Name: assisté par plasma épitaxie par faisceau moléculaire de N-polaire InAlN-barrière Transistors à haute mobilité délectrons (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-11-24T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 31 s
Description: Découvrez l'épitaxie par faisceau moléculaire pour fabriquer des transistors HEMT à barrière InAlN de polarité N. Cette méthode atteint une mobilité électronique jusqu'à 1 750 cm²/V∙s.

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Les auteurs remercient M. Neil Green pour son aide dans la préparation des échantillons. Ce travail a été soutenu par l’Office of Naval Research grâce au financement du Dr P. Maki. MTH a été soutenu par une bourse postdoctorale du Conseil national de recherches du Canada.

1. Effusion cellulaire Ramp et Flux Calibration <ol><li> Confirmer N2 liquide circule vers les cryo-panneaux et que la chambre de croissance a atteint une pression de base. </li><li> Montée en puissance des cellules d&#39;effusion à la mesure de flux de rayonnement (BFM) de température à une vitesse de rampe de 1 ° C / s pour les cellules Ga et In, et 10 ° C / min pour Al. Attendre 1 h pour les cellules pour stabiliser thermiquement. </li><li> Ouvrez le volet de chaque cellule pendant 30-60 secondes, puis fermer l&#39;obturateur pendant 1-2 min. Répéter trois fois pour chaque cellule. Jeter la première mesure de la jauge ionique de flux de faisceau et la seconde moyenne deux. Réglez la température de la cellule pour obtenir le flux désiré selon les précédents étalonnages flux / température. </li></ol> 2. Préparation du support et chargement <ol><li> Ex nettoyage de substrat in situ <ol><li> Charge epi-ready N-polaire GaN substrats directement, sans aucun nettoyage ex situ. Si la pastille a été exposée à l&#39;air pendant plusde quelques heures, rincer à l&#39;acétone (30 sec), l&#39;isopropanol (30 sec) et de-ionisé (DI) de l&#39;eau (60 sec). On préfère le rinçage à l&#39;immersion dans la mesure du possible car il a tendance à laisser moins de particules sur la surface de la plaquette. NOTE:. Pour Ga polaire GaN substrats une surface plus rigoureuse propre est recommandé 23 </li></ol></li><li> charge plaquette <ol><li> Fermez la vanne d&#39;isolement de sas de charge, et de ventilation avec N 2. </li><li> Charger la plaquette sur le support et le retour de la cassette pour le sas de chargement. Tournez sur la pompe de dégrossissage de verrouillage de charge et ouvrir la vanne de pompe primaire et la vanne du collecteur. </li><li> Lorsque la pression d&#39;admission a chuté en dessous de 0,1 Torr, fermer les vannes de la pompe du collecteur et d&#39;ébauche. Eteignez la pompe primaire et ouvrir la vanne d&#39;isolement turbo-pompe de charge-lock. </li><li> Laisser le verrouillage de charge à la pompe vers le bas pendant 30-60 min. Idéalement, utiliser une pression de blocage de charge de 10 -6 -10 -7 Torr avant le transfert à la chambre de préparation. </li><li>Ouvrez le verrouillage de charge dans la chambre de préparation, et le transfert de la plaquette sur le chariot à l&#39;aide de bâton wobble. Ensuite, utilisez le chariot pour transférer la plaquette à la station de dégazage dans la chambre de préparation. Déplacer le chariot manuellement le long d&#39;un rail à l&#39;aide d&#39;une traversée à mouvement rotatif de la chambre de préparation. </li></ol></li><li> dégazer plaquette <ol><li> Rampe à la température de chauffage de la station de dégazage à 700 ° C pendant 10 min. </li><li> Au bout de 30 min, la rampe de la température redescend à 100 ° C. Lorsque la température est ≤ 250 ° C, transférer la tranche vers le chariot à l&#39;aide du bâton de wobble à la station de dégazage. </li></ol></li><li> Charger la plaquette dans la chambre de croissance <ol><li> Abaisser le substrat manipulateur à la position de charge, ouvrir la vanne de la chambre de préparation / croissance et transférer le support de tranche au manipulateur. </li><li> Soulever le manipulateur à la position de croissance, près du chauffe-substrat. </li><li> Retirez le chariot et clOSE la vanne. </li><li> Ouvrir le robinet N 2 valve de la bouteille, vanne de régulation et de l&#39; aiguille d&#39;isolement. Régler le régulateur de débit massique (MFC) à 1,5 sccm (ou au besoin pour obtenir une pression de la chambre de 3-4 x 10 -5 Torr). La pression optimale pour l&#39;allumage du plasma est fortement dépendante du système. A noter que le N 2 doit être de pureté extrêmement élevée ( de préférence meilleure que 6N) et un filtre supplémentaire est utilisé dans la ligne pour réduire davantage les impuretés. </li><li> Avec le N * et les principaux volets fermés, allumer l&#39;alimentation RF du plasma et contrôleur de réseau auto-adaptation. Augmenter la puissance RF jusqu&#39;à ce que le plasma enflamme. </li><li> Régler la puissance RF et N2 débit aux conditions de traitement souhaitées, dans ce cas 350 W et 2,0 sccm. Le N * flux résultant de conditions de plasma donné dépend du système, mais ici, ces conditions donné un taux de croissance de GaN de 5,0 nm / min, ou un N * flux de 1,8 nm -2 s -1. Surveiller la stabilité du plasma avec un spectromètre attaché à lala fenêtre arrière de la chambre à plasma. </li></ol></li><li> In situ préparation de surface: dépôt Ga et la désorption <ol><li> Montée en puissance du dispositif de chauffage du substrat à 10 ° C supérieure à la température de croissance de GaN désirée avec un débit de ≤1 ° C / seconde rampe. Dans ce cas, utiliser une température de tranche d&#39;environ 730 ° C. </li><li> Allumez le système RHEED pour surveiller la dégradation de la surface de la plaquette et surveiller la couverture Ga. Allumez manuellement la rotation du substrat. Mettre en place le logiciel d&#39;acquisition déclenché RHEED pour recueillir un motif RHEED une fois par rotation du substrat pour fournir une image statique pendant que le substrat est en rotation pendant la croissance. </li><li> Ouvrez le volet du substrat et Ga obturateur pendant 1 min. Assurez-vous de l&#39;intensité RHEED diminue ensuite atteint un plateau que Ga accumule. Ga flux devrait être similaire à celui utilisé pour la croissance de GaN. Ici, le flux Ga est d&#39; environ 3,7 nm -2 s -1. </li><li> Fermez l&#39;obturateur pendant 2 min et assurer la RHEEDintensité augmente et atteint un plateau avant la fin de la 2 min, ce qui indique Ga désorption. </li><li> Répéter les étapes 2.5.2-2.5.4 trois fois, 24 puis la rampe du substrat à la température de croissance de GaN. </li></ol></li></ol> 3. Croissance HEMT <ol><li> croissance Buffer <ol><li> Initier la croissance en ouvrant le N * obturateur pour une 1 min nitruration. </li><li> Cultivez une couche AIN de nucléation N riche mince 1-3 nm en ouvrant l&#39;obturateur Al. Cette couche d&#39;AIN peut aider à prévenir la génération de dislocations de filetage, 25 cependant, la couche d&#39;AIN complique diffraction (XRD) des mesures de rayons X et n&#39;est pas recommandé pour les échantillons d&#39;étalonnage à base de XRD. Utiliser le même flux d&#39; Al comme pour la couche InAlN, ou d&#39; environ 0,36 nm -2 s -1, ce qui donne un débit d&#39;environ 1 nm / min de croissance. </li><li> Fermez le volet Al et N * et immédiatement ouvrir le volet Ga pendant 10 secondes pour permettre Ga de saturer la surface, l&#39;intensité RHEED devrait diminuer rapidly. Ouvrez le N * obturateur (avec l&#39;obturateur Ga toujours ouvert) et augmenter de 5 min de GaN. Utiliser Be ou C dopage, en particulier pour les autoportant substrats de GaN, afin d&#39;éviter les courants de fuite électriques dans le tampon. </li><li> Fermez les volets Ga et N * pour une interruption de croissance de 1 min. Surveiller l&#39;intensité RHEED. Si l&#39;intensité RHEED augmente immédiatement, alors le flux Ga est pas assez élevé. Si l&#39;intensité RHEED augmente après&gt; 30 sec ou ne parvient pas à un plateau à 1 min, puis le flux Ga est trop élevé. Voir Figure 3. </li><li> Augmenter la température du substrat de quelques degrés (ou de réduire la température de la cellule d&#39;effusion de Ga) pour compenser le flux élevé Ga vu dans 3.1.4. Si le flux Ga était trop faible, diminuer la température du substrat (ou augmenter la température de la cellule d&#39;effusion de Ga) pour compenser. <ol><li> Répétez les étapes 3.1.3-3.1.5 jusqu&#39;à ce qu&#39;il y a un délai de 15-30 secondes avant l&#39;augmentation de l&#39;intensité RHEED et l&#39;intensité RHEED atteint un plateau avant 1 min. </li></ol></li&gt; <li> Continuer à répéter les étapes 3.1.4-3.1.5 jusqu&#39;à ce que l&#39;épaisseur de GaN désirée soit atteinte. Déterminer l&#39;épaisseur en multipliant le temps de croissance global du taux de croissance calibrée. Pour la croissance Ga riche, déterminer le taux de la N * flux, ce qui peut à son tour être calculée en utilisant XRD pour mesurer l&#39;épaisseur pour un temps de croissance connue dans un échantillon d&#39;étalonnage développé séparément la croissance. </li></ol></li><li> La croissance de la barrière InAlN <ol><li> Attendre un supplément de 1 min après la dernière étape de croissance de GaN pour assurer tous les Ga se soit évaporée. </li><li> rampe rapidement jusqu&#39;à la température de croissance InAlN à environ 630 ° C. Laisser la température du substrat se stabiliser pendant environ 2 min. </li><li> Ouvrez le In, Al et N * volets. L&#39;intensité RHEED devrait diminuer et atteindre un plateau dans les 3 premières minutes. diminution continue de l&#39;intensité RHEED peut indiquer l&#39;accumulation de In, ce qui est préjudiciable à la croissance InAlN. Le motif RHEED doit rester entrelardées, ce qui indique une surface lisse. In et Al flux sont environ 0,31 et 0,36 nm -2 s -1, ce qui donne un taux de croissance limitée du groupe III de 1,25 nm / min. </li><li> Fermer le In, Al et N * volets après l&#39;épaisseur de la barrière souhaitée a été atteinte. Pour la croissance N-riche, déterminer le taux par le flux total du groupe III croissance. Mesurer le taux de croissance en utilisant XRD sur un échantillon d&#39;étalonnage InAlN grandi séparément. Pour un 15 nm InAlN barrière en utilisant les conditions données ici, ouvrir les volets pendant 12 min 30 sec. </li></ol></li><li> Intercalaire et canal croissance <ol><li> Tout d&#39;abord ouvrir le volet Ga pendant 5 secondes, puis ouvrez le N * obturateur et développer la couche intermédiaire de GaN. La température du substrat doit toujours être à la température de croissance de InAlN. </li><li> Ouvrez le volet Al sans fermer la Ga ou N * volets pour développer l&#39;intercalaire AIN. Le flux d&#39;Al pour la couche intermédiaire doit être la même ou légèrement supérieure à l&#39;extrémité N * flux, de préférence en utilisant une cellule d&#39;effusion d&#39;Al autre que celle utilisée pour la couche de barrière à InAlN, to éviter d&#39;avoir à changer la température de la cellule. Voir l&#39;étape 3.2.4. </li><li> Fermez le N * et Al volets, mais laisser l&#39;obturateur Ga ouvert. Rampe à la température du substrat à la température du canal GaN. </li><li> Après 30 sec fermer l&#39;obturateur Ga. Attendre 30 secondes (ou dès que l&#39;intensité RHEED commence à augmenter) et ré-ouvrir l&#39;obturateur Ga. Continuer le cycle de l&#39;obturateur Ga jusqu&#39;à ce que le substrat a atteint la température de croissance du canal GaN. Cela permettra de protéger la surface tout en empêchant l&#39;accumulation excessive Ga. </li><li> Ouvrez le volet Ga pendant 5 secondes, puis ouvrez le N * obturateur et développer le canal de GaN. </li><li> Fermez le Ga, N * et les principaux volets. Ramp la température du substrat jusqu&#39;à 200 ° C, éteindre le N * plasma et arrêter l&#39;écoulement de gaz N 2. </li><li> Ramp les cellules jusqu&#39;à leur température de veille si vous avez terminé pour la journée. </li><li> Attendre que la température du substrat à descendre en dessous de 250 ° C et la pression de la chambre de descendre en dessous de 8 x 10 -7 Torr, puisouvrir la vanne à chambre de croissance et transférer le support de plaquette de retour au chariot. </li><li> Suivez l&#39;inverse de l&#39; étape 2.2 pour transférer la tranche vers le sas de chargement, de ventilation avec N 2 et retirer la plaquette. Assurez-vous que le robinet-vanne de la chambre de croissance est fermée avant d&#39;ouvrir le sas de chargement, et que le sas de chargement turbopompe vanne à obturateur est fermée avant d&#39;évacuation. </li><li> Suivez les étapes 2.2.3-2.2.5 pour retourner le verrou de la cassette et la charge à vide élevé. </li></ol></li></ol> 4. Caractérisation <ol><li> Caractériser la qualité du matériau en utilisant la microscopie optique pour vérifier des puits, des fissures ou Ga-gouttelettes qui se sont formées au cours de la croissance du canal, XRD pour vérifier la qualité et la structure interfaciale et AFM pour vérifier la morphologie de surface. 20,21 </li><li> Si Ga-gouttelettes sont présentes, immerger la plaquette dans l&#39;acide HF concentré pendant 5-10 min pour éliminer les gouttelettes sans endommager la surface N-polaire chimiquement sensible. </li><li> Mesurer res feuillesIstance utilisant Lehighton mesures de résistance de contact. </li><li> Traiter l&#39;échantillon pour permettre la caractérisation électrique, y compris les mesures et dc Hall et CTLM et RF transistor caractérisation. 9,26 </li></ol>

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<li>Meyer, D. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+Electron+Velocity+Submicrometer+AlN%2FGaN+MOS-HEMTs+on+Freestanding+GaN+Substrates%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Electron+Device+Lett%22%5BJournal%5D)">High Electron Velocity Submicrometer AlN/GaN MOS-HEMTs on Freestanding GaN Substrates.</a> IEEE Electron Device Lett. 34, 199(2013).</li>
<li>Moseley, M., Billingsley, D., Henderson, W., Trybus, E., Doolittle, W. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transient+atomic+behavior+and+surface+kinetics+of+GaN%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Transient atomic behavior and surface kinetics of GaN.</a> J. Appl. Phys. 106 (1), 014905(2009).</li>
<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>

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

La croissance d&#39;une couche tampon de GaN de haute qualité est essentielle pour parvenir à une mobilité électronique élevée dans tous les HEMT de nitrure III. Dans le cas d&#39;un HEMT InAlN N-polaire, la croissance de la couche tampon est compliquée par la nécessité que tous Ga être retiré de la surface avant la croissance InAlN. Il existe une variété de techniques pour accomplir ceci en plus de la procédure décrite ici, comme épitaxie, 27 modulé en métal en utilisant des conditions de croissance au nivea...

Épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) est une technique de croissance épitaxiale souple en film mince qui utilise un environnement ultra-vide à des pressions aussi faibles que 10 -11 Torr de base pour assurer une faible incorporation d&#39;impuretés dans le film adulte. Le taux des couches épitaxiées composition et la croissance est déterminée en contrôlant la température de chaque cellule d&#39;effusion, et donc le flux évaporé des divers matériaux de base. Dans le cas du nitrure III épitaxie, du groupe III-éléments (In, Al, Ga) sont typiquement fournis par des cellules d&#39;effusion tandis que l&#39;azote actif (N *) de flux est fournie soit par un plasma de N 2 1,2 (RF plasma MBE assisté par ordinateur. PAMBE ou RFMBE) ou l&#39; ammoniac (NH 3 -MBE) 3,4 croissance MBE se caractérise par des températures de croissance plus faibles et plus nette brusquerie interfaciale que d&#39; autres techniques de croissance épitaxiale telles que organométallique dépôt chimique en phase vapeur 5 Un schéma est représenté. sur la figure 1. <pclass = &quot;jove_content&quot;&gt; <img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/54775/54775fig1.jpg" /> Figure 1:.. Schématique du système MBE Schéma montrant la chambre de sas de chargement, système de transfert, station de dégazage et de croissance <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54775/54775fig1large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> III-nitrures peuvent être cultivées sur des substrats possédant une variété d&#39;orientations de cristal. L&#39;orientation la plus couramment utilisée est la -Plane c Ga-polaire, ce qui permet la formation d&#39;un gaz d&#39; électrons bidimensionnel sans dopage en utilisant la différence de polarisation entre la couche barrière, typiquement AlGaN et GaN canal. Divers non-polaire et semi-polaires orientations de GaN ont reçu beaucoup d&#39; attention pour l&#39; optoélectronique en raison des effets de polarisation réduits dans les puits quantiques, 6,7 qui rend également ces orientations moins souhaitables pour HEMT applications. Des dispositifs orientés N-polaires sont intéressantes pour le fonctionnement HEMT à haute fréquence de nouvelle génération en raison de plusieurs avantages intrinsèques par rapport aux dispositifs Ga polaires classiques. 8 La couche barrière dans des dispositifs N-polaires est cultivée sous le canal GaN comme représenté sur la figure 2, ce qui entraîne dans une barrière naturelle arrière qui aide le contrôle électrostatique du canal et réduit les effets de canal court, tout en permettant un accès plus facile en cours sur le canal GaN et de réduire la résistance de contact. La barrière peut également être contrôlé séparément du canal, de sorte que l&#39;épaisseur du canal est réduite pour les appareils à haute fréquence la conception de barrière peut être modifiée pour compenser la charge de canal perdu au niveau de Fermi épinglant effets. <img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/54775/54775fig2.jpg" /> Figure 2: structure (a) un HEMT N-polaire et (b) HEMT un Ga-polaire pour compar couche épitaxiale schématique couche.ison. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54775/54775fig2large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> HEMT utilisés à grande vitesse, les amplificateurs de haute puissance sont normalement cultivées sur des substrats SiC pour tirer parti de la conductivité thermique élevée de SiC. Faible threading dislocations substrats autoportant de densité de GaN peuvent être utilisés pour améliorer la mobilité des électrons, 9 améliorant ainsi les performances à haute fréquence. Après la croissance d&#39;une couche de AlN de nucléation, un tampon de GaN épais est cultivé pour séparer spatialement les impuretés à l&#39;interface de recroissance à partir du canal HEMT et d&#39;améliorer l&#39;isolation électrique. Contrairement à d&#39; autres matériaux III-V, GaN augmenté de PAMBE a besoin typiquement des conditions de croissance avec un rapport du groupe III / V est supérieur à 1, à savoir, les conditions, 10,11 pour parvenir à une morphologie de surface riches en métaux. En x Al 1- x N est un altermatériau barrière native pour HEMT de nitrure III, et a reçu beaucoup d&#39; attention récemment parce qu&#39;il peut être cultivé en treillis adapté à GaN pour x ≈ 0,18 et peut générer plus de deux fois la charge de canal par rapport aux barrières AlGaN en raison de sa haute polarisation spontanée. 12-15 Contrairement barrières AlGaN, Ga incorporeront préférentiellement In en couches InAlN, 16 se soucient doivent donc être prises pour assurer la surface est exempte de l&#39; excès de Ga Ga après la riche croissance de la couche tampon de GaN et avant la croissance InAlN. Contrôle de Ga sur la surface peut être réalisée par un flux suppling Ga légèrement inférieur au flux nécessaire pour la formation de gouttelettes de Ga. Cependant, cette fenêtre de croissance est faible, et la couverture de surface Ga insuffisante provoquera la morphologie de surface à se dégrader en plateau / tranchée morphologie tout flux Ga excès se traduira par l&#39; accumulation Ga et la formation de gouttelettes macroscopique. 17 Réflexion diffraction d&#39;électrons à haute énergie (RHEED) intens<html> lité peut être utilisé pour contrôler l&#39;accumulation de Ga et de désorption. Couverture de la surface de Ga est indiquée par une diminution de l&#39;intensité RHEED, ainsi que tout décalage entre la fermeture du Ga (et N *) volets et l&#39;augmentation initiale de l&#39;intensité RHEED indique une accumulation de Ga, comme le montre la figure 3. <img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/54775/54775fig3.jpg" /> Figure 3: surveillance de la couverture Ga avec signal d&#39;intensité RHEED intensité RHEED mesurée à partir de motifs RHEED acquis en vertu de rotation à l&#39; aide d&#39; acquisition déclenchée.. Insuffisant flux Ga est indiqué par une augmentation immédiate de l&#39;intensité après la fermeture des volets (non représenté). Saturés / couverture idéale Ga est indiquée par un retard entre la fermeture de l&#39;obturateur et abrupt éclaircissant RHEED et la couverture Ga excès vu à la fois comme un retard dans l&#39;éclaircissement initial RHEED ainsi qu&#39;une augmentation de l&#39;intensité plus progressive résultant dans la récupération de pleine intensité prenant plus de 60 s.com / fichiers / ftp_upload / 54775 / 54775fig3large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. Obtenir une haute qualité InAlN par PAMBE est compliquée par la présence de fluctuations de composition latérales, ce qui entraîne une microstructure &quot;nid d&#39;abeille&quot; constitué de domaines riches en Al entourés par des frontières En riches. 18 L&#39; élimination de cette microstructure est réalisée en utilisant une température du substrat d&#39; environ 50 ° C au- dessus du début de la désorption dans, ou 15,19,20 environ 630 ° C pendant InAlN N-polaire. Dans ce régime de croissance à haute température, l&#39;In x Al 1- composition x N est une fonction forte de la température du substrat, avec des températures plus élevées entraînant une diminution de l&#39;incorporation. Le flux Dans peut être augmentée pour compenser Dans perdue par évaporation, bien que dans la pratique le maximum en flux est limitée par une réduction de l&#39;efficacité de l&#39;incorporation de plus en plus en flux. 21 En plus de réduire la température du substrat ou en augmentant le En flux, ce qui augmente le taux de croissance peut également augmenter la composition En raison du piège &quot;En enterrant effet&quot;, où entrant Al atomes dans et empêcher l&#39;évaporation. 21,22 supérieur les taux de croissance peuvent être obtenus en augmentant le flux In et Al proportionnellement. Afin de maintenir les conditions de croissance riches en azote, N * devrait être augmentée aussi, ce qui peut être obtenu en augmentant la puissance du plasma RF, ce qui augmente la vitesse d&#39;écoulement de N2, d&#39; améliorer la conception de la chambre à plasma, ou en augmentant le trou de la plaque d&#39;ouverture densité. couches épitaxiales supplémentaires dans HEMT à base de GaN et InAlN comprennent AIN intercouches (ILS) et un canal de GaN. Un AIN IL inséré entre la barrière et le canal peut augmenter la mobilité μ ainsi que la feuille de canal densité de charge n s. L&#39;augmentation de la mobilité est attribuée à la réduction onde électronique fonction chevauchement avec le InAlN barrier et la diffusion d&#39;alliage ultérieur. 9 Pour assurer une croissance de haute qualité de l&#39;AIN IL, un excès de Ga flux est fourni pendant la croissance d&#39;agir comme un agent tensio - actif. Un GaN IL peut être utilisé entre le AIN IL et de la barrière afin d&#39;améliorer encore la mobilité tout en réduisant la charge de canal. Le canal GaN peut être cultivé à la même température que la barrière InAlN, ce qui permet une croissance continue de la barrière que les ILs et canal. une mobilité améliorée a été obtenue par l&#39;interruption de la croissance après la IL AIN et en augmentant la température de croissance avant la croissance du canal GaN. Dans ce cas, une couverture protectrice de surface Ga doit être maintenue au cours de l&#39;interruption pour empêcher la dégradation de la mobilité. Le protocole suivant applique spécifiquement à HEMT InAlN-barrière cultivées sur des substrats de GaN N-polaires. Il peut être directement étendue à la croissance sur des substrats en C-polaire 4H- ou 6H-SiC en incluant un nm N riche couche d&#39;AIN 50 d&#39;épaisseur.

<table><tbody><tr><td>Plaquette N-polar GaN autoportante</td><td>Kyma</td><td></td><td>10 mm x 10 mm</td></tr><tr><td>Plaquette C-polar SiC</td><td>Cree</td><td>W4TRE0R-L600</td><td>3 pouces de diamètre</td></tr><tr><td>Acétone de qualité microélectronique</td><td>Fischer Scientific</td><td>A18-4</td><td></td></tr><tr><td>Isoprophonal de qualité microélectronique</td><td>J.T. Baker</td><td>9079-05/JT9079-5</td><td></td></tr><tr><td>Matériau source Al (6N5 pur)</td><td>UMC</td><td>ALR62060I</td><td></td></tr><tr><td>Matériau source Ga (7N pur)</td><td>UMC</td><td>GA701</td><td></td></tr><tr><td>Dans le matériau source (7N pur)</td><td>UMC</td><td>IN750</td><td></td></tr><tr><td>ULSI N2 Gaz source (6N pur)</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>

assisté par plasma épitaxie par faisceau moléculaire de n-polaire inaln-barrière transistors à haute mobilité d&#39;électrons

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

épitaxie par faisceau moléculaire assistée par plasma est bien adapté pour la croissance épitaxiale de nitrure III-couches minces et hétérostructures avec lisses, des interfaces abruptes nécessaires à transistors de haute qualité haute-électron-mobilité (HEMT). Une procédure est présentée pour la croissance des HEMT de InAlN N-polaires, y compris la préparation de la plaquette et la croissance des couches tampon, la couche de barrière InAlN, AlN et GaN intercouches et le canal GaN. Les questions critiques à chaque étape du processus sont identifiés, par exemple en évitant l&#39;accumulation Ga dans le tampon GaN, le rôle de la température sur InAlN homogénéité de composition, et l&#39;utilisation de Ga flux pendant la intercouche AIN et la croissance d&#39;interruption avant GaN de canal. Films minces de composition homogène InAlN N-polaire sont démontrées avec la surface racine quadratique moyenne rugosité aussi bas que 0,19 nm et InAlN fondée sur les structures HEMT sont rapportés ayant une mobilité aussi élevée que 1,750 cm 2 / V ∙ s pour les appareils avec une densité de charge de la feuille de 1,7 x 1013 cm -2.

Diffraction des rayons X (XRD) scans de films minces InAlN montrés cultivés sur des substrats de GaN N-polaires dans la figure 4 (a) sont célibataires a atteint un sommet à la fois pour les 50 et les films de 200 nm d&#39;épaisseur. L&#39;analyse XRD du film InAlN 50 nm d&#39; épaisseur présente Pendellösung franges jusqu&#39;à 15 ième ordre, ce qui indique de très haute qualité interfaciale. La carte espace réciproque asymétrique sur la figure 4 (b)</...

Épitaxie par jets moléculaires est utilisé pour pousser N-polaires transistors InAlN-barrière élevée à électrons-mobilité (HEMT). Contrôle de la préparation de la plaquette, les conditions de croissance de la couche et la structure épitaxiale résultats dans lisses, des couches et HEMT de InAlN de composition homogène à mobilité aussi élevée que 1,750 cm 2 / V ∙ sec.

assisté par plasma épitaxie par faisceau moléculaire de N-polaire InAlN-barrière Transistors à haute mobilité d&#39;électrons

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

L'objectif général de cette procédure est d'observer l'effet de divers paramètres de croissance sur la qualité structurale et électrique des semiconducteurs à base de nitrures, ainsi que leur impact éventuel sur les performances des dispositifs électroniques. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans les domaines de la science des matériaux et du génie électrique, telles que l'effet des défauts du matériau sur la vitesse et la puissance des transistors à large bande interdite. Le principal avantage de cette technique réside dans sa capacité à produire des matériaux semiconducteurs présentant des interfaces très abruptes et de faibles niveaux d'impuretés, caractéristiques essentielles pour des dispositifs haute performance comme les transistors. Une démonstration visuelle de cette méthode est cruciale, car la distinction entre une couverture de gallium insuffisante et excessive à l’aide du « weed » est qualitative et difficile à décrire. Tout d’abord, s’assurer que les panneaux cryogéniques sont refroidis et que la chambre de croissance est à pression de base. Porter progressivement les cellules d’effusion à leurs températures de mesure du flux de faisceau aux taux appropriés, puis attendre une heure pour que les cellules se stabilisent. Pour chaque cellule, ouvrir l’obturateur pendant 30 secondes afin d’acquérir une mesure du flux de faisceau par jauge d’ionisation, puis fermer l’obturateur pendant une minute. Répéter ce processus trois fois. Faire la moyenne des deux dernières mesures pour chaque cellule. Utiliser les calibrations précédentes pour régler les températures des cellules afin d’obtenir les flux souhaités. Fermer la vanne d’isolement du sas de chargement et purger la chambre du sas avec du gaz azote. Charger le substrat d’épitaxie prêt, en nitrure de gallium polaire, sur le porte-échantillon, puis placer la cassette d’échantillons dans le sas de chargement. Fermer le sas de chargement et couper l’alimentation en gaz azote. Activer la pompe primaire du sas de chargement. Ouvrir la vanne de la pompe primaire et la vanne du collecteur. Une fois que la pression du collecteur descend en dessous de 0,1 Torr, fermer les vannes du collecteur et de la pompe primaire, puis arrêter la pompe. Ouvrir la vanne d’isolement de la pompe turbomoléculaire du sas et pomper le sas pendant 30 à 60 minutes. Ouvrir le sas vers la chambre de préparation et utiliser la tige de transfert pour déplacer le substrat, dans son support, vers le chariot. À l’aide du chariot, déplacer le substrat vers la station de dégazage. Monter progressivement la température du chauffage de la station de dégazage à 700 degrés Celsius sur une durée de 10 minutes. Dégazer le substrat pendant 30 minutes, puis commencer le refroidissement. Une fois la température inférieure à 250 degrés Celsius, transférer le substrat vers le chariot. Abaisser le manipulateur de substrat à la position de chargement. Ouvrir la vanne d’isolement et transférer le substrat, dans son support, vers le manipulateur. Élever le manipulateur de substrat jusqu’à la position de croissance et retirer le chariot. Fermer la vanne d’isolement, puis ouvrir la vanne de la bouteille d’azote, la vanne du régulateur et la vanne aiguille d’isolement. Utiliser le débitmètre massique pour amener la chambre à la pression optimale pour l’allumage du plasma. S’assurer que les obturateurs du flux d’azote actif et de la cellule de diffusion sont fermés. Activer l’alimentation RF du plasma et le contrôleur du réseau d’adaptation automatique. Augmenter la puissance jusqu’à l’allumage du plasma. Régler la puissance et le débit de gaz azote aux conditions de procédé appropriées pour le système. Monter progressivement la température du chauffage du substrat à 10 degrés Celsius au-dessus de la température de croissance souhaitée du nitrure de gallium, à un taux ne dépassant pas un degré Celsius par seconde. Activer le système de réflectométrie pour surveiller la surface de la plaquette. Activer la rotation du substrat et préparer le logiciel d’acquisition de réflectométrie. Régler le flux de gallium afin d’assurer un dépôt de gallium à la température du substrat. Ouvrir les obturateurs du substrat et du gallium pendant une minute. L’intensité de réflectométrie devrait initialement diminuer, puis se stabiliser à mesure que le gallium s’accumule. Fermer l’obturateur du gallium pendant deux minutes, durant lesquelles l’intensité de réflectométrie devrait augmenter puis se stabiliser à mesure que le gallium se désorbe. Répéter deux fois supplémentaires le cycle de dépôt et de désorption du gallium, puis augmenter progressivement la température du chauffage du substrat jusqu’à la température de croissance du nitrure de gallium. Tout d’abord, ouvrir l’obturateur d’azote actif pendant une minute afin d’initier la croissance de la couche tampon par nitruration. Ensuite, ouvrir l’obturateur d’aluminium pour faire croître une couche de nitrure d’aluminium riche en azote d’une à trois nanomètres d’épaisseur. Fermer les obturateurs de nitrure d’aluminium et d’azote actif, puis ouvrir immédiatement l’obturateur de gallium pendant dix secondes, durant lesquelles l’intensité de réflectométrie devrait chuter rapidement. Ensuite, ouvrir l’obturateur d’azote actif et faire croître du nitrure de gallium pendant cinq minutes. Fermer les obturateurs de gallium et d’azote actif pendant une minute, et surveiller l’intensité de réflectométrie durant l’interruption de croissance afin d’évaluer le flux de gallium. Si l’intensité augmente immédiatement, le flux de gallium est trop faible. Diminuer la température du substrat ou augmenter la température de la cellule d’effusion de gallium. Si l’intensité augmente après au moins trente secondes ou ne se stabilise pas durant l’interruption de croissance, augmenter la température du substrat ou diminuer la température de la cellule d’effusion de gallium. Si le flux de gallium a été ajusté, faire croître une autre couche de nitrure de gallium et effectuer une autre interruption de croissance d’une minute. Une fois que l’intensité de réflectométrie augmente entre 15 et 30 secondes après le début de l’interruption et se stabilise dans la minute, poursuivre la procédure. Continuer la croissance du nitrure de gallium par incréments de cinq minutes avec des interruptions d’une minute, jusqu’à atteindre l’épaisseur souhaitée. Attendre une minute après la fin de la croissance du nitrure de gallium afin de s’assurer que tout le gallium s’est évaporé, puis abaisser rapidement la température du chauffage du substrat jusqu’à la température de croissance du nitrure d’aluminium indium. Laisser la température se stabiliser pendant deux minutes. Ouvrir les obturateurs d’indium, d’aluminium et d’azote actif. L’intensité de réflectométrie devrait diminuer et se stabiliser dans les trois minutes, et le motif devrait rester strié. Une fois que la barrière a atteint l’épaisseur souhaitée, fermer les obturateurs d’indium, d’aluminium et d’azote actif. Pour faire croître la couche intermédiaire de nitrure de gallium, ouvrir l’obturateur de gallium pendant cinq secondes, puis ouvrir l’obturateur d’azote actif. Une fois que la couche intermédiaire de nitrure de gallium atteint l’épaisseur souhaitée, fermer les obturateurs d’azote actif et de gallium. Commencer à monter progressivement la température du chauffage du substrat jusqu’à la température de croissance du canal en nitrure de gallium. Après 30 secondes, fermer l’obturateur de gallium. Attendre trente secondes ou jusqu’à ce que l’intensité de réflectométrie augmente, puis rouvrir l’obturateur. Continuer à commuter l’obturateur de gallium jusqu’à ce que la température du chauffage du substrat atteigne la température de croissance du nitrure de gallium, puis laisser l’obturateur de gallium ouvert. Après cinq secondes, ouvrir les obturateurs d’azote actif et d’aluminium, et faire croître la couche intermédiaire de nitrure d’aluminium. Une fois la durée de croissance de la couche intermédiaire de nitrure d’aluminium terminée, fermer l’obturateur d’aluminium et faire croître le canal en nitrure de gallium. Fermer les obturateurs de gallium, d’azote actif et principal. Abaisser progressivement la température du substrat à 200 degrés Celsius, éteindre le plasma d’azote actif et couper le débit de gaz azote. Ramener les cellules à leur température de veille. Une fois que la température du substrat est inférieure à 250 degrés Celsius et que la pression de la chambre descend en dessous de 8x10

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