショットキー ダイオード
プラズマ援用分子線エピタキシー法により成長した Zn 極性 ZnO/BeMgZnO へテロ構造をショットキー ダイオードの作製
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