Name: Plasmagestützte Molecular Beam Epitaxy von N-polar InAlN-Barriere Hochelektronenmobilität Transistoren (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-11-24T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 31 s
Description: Erfahren Sie die plasmagestützte Molekularstrahlepitaxie von N-polar InAlN-Barriere-HEMTs. Diese Methode ermöglicht die Herstellung hochmobiler Transistoren mit Werten bis zu 1.750 cm²/V∙s für Hochgeschwindigkeitselektronik.

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Die Autoren danken Herrn Neil Green für die Unterstützung bei der Probenvorbereitung. Diese Arbeit wurde vom Office of Naval Research unter Finanzierung von Dr. P. Maki unterstützt. MTH wurde durch ein Postdoctoral Fellowship des National Research Council unterstützt.

1. Effusionszelle Ramp und Flux-Kalibrierung <ol><li> Bestätigen Flüssigkeit N 2 fließt an die Kryo-Panels und dass die Wachstumskammer Basisdruck erreicht. </li><li> Rampe auf der Effusionszellen ihrer Strahlflussmessung (BFM) Temperatur mit einer Anstiegsrate von 1 ° C / s für Ga und In-Zellen und 10 ° C / min für Al. Warten Sie 1 Stunde für Zellen thermisch zu stabilisieren. </li><li> Öffnen Sie den Verschluss jeder Zelle für 30-60 Sekunden, und schließen Sie dann den Auslöser für 1-2 min. Wiederholen dreimal für jede Zelle. Entsorgen Sie den ersten Strahlfluss Ionenmeßgerät Messung und der Mittelwert der letzten beiden. Stellen Sie die Zellentemperatur den gewünschten Fluss nach den vorherigen Fluss / Temperaturkalibrierungen zu erreichen. </li></ol> 2. Untergrundvorbereitung und Laden <ol><li> Ex - situ - Substratreinigung <ol><li> Laden Epi-Ready N-polaren GaN - Substraten direkt, ohne Ex - situ - Reinigung. Wenn der Wafer an der Luft wurde für mehr ausgesetztunter Aceton (30 sec), Isopropanol (30 sec) und de-ionisiertes Wasser (DI) als ein paar Stunden, spülen (60 sec). Abspülen wird dem Eintauchen bevorzugt, wenn möglich, da es weniger Partikel auf der Waferoberfläche zu hinterlassen neigt. HINWEIS:. Für Ga-polaren GaN - Substraten eine strengere Oberfläche sauber empfohlen wird 23 </li></ol></li><li> Last - Wafer <ol><li> Schließen der Ladungsschleusenisolationsgateventil und Entlüftungs mit N 2. </li><li> Laden des Wafers auf der Halterung und Rück die Kassette in die Ladesperre. Schalten Sie die Ladesperre Grobpumpe und öffnen Sie die Vorvakuumpumpe Ventil- und Verteilerventil. </li><li> Wenn der Ladedruck unter 0,1 Torr fallen gelassen wurde, schließen Sie die vielfältigen und Schruppen Pumpenventile. Drehen Sie die Grobpumpe und öffnen Sie die Ladeschleusenturbopumpe Absperrventil ab. </li><li> Lassen Sie die Ladesperre zu pumpen 30-60 min nach unten. Idealerweise 10 -6 -10 -7 Torr eine Ladesperre Druck verwenden , bevor sie an den Behandlungsraum zu übertragen. </li><li>Öffnen Sie die Ladeschleuse in die Vorbereitungskammer und übertragen den Wafer auf dem Wagen mit Wobble-Stick. Verwenden Sie dann den Wagen, den Wafer auf die Ausgasung Station in der Vorbereitungskammer zu übertragen. Bewegen Sie den Wagen manuell entlang einer Schiene eine Drehdurchführung auf der Vorbereitungskammer verwendet wird. </li></ol></li><li> ausgasen Wafer <ol><li> Rampe die Ausgasung Station Heizungstemperatur bis 700 ° C über 10 min. </li><li> Nach 30 Minuten die Temperatur Rampe wieder auf 100 ° C. Wenn die Temperatur ≤ 250 ° C ist, übertragen Sie den Wafer zurück in den Wagen an der Ausgasung Station die Wobble-Stick. </li></ol></li><li> Last Wafer in die Wachstumskammer <ol><li> Senken Sie den Substrat-Manipulator in die Ladeposition, öffnen Sie die Vorbereitung / Wachstumskammer Absperrschieber und übertragen die Waferhalter zum Manipulator. </li><li> Heben Sie den Manipulator zu Wachstumsposition, in der Nähe der Substratheizung. </li><li> Entfernen Sie den Wagen und close Absperrschiebers. </li><li> Öffnen Sie die N 2 Flaschenventil, Regelventil und Isolation Nadelventil. Stellen Sie den Massendurchflussregler (MFC) auf 1,5 sccm (oder bei Bedarf einen Kammerdruck von 3-4 x 10 -5 Torr zu bekommen). Der optimale Druck für Plasmazündung ist stark systemabhängig. Beachten Sie, dass die N 2 muss extrem hoher Reinheit (als 6N vorzugsweise besser) werden und ein zusätzlicher Filter wird in der Leitung verwendet , um weitere Verunreinigungen zu reduzieren. </li><li> Mit der N * und Hauptfensterläden geschlossen, schalten Sie die Plasma-HF-Stromversorgung und Auto-Matching-Netzwerk-Controller. Erhöhen Sie die HF-Leistung, bis das Plasma zündet. </li><li> Stellen Sie die HF - Leistung und N &amp; sub2 ; -Strom zu den gewünschten Verfahrensbedingungen, in diesem Fall 350 W und 2,0 sccm. Der N * Fluss von bestimmten Plasmabedingungen resultiert , ist systemabhängig, aber hier ergeben diese Bedingungen eine GaN - Wachstumsrate von 5,0 nm / min, oder eine N * Fluss von 1,8 nm -2 s -1. Überwachen Sie die Plasmastabilität mit einem Spektrometer auf die beigefügtenHeckscheibe aus der Plasmakammer. </li></ol></li><li> In - situ - Oberflächenvorbereitung: Ga Ablagerung und Desorption <ol><li> Rampe die Substratheizung auf 10 ° C über der gewünschten GaN Wachstumstemperatur mit einer Anstiegsrate von ≤1 ° C / sec. In diesem Fall kann eine geschätzte Wafertemperatur von 730 ° C verwendet werden. </li><li> Schalten Sie das RHEED-System für eine Verschlechterung der Waferoberfläche zu beobachten und Ga Abdeckung überwachen. drehen manuell auf dem Substrat Rotation. Stellen Sie die ausgelöst RHEED Erfassungs-Software, um eine RHEED Muster sammeln einmal pro Substratrotation ein statisches Bild zu liefern, während das Substrat während des Wachstums dreht. </li><li> Öffnen Sie die Substratblende und Ga Verschluss für 1 min. Sicherstellen, dass die RHEED Intensität abnimmt erreicht dann ein Plateau als Ga ansammelt. Ga Flussmittel für GaN Wachstum eingesetzt ähnlich sein. Hier ist die Ga Flußmittel etwa 3,7 nm -2 sec -1. </li><li> Schließen Sie den Auslöser für 2 min und gewährleisten die RHEEDIntensität nimmt zu und erreicht ein Plateau vor dem Ende der 2 min, was anzeigt, Ga Desorption. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 2.5.2-2.5.4 dreimal, 24 und dann das Substrat zu der GaN - Wachstumstemperatur Rampe. </li></ol></li></ol> 3. HEMT Wachstum <ol><li> Buffer Wachstum <ol><li> Initiieren Wachstum durch die N * Auslöser für eine 1 min Nitrierung zu öffnen. </li><li> Wachsen einer dünnen 1-3 nm N-reiche AlN Keimschicht durch die Al-Verschluss zu öffnen. Diese AlN - Schicht kann dazu beitragen , Fadenversetzungserzeugung verhindern, 25 jedoch die AlN - Schicht erschwert Röntgenbeugung (XRD) Messungen und ist nicht für die XRD basierte Kalibrierungsproben empfohlen. Verwenden Sie die gleiche Al Fluss wie für die InAlN Schicht oder etwa 0,36 nm -2 s -1, eine Wachstumsrate von etwa 1 nm / min ergibt. </li><li> Schließen Sie das Al und N * Verschluss und sofort öffnen Sie die Ga Verschluss für 10 Sekunden zu ermöglichen, Ga, die Oberfläche zu sättigen, sollte die RHEED Intensität verringern rapidly. Öffnen Sie die N * Blende (mit dem Ga Verschluss noch offen) und wachsen 5 min von GaN. Verwendung Be oder C Dotierung, insbesondere für die GaN-Substrate freistehende, elektrische Leckströme in dem Puffer zu vermeiden. </li><li> Schließen Sie die Ga und N * Fensterläden für ein 1 min Wachstumsunterbrechung. Überwachen Sie die RHEED Intensität. Wenn der RHEED Intensität sofort erhöht, dann ist die Ga Flußmittel nicht hoch genug. Wenn die RHEED Intensität nach erhöht&gt; 30 sec oder nicht ein Plateau innerhalb von 1 min zu erreichen, dann ist die Ga-Fluss zu hoch. Siehe Abbildung 3. </li><li> Erhöhen Sie die Substrattemperatur um einige Grad (oder die Ga Effusionszellentemperatur reduzieren) für hohe Ga Fluss in 3.1.4 gesehen zu kompensieren. Wenn die Ga Fluss zu niedrig war, verringern Sie die Substrattemperatur (oder die Ga Effusionszellentemperatur erhöhen) zu kompensieren. <ol><li> Wiederholen Sie die Schritte 3.1.3-3.1.5, bis es eine 15-30 Sekunden Verzögerung ist, bevor die RHEED Intensität zunimmt und die RHEED Intensität ein Plateau vor 1 min erreicht. </li></ol></li&gt; <li> Weiter Schritte wiederholt werden, bis die gewünschte 3.1.4-3.1.5 GaN Dicke erreicht ist. Bestimmen Dicke durch die gesamte Wachstumszeit durch die kalibrierte Wachstumsrate multipliziert wird. Für Ga-reichen Wachstum bestimmen, indem der N * Flußmittel die Wachstumsrate, die ihrerseits berechnet werden kann unter Verwendung von XRD der Dicke für eine bekannte Wachstumszeit in einem separat gezüchtet Kalibrierungsprobe zu messen. </li></ol></li><li> InAlN Barriere Wachstum <ol><li> Warten Sie eine zusätzliche 1 min nach dem letzten GaN Wachstum Schritt, um sicherzustellen, alle Ga verdampft ist. </li><li> Schnell auf den auf etwa 630 ° C InAlN Wachstumstemperatur herunterzufahren. Ermöglichen die Substrattemperatur für etwa 2 min zu stabilisieren. </li><li> Öffnen Sie die In, Al und N * Fensterläden. Die RHEED Intensität sollte ein Plateau innerhalb der ersten 3 min zu verringern und zu erreichen. Fortsetzung Abnahme der RHEED Intensität kann Ansammlung von In zeigen, was zu InAlN Wachstum abträglich ist. Das RHEED Muster sollte streifig bleiben, was auf eine glatte Oberfläche. Das in und Al Flüsse sind etwa 0,31 und 0,36 nm -2 s -1, eine Gruppe-III begrenzten Wachstumsrate von 1,25 nm / min ergibt. </li><li> Schließen des In, Al und N * Rolläden nach der gewünschten Barrierendicke erreicht ist. Für N-reiche Wachstum, die Wachstumsrate durch die gesamte Gruppe-III-Fluss bestimmen. Messen Sie die Wachstumsrate auf einem separat angebaut InAlN Kalibrierungsprobe unter Verwendung von XRD. Für eine 15 nm InAlN Barriere, die Bedingungen hier angegebenen verwenden, öffnen Sie die Fensterläden für 12 min 30 sec. </li></ol></li><li> Zwischenlage und Kanal Wachstum <ol><li> Öffnen Sie zunächst den Ga Verschluss für 5 Sekunden, dann den Auslöser N * öffnen und die GaN-Zwischenschicht wachsen. Die Substrattemperatur sollte bei der InAlN Wachstumstemperatur immer noch. </li><li> Öffnen Sie die Al Verschluss ohne die Ga schließen oder N * Fensterläden, um die AlN-Zwischenschicht wachsen. Der Al Flußmittel für die Zwischenschicht sollte gleich oder etwas höher als der N * Flußmittel sein, im Idealfall eine andere Al-Effusionszelle verwendet dann die für die Sperrschicht verwendet InAlN, to vermeiden, dass die Zelltemperatur zu ändern. Siehe Schritt 3.2.4. </li><li> Schließen Sie die N * und Al Fensterläden, aber lassen Sie die Ga Verschluss geöffnet. Rampe der Substrattemperatur auf der GaN-Kanaltemperatur. </li><li> Nach 30 sec die Ga Verschluss schließen. Warten Sie 30 Sekunden (oder sobald die RHEED Intensität zu erhöhen beginnt) und wieder zu öffnen, die Ga Verschluss. Fortsetzung der Ga Verschluss wiedergegeben, bis das Substrat mit der GaN-Kanal Wachstumstemperatur erreicht hat. Dadurch wird die Oberfläche zu schützen, während eine übermäßige Ansammlung Ga zu verhindern. </li><li> Öffnen Sie die Ga Auslöser für 5 Sekunden, dann öffnen Sie die N * Shutter und wachsen, um die GaN-Kanal. </li><li> Schließen Sie die Ga, N * und Hauptfensterläden. Rampe , die Substrattemperatur bis zu 200 ° C, schalten Sie das N * Plasma ab und schließen Sie die N 2 Gasstrom aus. </li><li> Rampe, die Zellen bis auf die Standby-Temperaturen, wenn für den Tag beendet. </li><li> Warten für die Substrattemperatur unter 250 ° C und der Kammerdruck zu verringern unter 8 x 10 -7 Torr fallen zu lassen, dannÖffnen Sie die Absperrschieber Wachstumskammer und Transfer zum Wagen des Wafer-Halters zurück. </li><li> Folgen Sie der Rückseite der Schritt 2.2 den Wafer zurück in die Ladesperre zu übertragen, Entlüftung mit N 2 und dem Wafer zu entfernen. Sicherstellen, dass die Wachstumskammer Absperrschieber vor dem Öffnen der Ladeschleuse geschlossen ist, und dass die Ladeschleusenturbopumpe Absperrschieber geschlossen ist, bevor entlüften. </li><li> Führen Sie die Schritte 2.2.3-2.2.5 die Kassette und Ladesperre zu Hochvakuum zurückzukehren. </li></ol></li></ol> 4. Charakterisierung <ol><li> Charakterisieren Sie die Materialqualität mittels optischer Mikroskopie für Gruben, Risse oder Ga-Tröpfchen zu überprüfen , die während der Kanalwachstum gebildet haben können, XRD die Grenzflächen- und Strukturqualität zu überprüfen und AFM die Oberflächenmorphologie zu überprüfen. 20,21 </li><li> Wenn Ga-Tröpfchen vorhanden sind, für 5-10 min, den Wafer in konzentrierter HF-Säure tauchen, um die Tröpfchen zu entfernen, ohne dass die chemisch empfindliche N-polare Oberfläche zu beschädigen. </li><li> Messen Sie Blatt resmit Lehighton kontaktlos Widerstandsmessungen Istance. </li><li> Verarbeiten Sie die Probe elektrische Charakterisierung zu ermöglichen, einschließlich Hall und CTLM Messungen und DC- und HF - Transistor Charakterisierung. 9,26 </li></ol>

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<li>Koblmüller, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ga+Adlayer+Governed+Surface+Defect+Evolution+of+%280001%29GaN+Films+Grown+by+Plasma-Assisted+Molecular+Beam+Epitaxy%5BTitle%5D)+AND+%22Jpn.+J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Ga Adlayer Governed Surface Defect Evolution of (0001)GaN Films Grown by Plasma-Assisted Molecular Beam Epitaxy.</a> Jpn. J. Appl. Phys. 44 (28), L906-L908 (2005).</li>
<li>Poblenz, C., Waltereit, P., Speck, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Uniformity+and+control+of+surface+morphology+during+growth+of+GaN+by+molecular+beam+epitaxy%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Vac.+Sci.+Technol.%2C+B%22%5BJournal%5D)">Uniformity and control of surface morphology during growth of GaN by molecular beam epitaxy.</a> J. Vac. Sci. Technol., B. 23 (4), 1379-1385 (2005).</li>
</ol>

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Wachstum eines qualitativ hochwertigen GaN-Pufferschicht ist kritisch hohe Elektronenbeweglichkeit in beliebigen III-Nitrid-HEMT zu erreichen. In dem Fall eines N-polar InAlN HEMT ist die Pufferschichtwachstum durch das Erfordernis erschwert, dass alle Ga von der Oberfläche vor dem Wachstum InAlN entfernt werden. Es gibt eine Vielzahl von Techniken , dies zusätzlich zu den hier beschriebenen Verfahren zu erreichen, wie beispielsweise Metall-moduliertes Epitaxie, 27 unter Verwendung von Wachstumsbedingungen am...

Molekularstrahlepitaxie (MBE) ist ein vielseitiger Epitaxie - Dünnschicht - Wachstumstechnik , die ein Ultrahochvakuum - Umgebung mit Basisdruck so niedrig wie 10 -11 Torr beschäftigt zu niedrigen Verunreinigungs Einbau in den gewachsenen Film sicherzustellen. Die Zusammensetzung und die Wachstumsgeschwindigkeit der epitaktisch gewachsenen Schichten werden durch Steuern der Temperatur jeder Effusionszelle bestimmt und somit die verdampften Flußmittel der verschiedenen Ausgangsmaterialien. Im Fall von III-Nitrid - Epitaxie, der Gruppe III-Elemente (In, Al, Ga) werden typischerweise durch Effusionszellen vorgesehen ist, während der aktive Stickstoff (N *) Fluss entweder durch ein N 2 -Plasma 1,2 (RF Plasma vorgesehen ist -Assistierte MBE. PAMBE oder RFMBE) oder Ammoniak (NH 3 -MBE) 3,4 MBE Wachstum wird durch niedrigere Wachstumstemperaturen und schärfere Grenzflächen abruptness als andere epitaktische Wachstumstechniken, wie beispielsweise metallorganische chemische Gasphasenabscheidung gekennzeichnet 5A schematisch dargestellt. in Figur 1. <pclass = &quot;jove_content&quot;&gt; <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/54775/54775fig1.jpg" /> Abbildung 1:.. MBE Systemschema Schematische Darstellung der Ladesperre, Transfersystem, das Ausgasen Station und Wachstumskammer <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54775/54775fig1large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54775/54775fig1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> III-Nitriden auf Substraten aufgewachsen werden, um eine Vielzahl von Kristallorientierungen aufweist. Die am häufigsten verwendete Ausrichtung ist die Ga-polaren c -Ebene, die durch Ausnutzung der Differenz in der Polarisation zwischen der Barriereschicht, typischerweise AlGaN und GaN Kanal die Bildung eines zweidimensionalen Elektronengases ohne Dotierung ermöglicht. Verschiedene nicht-polaren und semipolaren Orientierungen von GaN haben erhebliche Aufmerksamkeit für die Optoelektronik aufgrund reduzierter Polarisationseffekte in den Quantentrögen, 6,7 , die auch diese Orientierungen weniger wünschenswert für HEMT applicatio machtns. N-polar orientierte Geräte sind attraktiv für die nächste Generation Hochfrequenz - HEMT Betrieb durch mehrere intrinsische Vorteile gegenüber herkömmlichen Ga-polaren Vorrichtungen. 8 ist die Sperrschicht in N-polaren Geräte unterhalb des GaN Kanal gezüchtet , wie in 2 gezeigt, was in einer natürlichen Barriere zurück hilft, dass elektrostatische Kontrolle des Kanals und Short-Channel-Effekte reduziert, während leichter aktuellen Zugriff auf die GaN-Kanal ermöglicht und Kontaktwiderstand zu reduzieren. Die Barriere kann auch separat von dem Kanal gesteuert werden, so daß, wenn die Kanaldicke nach unten für Hochfrequenzvorrichtungen skaliert wird die Sperr Design modifiziert werden kann, für die Kanalladung zu Ferminiveau Pinning-Effekte verloren zu kompensieren. <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/54775/54775fig2.jpg" /> Fig . 2: schematische Epitaxial - Schicht Schichtstruktur von (a) einem N-polaren HEMT und (b) eine Ga-polaren HEMT für comparIson. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54775/54775fig2large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54775/54775fig2large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> HEMTs in Hochgeschwindigkeits verwendet werden Hochleistungsverstärker normalerweise auf SiC-Substrate aufgewachsen Vorteil der hohen Wärmeleitfähigkeit von SiC zu nehmen. Niedrige Fadenversetzungsdichte freistehende GaN - Substrate können die Elektronenbeweglichkeit zu verbessern , verwendet werden, 9 so die Hochfrequenzleistung verbessert wird . Nach dem Wachstum einer AlN Kernbildungsschicht wird ein dicker GaN-Puffer bei dem Nachwachsen Schnittstelle vom HEMT Kanal und verbessern die elektrische Isolierung räumlich getrennt um die Verunreinigungen gezüchtet. Im Gegensatz zu anderen III-V - Materialien, durch PAMBE gewachsen GaN benötigt typischerweise Wachstumsbedingungen mit einer Gruppe-III / V - Verhältnis von größer als 1 ist , dh metallreichen Bedingungen, 10,11 , um eine glatte Oberflächenmorphologie zu erreichen. In x Al 1- x N ist ein alternativen Barrierematerial für III-Nitrid - HEMTs, und hat vor kurzem erhebliche Aufmerksamkeit erhalten , weil es Gitter für x ≈ 0,18 bis GaN angepasst angebaut werden kann und über die doppelte Kanalladung relativ zu AlGaN Barrieren aufgrund seiner hohen spontanen Polarisation erzeugen. 15.12 Im Gegensatz zu AlGaN Barrieren, wird Ga bevorzugt an in in InAlN Schichten einzuarbeiten, 16 so darauf geachtet werden , muss die Oberfläche frei ist von überschüssigem Ga nach dem Ga-reiche GaN - Pufferschicht Wachstum und vor InAlN Wachstum zu gewährleisten. Steuerung von Ga auf der Oberfläche kann für Ga-Tröpfchenbildung erforderlich durch suppling eine Ga Flußmittel geringfügig kleiner als der Fluß erreicht werden. Allerdings ist dieses Wachstum Fenster klein, und eine unzureichende Oberflächenabdeckung Ga wird die Oberflächenmorphologie zu degradieren in Plateau / Graben Morphologie verursachen , während überschüssiges Ga Fluss in Ga Akkumulation und makroskopischen Tropfenbildung führen. 17 Rheed (RHEED) intens<html> keit kann verwendet werden, Ga Akkumulation und Desorption zu überwachen. Ga Oberflächenabdeckung wird durch eine Verringerung der RHEED Intensität angegeben, und jede Verzögerung zwischen den Ga Schließen (und N *) Fensterläden und die anfängliche Anstieg der RHEED Intensität zeigt Anhäufung von Ga, wie in Abbildung 3 dargestellt. <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/54775/54775fig3.jpg" /> Abbildung 3: Überwachung Ga Abdeckung mit RHEED Intensität RHEED Intensitätssignal gemessen von RHEED Muster unter Rotation mit getriggerten Akquisition erworben.. Unzureichende Ga Flußmittel durch eine sofortige Erhöhung der Intensität angezeigt wird, nachdem die Jalousien zu schließen (nicht gezeigt). Gesättigte / ideal Ga Abdeckung wird durch eine Verzögerung zwischen dem Verschluss Verschluss und abrupte RHEED Aufhellung und überschüssige Ga Abdeckung angegeben in sowohl als in der anfänglichen RHEED Aufhellung einer Verzögerung zu sehen sowie eine allmähliche Intensitätserhöhung in voller Intensität Erholung resultierenden dauert länger als 60 s.com / files / ftp_upload / 54775 / 54775fig3large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Erreichen hoher Qualität durch PAMBE InAlN wird durch das Vorhandensein von seitlichen Zusammensetzung Schwankungen kompliziert, in einer &quot;Bienenwabe&quot; Mikrostruktur führen , bestehend aus Al-reichen Domänen , die durch In-reichen Grenzen umgeben. 18 Elimination dieser Mikrostruktur unter Verwendung einer Substrattemperatur etwa 50 erreicht wird ° C über dem Beginn der Desorption In, 15,19,20 oder ungefähr 630 ° C für N-polar InAlN. In dieser hohen Temperatur Wachstum Regime, x die in Al 1- x N Zusammensetzung eine starke Funktion der Substrattemperatur, bei höheren Temperaturen niedriger Einbau führt. Der im Fluss kann erhöht werden, um zu kompensieren In Verdunstung verloren, obwohl in der Praxis die maximale im Fluss durch eine Reduzierung der Einbaueffizienz begrenzt ist im Fluss mit zunehmenderDarüber hinaus. 21 , die Substrattemperatur oder die Erhöhung der im Fluss zu verringern, die Wachstumsrate zu erhöhen kann auch aufgrund der die In - Zusammensetzung erhöhen &quot;Effekt zu begraben&quot;, wo eingehende Al - Atome Falle und verhindern , dass es zu verdampfen. 21,22 Higher Wachstumsraten durch Erhöhung der In und Al Fluß proportional erreicht werden. Um die Wachstumsbedingungen N-rich halten, wird die N * müssten ebenfalls erhöht werden, wodurch die RF Plasmaleistung durch Steigerung erzielt werden kann, die N 2 Durchflussrate steigt, die Verbesserung der Plasmakammer - Design, oder durch Erhöhung der Aperturplatte Loch Dichte. Zusätzliche Epitaxieschichten in InAlN-basierten HEMTs umfassen GaN und AlN-Zwischenschichten (ILs) und einen GaN-Kanal. Ein AlN - IL zwischen der Barriere und Kanal eingeführt kann Mobilität μ sowie Kanalflächenladungsdichte n s erhöhen. Die Erhöhung der Mobilität wird zur Verringerung der Elektronenwellenfunktion Überlappung mit dem InAlN b zugeschriebenArrier und einen nachfolgenden Legierungsstreuung. 9 hochwertige Wachstum des AlN IL zu gewährleisten, ein Überschuß an Ga Flußmittel während des Wachstums zugeführt , wie einem oberflächenaktiven Mittel zu wirken. Ein GaN IL kann zwischen dem AlN-IL und Barriere zur weiteren Verbesserung der Mobilität bei gleichzeitiger Reduzierung Kanalladung verwendet werden. Der GaN-Kanal kann als InAlN Barriere, so dass ein kontinuierliches Wachstum von der Barriere obwohl die ILs und Kanal bei der gleichen Temperatur gezüchtet werden. Verbesserte Mobilität wurde durch Unterbrechung Wachstum nach dem AlN IL und die Erhöhung der Wachstumstemperatur, bevor das Wachstum des GaN-Kanal erhalten. In diesem Fall ist eine Schutz Ga hat Oberflächenbedeckung während der Unterbrechung zu verhindern Mobilitäts Abbau gehalten werden. Das folgende Protokoll gilt speziell für InAlN-Barriere HEMTs auf N-polaren GaN-Substraten gewachsen. Es kann direkt, indem man eine 50 nm dicke N-rich AlN-Schicht zu Wachstum auf C-polar 4H- oder 6H-SiC-Substrate erweitert werden.

<table><tbody><tr><td>Freistehender N-polarer GaN-Wafer</td><td>Kyma</td><td></td><td>10 mm x 10 mm</td></tr><tr><td>C-polarer SiC-Wafer</td><td>Cree</td><td>W4TRE0R-L600</td><td>Durchmesser von 3 Zoll</td></tr><tr><td>Aceton in Mikroelektronikqualität</td><td>Fischer Scientific</td><td>A18-4</td><td></td></tr><tr><td>Isoproponal</td><td>J.T. Baker</td><td>9079-05/JT9079-5</td><td></td></tr><tr><td>Al-Ausgangsmaterial (6N5 rein)</td><td>UMC</td><td>ALR62060I</td><td></td></tr><tr><td>Ga Ausgangsmaterial (7N rein)</td><td>UMC</td><td>GA701</td><td></td></tr><tr><td>In Ausgangsmaterial (7N rein)</td><td>UMC</td><td>IN750</td><td></td></tr><tr><td>ULSI N2 Ausgangsgas (6N rein)</td><td>Matheson Tri-Gas</td><td>G2659906D</td><td></td></tr><tr><td>PRO-75 MBE System</td><td>OmicronScientia</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

plasmagestützte molecular beam epitaxy von n-polar inaln-barriere hochelektronenmobilität transistoren

Plasma-assisted Molecular Beam Epitaxy of N-polar InAlN-barrier High-electron-mobility Transistors

Plasma-unterstützte Molekularstrahl-Epitaxie ist gut geeignet für das epitaktische Wachstum von III-Nitrid-Schichten und Heterostrukturen mit glatten, abrupt Schnittstellen für Hochelektronenmobilitätstransistoren hoher Qualität erforderlich (HEMTs). Ein Verfahren wird für das Wachstum von N-polaren InAlN HEMTs präsentiert, einschließlich Wafervorbereitungs und das Wachstum der Pufferschichten, die InAlN Sperrschicht, AlN und GaN-Zwischenschichten und der GaN-Kanal. Kritische Punkte bei jedem Schritt des Verfahrens identifiziert werden, wie beispielsweise die Vermeidung Ga Akkumulation im GaN-Puffer, um die Rolle der Temperatur auf InAlN Zusammensetzungshomogenität und die Verwendung von Ga Flußmittel während der AlN-Zwischenschicht und den Interrupt vor GaN Kanalwachstum. Zusammensetzung homogenen N-polaren InAlN Dünnschichten mit Oberflächen root-mean-squared Rauheit so günstig wie 0,19 nm und zeigte InAlN-basierten HEMT - Strukturen sind für Geräte mit einer Flächenladungsdichte Mobilität so hoch wie 1750 cm 2 / V ∙ sec berichteten, von 1,7 x 1013 cm -2.

Röntgenbeugung (XRD) -Scans von InAlN Dünnschichten auf N-polare GaN - Substrate in Figur 4 aufgewachsen (a) gezeigt sind einzelne erreichte sowohl für 50 und 200 nm dicke Filme. Die XRD - Scan der 50 nm dicken InAlN Folie zeigt Pendellösung bis zu 15 - ter Ordnung Fransen, was eine hohe Grenzflächenqualität. Die asymmetrische reziproke Raumkarte in Figur 4 (b) zeigt , dass die 200 nm dicke InAlN Schicht das gleiche q ‖</...

Molekularstrahlepitaxie verwendet wird N-polar InAlN-Barriere High-Elektronen-mobility transistors (HEMT) zu wachsen. Die Steuerung der Waferaufbereitung, Schichtwachstumsbedingungen und Epitaxie - Struktur ergibt glatte, homogene kompositorisch InAlN Schichten und HEMTs mit Mobilität so hoch wie 1750 cm 2 / V ∙ sec.

Plasmagestützte Molecular Beam Epitaxy von N-polar InAlN-Barriere Hochelektronenmobilität Transistoren

Plasma-assisted molecular beam epitaxy is well suited for the epitaxial growth of III-nitride thin films and heterostructures with smooth, abrupt ...

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, den Einfluss verschiedener Wachstumsparameter auf die strukturelle und elektrische Qualität von Nitrid-Halbleitern sowie deren letztendliche Auswirkung auf die Leistung elektronischer Bauelemente zu beobachten. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen in den Bereichen Werkstoffwissenschaft und Elektrotechnik zu beantworten, beispielsweise den Einfluss von Materialdefekten auf die Geschwindigkeit und Leistung von Transistoren mit großem Bandabstand. Der Hauptvorteil dieser Technik liegt darin, dass sie Halbleitermaterialien mit sehr scharfen Grenzflächen und geringen Verunreinigungen erzeugen kann, was für Hochleistungsbauelemente wie Transistoren von großer Bedeutung ist. Eine visuelle Demonstration dieses Verfahrens ist entscheidend, da die Unterscheidung zwischen zu viel und zu wenig Galliumbedeckung anhand von Unkraut qualitativ ist und schwer zu beschreiben. Zunächst sicherstellen, dass die Kryopaneele gekühlt sind und sich die Wachstumskammer im Grunddruck befindet. Die Effusionzellen mit den richtigen Geschwindigkeiten auf ihre Mess-Temperaturen für den Strahlfluss hochfahren und eine Stunde warten, bis sich die Zellen stabilisiert haben. Für jede Zelle das Verschlussblatt 30 Sekunden lang öffnen, um eine Strahlfluss-Ionendruckmessung durchzuführen, dann das Verschlussblatt eine Minute lang schließen. Diesen Vorgang dreimal wiederholen. Die letzten beiden Messwerte für jede Zelle mitteln. Vorherige Kalibrierungen verwenden, um die Zelltemperaturen so einzustellen, dass die gewünschten Strahlflüsse erreicht werden. Das Isolierventil der Ladeschleuse schließen und die Ladeschleusenkammer mit Stickstoffgas befüllen. Das epitaxiefertige und polare Galliumnitrid-Substrat auf den Halter laden und die Probenkassette in die Ladeschleuse stellen. Die Ladeschleuse schließen und das Stickstoffgas abstellen. Die Vorpumpe der Ladeschleuse einschalten. Das Ventil der Vorpumpe und das Verteilerventil öffnen. Sobald der Verteilerdruck unter 0,1 Torr fällt, die Verteiler- und Vorpumpenventile schließen und die Pumpe ausschalten. Das Isolierventil der Turbopumpe der Ladeschleuse öffnen und die Ladeschleuse 30 bis 60 Minuten lang evakuieren. Die Ladeschleuse in die Vorbereitungskammer öffnen und mit dem Wackelstab das Substrat im Halter auf den Wagen übertragen. Mit dem Wagen das Substrat zur Ausgasstation bewegen. Die Heizertemperatur der Ausgasstation innerhalb von 10 Minuten auf 700 Grad Celsius anheben. Das Substrat 30 Minuten lang ausgasen und dann mit der Abkühlung beginnen. Sobald die Temperatur unter 250 Grad Celsius fällt, das Substrat auf den Wagen übertragen. Den Substratmanipulator in die Ladeposition absenken. Das Schleusenventil öffnen und das Substrat im Halter auf den Manipulator übertragen. Den Substratmanipulator in die Wachstumsposition anheben und den Wagen entfernen. Das Schleusenventil schließen und dann das Ventil der Stickstoffflasche, das Reglerventil und das Isoliernadelventil öffnen. Mithilfe des Massendurchflussreglers die Kammer auf den optimalen Druck für die Plasmaentzündung bringen. Sicherstellen, dass die Verschlussblätter für den aktiven Stickstofffluss und die Diffusionszelle geschlossen sind. Die Plasma-RF-Stromversorgung und den Regler für das automatische Anpassungsnetzwerk einschalten. Die Leistung erhöhen, bis das Plasma gezündet wird. Leistung und Stickstoffgasfluss auf geeignete Prozessbedingungen für das System einstellen. Den Substratheizer mit einer Geschwindigkeit von maximal einem Grad Celsius pro Sekunde auf 10 Grad Celsius über der gewünschten Galliumnitrid-Wachstumstemperatur hochfahren. Das RDE-System einschalten, um die Waferoberfläche zu überwachen. Die Substratrotation aktivieren und die RDE-Aufnahmesoftware vorbereiten. Den Galliumfluss so einstellen, dass Gallium bei der Substrattemperatur abgeschieden wird. Die Substrat- und Galliumverschlussblätter eine Minute lang öffnen. Die RDE-Intensität sollte zunächst abnehmen und dann ein Plateau erreichen, während sich Gallium ansammelt. Das Galliumverschlussblatt zwei Minuten lang schließen, wobei die RDE-Intensität ansteigen und dann ein Plateau erreichen sollte, während Gallium desorbiert. Galliumabscheidung und -desorption noch zweimal wiederholen und anschließend den Substratheizer auf die Galliumnitrid-Wachstumstemperatur hochfahren. Zunächst das Verschlussblatt für aktiven Stickstoff eine Minute lang öffnen, um das Pufferschichtwachstum durch Nitridierung einzuleiten. Danach das Aluminiumverschlussblatt öffnen, um eine ein bis drei Nanometer dicke, stickstoffreiche Aluminiumnitrid-Schicht abzuscheiden. Die Aluminiumnitrid- und aktiven Stickstoffverschlussblätter schließen und unmittelbar danach das Galliumverschlussblatt zehn Sekunden lang öffnen, wobei die RDE-Intensität schnell abnehmen sollte. Dann das aktive Stickstoffverschlussblatt öffnen und Galliumnitrid fünf Minuten lang wachsen lassen. Die Gallium- und aktiven Stickstoffverschlussblätter eine Minute lang schließen und die RDE-Intensität während der Wachstumsunterbrechung überwachen, um den Galliumfluss zu bewerten. Wenn die Intensität sofort ansteigt, ist der Galliumfluss zu niedrig. Die Substrattemperatur senken oder die Temperatur der Gallium-Effusionszelle erhöhen. Wenn die Intensität erst nach mindestens 30 Sekunden ansteigt oder während der Wachstumsunterbrechung kein Plateau erreicht, die Substrattemperatur erhöhen oder die Temperatur der Gallium-Effusionszelle senken. Falls der Galliumfluss angepasst wurde, eine weitere Galliumnitrid-Schicht abscheiden und eine weitere einminütige Wachstumsunterbrechung durchführen. Sobald die RDE-Intensität zwischen 15 und 30 Sekunden nach Beginn ansteigt und innerhalb einer Minute ein Plateau erreicht, mit dem Verfahren fortfahren. Das Wachstum von Galliumnitrid in Fünf-Minuten-Schritten mit jeweils einminütigen Unterbrechungen fortsetzen, bis die gewünschte Dicke erreicht ist. Eine Minute nach Beendigung des Galliumnitrid-Wachstums warten, um sicherzustellen, dass alles Gallium verdampft ist, und dann den Substratheizer schnell auf die Indium-Aluminiumnitrid-Wachstumstemperatur absenken. Die Temperatur zwei Minuten lang stabilisieren lassen. Die Indium-, Aluminium- und aktiven Stickstoffverschlussblätter öffnen. Die RDE-Intensität sollte innerhalb von drei Minuten abnehmen und ein Plateau erreichen, und das Beugungsmuster sollte streifig bleiben. Sobald die Barriere die gewünschte Dicke erreicht hat, die Indium-, Aluminium- und aktiven Stickstoffverschlussblätter schließen. Um die Galliumnitrid-Zwischenschicht abzuscheiden, das Galliumverschlussblatt fünf Sekunden lang öffnen und danach das aktive Stickstoffverschlussblatt öffnen. Sobald die Galliumnitrid-Zwischenschicht die gewünschte Dicke erreicht hat, die aktiven Stickstoff- und Galliumverschlussblätter schließen. Beginnen, den Substratheizer auf die Galliumnitrid-Kanalwachstumstemperatur hochzufahren. Nach 30 Sekunden das Galliumverschlussblatt schließen. Dreißig Sekunden warten oder bis die RDE-Intensität ansteigt, und dann das Verschlussblatt öffnen. Den Vorgang des Öffnens und Schließens des Galliumverschlussblatts fortsetzen, bis der Substratheizer die Galliumnitrid-Wachstumstemperatur erreicht hat, dann das Galliumverschlussblatt dauerhaft öffnen. Nach fünf Sekunden die aktiven Stickstoff- und Aluminiumverschlussblätter öffnen und die Aluminiumnitrid-Zwischenschicht abscheiden. Sobald die Abscheidung der Aluminiumnitrid-Zwischenschicht beendet ist, das Aluminiumverschlussblatt schließen und den Galliumnitrid-Kanal wachsen lassen. Die Gallium-, aktiven Stickstoff- und Hauptverschlussblätter schließen. Die Substrattemperatur auf 200 Grad Celsius absenken, das aktive Stickstoffplasma ausschalten und den Stickstoffgasfluss stoppen. Die Zellen auf die Standby-Temperatur absenken. Sobald die Substrattemperatur unter 250 Grad Celsius fällt und der Kammerdruck unter 8x10

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