Waiting
Login processing...

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

Engineering

Moleküler ışın plazma destekli Epitaxy tarafından yetiştirilen Zn-kutup BeMgZnO/ZnO Heterostructure üzerinde Schottky diyotlar imalatı

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

Yüksek kaliteli Schottky kişiler kazanma verimli kapısı modülasyon heterostructure alan etkili transistörler (HFETs) içinde ulaşmak için şarttır. Biz imalat metodolojisi ve GaN şablonları temel moleküler ışın plazma destekli epitaxy tarafından yetiştirilen Schottky diyotlar Zn-kutup BeMgZnO/ZnO heterostructures yüksek yoğunluklu iki boyutlu elektron gaz (2DEG), ile üzerinde özellikleri mevcut.

Abstract

Bir iki boyutlu elektron gaz (2DEG) kanalı kullanan Heterostructure alan etkili transistörler (HFETs) yüksek hızlı aygıt uygulamalar için büyük bir potansiyele sahip. Çinko oksit (ZnO), yüksek hızlı aygıtlar için çekici bir malzeme olarak dikkat büyük bir yarı iletken bir geniş bandgap (3,4 eV) ve yüksek elektron doygunluk hız kazanmıştır. Verimli kapısı modülasyon, ancak, yüksek kaliteli Schottky kişiler bariyer katmandaki gerektirir. Büyüme sırasında bu makalede, biz mevcut MgZnO tabanlı bariyer Zn-kutup BeMgZnO/ZnO heterostructure zorlanma modülasyon ve birkaç yüzde Incorporation elde yüksek yoğunluklu 2DEG ile bizim Schottky diyot imalat ameliyat olmak Moleküler ışın epitaxy (MBE). Yüksek kristal kalitesi elde etmek için metal-organik kimyasal buhar biriktirme (MOCVD) tarafından yetiştirilen yaklaşık kafes eşlemeli yüksek direnci GaN şablonları oksit tabakalar sonraki MBE büyümesi için substrat kullanılır. Gerekli Zn-polarite, GaN dikkatli yüzey işlem elde etmek için şablonlar ve VI/II oranı düşük sıcaklık ZnO çekirdekleşme katman büyüme sırasında üzerinde kontrol kullanılmaktadır. Ti/Au elektrotlar içinden rehber ve ön işleme BeMgZnO yüzey Schottky kişiler için kullanılır O2 plazma yatırılır Ag elektrotlar olarak hizmet vermektedir.

Introduction

İki boyutlu elektron gaz (2DEG) göre Heterostructure alan etkili transistörler (HFETs) yüksek hızlı elektronik cihazlar1,2,3' te uygulamalar için umut verici bir potansiyel var. Çinko oksit (ZnO) olarak geniş bandgap (3,4 eV) yarı iletken yüksek elektron doygunluk hız ile yaptığı görüşmelerde büyük ilgi HFETs4,5için bir platform olarak kazanmıştır. Geleneksel olarak kullanılan bariyer malzeme MgZnO Üçlü gerektiren Mg içeriği çok yüksek (> % 40) düşük yüzey sıcaklıkları (300 ° C veya daha düşük)6,7ve bu nedenle yetiştirilen bu yapıların yüksek güç işlemleri altında aşağılamak apt vardır ve termal tedaviler, bariyer istenmeyen şarj dansitesi kapısı modülasyon için düşük olsa bile sırasında. Bu engeli aşmak için biz teklif ve BeMgZnO bariyer, hangi zorlanma oturum açma bariyer basınç olarak çekme dayanımı (olmak), berilyum birleşme yolu ile spontan yapma değiştirilebilir ve piezoelectricpolarizations için olarak kabul olmak katkı. Sonuç olarak, yüksek 2DEG konsantrasyon nispeten ılımlı Mg içeriği ile elde edilebilir. Plasmon gözlenen kullanan bu yaklaşım, yüksek 2DEG yoğunluğu-LO Fonon rezonans (~ 7 × 1012 cm-2) BeMgZnO/ZnO heterostructures Mg içeriği aşağıda ise % 30'dur ve olmak içeriğidir sadece 2 ~ %38.

Benzer kristal simetrisi, UV ve görünür ışık şeffaflık nedeniyle sağlam fiziksel ve kimyasal özellikleri ve düşük maliyetli, c-uçak Safir yaygın istihdam GaN ve ZnO epitaxy için. Kayda değer ilerleme büyüme teknolojisi GaN tabanlı elektronik ve saphhire opto-elektronik cihazlarda elde sayesinde, yüksek kaliteli GaN şablonları kolayca Safir yüzeylerde rağmen AlN veya düşük sıcaklık (LT) GaN arabellek kullanarak üretilebilir onun büyük kafes uyuşmazlığı Safir%916. İki boyutlu modda Zn-polar malzeme büyüme de kurulmuş değildir süre Safir ile % 18 daha büyük bir uçak-kafes uyumsuzluğu olan ZnO, Epitaksiyel büyüme O kutup çeşitli için oldukça iyi anlaşılmaktadır. % 1,8 Orta kafes uyuşmazlığı nedeniyle ZnO GaN üzerinde epitaxy çekici bir alternatiftir.

MOCVD ve MBE yüksek kaliteli ince filmler ve heterostructures ile yüksek tekrarlanabilirlik imalatı için en başarılı yarı iletken ifade teknikleri vardır. MBE MOCVD GaN epitaxy için daha az popüler olan ana maliyet ve yetersizlik seri üretim için nedenidir. Gan MOCVD tarafından büyüme hızı saatte birkaç mikrometre ve on 2 inç (50 mm) çapında gofret ya da 6-8" bir çalışma9' yetiştirilir kadar büyük olabilir. Burada, biz de MOCVD GaN büyümesi için bizim çalışma evlat. ZnO tabanlı heterostructures büyümesi için ancak, daha fazla 2DEG oluşumu raporlarda MBE tarafından potansiyel uygulamalar10,11,12ticarileştirilmesi önce Şu anda gerçekleştirilmektedir. Son zamanlarda, yüksek kaliteli ZnO heterostructures MBE büyüme yüzey polarite doğru bir kontrolü Ga-polar GaN şablonları13ile geliştirdik. Zn ile tedavi öncesi pozlama, çok olgun sergilenen Zn-düşük VI/II oranları ile parçalanmayabilir zaman polarite ZnO katmanlı bulundu (< 1.5), süre o 1.5 yukarıda VI/II oranları ile parçalanmayabilir O polarite sergiledi. Karbon edindik paralel iletim kanalı GaN şablonları ile önlemek için yarı yalıtım GaN MOCVD AlN arabellek sonraki büyüme ZnO tabanlı HFET yapıları üzerinde alçak basınç koşullarında yetiştirilen telafi.

Bizim iş14önce ortada hiçbir rapor Schottky diyotlar BeMgZnO/ZnO heterostructures üzerinde araştırma. Sadece çeşitli çalışmalarda Schottky kişiye MgZnO15,16, Örneğinbildirdin. 2.37 bir ideal faktör, 0.73 eV bariyer yüksekliği ve sadece 103 15düzeltme oranında. Çeşitli Schottky metaller ZnO17için kullanılmış olan ve aralarında, gümüş (Ag) yaygın olarak, bir nispeten yüksek Schottky bariyer yüksekliğini 1,11 eV temel toplu ZnO 1.08 18bir ideal faktörle nedeniyle kabul edilmiştir.

Bu çalışmada, yüksek hızlı HFET cihazlarda ZnO tabanlı uygulamalar için yüksek kaliteli Schottky diyotlar imal hedefliyoruz. Aşağıdaki iletişim kuralı tarafından Ag e-beam buharlaşma GaN MOCVD yatırılır şablonlarındaki plazma destekli MBE tarafından yetiştirilen BeMgZnO/ZnO heterostructures üzerinde özellikle Ag/BeMgZnO/ZnO Schottky diyotlar imalat için geçerlidir.

Protocol

1. büyüme ve GaN şablon hazırlama MBE büyüme için

  1. Yarı yalıtım GaN şablon MOCVD tarafından büyüme
    1. Reaktör yük-kilit odasından izole kapı vanası kapalı olduğundan emin olun. Yük kilidin atmosferik basınç için N2 vent. Substrat sahibi çekmek için yük kilidi açın.
    2. 2-inç Safir substrat kutusunda yükleyin ve sonra yer tutucu geri yükleme kilide. Pompa aşağı yük-kilit basınç aşağı 2,5 × 10-2 Torr mekanik kuru pompa.
    3. Yük-kilit reaktör odası (15 Torr) bu konuda onun basıncı eşitlemek için N2 vent.
    4. Yük-kilit yalıtım kapı valfi açın ve reaktör örnek sahibi derlemede sahibi yüklemek. Döndürme motorunu ve substrat-tutucu dönme hızı 100 RPM ayarlayın. Sonra kapı Vanayı kapat.
    5. Soğutma su çalışan, her iki H2 ve NH3 kaynağı yeterli, kitle denetleyicisi (MFC) akış ve basınç denetleyicisi (PC) okuma ayarları aynıdır ve substrat tutucu dönen olun.
    6. N2 sistem gaz H2geçin. İn situ optik yansıtma monitörü çevir.
    7. Büyüme substrat sıcaklıklar, gaz akış oranları ve reaktör basınç ramping ve valfleri geçiş yapma dahil olmak üzere tüm büyüme parametreleri önceden yükleyen tarifi dosya başlatarak başlatın.
    8. Rampayı 3 min 30 Torr reaktör basınç ve yüzey sıcaklığı 1055 ° c H2 ortamında 3 dk substrat yüzeyinden arta kalan contaminations desorb.
    9. Rampa aşağı 941 ° C çekirdekleşme ve düşük sıcaklık (LT) AlN arabellek tabakasının büyümesi için yüzey sıcaklığı.
    10. Trimethylaluminum (TMAl) akışı (sccm) dakikada 12 standart kübik santimetre olarak ve amonyak (NH3) akışı 7 sccm olarak ve 3 dak için yüzey sıcaklık stabilize.
    11. LT-AlN katman büyüme TMAl havalandırma çalışma hattına geçiş yaparak başlatmak.
    12. LT-AlN katman kalınlığı 637-nm lazer diyot, p-i-n Si photodetector ve LabVIEW-esaslı bilgisayar yazılımı içeren bir özel olarak oluşturulmuş yansıtırlık ölçüm sistemi kullanarak denetleme. Yansıtırlık salınımlarını19,20döneminde büyüme oranı belirler. Seçili örnekleri, kesit Tarama elektron mikroskobu ve transmisyon elektron mikroskobu görüntüleri in situ izleme doğruluğunu onaylamak için kullanın.
    13. ~ 20 nm, sonra yüzey sıcaklığı 1100 ° c 3 min bir büyüme kesintisiz rampayı kalınlığı ulaşmak ve AlN katman kalınlığında 300 büyüme devam etmek için 6 dakika için büyüme tutmak gibi s salınım evrim tarafından izlenen nm, ITU optik yansıtma.
    14. TMAl havalandırma ve sonra AlN büyümesini durdurmak için boş satırı koşmak--dan geçiş yapın. Trimethylgallium (TMGa) akış yönü 15.5 sccm, 7000 sccm NH3 akışına rampayı stabilize ve 1 dk. rampa reaktör basınç 1 dak rampa yukarı 1107 ° C'de 1 dk yüzey sıcaklığı 76 Torr için stabilize etmek.
    15. Nucleate ve GaN kurtarma katman ~ 400 kalınlığı ile büyümek nm yansıtırlık evrim izleme sırasında. Başlangıçta GaN AlN yüzeyinde nucleate Adaları ve yoğunluğu ne zaman adalar birleşim atomik düz bir yüzeye karşılık gelen özgün düzeyine kurtarır yansıtırlık keskin bir düşüş sergiler.
    16. Yokuş yukarıya belgili tanımlık substrate 1124 ° c, ~2.5 mm. 2 dak Grow yüksek sıcaklık yarı yalıtım GaN katman kalınlığında havalandırma ve sonra boş satır koşmak--dan TMGa geçerek büyüme durdurmak.
    17. 40 dk. süre içinde belgili tanımlık substrate oda sıcaklığına sakin.
    18. Rampa aşağı 1,5 dk süre içinde 15 Torr reaktör basınç.
    19. Belgili tanımlık substrate reaktör üzerinden aşağıdaki adımları 1.1.1-1.1.4 ters yordamı kullanarak kaldırın.
  2. GaN şablon hazırlama ve MBE reaktör için yükleme
    1. 2-inç GaN şablon bir elmas scriber kullanarak 6 eşit turta şekilli parçalar halinde kesin.
    2. Aqua regia asit solüsyonu içinde asit duman hood nitrik asit (HNO3, 68.0 70,0 w/w%, 50 mL) hidroklorik asit (HCl, 36,5-38.0 w/w%, 150 mL) yavaş yavaş bir kuvars kabı ekleyerek hazırlayın.
    3. Aqua regia kabı 220 ° c sıcaklık ile sıcak bir tabak koymak
    4. Bir turuncu/kırmızı renk ve gaz kabarcıkları görünümünü sonra bir turta şekilli GaN şablon çözüm içinde ıslatın ve 10 dakika kaynatın.
    5. 3 dk de-iyonize (DI) su çalışan GaN şablon durulayın.
    6. HCl (36,5-38.0 w/w%):H2O çözüm (11: Ga oksit kaldırmak 3 dakikadır). GaN şablon emmek
    7. DI su 5 min için çalışan GaN şablon durulayın.
    8. N2 gaz şablonuyla kuru.
    9. Temizlenmiş GaN şablon bir Mo tutucu üzerinde koymak ve MBE yük-kilit odasına hemen yükleyin.
    10. Mekanik bir kuru pompa tarafından yük kilitleme pompalamaya başlayın.

2. MBE büyüme BeMgZnO/ZnO Heterostructures

  1. Efüzyon hücreleri hazırlanması
    1. 1 h için yük kilit aşağı pompalama sonra Zn, Mg, hazırlık başlangıç efüzyon hücrelerin olması. 525 ° C 17 ° C/dk bayiliği oranlı bir çift bölgeli Zn hücrenin üst bölgesi sıcaklığını ayarlamak için 5 dk sonra rampa aşağı 515 ° C 5 ° C/dak Set Mg hücre sıcaklık 570 ° c bayiliği ücreti 15 ° C/dak bayiliği bir fiyata sahip olan bekleyin , set noktasına ulaşan sonra 10 dakika bekleyin sonra Mg hücre 300 ° c aşağı rampa Ayarla olmak hücre sıcaklık 10 ° C/dk bayiliği oranı ile 900 ° c, ayar noktası ulaştıktan sonra 3 dakikadır bekleyin sonra hücre 650 ° c aşağı rampa
    2. 30 dakika sonra çift bölgeli Zn hücre alt bölge sıcaklık 10 ° C/dak bayiliği oranında 360 ° C'ye ayarlayın.
    3. ~ 5 × 10-7 Torr baskısı ulaşmak 2 h için yük kilit aşağı pompalama sonra yansıma yüksek enerjili elektron kırınım (Birleşik) sisteminde açmak ve MBE odasına GaN şablonunu yükleme.
    4. Birleşik desen evrim [1-100] Azimut yön boyunca izlemek için manipülatör döndürerek GaN şablon açısını ayarlayın.
    5. Çift bölgeli Zn hücre alt bölge sıcaklık 10 ° C/dak bayiliği oranında 355 ° C'ye ayarlayın.
  2. GaN ve büyüme LT-ZnO arabelleği ZnO polarite kontrolü
    1. 615 ° C de 15 dakika substrat yüzeyinden arta kalan contaminations desorb için 13,6 ° C/dk bayiliği oranında yüzey sıcaklığı rampayı.
    2. Rampa aşağı 615 substrat sıcaklığından bayiliği 13,6 ° C/dk'ya LT-ZnO büyüme hızıyla 280 ° c. 550 ° C sıcaklık ulaştığı zaman GaN şablon yüzeyi Zn akı ile ortaya çıkarmak için Zn hücre çekim açın. O2 plazma güç kaynağı açmak, gücü 100 W ve O2 gaz borusu kapalı olduğunu doğrulamak için denetim ayarlayın.
    3. 280 ° C sıcaklık ulaştığı zaman, O2 plazma güç 400 W, O2 set debi plazma tutuşturmak sonra O2 akış oranını 0,25 sccm için azaltmak için 0.3 sccm için ayarlayın.
    4. 1 dakika bekle, sonra O2 çekim LT-ZnO arabellek katman büyüme başlamak için açın.
    5. Bir Birleşik desen her 5 dk kaydedin. Yaklaşık 15 dakika ~ 20 arabellek kalınlık için karşılık gelen büyüyen sonra Birleşik desen eliptik noktalar (3D modu), çizgili (2B modu) değiştiğinde nm, büyümesini durdurmak Zn ve O2 kepenkleri kapatın.
    6. O2 akış hızı için 0.4 sccm ve 730 ° c LT-ZnO arabellek katman tavlamak için 13,6 ° C/dk bayiliği oranıyla yüzey sıcaklığı ayarlayın. Çift bölgeli Zn hücre alt bölge sıcaklık 10 ° C/dak HT-ZnO tabakasının büyümesi için bayiliği oranında 345 ° C'ye ayarlayın.
    7. Yüzey sıcaklığı ayar noktası 730 ° c ulaştığında için 5 dakika bekleyin ve ZnO yüzey Birleşik tarafından kontrol edin. Birleşik desen 2D 3D transit, yüzey sıcaklığı 700 ° C'ye aşağı ramping tavlama durdurur
  3. Yüksek sıcaklık ZnO katman büyüme
    1. Yüzey sıcaklığı 700 ° C ulaşır ve stabilize, 3.2 sccm O2 pompalama artırmak.
    2. HT-ZnO katman büyüme Zn ve O2 panjurlar aynı anda açarak başlayın.
    3. HT-ZnO katman ~ 140 ~ 300 kalınlığı ulaşmak min için büyümek nm. Birleşik desenleri 2D büyüme modu onaylamak için büyüme sırasında birkaç kez kaydedin.
    4. HT-ZnO katman büyümesini Zn ve O2 panjurlar aynı anda kapatarak durdurmak.
  4. Büyüme BeMgZnO bariyer
    1. O2 debisi 0,3 sccm ayarla, Ayarla hücre sıcaklık 10 ° C/dk bayiliği oranıyla 820 ° c, Mg hücre sıcaklık 510 ° c 15 ° C/dk bayiliği oranıyla ayarlanabilir ve 325 ° c 13,6 ° bayiliği ücreti olan yüzey sıcaklığı ayarlamak C/min BeMgZnO bariyer büyüme için.
    2. Yüzey sıcaklığı stabilize O2 akış hızı 1.25 sccm için artırmak ve Zn, Mg, açılış eşzamanlı tarafından büyüme başlatmak olabilir ve O2 kepenkler.
    3. BeMgZnO bariyer katman ~ 12 ~ 30 kalınlığı ulaşmak min için büyümek nm. Kayıt Birleşik büyüme türü evrim izlemek için büyüme sırasında birkaç kez desenleri.
    4. Mg kapatarak BeMgZnO katman büyümesini durdurmak ve çekim olmak, bir ~ 2 nm kalın ZnO kap katman 1 dk açık Zn ve O2 tutarak çekim.
    5. Büyüme Zn ve O2 Kepenk kapatarak bitirmek.
    6. Rampa aşağı bekleme sıcaklık yüzey sıcaklığı 150 ° C. O2 akış oranını 0,25 sccm için azaltın.
    7. Yüzey sıcaklığı 250 ° C altında olduğunda, 100 W O2 plazma iktidara azaltmak, O2 plazma güç kaynağını, O2 akış hızı 0 azaltmak, O2 gaz hattı kapatmak ve hücre sıcaklık bekleme moduna sakin koşullar.
    8. Bekleme sanıyoruz sıcaklık 150 ° C, büyüme odası kapısı vanayı aç ve yük-kilit odası gofret sahibine boşaltma yüzey sıcaklığı bekleyin.
    9. Yük-kilit odası N2 gaz ile delik ve örneği alalım.

3. karakterizasyonu

  1. Kabaca örnek kalınlığı örnek kenarında kapalı alan ile bir adım profiler kullanarak ölçün.
  2. Heterostructure kalınlığı, zorlanma ve yapısal kalitesini yüksek çözünürlük x-ışını kırınım (HRXRD) (2q-w inceden inceye gözden geçirmek (0002) yansıma) kullanarak değerlendirmek.
  3. Örnek 5 × 5 mm kesilmiş elmas scriber kullanarak2 kare parça. Örnek elektronik özellikleri van der Pauw geometri, indiyum (gelen) nokta olarak temas elektrotlar ile sıcaklık bağımlı Hall etkisi ölçümleri kullanarak araştırmak.
  4. Yüzey morfolojisi atomik kuvvet mikroskobu (AFM) kullanarak kontrol edin.

4. Schottky diyotlar imalatı

  1. BeMgZnO/ZnO heterostructures içinden rehber imalatı
    1. Örnek (~ 20 × 20 mm2 boyutunda) aseton metanol 5 min için ultrasonik süpürge ile temizlik, 5 min için DI suda durulama ve N2ile Kuru üfleme ardından 5 min için ultrasonik bir süpürge ile ısıtınız.
    2. Kat fotorezist 3 s için 1000 devir/dakika ve 30 sonra 3000 d/d ile spin s.
    3. Yumuşak fotorezist 140 için 100 ° C'de pişirin s.
    4. UV ışık içinden temas yoluyla açığa maskesi 6.5 mW UV lamba güç fotolitografi maskesi aligner üzerinde 2.38 dakika.
    5. Yazı fotorezist 80 için 110 ° c fırında s.
    6. 60 için bir geliştirici geliştirmek s sallayarak frekans 1/s ile.
    7. 3 dk. ve darbe N2ile kuru için DI suda yıkayın.
    8. Örnek elektron ışını evaporatör yükleyin.
    9. Örnek Isıtma olmadan, Ti/Au kalınlığı 30/50 ile mevduat kuvars kristal kalınlığı İzleyicisi tarafından ölçülen nm.
    10. Aseton, metanol 5 min için temizleyerek takip kalkış N2ile 5 min için DI suda durulama ve üfleme kuru.
    11. Temas hızlı termal annealer (RTA) 30 için 300 ° c ile TAV s.
    12. Geçiş satır modeli (TLM) ölçüm21kişi direnci kontrol edin.
  2. BeMgZnO/ZnO heterostructures üzerinde Schottky rehber imalatı
    1. Adımları 4.1.1-4.1.7 fotolitografi Schottky temas için izleyin.
    2. Uzak O2 plazma 35 sccm bir O2 akışını ve 50 W. bir RF güç 5 min için örnek yüzeyle tedavi
    3. Adımları 4.1.8-4.1.10 devrilmesinden sonra Ag için 50 kalınlığı ile izleyin nm.
    4. Elde edilen yapı tarafından Schottky diyotlar17-V ölçülerini karakterize eder.

Representative Results

[1-100] Azimut yön MBE büyüme sırasında boyunca kaydedilen Birleşik desen evrimi Şekil 1 sol sütunda gösterir bir0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostructure 300 nm kalın bir HT-ZnO tabaka ve bir 30 olmak nm kalın0.02 olmak Mg0,26ZnO bariyer. Sağ sütun temsilcisi yüzey türleri morfoloji (değil aynı örnekten) farklı büyüme aşamalarında gösterir. Sivilceli bir Birleşik desen görünümünü kanıtladığı gibi LT-ZnO arabellek üç boyutlu (3D) Adası büyüme modu doğası katmanıdır. Yüzey morfolojisi yukarıda 700 ° c sıcaklıkta Tavlama Isıl işlem tarafından geliştirildi Bu yüzey için 2D morfoloji 3D dönüştürülmüş açıkça görülmektedir. Sonraki HT-ZnO katman bir 2D modunda, büyümeye devam ediyor 2D büyüme tarafından takip edilmelidir0,02Mg0,26ZnO katman ikinci faz oluşumu. AFM ölçümleri GaN şablonunun 0,28 kök ortalama kare (RMS) pürüzlülüğü vardır göstermiştir nm 5 × 5 μm kalınlığında2 inceden inceye gözden geçirmek için. Pürüzsüz bir yüzey ile bir RMS pürüzlülük 0.35 nm O zengini durumu ve 0.45 nm BeMgZnO bariyer büyüme sonra gözlenen bir RMS pürüzlülüğü altında büyüyen bir engel olmadan HT-ZnO katman için elde edilir.

HRXRD üç eksenli 2θ-ω tarama bir tipik Zn-kutup için olmak0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostructure 300 nm kalın bir HT-ZnO tabaka ve bir 50 nm kalın olması0,02Mg0,26ZnO bariyer tabakası Şekil 2' de gösterildiği. Yansımaları 34.46 o, 34.54 ove 34.75 o ZnO, GaN, (0002) yansımaları ile tutarlı ve olmak0,02Mg0,26ZnO, anılan sıraya göre. Yansıma genişletmektedir0,02Mg0,26ZnO olması nedeniyle onun incelik olduğunu unutmayın. Bizim önceki çalışma13' te soruşturma gibi çekme dayanımı biaxial zorlanma ZnO katmanındaki Zn-polar heterostructure bir göstergesidir. Olmak ve Mg İçindekiler BeMgZnO dörtlü içinde onun XRD (0002) yansıma ve emisyon foton enerji 13 K (gösterilmez) ölçülen LT-photoluminescence (LT-PL) spektrumda Bragg açıdan hesaplanmıştır.

Şekil 3 için sıcaklık bağımlı Hall etkisi ölçüm sonuçlarını gösterir bir0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostructure olmak. Levha Taşıyıcı konsantrasyonu azalır 8.8 × 10 6,4 × 1012 cm-2 örnek oda sıcaklığında (293 K) yaklaşık 100 K. soğuyunca12 cm-2 Daha fazla 13 K için soğutma ile levha taşıyıcı konsantrasyon karışırlar 6.2 × 1012 cm-2. Bu bulgu arızalı çekirdekleşme katman ve HT-ZnO katmanı içeren paralel iletim kanalları katkılarıyla elektron konsantrasyonu gözlenen azalma kökenli bildirimlerini yanı sıra0,02Mg0,26ZnO olmak bariyer, varsa. Bu eğilim MgZnO/ZnO heterostructures10,22için Ayrıca bildirdi. Elektron hareketlilik olmak0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostructure tekdüze artırır azaltılarak sıcaklığı; 206 cm2/Vs 293 K hareketliliğini ve 1550 cm2/Vs 13 K hareketliliğini edebiyat22,23değerler karşılaştırılabilir. Elektronik Özellikler evrim sıcaklık fonksiyonu olarak açıkça gösterir 2DEG varlığı0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterointerface olmak.

Şekil 4 eğrileri dört temsilcisi Ag için oda sıcaklığında ölçülen /0,02Mg0,26ZnO/ZnO Schottky diyotlar 1.1 × 10 Schottky alana olmak akım-gerilim (I-V) gösterir bir gofret içinde2 -4 cm. İleri akımları katlanarak hangi belirgin hale serisi direnç arasında gerilim düşer uygulanan gerilim 0,25 V, kadar artış. En yüksek Schottky bariyer yükseklik Φap 1.07 ev 1.22 bir ideal faktör n ile elde. Düzeltme oranları yaklaşık 1 × 108 Völçülen geçerli değerleri kullanarak elde edilir ±2 V =.

Figure 1
Şekil 1. Yüzey karakterizasyonu. Sol sütunda gösterir [1-100] Azimut yön MBE büyüme sırasında boyunca alınan Birleşik desenleri bir0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostructure olması ve sağ sütun GaN şablonunun, HT-ZnO katmanı, yüzey türleri morfoloji sunar ve 0,02Mg0,26ZnO katman AFM tarafından ölçülür. LT-ZnO arabellek teknolojisi, yüksek kaliteli ZnO heterostructures düşük kafes eşleşmeyen GaN şablonları 2D-mod gelişimini sağlar. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 2
Şekil 2. Heterostructure HRXRD. HRXRD üç eksenli 2θ-ω tarama bir tipik Zn-polar bir 50 ile0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostructure olmak nm kalın olması0,02Mg0,26ZnO bariyer tabakası. Yansımaları 34.46 o, 34.54 ove 34.75 o ZnO, GaN, (0002) yansımaları ile tutarlı ve olmak0,02Mg0,26ZnO, anılan sıraya göre. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 3
Şekil 3. Heterostructure elektronik özellikleri. Sıcaklık bağımlılıklara levha taşıyıcı yoğunluğu ve elektron hareketlilik, kutup Zn0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostructure olmak. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 4
Şekil 4. Schottky diyotlar. Tipik -V özellikleri dört temsilcisi Ag /0,02Mg0,26ZnO/ZnO Schottky diyotlar oda sıcaklığında ölçülebilir. Dört-V eğrileri benzerlik örnek yüksek gofret tekdüzelik gösterir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Discussion

BeO birleşme Kuvaterner BeMgZnO oluşturmak için MgZnO içine ölçüde ve kuaterner zorlanma belirtisi ayarlamak için fizibilite sağlar ve bu nedenle 2DEG yoğunluğu8önemli ölçüde artırır. Temsilcisi sonuçları gösteriyor ki0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostructure sonuçlarında 2DEG yoğunluk istenen plasmon yakın olmak-LO Fonon rezonans elektron yoğunluğu (~ 7 × 1012 cm-2)24. Heterostructure elektron hareketliliğini güçlü yüzey sıcaklığı ve HT-ZnO ve BeMgZnO bariyer tabaka VI/II oranı gibi MBE büyüme parametrelerdeki bağlı olsa da, 2DEG yoğunluğu zayıf büyüme koşullara bağlıdır ve esas olarak belirlenmiş olması ve bariyer içeriğinde Mg.

GaN şablon BeMgZnO/ZnO heterostructures %1.8 GaN ve ZnO, sapphire ve ZnO arasında % 18 bir büyük kafes uyumsuzluğu ile karşılaştırıldığında arasında orta kafes uyuşmazlığı nedeniyle yüksek kristal kalitesi ile büyüme için kullanılır. Herhangi bir iletken paralel kanal önlemek için GaN şablonu için MΩ/kare aralığında yüksek bir direnç var önemlidir. Bizim durumda, bu bir düşük odası karbon tazminat geliştirmek için 76 Torr basınçta büyüyen tarafından sağlanır. BeMgZnO/ZnO heterostructures (Zn-polarizasyon) içinde polarite kontrolü sağlamak için dikkatli yüzey işleme GaN şablonunun vazgeçilmezdir. Herhangi bir oksidasyon veya GaN yüzeyinde hazırlık sırasında tanıttı kirlenme Zn - ve O-mix-polarite heterostructures bile determinant VI/II oranı içinde ikna etmek < 1.5 yerine getirdi.

Herhangi bir kimyasal tepkime metal ve yarı iletken, yüzey kirletici varlığı arasında devletler, yüzey ve yarı iletken içine metal difüzyon civarındaki kusurları Schottky imalatı alanında sık karşılaşılan sorunlar şunlardır kişiler. Çeşitli yöntemler ZnO yüzeyine Schottky kişi imalat için hazırlanması için literatürde bildirilmiştir. Bunlar arasında HCl (veya diğer asitler), fiziksel aşındırma gravür Ar+, UV Temizleme, H2O2ve O2 plazma (veya o ile karışımı) tedavisinde ozon ile25,26,27, vardır 28. gravür yordamlar bir birkaç nanometre mikrondan arasında değişen kalınlığı ile yüzey tabakasının kaldırılması için amaç ve bu nedenle HFET cihazlar için uygulanamaz. UV-ozon temizlik veya O2 plazma yordamı yalnızca yüzey katmanı kaldırır. Bu nedenle, bizim BeMgZnO/ZnO heterostructures yüzey hazırlığı için de uygun olduğu.

Genellikle Schottky kişiler Pd, Pt, IR, vbgibi bir yüksek çalışma fonksiyonu metal yatırma tarafından sağlanmaktadır. Buna ek olarak, Ag 4,26 eV bir düşük iş işlevi vardır. Buna rağmen Ag elektrot kullanan aygıtlar ZnO matris oksijen AG kısmi oksidasyon nedeniyle bir arabirimi gümüş oksit tabakası oluşumu nedeniyle işletmeye davranış gösterebilir. Yani kurulan oksit katman elektron için saydamdır ve daha yüksek iş işlevi vardır Ag karşılaştırıldığında. Raju ve ark. iş işlevleri yaklaşık 5.5 eV için 1.3 eV daha da yüksek AG ve Pd, Pt ve IR29karakteristik yakın lazer biriktirme (PLD), tarafından yetiştirilen önce bildirdi. Sonuçlarımız (ile O2 plazma ön yüzeyi, ZnO heterostructure) bu Ag elektrot Schottky diyotlar oluşumu için umut verici bir kişi metal gösteriyor.

Biz yüksek kalite Schottky kişiler ZnO tabanlı HFETs için imalatı için bir yöntem gösterdi. Yetiştirilen MOCVD GaN şablon dikkatli yüzey hazırlığı hemen önce MBE büyüme ve düşük VI/II oranı ile < 1.5 ZnO çekirdekleşme sırasında yüksek kalite ile ZnO tabanlı heterostructures Zn-polar yönünü sağlamak. MOCVD GaN epitaxy için çeşitli uygulamalar için yaygın olarak kullanılan bir olgun tekniği kullanıyor. Bu çalışmada açıklanan MBE yordamını MOCVD ve MBE teknikleri ve GaN ve oksit yarı iletkenler, elektronik cihazlar için combinability gösterir. Birleşme küçük bir miktar ile yüksek 2DEG yoğunluğu, yüksek elektron hareketlilik ve yüksek termal kararlılık, HFETs içinde BeMgZnO bariyer katman sonuçlarına yüksek hız performansı daha iyi var olmak için.

Disclosures

Yazarlar ifşa gerek yok.

Acknowledgments

Bu eser tarafından Hava Kuvvetleri Office in bilimsel araştırma (AFOSR) altında Grant FA9550-12-1-0094 desteklenmiştir.

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

Mühendisliği sayı: 140 moleküler ışın epitaxy (MBE) ZnO BeMgZnO iki boyutlu elektron gaz (2DEG) heterostructure alan etkisi transistörler (HFETs) Ag Schottky diyotlar
Moleküler ışın plazma destekli Epitaxy tarafından yetiştirilen Zn-kutup BeMgZnO/ZnO Heterostructure üzerinde Schottky diyotlar imalatı
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