高质量肖特基接触的实现对于异质结构场效应晶体管(HFETs)中实现高效栅极调制至关重要。本文介绍了在等离子体辅助分子束外延法于GaN模板上生长的Zn极性BeMgZnO/ZnO异质结构上制备的高密度二维电子气(2DEG)肖特基二极管的制备方法及其特性。
高质量肖特基接触的实现对于异质结构场效应晶体管(HFETs)中实现高效栅极调制至关重要。本文介绍了在等离子体辅助分子束外延法于GaN模板上生长的Zn极性BeMgZnO/ZnO异质结构上制备的高密度二维电子气(2DEG)肖特基二极管的制备方法及其特性。
利用二维电子气(2DEG)通道的异质结构场效应晶体管(HFET)在高速器件应用中具有巨大潜力。氧化锌(ZnO)是一种具有宽禁带(3.4 eV)和高电子饱和速度的半导体,作为高速器件的有吸引力材料已受到广泛关注。然而,实现高效的栅极调制需要在势垒层上形成高质量的肖特基接触。本文介绍了我们在具有高密度2DEG的Zn极性BeMgZnO/ZnO异质结构上制备肖特基二极管的工艺流程,该高密度2DEG通过分子束外延(MBE)生长过程中对MgZnO基势垒层进行应变调控并掺入少量铍(Be)而实现。为了获得高晶体质量,采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长的近晶格匹配高阻GaN模板作为后续氧化物层MBE生长的衬底。为获得所需的Zn极性,在低温ZnO成核层生长过程中,对GaN模板进行精细的表面处理,并控制VI/II元素比例。Ti/Au电极用作欧姆接触,而Ag电极则沉积在经O2等离子体预处理的BeMgZnO表面,用于形成肖特基接触。
基于二维电子气(2DEG)的异质结构场效应晶体管(HFETs)在高速电子器件应用中展现出广阔前景1,2,3。氧化锌(ZnO)作为一种宽带隙(3.4 eV)半导体,具有高的电子饱和速度,因此作为HFETs的构建平台已受到广泛关注4,5。传统使用的势垒材料MgZnO三元合金通常需要在较低的衬底温度(300 °C或更低)下生长,并且需要非常高的镁(Mg)含量(>40%)6,7,因此这类结构在高功率工作条件或热处理过程中容易发生退化,即使势垒层中的非期望电荷密度已足够低以实现有效的栅极调制。为克服这一障碍,我们提出并采用BeMgZnO作为势垒材料,通过引入铍(Be),可在势垒层中将应变状态由压缩应变转变为拉伸应变,从而使自发极化与压电极化效应相互叠加。因此,可在相对适中的Mg含量下实现高的2DEG浓度。采用该方法,在BeMgZnO/ZnO异质结构中已观测到接近等离激元-纵光学声子共振时的高2DEG面密度(~7×1012 cm-2),而此时Mg含量低于30%,Be含量仅为2~3%8。
由于c面蓝宝石具有类似的晶体对称性、在紫外和可见光区域的高透光性、优异的物理和化学稳定性以及低成本,它被广泛用于GaN和ZnO的外延生长。得益于在蓝宝石衬底上生长GaN基电子和光电子器件技术的显著进展,尽管GaN与蓝宝石之间存在高达16%的晶格失配,仍可通过使用AlN或低温(LT)GaN缓冲层在蓝宝石衬底上轻松制备高质量的GaN外延模板9。对于ZnO在蓝宝石上的外延生长,其面内晶格失配更大,达到18%,其中O极性ZnO的生长机制已相对明确,而Zn极性材料以二维模式生长的工艺尚不成熟。由于ZnO与GaN之间的晶格失配仅为1.8%,在GaN上外延生长ZnO成为一种极具吸引力的替代方案。
金属有机化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)是制备高质量薄膜和异质结构且具有高重复性的最成功的半导体沉积技术。目前MOCVD在氮化镓(GaN)外延生长中比MBE更受欢迎的主要原因是MBE的成本较高且不适合大规模生产。采用MOCVD生长GaN的生长速率可达每小时数微米,并且可在单次生长过程中同时制备数十个直径为2英寸(50 mm)的晶圆,或更大尺寸达6-8"的晶圆9。因此,在本研究中我们也采用MOCVD进行GaN的生长。然而,在氧化锌(ZnO)基异质结构的生长方面,目前在潜在应用实现商业化之前,更多关于二维电子气(2DEG)形成的报道仍基于MBE技术10,11,12。最近,我们已成功开发出在Ga极性GaN模板上精确控制表面极性的高质量ZnO异质结构的MBE生长方法13。研究发现,在进行Zn预处理后,当以较低的VI/II比(<1.5)成核时,所生长的ZnO层呈现Zn极性;而当VI/II比高于1.5时,则呈现O极性。为避免通过GaN模板产生平行导电通道,我们在AlN缓冲层上采用低压条件通过MOCVD生长碳补偿的半绝缘GaN,并以此作为后续生长ZnO基异质结场效应晶体管(HFET)结构的基础。
在我们开展工作之前14,目前尚未有关于BeMgZnO/ZnO异质结构上肖特基二极管研究的报道。仅有少数研究报道了MgZnO的肖特基接触15,16, 例如,其理想因子为2.37,势垒高度为0.73 eV,整流比仅为103 15已使用多种肖特基金属用于氧化锌17,其中银(Ag)因在体相ZnO上具有1.11 eV的较高肖特基势垒高度和1.08的理想因子而被广泛采用 18.
本研究旨在制备高质量的肖特基二极管,用于ZnO基高速HFET器件。以下方案专门针对通过电子束蒸发在等离子体辅助分子束外延(MBE)生长于MOCVD沉积的GaN模板上的BeMgZnO/ZnO异质结构表面沉积Ag,从而制备Ag/BeMgZnO/ZnO肖特基二极管。
1. 用于分子束外延生长的氮化镓模板的制备与生长
2. BeMgZnO/ZnO 异质结构的分子束外延生长
3. 表征
4. 肖特基二极管的制备
左栏 图1 显示在 Be 的 MBE 生长过程中沿 [1-100] 方位角方向记录的 RHEED 图案演化0.02Mg0.26ZnO/ZnO 异质结构,包含一层 300 nm 厚的 HT-ZnO 层和一层 30 nm 厚的 Be0.02Mg0.26ZnO势垒。右列展示了不同生长阶段的典型表面形貌(非来自同一样品)。从出现斑点状RHEED图样可知,低温ZnO缓冲层具有三维(3D)岛状生长模式特征。通过在高于某一温度下进行热退火处理,其表面形貌得以改善。 700 °C表面明显由三维转变为二维形貌。随后的高温氧化锌(HT-ZnO)层继续以二维模式生长,接着为铍(Be)的二维生长。0.02Mg0.26ZnO层未形成第二相。AFM测量显示,GaN模板在5×5 μm2 扫描结果显示,在富氧条件下生长的无势垒HT-ZnO层表面光滑,其均方根粗糙度为0.35 nm;而在生长BeMgZnO势垒层后,均方根粗糙度为0.45 nm。
典型Zn极性Be0.02Mg0.26ZnO/ZnO异质结构的HRXRD三轴2θ-ω扫描结果如图2所示,该结构包含一层300 nm厚的HT-ZnO层和一层50 nm厚的Be0.02Mg0.26ZnO势垒层。(0002)衍射峰位于34.46o、34.54o和34.75o,分别对应于ZnO、GaN和Be0.02Mg0.26ZnO的(0002)反射。需注意,Be0.02Mg0.26ZnO反射峰的展宽是由于其厚度较薄所致。ZnO层中的双轴拉伸应变表明该异质结构为Zn极性,这一点已在我们先前的研究13中探讨。BeMgZnO四元合金中的Be和Mg含量是根据其XRD(0002)反射的布拉格角以及在13 K下测得的低温光致发光(LT-PL)光谱中的发射光子能量计算得出的(未展示)。
图3展示了Be0.02Mg0.26ZnO/ZnO异质结构的温度依赖性霍尔效应测量结果。当样品从室温(293 K)冷却至约100 K时,二维载流子浓度从8.8×1012 cm-2降低至6.4×1012 cm-2。进一步冷却至13 K时,二维载流子浓度饱和于6.2×1012 cm-2。该结果表明,观测到的电子浓度下降源于并行导电通道的贡献,包括缺陷成核层、HT-ZnO层以及可能存在的Be0.02Mg0.26ZnO势垒层。这一趋势在MgZnO/ZnO异质结构中也有报道10,22。在Be0.02Mg0.26ZnO/ZnO异质结构中,电子迁移率随温度降低而单调增加;293 K时的迁移率为206 cm2/Vs,13 K时的迁移率为1550 cm2/Vs,均与文献报道的数值相当22,23。电子特性随温度的演变明确表明,在Be0.02Mg0.26ZnO/ZnO异质界面处存在二维电子气(2DEG)。
图4展示了在同一晶圆上制备的四个典型Ag/Be0.02Mg0.26ZnO/ZnO肖特基二极管在室温下测得的电流-电压(I-V)曲线,其肖特基接触面积为1.1×10-4 cm2。正向电流在施加电压达到0.25 V之前随电压呈指数增长,超过该电压后,串联电阻上的压降开始显现。其中最高肖特基势垒高度Φap达到1.07 eV,理想因子n为1.22。通过在V=±2 V时测得的电流值,获得约1×108的整流比。

图 1. 表面表征。 左侧列显示了在分子束外延(MBE)生长 Be0.02Mg0.26ZnO/ZnO 异质结构过程中沿 [1-100] 方位角方向测得的反射高能电子衍射(RHEED)图样,右侧列展示了通过原子力显微镜(AFM)测量的 GaN 模板、高温 ZnO 层和 Be0.02Mg0.26ZnO 层的表面形貌。低温 ZnO 缓冲层技术可实现高质量 ZnO 异质结构在低晶格失配 GaN 模板上的二维生长模式。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2. 异质结构的高分辨率 X 射线衍射(HRXRD)图谱。 典型 Zn 极性 Be0.02Mg0.26ZnO/ZnO 异质结构的 HRXRD 三轴 2θ-ω 扫描图,其中 Be0.02Mg0.26ZnO 势垒层厚度为 50 nm。位于 34.46 o、34.54 o 和 34.75 o 的衍射峰分别对应于 ZnO、GaN 和 Be0.02Mg0.26ZnO 的 (0002) 衍射峰。 请点击此处查看此图的放大版本。

图 3. 异质结构的电子特性。 Zn极性Be0.02Mg0.26ZnO/ZnO异质结构的二维载流子浓度和电子迁移率随温度的变化关系。请点击此处查看此图的放大版本。

图 4. 肖特基二极管。 在室温下测得的四个典型 Ag/Be0.02Mg0.26ZnO/ZnO 肖特基二极管的典型 I-V 特性。四条 I-V 曲线的相似性表明样品在晶圆内的均匀性很高。请点击此处查看此图的放大版本。
将BeO引入MgZnO中形成四元合金BeMgZnO,使得调控该四元合金中应变的大小和符号成为可能,从而显著提高二维电子气(2DEG)密度8。代表性结果表明,Be0.02Mg0.26ZnO/ZnO异质结构所产生的二维电子气密度接近理想的等离激元-纵光学声子共振所需的电子密度(~7×1012 cm-2)24。尽管该异质结构的电子迁移率强烈依赖于分子束外延(MBE)生长参数,例如衬底温度以及高温ZnO层和BeMgZnO势垒层的VI/II元素比,但二维电子气密度对生长条件的依赖性较弱,主要由势垒层中Be和Mg的含量决定。
由于GaN与ZnO之间的晶格失配适中(1.8%),远小于蓝宝石与ZnO之间的18%晶格失配,因此采用GaN模板可实现高质量晶体的BeMgZnO/ZnO异质结构生长。为了避免产生任何导电的并行通道,GaN模板必须具有高电阻,达到MΩ/方块量级,这一点至关重要。在本研究中,通过在76 Torr的低腔室压力下生长,增强碳补偿,从而实现高电阻。为了确保BeMgZnO/ZnO异质结构的极性控制(Zn极性),对GaN模板进行精细的表面处理是必不可少的。在GaN表面制备过程中引入的任何氧化或污染,即使满足决定性的VI/II比值<1.5,也会导致异质结构中出现Zn和O混合极性。
金属与半导体之间的任何化学反应、表面污染物的存在、表面附近的状态和缺陷,以及金属向半导体内部的扩散,是肖特基接触制备领域中的常见问题。文献中已报道了多种用于ZnO表面处理以制备肖特基接触的方法,其中包括HCl(或其他酸)刻蚀、Ar+物理刻蚀、紫外臭氧清洗、H2O2处理以及O2等离子体(或与He混合)处理25,26,27,28。这些刻蚀工艺旨在去除厚度a为数纳米至数微米的表面层,因此不适用于异质结场效应晶体管(HFET)器件。而紫外臭氧清洗或O2等离子体处理仅去除最表层物质,因此非常适用于我们的BeMgZnO/ZnO异质结构的表面制备。
通常通过沉积高功函数金属(如 Pd、Pt、Ir)来形成肖特基接触, 等等相比之下,银(Ag)的功函数较低,为4.26 eV。尽管如此,由于银电极与氧化锌(ZnO)基体中的氧发生部分氧化反应,形成界面银氧化物层,使用银电极的器件仍可表现出整流行为。所形成的氧化物层对电子透明,且其功函数高于银本身。Raju 等报道了通过脉冲激光沉积(PLD)生长的AgO的功函数约为5.5 eV,比Ag的功函数高1.3 eV,且接近Pd、Pt和Ir的特性29我们的结果表明,含氧的银电极(Ag electrode with O)2 等离子体预处理对ZnO异质结构表面的影响)是一种有前景的肖特基二极管接触金属。
我们展示了一种用于制备高质量ZnO基HFET肖特基接触的方法。在MBE生长前对MOCVD生长的GaN模板进行精细的表面处理,并在ZnO成核过程中采用低VI/II比(<1.5),可确保获得高质量的Zn极性ZnO基异质结构。MOCVD是一种广泛使用的成熟技术,常用于多种应用中GaN的外延生长。本文所述的MBE工艺表明,MOCVD与MBE技术、GaN与氧化物半导体可结合用于电子器件。在BeMgZnO势垒层中掺入少量Be,可获得高二维电子气密度、高电子迁移率和高热稳定性的HFET,从而提升器件的高速性能。
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由美国空军科学研究办公室(AFOSR)资助,项目编号 FA9550-12-1-0094。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| MOCVD | Emcore | 定制构建 | |
| MBE | SVT Associates | ||
| TMAl | SAFC | CAS:75-24-1 | |
| TMGa | SAFC | CAS:1445-79-0 | |
| NH3 | 林德集团 | CAS:7664-41-7 | |
| H2 | 国家焊工供应公司 | 供应商货号 335-041 | 5.0级 |
| O₂ | National Welders Supply Co. | 供应商货号 OX 300 | 工业级氧气,300号钢瓶,CGA-540接口 |
| Mg | Sigma-Aldrich | 产品编号:474754-25G | 镁,蒸馏,树枝状碎片,99.998% 金属基 |
| 是 | ESPI Metals | 货号 K646b | 铍片,3N |
| Zn | Alfa Aesar,Thermo Fisher Scientific Chemicals Inc. | 产品编号:10760-30 | 锌粒,1-6 毫米(0.04-0.24 英寸),Puratronic,99.9999% |
| 金 | Kurt J. Lesker | 部件编号 EVMAUXX40G | 金颗粒,99.99% |
| Ag | Kurt J. Lesker | 货号 EVMAG40QXQ | 银颗粒,99.99% |
| Ti | Kurt J. Lesker | 部件编号 EVMTI45QXQ | 钛颗粒,99.995% |
| 开发者 | 罗门哈斯电子材料有限责任公司 | MF-CD-26 | 材料编号 10018050 |
| 光刻胶 | 罗门哈斯电子材料有限责任公司 | SPR 955 | 材料编号 10018283 |