Waiting
Login processing...

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

Engineering

Tillverkning av Schottky dioder på Zn-polar BeMgZnO/ZnO heterostrukturfotoniska odlas av Plasma-assisted molekylärt stråla epitaxyen

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

Uppnående av hög kvalitet Schottky kontakter är absolut nödvändigt för att uppnå effektiv gate modulering i heterostrukturfotoniska field-effecttransistorer (HFETs). Vi presenterar fabrication metodik och egenskaper av Schottky dioder på Zn-polar BeMgZnO/ZnO Halvledareheterostructures med hög densitet två dimensionell Elektronen gasar (2DEG), odlas av plasma-assisted molekylärt stråla epitaxyen på GaN mallar.

Abstract

Heterostrukturfotoniska field effecttransistorer (HFETs) använder en kanal med två dimensionell elektron i gas (2DEG) har en stor potential för hög hastighet enhet applikationer. Zinkoxid (ZnO), en halvledare med stort bandgap (3,4 eV) och hög elektron mättnad hastighet har vunnit en hel del uppmärksamhet som ett attraktivt material för hög hastighet enheter. Effektiv gate modulering, men kräver hög kvalitet Schottky kontakter barriär i lagret. I denna artikel, vi presenterar vårt Schottky diod fabrication förfarande på Zn-polar BeMgZnO/ZnO heterostrukturfotoniska med hög densitet 2DEG som uppnås genom stam modulering och införlivandet av några få procent vara i MgZnO-baserade barriären under tillväxt av molekylärt stråla epitaxyen (MBE). För att uppnå hög kristallina kvalitet, används nästan galler-matchade hög-resistivitet GaN mallar vuxit med metall-organiska kemisk förångningsdeposition (MOCVD) som substrat för efterföljande MBE tillväxten av oxid lager. För att erhålla erforderligt Zn-polaritet, försiktig ytbehandling av GaN mallar och kontroll över II/VI förhållandet under tillväxten av låg temperatur ZnO kärnbildning lager utnyttjas. TI/Au elektroder fungera som ohmsk kontakter och Ag elektroder deponeras på O2 plasma förbehandlade BeMgZnO yta används för Schottky kontakter.

Introduction

Heterostrukturfotoniska field effecttransistorer (HFETs) baserat på två dimensionell Elektronen gasar (2DEG) har en lovande potential för tillämpningar i hög hastighet elektroniska enheter1,2,3. Zinkoxid (ZnO) som en halvledare som brett bandgap (3,4 eV) med hög elektron mättnad hastighet har fått stor uppmärksamhet som en plattform för HFETs4,5. Konventionellt används barriär materiella MgZnO ternära kräver en mycket hög Mg-halt (> 40%) odlas på låg substrat temperaturer (300 ° C eller lägre)6,7, och som sådan dessa strukturer är apt att försämra under hög effekt verksamhet och under termiska behandlingar, även om oönskade laddningstätheten i barriären är tillräckligt låg för gate modulering. För att kringgå detta hinder, har vi föreslagit och antog BeMgZnO som barriär, där tecknet stam i barriären kan kopplas från tryckkraft till brottgräns via införlivandet av beryllium (Be), att göra spontana och piezoelectricpolarizations till vara additiv. Som ett resultat, uppnås hög 2DEG koncentration med relativt måttliga Mg innehåll. Utnyttja denna strategi, hög 2DEG tätheter observeras nära plasmon-LO phonon resonans (~ 7 × 1012 cm-2) i BeMgZnO/ZnO Halvledareheterostructures medan Mg innehållet nedan är 30% och vara innehåll är bara på 2 ~ 3%8.

På grund av dess liknande crystal symmetry, UV och synligt ljus öppenhet används robust fysikaliska och kemiska egenskaper och låg kostnad, c-plan sapphire allmänt för epitaxyen både GaN och ZnO. Tack vare anmärkningsvärda framsteg i tillväxt teknik av GaN-baserade elektroniska och optoelektroniska enheter på saphhire, kan högkvalitativa GaN mallar enkelt skapas på safir substrat med AlN eller låg temperatur (LT) GaN buffert, trots dess stora galler matchningsfel för 16% med safir9. Epitaxiell tillväxt av ZnO, som har en ännu större i-plane galler obalans på 18% med safir, är relativt väl förstådda för O-polar variation, medan tillväxten av Zn-polar material i tvådimensionellt läge inte är väl etablerad. På grund av en måttlig galler felmatchning av 1,8% är epitaxy av ZnO på GaN ett attraktivt alternativ.

Både MOCVD och MBE är de mest framgångsrika semiconductor nedfall teknikerna för att tillverka högkvalitativa tunna filmer och Halvledareheterostructures med hög reproducerbarhet. Den främsta orsaken som MBE är mindre populär än MOCVD för epitaxyen av GaN är kostnaden och otillräcklighet för massproduktion. Tillväxttakten i GaN av MOCVD kan vara flera mikrometer per timme och tior 2 tum (50 mm) diameter (wafers) eller de som är lika stor som 6-8 ”kan odlas i en kör9. Här, anta vi också MOCVD för tillväxten av GaN i vår studie. För tillväxten av ZnO-baserade Halvledareheterostructures, dock realiseras mer rapporter om bildandet av 2DEG av MBE närvarande före kommersialiseringen av de potentiella tillämpningar10,11,12. Nyligen har vi utvecklat MBE tillväxt av hög kvalitet ZnO Halvledareheterostructures med en korrekt kontroll av surface polaritet på Ga-polar GaN mallar13. Det konstaterades att med Zn före exponeringen behandling, ZnO lager så odlade utställda Zn-polaritet när nucleated med låg VI/II nyckeltal (< 1,5), medan de nucleated med VI/II nyckeltal över 1,5 uppvisade O-polaritet. För att undvika parallella överledning kanal genom GaN mallar, antog vi kol kompenseras delvis isolerande GaN MOCVD odlas under lågtryck förhållanden på AlN buffert för efterföljande tillväxten av ZnO-baserade HFET strukturer.

Före vårt arbete14, har det förekommit några rapporter om utredningen av Schottky dioder på BeMgZnO/ZnO Halvledareheterostructures. Bara flera studier har rapporterat på Schottky kontakter till MgZnO15,16, t.ex., med en idealitet faktor av 2,37, en barriär höjd av 0,73 eV och förhållandet rättelse endast 103 15. Olika Schottky metaller har använts för ZnO17, och bland dem, silver (Ag) har allmänt antagits, på grund av en relativt hög Schottky barriär höjd av 1.11 eV på bulk ZnO med en idealitet faktorn 1,08 18.

I detta arbete, vi strävar efter att tillverka högkvalitativa Schottky dioder för programmen i ZnO-baserade enheter med hög hastighet HFET. Följande protokoll gäller specifikt för tillverkning av Ag/BeMgZnO/ZnO Schottky dioder av e-beam avdunstning av Ag på den BeMgZnO/ZnO Halvledareheterostructures odlas av plasma-assisted MBE på MOCVD-deponeras GaN mallar.

Protocol

1. tillväxt och beredning av GaN mall för MBE tillväxt

  1. Tillväxten av semi isolerande GaN mall av MOCVD
    1. Se till att ventilens gate isolera belastning-lock kammaren från reaktorn är stängd. Ventilera den belastning-lock med N2 till atmosfärstryck. Öppna den belastning-lock att ta ut hållaren substrat.
    2. Ladda 2-tums safir substratet på hållaren och placera sedan innehavaren tillbaka till last lås. Pump down load-lock trycket ner till 2,5 × 10-2 Torr av en mekanisk torr pump.
    3. Ventilera den belastning-lock med N2 att utjämna trycket med det i reaktorn kammaren (15 Torr).
    4. Öppna den belastning-lock isolering gate valve och läsa in hållaren i prov innehavaren församlingen i reaktorn. Aktivera motorns rotation och ställa 100 rpm rotationshastighet substrat-hållare. Stäng sedan ventilen gate.
    5. Säkerställa att kylvattnet är igång, både H2 NH3 utbudet räcker, massa flow controller (MFC) och tryckavläsningar controller (PC) är samma som börvärden och substrat innehavaren roterande.
    6. Byta system gas från N2 H2. Slå på skärmen i situ optiska reflektans.
    7. Initiera tillväxten genom att starta filen recept som förinstallerar alla tillväxt parametrar inklusive rampning av substrat temperaturer, gasflöden och reaktorn pressar och byte av ventiler.
    8. Ramp upp reaktorn trycket till 30 Torr i 3 min och substrat temperaturen till 1055 ° C till desorb kvarvarande föroreningar från substrat yta för 3 min i H2 -miljön.
    9. Ramp ner substrat temperaturen till 941 ° C för kärnbildning och tillväxt av låg temperatur (LT) AlN buffertlager.
    10. Stabilisera trimethylaluminum (TMAl) flödet som 12 standard kubikcentimeter per minut (sccm) och ammoniak (NH3) flöde som 7 sccm och substrat temperaturen för 3 min.
    11. Initiera tillväxten av LT-AlN lagret genom att byta TMAl från vent att köra linjen.
    12. Styra tjockleken på LT-AlN lagret med hjälp av en specialbyggd reflektionsförmåga mätsystem, som inkluderar en 637-nm laserdiod, en p-i-n Si fotodetektor och en Labview-baserad programvara. Fastställa vilken tillväxt från perioden av reflektivitet svängningar19,20. I utvalda prover, Använd tvärsnittsdata skanning elektronmikroskopi och överföring elektronmikroskopi bilder för att bekräfta riktigheten av i situ övervakning.
    13. Hålla tillväxten för 6 min att nå en tjocklek på ~ 20 nm och sedan ramp upp substratet temperaturen till 1100 ° C i 3 min utan en tillväxt avbrott och fortsätta tillväxten av AlN lager till en tjocklek på 300 nm, som övervakas av utvecklingen av svängningen av i s itu optiska reflektans.
    14. Byter TMAl från kör till ventilen och sedan till inaktiv linje att stoppa AlN tillväxten. Stabilisera trimethylgallium (TMGa) flödet vid 15,5 sccm, ramp upp NH3 flödet till 7000 sccm och stabilisera för 1 min. Ramp upp reaktorn trycket till 76 Torr i 1 min. Ramp upp substratet temperaturen till 1107 ° C i 1 min.
    15. Kärnbildas och växa ett GaN återhämtning skikt med en tjocklek av ~ 400 nm, medan övervakning reflektionsförmåga utvecklingen. Inledningsvis uppvisar reflektionsförmåga en kraftig minskning när GaN öar nucleate på AlN yta och sedan återvinner intensiteten till den ursprungliga nivån motsvarar en atomically plan yta när öarna sammanfalla.
    16. Ramp upp substratet till 1124 ° C i 2 min. växa hög temperatur semi isolerande GaN lagret med en tjocklek av ~2.5 mm. stoppa tillväxten genom att byta TMGa från kör till ventilen och sedan till inaktiv linje.
    17. Kyla ner underlaget till rumstemperatur under 40 min.
    18. Ramp ned reaktorn trycket till 15 Torr under 1,5 min.
    19. Lasta substratet från reaktorn genom att följa den omvända proceduren i steg 1.1.1-1.1.4.
  2. GaN mall förberedelse och lastning till MBE reaktorn
    1. Skär 2-tums GaN mallen i 6 lika stora pie-formade bitar med hjälp av en diamant-scriber.
    2. Förbereda kungsvatten syralösning inuti den sura spiskåpa genom att lägga till salpetersyra (HNO3, 68,0-70,0 w/w%, 50 mL) saltsyra (HCl, 36,5-38,0 w/w%, 150 mL) långsamt till en kvarts bägare.
    3. Sätta kungsvatten bägaren på en värmeplatta med en temperatur på 220 ° C.
    4. Efter utseendemässigt av en orange/röd färg och gasbubblor, Blötlägg en paj-formade GaN mall i lösningen och koka den i 10 min.
    5. Skölj GaN mallen i rinnande avjoniserad (DI) vatten 3 min.
    6. Blötlägg mallen GaN i HCl (36,5-38,0 w/w%):H2O lösning (1:1) för 3 min bort Ga oxid.
    7. Skölj GaN mallen i rinnande DI vatten i 5 min.
    8. Torka mallen med N2 gas.
    9. Sätta den rengjorda GaN-mallen på en Mo-hållare och ladda in den i MBE belastning-lock kammare omedelbart.
    10. Börja pumpa ner den belastning-lock av en mekanisk torr pump.

2. MBE tillväxten av BeMgZnO/ZnO Halvledareheterostructures

  1. Beredning av utgjutning cellerna
    1. Efter pumpa ner den belastning-lock för 1 h, börja förberedelserna av Zn, Mg, vara utgjutning celler. Ställa in övre zon temperatur av dubbla-zon Zn cellen till 525 ° C med en ramp på 17 ° C min, vänta 5 min och sedan ramp ner till 515 ° C med en ramp på 5 ° C/min. Set Mg cell temperaturen till 570 ° C med en ramp på 15 ° C/min , efter når börvärdet, vänta i 10 min därefter ramp cellen Mg ner till 300 ° C. Ange den vara cell temperatur till 900 ° C med en ramp på 10 ° C/min, efter når börvärdet, vänta i 3 min sedan ramp cellen ner till 650 ° C.
    2. Efter 30 min, Ställ in lägre zon temperaturen av dubbla-zon Zn cellen till 360 ° C med en ramp på 10 ° C/min.
    3. Efter pumpa ner den belastning-lock för 2 h att nå ett tryck på ~ 5 × 10-7 Torr, slå på reflektion high-energy elektron diffraktion (RHEED) systemet och ladda mallen GaN in i MBE-kammaren.
    4. Ställa in vinkeln på mallen GaN genom roterande manipulatorn för att övervaka RHEED mönster utvecklingen längs [1-100] azimuthal riktning.
    5. Ange lägre zon temperatur dubbla-zon Zn cellen till 355 ° C med en ramp på 10 ° C/min.
  2. Polaritet kontroll av ZnO på GaN och tillväxt av LT-ZnO buffert
    1. Ramp upp substratet temperaturen till 615 ° C med en ramp på 13.6 ° C/min till desorb de kvarvarande föroreningar från substrat yta för 15 min.
    2. Ramp ner substrat temperaturen från 615 till 280 ° C med en ramp på 13.6 ° C min för tillväxten av LT-ZnO. När temperaturen når 550 ° C, öppna Zn cell slutaren för att exponera GaN mall ytan med Zn flux. Slå på O2 plasma strömförsörjning, ange makt som 100 W, och kontrollera att verifiera att O2 gasar fodrar är stängd.
    3. När temperaturen når 280 ° C, ange O2 plasma makt till 400 W, set O2 flöde till 0.3 sccm att antända plasma sedan minska O2 flödet till 0,25 sccm.
    4. Vänta 1 minut, sedan öppna O2 slutaren för att starta tillväxten av LT-ZnO buffertlager.
    5. Registrera ett RHEED mönster var 5 minut. Efter växande för cirka 15 min motsvarar en buffert tjocklek på ~ 20 nm, när RHEED mönstret ändras från ränder (2D-läge) till elliptiska ställen (3D-läge), nära både Zn och O2 fönsterluckor att stoppa tillväxten.
    6. Ange O2 flödet klassar till 0.4 sccm och ange substrat temperaturen till 730 ° C med en ramp på 13.6 ° C/min till glödga LT-ZnO buffert lagret. Ställ in lägre zon temperaturen av dubbla-zon Zn cellen till 345 ° C med en ramp på 10 ° C/min för tillväxten av HT-ZnO lager.
    7. När substratet temperaturen når inställt av 730 ° C, vänta 5 min och kontrollera ZnO ytan av RHEED. När RHEED mönstret transiter från 3D till 2D, stoppa glödgning av ramp ner substrat temperaturen till 700 ° C.
  3. Tillväxten av hög temperatur ZnO lager
    1. Då substratet temperaturen når 700 ° C och stabiliserar, öka flödet O2 till 3,2 sccm.
    2. Starta tillväxten av HT-ZnO lager genom att öppna både Zn och O2 luckor samtidigt.
    3. Växer det HT-ZnO lagret för ~ 140 min att nå en tjocklek av ~ 300 nm. Registrera mönsterna som RHEED flera gånger under tillväxten att bekräfta funktionen 2D tillväxt.
    4. Stoppa tillväxten av HT-ZnO lager genom att stänga både Zn och O2 luckor samtidigt.
  4. Tillväxt av BeMgZnO barriär
    1. Satt O2 flödet klassar till 0.3 sccm, ange den vara cell temperatur 820 ° C med en ramp på 10 ° C/min, Ställ in Mg cell temperatur till 510 ° C med en ramp på 15 ° C/min och ange substrat temperaturen till 325 ° C med en ramp på 13.6 ° C min för tillväxten av BeMgZnO barriären.
    2. När substratet temperaturen stabiliserar, öka flödet O2 till 1,25 sccm och starta tillväxten av samtidiga öppna Zn, Mg, vara, och O2 fönsterluckor.
    3. Växa BeMgZnO barriär lagret för ~ 12 min att nå en tjocklek av ~ 30 nm. Spela in RHEED mönster flera gånger under tillväxten att övervaka tillväxt läge utvecklingen.
    4. Stoppa tillväxten av BeMgZnO lager genom att stänga av Mg och vara slutaren, fördriva tiden hållande den Zn och O2 slutare öppen för 1 min att ha en ~ 2 nm tjock ZnO cap lager.
    5. Avsluta ökningen genom att stänga både Zn och O2 fönsterluckor.
    6. Ramp ner substrat temperaturen till standby temperatur 150 ° C. Minskning av O2 flöde till 0,25 sccm.
    7. När substratet temperaturen understiger 250 ° C, minska O2 plasma befogenhet att 100 W, stänga av O2 plasma strömförsörjning, minskning av O2 flöde 0, Stäng raden O2 gas och kyla ner cell temperaturerna till standby villkor.
    8. Vänta på substrat temperaturen nå standby temperatur 150 ° C, öppna tillväxt kammare gate ventilen och lasta wafer innehavaren till avdelningen som Last-lock.
    9. Ventilera belastning-lock kammaren med N2 gas och ta ut provet.

3. karakteriseringar

  1. Ungefär mäta tjockleken på provet med en steg-profiler, genom täckta området i utkanten av provet.
  2. Utvärdera tjocklek, stam och strukturella kvaliteten på heterostrukturfotoniska med hjälp av högupplösta röntgendiffraktion (HRXRD) (2q-w skanningar av (0002) reflektion).
  3. Skär provet i 5 × 5 mm2 fyrkantig bit med hjälp av en diamant-scriber. Undersöka de elektroniska egenskaperna hos provet med hjälp av temperatur beroende Hall effekt mätningar i van der Pauw geometri, med indium (i) punkter som kontakt elektroder.
  4. Kontrollera ytan morfologi med atomic force microscopy (AFM).

4. tillverkning av Schottky dioder

  1. Tillverkning av ohmsk kontakter på BeMgZnO/ZnO Halvledareheterostructures
    1. Avfetta provet (~ 20 × 20 mm2 i storlek) med aceton i ett ultraljud renare för 5 min, följt av rengöring med metanol i ultraljud renare för 5 min, sköljning i DI vatten i 5 min och blåser torrt med N2.
    2. Spin rock fotoresist med 1000 rpm för 3 s och sedan 3000 rpm för 30 s.
    3. Mjuk baka fotoresist vid 100 ° C för 140 s.
    4. Exponera med UV-ljus genom ohmsk kontakten mask på 6,5 mW UV lampans effekt för 2,38 min på photolithography mask aligner.
    5. Inlägget baka fotoresist vid 110 ° C för 80 s.
    6. Utvecklas i en utvecklare för 60 s med en skakning frekvens på 1/s.
    7. Skölj i DI vatten för 3 min, och föna med N2.
    8. Lägg provet i electron beam förångaren.
    9. Utan värme provet, deponera Ti/Au med en tjocklek på 30/50 nm, mätt som kvartskristall tjocklek monitor.
    10. Lyft i aceton, följt av rengöring i metanol för 5 min, sköljning i DI vatten i 5 min, och blåser torrt med N2.
    11. Glödga kontakten av snabb termisk annealer (RTA) vid 300 ° C i 30 s.
    12. Kontrollera kontakt motstånd genom övergången line modell (TLM) mätning21.
  2. Tillverkning av Schottky kontakter på BeMgZnO/ZnO Halvledareheterostructures
    1. Följ steg 4.1.1-4.1.7 för photolithography Schottky kontakt.
    2. Behandla prov ytan med fjärr O2 plasma för 5 min med en O2 flöde av 35 sccm och en RF-effekten 50 W.
    3. Följ steg 4.1.8-4.1.10 för nedfall av Ag med en tjocklek av 50 nm.
    4. Karakterisera den erhållna strukturen av i-V mätningar för Schottky dioder17.

Representative Results

Den vänstra kolumnen i figur 1 visar utvecklingen av RHEED mönster som förekommer längs [1-100] azimuthal riktning under MBE tillväxt av en vara0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostrukturfotoniska med ett 300 nm tjockt HT-ZnO lager och en 30 nm tjock vara0,02 Mg0,26ZnO barriär. Den högra kolumnen visar representativa ytan morfologier på olika tillväxtfaserna (inte från samma prov). Som framgår från uppkomsten av en ojämn RHEED-mönster, är LT-ZnO buffert lagret av tredimensionella (3D) ön tillväxt läge natur. Dess yta morfologi förbättrades genom glödgning värmebehandling vid en temperatur över 700 ° C. Det syns tydligt att ytan förvandlas från 3D till 2D morfologi. Efterföljande HT-ZnO lagret fortsätter att växa i en 2D-läge, följt av 2D tillväxt vara0,02Mg0,26ZnO lager utan bildandet av en andra fas. AFM mätningar har visat att mallen GaN har en root mean square (RMS) ojämnheter på 0,28 nm för 5 × 5 μm2 Skanna. En slät yta med en RMS ojämnheter på 0,35 nm erhålls för HT-ZnO skiktet utan en barriär av växande under O-rika skick och en RMS ojämnheter på 0,45 nm observeras efter tillväxten av BeMgZnO barriär.

HRXRD trippel-axel 2θ-ω skanna för en typisk Zn-polar vara0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostrukturfotoniska med ett 300 nm tjockt HT-ZnO lager och en 50 nm tjock vara0,02Mg0,26ZnO spärrskikt visas i figur 2. Reflektioner på 34.46 o, 34.54 ooch 34,75 o överensstämmer med (0002) reflektioner av ZnO, GaN, och vara0,02Mg0,26ZnO, respektive. Observera att en breddning av reflektion från vara0,02Mg0,26ZnO är på grund av sin tunnhet. Draghållfasthet biaxiell stammen i ZnO lagret är en indikation på den Zn-polar heterostrukturfotoniska, som undersökt i vår tidigare studie13. Vara och Mg innehållet i BeMgZnO Kvartär beräknades från Bragg vinkeln på dess XRD (0002) reflektion och utsläpp fotonenergi i LT-fotoluminescens (LT-PL) spektrum mätt på 13 K (visas inte).

Figur 3 visar temperatur-anhörigen Halleffekten mätresultaten för en vara0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostrukturfotoniska. Sheet carrier koncentrationen minskade från 8,8 × 1012 cm-2 till 6,4 × 1012 cm-2 när provet var kyls ner från rumstemperatur (293 K) till cirka 100 K. Med ytterligare kyla till 13 K, mättar ark carrier koncentrationen på 6,2 × 1012 cm-2. Detta konstaterande yttrar att den observerade minskningen av elektron koncentration är ursprungligen från bidragen från parallella överledning kanaler som inkluderar defekta kärnbildning och HT-ZnO skikt samt vara0,02Mg0,26ZnO barriär, om någon. Denna trend har också rapporterats för MgZnO/ZnO Halvledareheterostructures10,22. Electron rörlighet i den vara0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostrukturfotoniska monotont ökar med minskande temperatur; både 206 cm2/Vs 293 K rörlighet och 1550 cm2/Vs 13 K rörlighet är jämförbara med värdena i den litteratur22,23. Utvecklingen av de elektroniska egenskaperna som en funktion av temperaturen tydligt indikerar förekomst av 2DEG på den vara0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterointerface.

Figur 4 visar den ström-spänningen (I-V) kurvor mätt vid rumstemperatur för fyra representativa Ag / vara0,02Mg0,26ZnO/ZnO Schottky dioder med en Schottky yta på 1,1 × 10-4 cm2 inom en wafer. Framåt strömmarna ökar exponentiellt med tillämpad spänning upp till 0,25 V, bortom vilken spänningen sjunker över serien motståndet bli uppenbart. Högsta Schottky barriär höjd av Φap 1,07 EV uppnåddes med ett idealitet faktor n på 1,22. Rättelse nyckeltal av ca 1 × 108 uppnås med hjälp av aktuella värden som mäts vid V= ±2 V.

Figure 1
Figur 1. Yta karakterisering. Vänstra kolumnen visar RHEED mönster tagna längs [1-100] azimuthal riktning under MBE tillväxt av en vara0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostrukturfotoniska och högra kolumnen presenterar de ytan morfologier av mallen GaN, HT-ZnO skikt, och vara 0,02Mg0,26ZnO lagret mäts av AFM. LT-ZnO buffert teknik möjliggör 2D-läge tillväxten av hög kvalitet ZnO Halvledareheterostructures på låg galler-stämmer GaN mallar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2. HRXRD av heterostrukturfotoniska. HRXRD trippel-axel 2θ-ω Skanna av en typisk Zn-polar vara0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostrukturfotoniska med en 50 nm tjock vara0,02Mg0,26ZnO spärrskikt. Reflektioner på 34.46 o, 34.54 ooch 34,75 o överensstämmer med (0002) reflektioner av ZnO, GaN, och vara0,02Mg0,26ZnO, respektive. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3. Heterostrukturfotoniska elektroniska egenskaper. Temperatur dependences ark carrier densitet och elektron rörlighet av en Zn-polar vara0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostrukturfotoniska. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4. Schottky dioder. Typiska I-V kännetecken för fyra representant Ag / mätas0,02Mg0,26ZnO/ZnO Schottky dioder vid rumstemperatur. Likheten mellan fyra-V kurvorna anger hög i-wafer likformigheten av provet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

Införlivandet av BeO i MgZnO att bilda de Kvartära BeMgZnO ger möjligheten att finjustera omfattning och tecken på stam i Kvartär och därmed avsevärt ökar den 2DEG density8. Representativa resultaten visar att den vara0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostrukturfotoniska resultat i en 2DEG täthet nära den önskade plasmon-LO phonon resonans elektronen täthet (~ 7 × 1012 cm-2)24. Även om elektron rörlighet heterostrukturfotoniska beror starkt på MBE tillväxt parametrar som substrat temperatur och II/VI förhållandet mellan både den HT-ZnO och BeMgZnO barriär lagret, 2DEG tätheten är svagt beroende på tillväxten villkorar och huvudsakligen bestäms av den vara och Mg innehåll i barriären.

En GaN-mall används för tillväxten av BeMgZnO/ZnO Halvledareheterostructures med kristallin hög kvalitet på grund av en måttlig galler felmatchning av 1,8% mellan GaN och ZnO, jämfört med ett stort galler matchningsfel för 18% mellan sapphire och ZnO. För att undvika alla ledande parallella kanaler, är det viktigt att ha ett högt motstånd i intervallet MΩ/kvadrat för mallen GaN. I vårt fall uppnås detta genom att odla låga kammare trycket 76 Torr att förbättra kol ersättning. För att säkerställa kontrollen polaritet i den BeMgZnO/ZnO-Halvledareheterostructures (Zn-polaritet), är försiktig ytbehandling av GaN mall oumbärlig. Någon oxidation eller kontaminering infördes under förberedelsen på GaN ytan skulle framkalla Zn - och O-mix-polaritet i Halvledareheterostructures även avgörande II/VI förhållandet < 1,5 är uppfyllt.

Någon kemisk reaktion mellan metallen och halvledaren, förekomsten av surface föroreningar, stater, defekter i närheten av ytan och diffusion av metall i halvledaren är vanliga problem i området för tillverkning av Schottky kontakter. Olika metoder har rapporterats i litteraturen för att förbereda ytan av ZnO Schottky kontakt fabrication. Bland dem finns etsning i HCl (eller andra syror), fysisk etsning med Ar+, UV-ozon rengöring, behandling i H2O2, och O2 plasma (eller blandning med han)25,26,27, 28. etsning förfarandena sikta för avlägsnande av ett ytskikt med tjocklek en alltifrån några nanometer till µm och därför inte kan tillämpas för HFET enheter. Den UV-ozon rengöring eller O2 plasma procedur tar bort endast ytskiktet. Det är därför väl lämpad för surface beredning av våra BeMgZnO/ZnO-Halvledareheterostructures.

Schottky kontakter är vanligtvis uppnås genom att deponera en hög arbete funktion metall såsom Pd, Pt, Ir, etc. Ag har däremot en låg arbete funktion av 4,26 eV. Trots detta kan enheter som använder Ag elektrod Visa tillrättaläggande beteende på grund av bildandet av ett gränssnitt silver oxid lagret orsakas av partiell oxidation av Ag med syre från ZnO matris. Så bildade oxidskiktet är transparent för elektroner och har högre arbete funktion jämfört med Ag. Raju et al. har rapporterat arbetsfunktioner omkring 5,5 eV för sedan vuxit med pulsad laser nedfall (PLD), vilket är 1,3 eV högre än Ag, och nära kännetecken av Pd, Pt och IR-29. Våra resultat visar att den Ag elektroden (med O2 plasma förbehandling på ytan av ZnO heterostrukturfotoniska) är en lovande kontakt metall för bildandet av Schottky dioder.

Vi har visat en metod för att tillverka högkvalitativa Schottky kontakter för ZnO-baserade HFETs. MOCVD vuxit GaN mall med noggrann förbehandling strax före MBE tillväxt och en låg VI/II baserat < 1,5 under ZnO kärnbildning säkerställa Zn-polar orienteringen för den ZnO-baserade Halvledareheterostructures med hög kvalitet. MOCVD är en allmänt använd mogen teknik för epitaxyen av GaN för olika applikationer. MBE proceduren som beskrivs i detta arbete visar kombinabilitet MOCVD och MBE tekniker och GaN och oxid halvledare för elektroniska enheter. Införlivandet av en liten mängd vara in i BeMgZnO barrier layer resultaten i HFETs med hög 2DEG densitet, hög elektron rörlighet och hög termisk stabilitet, för förbättrad prestanda vid hög hastighet.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Detta arbete stöds av Air Force Office av vetenskaplig 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

Engineering fråga 140 molekylärt stråla epitaxyen (MBE) ZnO BeMgZnO tvådimensionell Elektronen gasar (2DEG) heterostrukturfotoniska fältet effekt transistorer (HFETs) Ag Schottky dioder
Tillverkning av Schottky dioder på Zn-polar BeMgZnO/ZnO heterostrukturfotoniska odlas av Plasma-assisted molekylärt stråla epitaxyen
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