Name: N極性のInAlNバリア高電子移動度トランジスタのプラズマ支援分子線エピタキシ (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-11-24T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 31 s
Description: 学ぶプラズマ支援分子線エピタキシによるN極性InAlNバリア高電子移動度トランジスタの作製法。ウェハ準備と成長条件の制御により、移動度1,750 cm²/V∙secの高性能HEMTを実現する手法です。

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著者は、サンプル調製の支援に対してニール・グリーン氏に感謝します。この研究は、P.牧博士の資金提供を受けて、海軍研究局によって支援されました。MTHは、全米研究評議会のポスドクフェローシップによって支援されました。

1.エフュージョンセルランプとフラックスキャリブレーション<ol><li>液体N 2は、クライオパネル及び成長チャンバをベース圧力に達したことを流れているか確認してください。 </li><li> Gaのための細胞で1℃/秒のランプ速度で彼らのビームフラックス測定（BFM）の温度にエフュージョンセルを立ち上げ、及びAlのための10℃/分。熱的に安定させるための細胞のために1時間を待ちます。 </li><li> 30-60秒のための各セルのシャッターを開き、1-2分間シャッターを閉じます。各セルについて3回繰り返します。第1のビームフラックスイオンゲージ測定を破棄し、第2の平均。前のフラックス/温度校正に応じた所望のフラックスを達成するために、セルの温度を調整します。 </li></ol> 2.基板の準備と読み込み<ol><li> 現場外の基板洗浄 <ol><li>ロードエピレディN極性GaNは任意の現場外洗浄せずに、直接基質。ウェハは、より空気にさらされた場合数時間以上、アセトン（30秒）、イソプロパノール（30秒）と脱イオン（DI）水（60秒）の下ですすぎます。それがウエハ表面に小さい粒子を残す傾向があるように、可能な場合すすぎ、浸漬に好適です。 注：Ga極性GaNが基板のためのきれいな、より厳密な表面が推奨される23 </li></ol></li><li> ロードウェハ <ol><li>ロードロック分離ゲートバルブを閉じ、そしてN 2でベント。 </li><li>ホルダー上のウエハをロードし、ロードロックにカセットを返します。ロードロック粗引きポンプの電源を入れ、粗引きポンプバルブとマニホールドバルブを開きます。 </li><li>マニホールド圧力が0.1トル以下に低下した場合には、マニホールドと粗引きポンプのバルブを閉じます。粗引きポンプの電源をオフにして、ロードロックターボポンプの隔離弁を開きます。 </li><li>ロードロックは、30〜60分間ポンプダウンすることができます。理想的には、準備室に転送する前に、10 -6〜10 -7 Torrのロードロックの圧力を使用しています。 </li><li>準備室にロードロックを開き、ウォブルスティックを使用して、トロリーにウェハを移します。そして、準備室にガス放出ステーションにウェハを転送するためにトロリーを使用しています。準備室に回転フィードスルーを使用して、レールに沿って手動でトロリーを移動します。 </li></ol></li><li> アウトガスウェハ <ol><li> 10分かけて700℃までガス放出ステーションヒーター温度をランプアップします。 </li><li> 30分後、戻ってダウンして100℃まで温度をランプアップします。温度は≤250°Cである場合には、ガス放出駅でウォブルスティックを使用してバックトロリーにウェハを転送します。 </li></ol></li><li> 成長チャンバにロードウェハ <ol><li>ロード位置に基板マニピュレータを下げ、準備/成長チャンバのゲートバルブを開き、マニピュレータにウェーハホルダを転送します。 </li><li>基板ヒーターの近くに、成長位置にマニピュレータを上げます。 </li><li>トロリとCLを削除しますゲートバルブOSE。 </li><li> N 2ボトルのバルブ、レギュレータバルブと遮断ニードルバルブを開きます。 1.5 SCCMにマスフローコントローラ（MFC）を設定（または3~4×10 -5トルのチャンバ圧力を得るために必要に応じて）。プラズマ点火のための最適圧力は強く、システムに依存します。 N 2は、超高純度（6Nより好ましくは良い）、さらに不純物を低減するためのラインで使用されている追加のフィルタでなければならないことに注意してください。 </li><li> N *メインシャッターを有するプラズマRF電源と自動マッチングネットワークコントローラの電源を入れ、閉じ。プラズマが点火するまで、RF電力を増加させます。 </li><li>この場合には、所望のプロセス条件を350 Wと2.0 SCCMのRF電力とN 2の流れを設定します。与えられたプラズマ条件に起因するN個の*フラックスはシステムに依存しますが、ここでは、これらの条件は5.0 nmで/分のGaN成長率、または1.8nmで-2秒のN個の*フラックスを得-1。に取り付けられた分光器とプラズマの安定性を監視しますプラズマ室の後部窓。 </li></ol></li><li> Gaの堆積及び脱着： インサイチュ表面処理で <ol><li> ≤1゜C /秒のランプ速度で所望のGaNの成長温度より10°Cまで基板ヒータをランプ。この場合には、730℃の推定ウエハ温度を使用します。 </li><li>ウェハ表面の劣化を監視し、Gaのカバレッジを監視するために、RHEEDシステムの電源を入れます。手動で基板回転をオンにします。基板は、成長中に回転している間に静止画像を提供するために、基板回転ごとに一度RHEEDパターンを収集するようにトリガRHEED取得ソフトウェアをセットアップします。 </li><li> 1分間基板シャッターとGaのシャッターを開きます。 RHEED強度がその後減少Gaを蓄積するようにプラトーに達したことを確認します。 Gaフラックスは、GaN成長のために使用されるものと同様であるべきです。ここで、Gaフラックスは、約3.7 nmである-2秒-1。 </li><li> 2分間シャッターを閉じ、RHEED確保強度が増加するとGaの脱離を示し、2分の終了前にプラトーに達しました。 </li><li>階段を2.5.2-2.5.4 3回、24を繰り返し、その後、GaN成長温度に基板をランプアップします。 </li></ol></li></ol> 3. HEMT成長<ol><li> バッファの成長 <ol><li> 1分間窒化用のN *シャッターを開くことによって、成長を開始します。 </li><li>アルシャッターを開くことにより、豊富なN-1-3薄いnmのAlN核生成層を成長させます。このAlN層は、25しかし 、AlN層は、X線回折（XRD）測定を複雑にし、XRDベースのキャリブレーションサンプルのために推奨されていない、貫通転位の発生を防ぐことができます。 InAlN層、または約0.36ナノメートル-2秒-1、約1ナノメートル/分の成長速度を与えるのと同じのAlフラックスを使用してください。 </li><li> AlとNの*シャッターを閉じ、すぐにGaが表面を飽和することを可能にするために10秒間のGaシャッターを開け、RHEED強度は、RAを減らす必要がありますpidly。 （まだオープンのGaシャッター付き）のN *のシャッターを開き、GaNの5分を育てます。使用は、緩衝液中の漏電電流を防止するために、特にGaN基板を自立するため、またはCドーピングう。 </li><li> 1分間の成長中断のためのGaとN *シャッターを閉じます。 RHEED強度を監視します。 RHEED強度はすぐに増加した場合、Gaフラックスが十分に高くありません。 RHEED強度が&gt; 30秒後に増加または1分以内にプラトーに達していない場合には、Gaフラックスは高すぎます。 図3を参照してください。 </li><li> 3.1.4で見られる高Gaフラックスを補償するために、数度の基板温度を上昇させる（またはGaでエフュージョンセルの温度を低下させます）。 Gaフラックスが低すぎた場合、補償するために基板温度を低下させる（またはGaのエフュージョンセル温度を上昇させます）。 <ol><li>手順を繰り返し3.1.3-3.1.5 RHEED強度が増加し、RHEED強度が1分前にプラトーに到達する前に、15から30秒の遅延があるまで。 </li></ol></李&gt; <li>手順を繰り返し続ける3.1.4-3.1.5所望のGaNの厚さに達するまで。較正された成長率により、総成長時間を掛けて厚さを決定します。 Gaリッチ成長のために、順番に別々に増殖させたキャリブレーションサンプル中の既知の成長時間のために厚さを測定するためのXRDを用いて算出することができるのN *フラックスによる成長速度を決定します。 </li></ol></li><li> InAlNバリア成長 <ol><li>すべてのGaが蒸発して確保するために、最終的なGaN成長工程の後に追加の1分を待ちます。 </li><li>迅速に約630℃までのInAlN成長温度まで上昇します。基板温度を約2分間安定させます。 </li><li>で、AlおよびN *シャッターを開きます。 RHEED強度が減少し、最初の3分以内にプラトーに達する必要があります。 RHEED強度の継続的な減少は、のInAlN成長に有害である、での蓄積を示すことができます。 RHEEDパターンは、滑らかな表面を示し、筋状のままであるべきです。私nおよびアルフラックスは、約0.31と0.36 nmである-2秒-1、/分1.25 nmでのIII族限られた成長率を与えます。 </li><li>希望の障壁の厚さに達した後では、AlおよびN *シャッターを閉じます。 N-豊かな成長のため、合計III族フラックスによって成長率を決定します。別々に成長したのInAlNキャリブレーションサンプルのXRDを使用して、成長速度を測定します。ここに与えられた条件を用いて、15nmでのInAlNバリアについては、12分30秒のシャッターを開きます。 </li></ol></li><li> 中間層とチャネル成長 <ol><li>まず、5秒間のGaシャッターを開け、N個の*のシャッターを開き、GaN系中間層を成長させます。基板温度はまだのInAlNの成長温度であるべきです。 </li><li> AlN中間層を成長させるのGaまたはN *シャッターを閉じずにアルシャッターを開きます。層間のAlフラックスは、理想的にInAlNをバリア層に使用し、別のAl噴散セルを使用して、T同じまたはNの*フラックスよりもわずかに高くなければなりませんOセル温度を変更することは避けてください。ステップ3.2.4を参照してください。 </li><li> N *とAlのシャッターを閉じますが、オープンのGaシャッターを残します。 GaNチャネル温度に基板温度を上昇。 </li><li> 30秒後のGaシャッターを閉じます。再オープンのGaシャッターを（RHEED強度が増加し始めるとすぐまたは）30秒を待ちます。基板は、GaNチャネル成長温度に達するまでのGaシャッターサイクルに進みます。過剰なGaの蓄積を防止しながら、これは表面を保護します。 </li><li>その後、5秒間のGaシャッターを開き、N個の*のシャッターを開き、GaNチャネルを成長させます。 </li><li> GaとN *とメインシャッターを閉じます。 N個の*プラズマをオフにして、N 2ガスの流れを遮断し、200°Cまで基板温度をランプアップします。 </li><li>その日のために終了した場合、そのスタンバイ温度に細胞をランプダウン。 </li><li>その後、250℃未満に減少させ、チャンバ圧力は8×10 -7トル以下に低下するために基板温度を待ち成長室のゲートバルブを開き、バックトロリーにウェーハホルダを転送します。 </li><li> 、バックロードロックにウェハを転送するN 2でベントとウエハを除去するためのステップ2.2の逆に従ってください。成長室のゲートバルブは、ロードロックを開く前に閉鎖されていることを確認し、ロードロックターボポンプのゲートバルブは通気の前に閉じていること。 </li><li>手順に従ってください2.2.3-2.2.5高真空にカセットとロードロックを返すように。 </li></ol></li></ol> 4.キャラクタリゼーション<ol><li>表面形態を確認するために、界面構造の品質をチェックするために、チャネルの成長の間に形成されたかもしれないピット、クラックやGaの液滴をチェックするためにXRDを、光学顕微鏡を用いて、AFM材料の品質を特徴付ける。20,21 </li><li> Ga液滴が存在する場合、化学的に敏感なN極性表面に損傷を与えることなく、液滴を除去するために5〜10分間濃縮HF酸中にウェハを浸します。 </li><li>シートの解像度を測定しますレイトン非接触抵抗の測定値を使用してistance。 </li><li>ホールとCTLM測定とDCとRFトランジスタの特性評価を含む電気特性評価を、可能にするためにサンプルを処理します。9,26 </li></ol>

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著者らは開示するものは何もない。

高品質のGaNバッファ層の成長は、任意のIII族窒化物HEMTに高い電子移動度を達成するために重要です。 N極性のInAlN HEMTの場合には、バッファ層の成長は、全てのGa前のInAlNの成長表面から除去することが必要条件によって複雑になります。金属変調エピタキシー、27は中間のGaカバレッジとGa液滴蓄積レジーム、28の縁部に成長条件を使用して、または連続的なN *を可能にするように、ここで記述した手順に加えて、これを達成するための様々な技術が存在します- Gaのシャッターを周期的に閉じられたとき、過剰のGaを組み込むフラックス24 それは、金属変調エピタキシーで暗黙シャッターの摩耗低減ウェーハ温度の不均一性に寛容であり、29と実際の成長時間（及び層の厚さのあいまいさを回避するために成長中断は、（Gaの蒸発を可能にするために）、この場合に使用されています）WELとしてGaを湿潤層を組み込むためのN *フラックスを使用した結果として潜在的な不純物の...

分子線エピタキシー（MBE）が成長膜中の低不純物混入を確実にするために10 -11トルという低いベース圧力に超高真空環境を使用する多用途のエピタキシャル薄膜成長技術です。エピタキシャル成長層の組成及び成長速度は、各噴散セルの温度、および様々な原料の、従って蒸発フラックスを制御することによって決定されます。活性窒素（N *）フラックスのいずれかN 2プラズマ1,2-（RFプラズマによって設けられているIII族窒化物のエピタキシャル成長の場合には、III族元素（で、AlやGaを）は、典型的には流出セルによって提供されます-assisted MBE：PAMBEまたはRFMBE）又はアンモニア（NH 3 -MBE）-3,4- MBE成長は、より低い成長温度や、有機金属化学気相堆積のような他のエピタキシャル成長手法、よりシャープな界面急峻性によって特徴付けられる5概略図が示されています。 図1インチ <pクラス= &quot;jove_content&quot;&gt; <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/54775/54775fig1.jpg" /> 図1：MBEシステムの概略的なロードロック、搬送システム、ガス放出ステーションと成長室を模式的に示す<a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54775/54775fig1large.jpg" target="_blank">。この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> III族窒化物結晶方位の多様を有する基板上に成長させることができます。最も一般的に使用される方向は、バリア層、典型的にはAlGaNから、及びGaNチャネル間の偏光の差を利用してドーピングすることなく、二次元電子ガスを形成することができるGa極性のC -planeあります。 GaNの非極性様々なおよび半極性の向きが原因また、HEMTのアプリケーション情報のために、これらの向きはあまり望ましくなり6,7量子井戸、で減少偏光効果にオプトエレクトロニクスのための重要な注目を集めていますナノ秒。 N極性配向デバイス起因従来のGa極性デバイスに比べていくつかの固有の利点を次世代の高周波HEMTの動作のために魅力的である。 図2に示すように8 N極デバイスでのバリア層が得られ、GaNチャネルの下に成長させますチャネルの静電制御を補助し、GaNチャネルに簡単に現在のアクセスを可能にし、接触抵抗を低減しつつ、短チャネル効果を減少させる天然の背面障壁です。チャネルの厚さが、高周波デバイス用縮小されるバリア設計はフェルミレベルピニング効果により失われたチャネル電荷を補償するように修正することができるように、バリアはまた、チャンネルとは別に制御することができます。 <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/54775/54775fig2.jpg" /> 図2：比較例のための（a）は N極HEMT及び（b）は Ga極性HEMTのエピタキシャル層の概略的な層構造ISON。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54775/54775fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> 高速で使用したHEMTは、高電力増幅器は、通常、SiCの高い熱伝導性を利用するためにSiC基板上に成長させます。低貫通転位密度のGaN自立基板9従って、高周波性能を向上させる、電子移動度を向上させるために使用することができます。 AlN核生成層の成長に続いて、厚いGaNバッファは、空間的にHEMTのチャネルから再成長界面の不純物を分離し、電気的分離を改善するために成長させます。他のIII-V材料とは異なり、PAMBEによって成長させたGaNは、典型的には、平滑な表面形態を達成するために、1よりも大きなグループIII / V比、 即ち 、金属リッチな条件、10,11と成長条件を必要とします。 xはアル1- X Nは、ALTERですネイティブバリアIII族窒化物HEMTのための材料、およびそれが格子は、x≈0.18のためのGaNに整合し、その高い自発分極によるのAlGaN障壁に2倍以上のチャネル電荷の相対を生成することができます成長させることができるため、最近大きな注目を受けている。12月15日とは異なり、 AlGaN障壁は、Gaが16は、このように表面がGaリッチGaNバッファ層の成長前のInAlNの成長の後に過剰のGaの自由であることを確認するために注意しなければなりません、のInAlN層にInに優先的に組み込む予定。 表面上のGaの制御は、Gaを液滴形成のために必要な磁束よりもわずかに小さいGaフラックスを補給することによって達成することができます。しかし、この成長窓が小さく、不十分なGaの表面被覆率は、過剰のGaフラックスはジョージア蓄積および巨視的な液滴の形成をもたらすであろうしながら表面モフォロジーがプラトー/トレンチ形態に低下します。17、反射高エネルギー電子回折（RHEED）INTENS<html>性は、Gaの蓄積および脱着を監視するために使用することができます。 GAの表面被覆率は、RHEED強度の減少、及びGaを閉じるとの間の遅れによって示され（かつN *）シャッターおよび図3に示すようにRHEED強度の最初の増加は、GAの蓄積を示しています。 <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/54775/54775fig3.jpg" /> 図3：トリガ取込みを用いて回転下で取得されRHEEDパターンから測定したRHEED強度 RHEED強度信号とGaのカバレッジを監視します 。不十分Gaフラックスはシャッター（図示せず）を閉じた後に強度の即時の増加によって示されます。飽和/理想的なGaのカバレッジがシャッターの閉鎖と突然のRHEED増白と初期のRHEED光沢の遅れだけでなく、より長い60秒を取って最大強度の回復が得られ、より緩やかな強度増加の両方として見に過剰のGaカバレッジ間の遅延によって示されています。コム/ファイル/ ftp_upload / 54775 / 54775fig3large.jpg &quot;ターゲット=&quot; _空白 &quot;&gt;この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 PAMBEによってInAlNを実現高品質で豊富な境界によって囲まれたAlリッチドメインからなる「ハニカム」微細構造が得られ、横組成変動の存在によって複雑になる。この微細構造の18除去は、約50の基板温度を使用することによって達成されますN極性のInAlNのために脱着の発症、15,19,20または約630℃以上のC°。この高温成長レジームでは、中のXのAl 1-×N個の組成物は、取り込みに低い結果として、より高い温度で、基板温度の強い関数です。フラックスは、実際には、磁束の最大フラックスが増加して取り込み効率の低下によって制限されるが、蒸発によって失わに補償するために増加させることができます基板温度を低下させるか、フラックスの増加、成長速度も起因」効果を埋め込むには、「にIn組成を増加させることができる増大に加えて21、着信Al原子トラップ内と蒸発を防ぐ。21,22高いです成長率は比例で及びAlフラックスを増加させることによって達成することができます。 Nリッチ成長条件を維持するために、N *は、N 2の流量を増加させるプラズマチャンバの設計を改善する、または開口プレート穴を増やす、RFプラズマ電力を増加させることによって達成することができるだけでなく大きくする必要があります密度。 InAlNベースのHEMTで追加のエピタキシャル層は、GaNとAlN中間層（ILS）とGaNチャネルが含まれます。バリアとチャネルとの間に挿入されたAlN ILは、移動度μだけでなく、チャネルシート電荷密度のn 秒を増やすことができます 。移動度の増加は、InAlNをBの電子波動関数の重なりを低減することに起因しますarrierとその後の合金散乱。9のAlN ILの高品質な成長を確保するためには、Gaフラックスの過剰な界面活性剤として機能するように成長中に供給されています。 GaN系ILは、チャネル電荷を低減しつつ、さらに移動度を向上させるためのAlN ILとバリアの間で使用することができます。 GaNチャネルは、イオン液体と、チャネルしかしバリアの継続的な成長を可能にするのInAlNバリアと同じ温度で成長させることができます。改善された移動度は、AlN IL後に成長を中断し、GaNチャネルを成長する前に成長温度を増加させることにより得られました。この場合、保護のGa表面被覆率は、移動度の低下を防ぐために、割り込みの間、維持されなければなりません。 以下のプロトコルは、N極性GaN基板上に成長させたのInAlNバリアのHEMTに特異的に適用されます。これは、直接に50nm厚NリッチAlN層を含むことにより、C-極性4H-または6H-SiCの基板上での成長に拡張することができます。

<table><tbody><tr><td>自立型N極性GaNウェーハ</td><td>Kyma</td><td></td><td>10 mm x 10 mm</td></tr><tr><td>C極性SiCウェーハ</td><td>Cree</td><td>W4TRE0R-L600</td><td>直径3インチ</td></tr><tr><td>マイクロエレクトロニクスグレードアセトン</td><td>フィッシャーサイエンティフィ</td>ック <td>A18-4</td><td></td></tr><tr><td>マイクロエレクトロニクスグレード同種</td><td>J.T.ベイカー</td><td>9079-05/JT9079-5</td><td></td></tr><tr><td>Al原料(6N5純粋)</td><td>UMC</td><td>ALR62060I</td><td></td></tr><tr><td>Ga原料(純度7N)</td><td>UMC</td><td>GA701</td><td></td></tr><tr><td>原料(純度7N)</td><td>UMC</td><td>IN750</td><td></td></tr><tr><td>ULSI N2 原料ガス(6N純度)</td><td>Matheson Tri-gas</td><td>G2659906D</td><td></td></tr><tr><td>PRO-75 MBEシステム</td><td>オミクロンサイエンティア</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

n極性のinalnバリア高電子移動度トランジスタのプラズマ支援分子線エピタキシ

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

プラズマ支援分子線エピタキシーは、高品質の高電子移動度トランジスタ（HEMTの）ために必要な滑らかな、急峻界面でIII族窒化物薄膜とヘテロ構造のエピタキシャル成長に適しています。手順は、ウェハ製造と緩衝層、InAlNを障壁層はAlNとGaNの中間層とGaNチャネルの成長を含むN極性のInAlNのHEMTの成長のために提示されています。プロセスの各ステップでの重要な問題は、このようなのGa GaNバッファへの蓄積、InAlNを組成均一性に及ぼす温度の役割、とAlN中間層と前GaNチャネル成長への割り込み中のGaフラックスの使用を避けるように、識別されます。組成的均質N極性のInAlN薄膜は0.19 nmと低表面二乗平均平方根粗さで実証され、のInAlN系HEMT構造は、シート電荷密度を有するデバイスのために1,750 cm 2の/ V∙秒という高い移動度を有すると報告されています1.7×10の13センチメートル-2。

X線回折（XRD） 図4のN極性GaN基板上に成長させた図示のInAlN薄膜のスキャンは、（a）は、シングル50と200nmの厚さのフィルムの両方にピークに達しています。厚さ50nmのInAlN膜のXRDスキャンはPendellösungが非常に高い界面品質を示す、順序第 15までの縞示します。 図4の非対称逆格子空間マップ（b）は、厚さ200nmのInAlN層が適度に厚いのInAlN層の完全コヒーレントな成長を示し、同一のQ‖、およびGaN基板としてこのように同一の面内格子定数を有することを示しています。 Qの‖方向の半値全幅（FWHM）は、追加の転位または他の構造的欠陥がのInAlN層に導入されていないことを示唆し、のInAlN層とGaN基板についても同様に非常に近いです。 Q⊥でのInAlN層の広がりは限定されたコヒーレンスlenで引き起こされ...

分子線エピタキシーは、N極性のInAlNバリア高電子移動度トランジスタ（HEMTの）を成長させるために使用されます。 1,750 cm 2の/ V∙秒という高い移動度を有する滑らかな、組成的に均質のInAlN層とのHEMTのウエハ製剤の制御、層の成長条件とエピタキシャル構造をもたらします。

N極性のInAlNバリア高電子移動度トランジスタのプラズマ支援分子線エピタキシ

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

この手順の全体的な目的は、さまざまな成長パラメータが窒化物半導体の構造的および電気的な品質に及ぼす影響と、それが最終的に電子デバイスの性能に与える影響を観察することです。この手法は、ワイドバンドギャップトランジスタの速度と電力に対する材料欠陥の影響など、材料科学および電気工学の分野における重要な疑問への回答に役立ちます。この技術の主な利点は、トランジスタのような高性能デバイスにとって非常に重要な、界面が非常に急峻で不純物レベルの低い半導体材料を作製できることです。この手法では、ガリウム被覆が過剰であるか不足しているかの判別は定性的であり記述が困難であるため、視覚的な実演が不可欠です。まず、クライオパネルが冷却され、成長室がベース圧力であることを確認します。エフュージョンセルを適切な速度でビームフレックス測定温度まで昇温し、セルが安定するまで1時間待ちます。各セルについて、シャッターを30秒間開けてビームフレックスイオンゲージ測定を行い、その後シャッターを1分間閉じます。この工程を3回繰り返します。各セルの最後の2回の測定値の平均を取ります。以前の校正データを用いて、目的のフレックスを得るようにセル温度を設定します。ロードロック隔離ゲートバルブを閉じ、窒素ガスでロードロック室をベントします。エピタキシー準備済みの極性窒化ガリウム基板をホルダーにロードし、サンプルカセットをロードロックに配置します。ロードロックを閉じ、窒素ガスを遮断します。ロードロックの粗引きポンプをオンにします。粗引きポンプバルブとマニホールドバルブを開きます。マニホールド圧力が 0.1 Torr 以下に下がったら、マニホールドバルブと粗引きポンプバルブを閉じ、ポンプをオフにします。ロードロックのターボポンプ隔離バルブを開き、ロードロックを30分から60分間排気します。ロードロックを準備室に開き、ウォブルスティックを使用してホルダーに入った基板をトロリーに移動させます。トロリーを使用して、基板を脱ガスステーションに移動させます。脱ガスステーションのヒーター温度を10分かけて 700 °C まで昇温します。基板を30分間脱ガスし、その後冷却を開始します。温度が 250 °C 以下になったら、基板をトロリーに移動させます。基板マニピュレーターをロード位置まで下げます。ゲートバルブを開き、ホルダーに入った基板をマニピュレーターに移動させます。基板マニピュレーターを成長位置まで上げ、トロリーを取り除きます。ゲートバルブを閉じ、次に窒素ボンベバルブ、レギュレーターバルブ、および隔離ニードルバルブを開きます。マスフローコントローラーを使用して、プラズマ点火に最適な圧力まで室内の圧力を調整します。活性窒素フラックスおよび拡散セルのシャッターが閉じていることを確認します。プラズマRF電源とオートマッチングネットワークコントローラーをオンにします。プラズマが点火するまで電力を上げます。システムの適切なプロセス条件に合わせて電力と窒素ガス流量を設定します。基板ヒーターを、1秒あたり 1 °C 以下の速度で、目的の窒化ガリウム成長温度より 10 °C 高い温度まで昇温します。ウェハ表面を監視するために RHEED システムをオンにします。基板回転をオンにし、RHEED 収集ソフトウェアを準備します。基板温度でガリウムが堆積するようにガリウムフラックスを設定します。基板シャッターとガリウムシャッターを1分間開きます。ガリウムが蓄積するにつれて、RHEED 強度は最初減少し、その後プラトーに達するはずです。ガリウムシャッターを2分間閉じます。この間、ガリウムが脱離するため、RHEED 強度は上昇し、プラトーに達するはずです。ガリウムの堆積と脱離をさらに2回繰り返し、その後、基板ヒーターを窒化ガリウム成長温度まで昇温します。まず、活性窒素シャッターを1分間開き、窒化によるバッファ成長を開始します。次に、アルミニウムシャッターを開き、1 nm から 3 nm の窒素リッチな窒化アルミニウム層を成長させます。窒化アルミニウムおよび活性窒素シャッターを閉じ、直ちにガリウムシャッターを10秒間開きます。この間、RHEED 強度は急速に減少するはずです。その後、活性窒素シャッターを開き、窒化ガリウムを5分間成長させます。ガリウムおよび活性窒素シャッターを1分間閉じ、成長中断中の RHEED 強度を監視してガリウムフラックスを評価します。強度が直ちに上昇する場合、ガリウムフラックスが低すぎます。基板温度を下げるか、ガリウムエフュージョンセルの温度を上げてください。強度が少なくとも30秒後に上昇する場合、または成長中断中にプラトーに達しない場合は、基板温度を上げるか、ガリウムエフュージョンセルの温度を下げてください。ガリウムフラックスを調整した場合は、窒化ガリウム層をもう一層成長させ、再度1分間の成長中断を行います。RHEED 強度が開始から 15 ～ 30 秒の間に上昇し、1分以内にプラトーに達したら、手順を続行します。目的の厚さに達するまで、1分間の中断を挟みながら 5 分刻みで窒化ガリウムの成長を続けます。窒化ガリウムの成長終了後、すべてのガリウムが蒸発したことを確認するために1分間待ち、その後、基板ヒーターを窒化インジウムアルミニウム成長温度まで急速に降温させます。温度が安定するまで2分間待ちます。インジウム、アルミニウム、および活性窒素のシャッターを開きます。RHEED 強度は3分以内に減少しプラトーに達し、パターンはストリーキーなままであるはずです。障壁層が目的の厚さに成長したら、インジウム、アルミニウム、および活性窒素のシャッターを閉じます。窒化ガリウム中間層を成長させるには、ガリウムシャッターを5秒間開き、次に活性窒素シャッターを開きます。窒化ガリウム中間層が目的の厚さに達したら、活性窒素およびガリウムシャッターを閉じます。基板ヒーターを窒化ガリウムチャネル成長温度まで昇温し始めます。30秒後、ガリウムシャッターを閉じます。30秒待つか、または RHEED 強度が上昇するまで待ち、それからシャッターを開きます。基板ヒーターが窒化ガリウム成長温度に達するまでガリウムシャッターのサイクル動作を繰り返し、その後ガリウムシャッターを開きます。5秒後、活性窒素およびアルミニウムシャッターを開き、窒化アルミニウム中間層を成長させます。窒化アルミニウム中間層の成長時間が終了した後、アルミニウムシャッターを閉じ、窒化ガリウムチャネルを成長させます。ガリウム、活性窒素、およびメインシャッターを閉じます。基板温度を 200 °C まで降温させ、活性窒素プラズマをオフにし、窒素ガス流量を遮断します。セルをスタンバイ温度まで降温させます。基板温度が 250 °C 以下になり、室圧が 8x10

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JoVE Journal

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工学

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N極性のInAlNバリア高電子移動度トランジスタのプラズマ支援分子線エピタキシ

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