Name: プラズマ援用分子線エピタキシー法により成長した Zn 極性 ZnO/BeMgZnO へテロ構造をショットキー ダイオードの作製 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-10-23T13:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 16 s
Description: 学ぶプラズマ援用分子線エピタキシー法によるZn極性ZnO/BeMgZnOへテロ構造のショットキーダイオード作製。高周波高出力電子デバイスのゲート制御に貢献する。

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この作業によって空軍オフィスの科学的研究 (AFOSR) グラント FA9550-12-1-0094 下に対応しました。

1. 成長と Gan の MBE 成長のための準備
<ol><li>Mocvd 法による半絶縁性 gan の成長<ol>
<li>原子炉からロードロック室を隔離するゲート弁が閉じていることを確認します。N2の大気圧と負荷ロックをぶちまけます。基板ホルダーを取り出して読み込みロックを開きます。</li>
		<li>ホルダーに 2 インチ サファイア基板を読み込み、読み込みロックにホルダーを配置します。2.5 × 10、ロードロック圧力ポンプダウン-2機械ドライポンプでトル。</li>
		<li>N2炉 (15 Torr) のとは、その圧力を均等化するために読み込みロックをぶちまけます。</li>
		<li>ロードロック隔離ゲート弁を開き、原子炉内のサンプル ホルダー アセンブリにホルダーをロードします。回転モーターをオンにし、100 rpm の基板ホルダーの回転速度を設定します。ゲート弁を閉じます。</li>
		<li>冷却水で両方 H2を実行しているコント ローラー (MFC) を質量流量 NH3供給は不十分であるおよびその圧力コント ローラー (PC) 測定値は、規定値と同じおよび基板ホルダーを回転すること。</li>
		<li>H2N2からシステムのガスを切り替えます。その場の光反射モニターの電源します。</li>
		<li>基板温度、ガス流量および原子炉圧力のランプ、バルブの切り替えなどすべての成長パラメーターをプレインストールするレシピのファイルを起動することによって、成長を開始します。</li>
		<li>3 分で 30 Torr まで原子炉圧力と H2の環境で 3 分間基板表面からの残留汚染を脱着し 1055 ° C に基板温度をランプ。</li>
		<li>941 の ° c 核形成と低温 (LT の) AlN バッファー層の成長の基板温度ランプダウン。</li>
		<li>毎分 (sccm) 12 の標準的な立方センチメートルとポリプロピオネート (TMAl) 流・ 7 sccm としてアンモニア (NH3) 流 3 分の基板温度を安定させます。</li>
		<li>LT AlN 層の成長を開始するには、実行の行に通気口から TMAl の切り替えします。</li>
		<li>637 nm レーザー ダイオード、p i n Si 受光素子と Labview ベースのソフトウェアが含まれていますカスタム反射率測定システムを使用して LT AlN 層の厚さを制御します。反射率振動19,20の期間から成長率を決定します。選択した試料中の in situモニタリングの精度を確認するのに断面の走査型電子顕微鏡および透過電子顕微鏡画像を使用します。</li>
		<li>6 分 〜 20 nm、成長中断することがなく 3 分で 1100 ° C に基板温度をランプの厚さに達するし、300 の厚さに AlN 層の成長を継続するための成長を続ける nm、s の監視、の振動の進化によって、itu光反射。</li>
		<li>口にしアイドル ライン AlN 成長を止めることの実行から TMAl を切り替えます。15.5 sccm、7000 sccm に NH3流れランプアップ トリメチルガリウム (TMGa) 流れを安定させるし、1 分ランプ 1 分で 1107 ° C に基板温度を 1 分ランプ 76 Torr まで原子炉圧力を安定させます。</li>
		<li>核し、〜 400 の厚さで回復 gan を成長 nm, 反射率の進化を監視中。最初 GaN AlN 表面上核諸島、島合体するとき原子平坦面に対応する元のレベルに強度を回復すると、反射率は急激な減少を展示します。</li>
		<li>1124 ° C 2 分成長高温半絶縁性 GaN 層の厚さと ~2.5 mm の基板をランプは、口にし、アイドル状態の行に実行から一方を切り替えることにより成長を止めます。</li>
		<li>40 分間室温に基板を冷やします。</li>
		<li>1.5 分間 15 Torr まで原子炉圧力ランプダウン。</li>
		<li>手順 1.1.1-1.1.4 の逆の手順で原子炉から基板をアンロードします。</li>
	</ol>
</li>
	<li>GaN テンプレート作製とロード MBE 原子炉。<ol>
<li>6 円形等分にダイヤモンドのスクライバーを使用して 2 インチ GaN テンプレートをカットします。</li>
		<li>石英ビーカーに塩酸 (HCl、36.5 38.0 w/w%、150 mL) に硝酸 HNO3、68.0 70.0 w/w% (50 mL) をゆっくり追加して王水酸発煙のフードの中の酸溶液を準備します。</li>
		<li>220 ° C の温度でホット プレートに王水ビーカーを置く</li>
		<li>赤/オレンジ色と気泡の出現の後扇形 GaN テンプレートを 1 つのソリューションに浸るし、10 分間煮る。</li>
		<li>3 分間の脱イオン (DI) 流水で GaN テンプレートをすすいでください。</li>
		<li>GaN テンプレートに漬 HCl (36.5 38.0 w/w%):H2O 溶液が酸化を削除する 3 分間 (1:1)。</li>
		<li>5 分・ ディ ・流水に GaN テンプレートをすすいでください。</li>
		<li>N2ガス テンプレートを乾燥させます。</li>
		<li>Mo ホルダーに掃除の GaN テンプレートを置いて、MBE ロードロック室にすぐにそれを読み込みます。</li>
		<li>機械式ドライポンプで読み込みロックをポンピングを開始します。</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. BeMgZnO/酸化亜鉛ヘテロ構造の成長
<ol><li>胸水細胞の調製<ol>
<li>1 h の読み込みロックを真空排気後の開始準備 Zn, Mg, 胸水細胞であります。ダブル ゾーン亜鉛電池のアッパー ゾーン温度 17 ° C/分のランピング加工率 525 ° C、5 分後 15 ° C/分のランピング加工速度 5 ° C/分セット Mg セル温度 570 ° c のランピング率 515 ° C までランプを待つ、セット ポイントに到達、後 10 分待つ、300 ° C まで Mg 細胞をランプ設定、セル温度を 900 ° C まで 10 ° C/分のランピング加工速度にする、セット ポイントに達すると後は、3 分待つ、650 ° c. までセルをランプ</li>
		<li>30 分後に、360 ° C まで 10 ° C/分のランピング加工速度にダブル ゾーン亜鉛電池の下のゾーン温度を設定します。</li>
		<li>2 h 〜 5 × 10-7 Torr の圧力に到達するため負荷ロックを真空排気後反射高速電子線回折 (RHEED) システムをオンにし、MBE チャンバーに GaN テンプレートを読み込みます。</li>
		<li>[1-100] 方位角方向に沿って RHEED パターンの進化を監視するマニピュレーターを回転させることにより GaN テンプレートの角度を調整します。</li>
		<li>355 ° C まで 10 ° C/分のランピング加工速度にダブル ゾーン亜鉛電池の下のゾーン温度を設定します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>GaN と LT ZnO バッファーの成長 zno 極性制御<ol>
<li>ランピング 13.6 ° C/分 15 分の基板表面からの残留汚染を脱着する率で 615 ° C に基板温度をランプ。</li>
		<li>615 から 13.6 ° C/分 LT ZnO の成長のためのランピング加工速度 280 ° C への基板温度ランプダウン。温度 550 ° C に達すると、亜鉛フラックスと GaN テンプレート表面を公開する Zn 携帯シャッターを開きます。O2プラズマ電源をオンに、100 W と O2ガス管線が閉じていることを確認するチェック力を設定します。</li>
		<li>温度 280 ° C に達すると、O2プラズマ電源をプラズマを点火し、0.25 sccm に O2流量を減少させる 0.3 sccm に 400 W、セット O2流量に設定します。</li>
		<li>LT ZnO バッファー層の成長を開始する O2シャッターを開くまで 1 分間待ちます。</li>
		<li>RHEED パターン 5 分ごとを記録します。約 15 分 ~ 20 のバッファー膜厚に対応するための成長後 nm、楕円形斑点 (3 D モード)、ストライプ (2 D モード) から RHEED パターンに変更するとき成長を止めること O と Zn2シャッターを閉じます。</li>
		<li>O2流量 0.4 sccm にし LT ZnO バッファー層のアニール 13.6 ° C/分のランピング レートで 730 ° C に基板温度を設定します。345 ° C まで 10 ° C/分 HT ZnO 層の成長のためのランピング加工速度にダブル ゾーン亜鉛電池の下のゾーン温度を設定します。</li>
		<li>基板温度 730 ° C のセット ポイントに達すると、5 分待ってから、RHEED による ZnO 表面をチェックします。RHEED パターンは 3 D から 2 D へ遷移する、停止ランプの基板温度 700 ° c 下でアニール</li>
	</ol>
</li>
	<li>高温酸化亜鉛層の成長<ol>
<li>基板温度 700 ° C に達するし、安定、3.2 sccm に O2流量を増やします。</li>
		<li>O と Zn2シャッターを同時に開くことによって HT ZnO 層の成長を開始します。</li>
		<li>成長 〜 140 分厚 〜 300 に到達する HT ZnO 層 nm。2 D の成長モードを確認する成長中の RHEED パターン数回を記録します。</li>
		<li>HT ZnO 層の成長を中止するには、同時に O と Zn2シャッターを閉じるします。</li>
	</ol>
</li>
	<li>BeMgZnO バリアの成長<ol>
<li>0.3 sccm に O2流量、設定、セル温度 820 ° C まで 10 ° C/分のランピング加工速度に、Mg セル温度 15 ° C/分のランピング加工率で 510 ° C に設定して基板温度 13.6 ° の傾斜率 325 ° cC/分 BeMgZnO 障壁の成長のため。</li>
		<li>基板温度が安定すると 1.25 sccm に O2の流量を増加し、Zn, Mg を開いて同時に成長を開始すると O2シャッター。</li>
		<li>〜 12 分 ~ 30 の厚さに到達する BeMgZnO バリア層を成長 nm。レコードの RHEED パターンの成長モードの進化を監視する成長の間に数回。</li>
		<li>Mg を閉じることによって BeMgZnO 層の成長を停止し、1 分 ~ 2 nm 厚い ZnO キャップ層を持っているために開いた O と Zn2を維持しながらシャッターをするシャッターします。</li>
		<li>O と Zn2シャッターを閉じることによって成長を終了します。</li>
		<li>ランプダウン スタンバイ、その温度に基板温度 150 ° C0.25 sccm に O2流量を減少させます。</li>
		<li>基板温度が 250 ° C 以下と、100 W O2プラズマ パワーを抑制、O2プラズマ電源をオフ、0 O2流量を減少させる、O2ガス管線を閉じる、スタンバイするセル温度を冷やす条件。</li>
		<li>基板温度スタンバイ温度 150 ° C に達する成長室の仕切弁を開き、ロードロック室にウェハ ホルダーをアンロードするを待ちます。</li>
		<li>N2ガス ロードロック室をぶちまける、サンプルを取り出してください。</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. 特徴
<ol><li>大体サンプルの端にカバーされている領域を介してステップ プロファイラーを使用して、試料の厚みを測定します。</li>
	<li>高分解能 x 線回折 (HRXRD) ((0002) 反射の第 2 四半期 w スキャン) を用いたヘテロ構造の厚さ、ひずみ、構造品質を評価します。</li>
	<li>5 × 5 mm にカット、サンプル2ダイヤモンド罫書き針を使用して、正方形の部分。インジウム (In) ドットの接触電極としてのバンの der の Pauw ジオメトリの温度依存ホール効果測定を使用して、サンプルの電子特性を調査します。</li>
	<li>原子間力顕微鏡 (AFM) を用いた表面の形態を確認してください。</li>
</ol>4. ショットキーバリア ダイオードの作製
<ol><li>BeMgZnO/酸化亜鉛ヘテロ構造のオーミック コンタクトの作製<ol>
<li>サンプル (~ 20 × 20 mm2のサイズ) を 5 分、次いでメタノールで 5 分間超音波洗浄機で洗浄、5 分の純水で洗浄、N2乾燥吹く用超音波クリーナー アセトンで脱脂します。</li>
		<li>3 s の 1000 rpm とし、3000 rpm 30 コート フォトレジストをスピン s。</li>
		<li>140 100 ° C でフォトレジストを焼くソフト s。</li>
		<li>オーミック接触を通して紫外線を公開 2.38 分露光マスクア ライナーの 6.5 mW UV ランプの電源投入時のマスク。</li>
		<li>ポスト焼く 80 110 ° C でフォトレジスト s。</li>
		<li>60 の開発者の開発 1/秒の振動周波数で s。</li>
		<li>3 分とブローは N2の DI 水ですすいでください。</li>
		<li>電子ビーム蒸発器にサンプルをロードします。</li>
		<li>サンプルを加熱することがなく入金 Ti/Au 厚 30/50 nm、水晶膜厚モニターによって測定されます。</li>
		<li>5 分のメタノールで洗浄後、アセトンでリフトオフ 5 分の純水ですすぎと吹いて乾燥 N2。</li>
		<li>30 で 300 ° C で急速な熱炉 (RTA) による接触をアニール s。</li>
		<li>遷移行モデル (TLM) 測定21による接触抵抗を確認してください。</li>
	</ol>
</li>
	<li>BeMgZnO/酸化亜鉛ヘテロ界面のショットキー接合の作製<ol>
<li>ショットキー接触の写真平版の手順 4.1.1-4.1.7 に従ってください。</li>
		<li>リモートの O2プラズマ 35 sccm の O2の流れと 50 ワットの高周波電力を 5 分間で試料表面を治療します。</li>
		<li>50 の厚さと銀の沈着量のステップ 4.1.8-4.1.10 に従う nm。</li>
		<li>ショットキー ダイオード17- V の測定によって得られた構造を特徴付けます。</li>
	</ol>
</li>
</ol>

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</ol>

著者が明らかに何もありません。

BeO の第四紀の BeMgZnO を形成する MgZnO への取り込み範囲と第四紀のひずみの兆しをチューニングする可能性を提供し、それ故 2次元電子ガス密度8を大幅増加させます。代表的な結果を示す、0.02Mg0.262 deg 密度目的のプラズモンに近い酸化亜鉛/酸化亜鉛ヘテロ構造の結果をする-LO フォノン共鳴電子密度 (7 ~ 10 ×12 cm-2)24。ヘテロ構造の電子移動度は、基板温度など HT ZnO と BeMgZnO のバリア層の VI/II 比 MBE 成長パラメーターに強く依存、2次元電子ガス密度が弱く成長条件依存と主に定めしてバリアで Mg コンテンツ。
GaN テンプレートは、GaN、ZnO、サファイアと ZnO 間 18% の大きい格子不整合と比較して間 1.8% の適度な格子不整合により高結晶品質と BeMgZnO/酸化亜鉛ヘテロ構造の成長に使用されます。任意の導電性のパラレル チャネルを避けるためには、GaN テンプレートの MΩ/平方の範囲で高い抵抗を持つことが重要です。私たちのケースで、これは炭素補償を強化する 76 Torr の低燃焼室圧力で成長によって達成されます。BeMgZnO/酸化亜鉛ヘテロ構造 (Zn 極性) の極性制御をように GaN テンプレートの注意の表面処理は不可欠です。Zn と O-ミックス-極性決定 6/2 比もヘテロ構造における酸化または GaN 表面の準備の間に導入された汚染物引き起こす < 1.5 を達成。
金属と半導体、表面汚染物質の存在の間の任意の化学反応の状態は、半導体に金属の拡散と表面近傍の欠陥はショットキーの製造の分野における一般的な問題連絡先。さまざまな方法は、ショットキー接触作製の ZnO の表面を準備するための文献で報告されています。その中には Ar+UV オゾン洗浄、H2O2O2プラズマ (や彼との混合物) の治療と HCl (または他の酸) 物理エッチング エッチング25,26,27,28. エッチング プロシージャ、数ナノメートルからミクロンまでの厚さで表面層の除去のための目的およびしたがって HFET デバイスに適用できません。UV オゾン洗浄または O2プラズマ プロシージャは、表面層のみを削除します。したがって、私たち BeMgZnO/酸化亜鉛ヘテロ構造の表面処理に最適です。
通常ショットキーはPd, Pt、Ir など高仕事関数金属を堆積によって達成されます。対照的に、Ag は 4.26 eV の低仕事関数であります。それにもかかわらず、Ag 電極を用いたデバイスは ZnO マトリックスから酸素と銀の部分酸化によって引き起こされるインターフェイス銀酸化層の形成により整流動作を表示できます。だから形成された酸化膜は電子の透過的であり高仕事関数は、Ag と比較して。ラジュら。1.3 ev より高い Ag と Ir、Pt、Pd の29の特性に近いパルス レーザー蒸着 (PLD) により成長前の約 5.5 eV の仕事関数を報告しています。我々 の結果は、その Ag 電極 (O ZnO 構造の表面に2プラズマの前処理) がショットキー ダイオードの形成のための有望な接触金属であることを示します。
ZnO 系 Hfet の高品質ショットキー接触を製造する方法を示しました。直前の MBE 成長と低 VI/II 比慎重な表面処理と MOCVD 成長 GaN テンプレート < ZnO 核中に 1.5 確実高品質の酸化亜鉛ヘテロ構造の Zn 極性の向き。Mocvd 法は、様々 な用途に GaN のエピタキシャル成長の広く使われている成熟した手法です。MBE の手順はこの作品には、MOCVD や MBE 技術と電子デバイス用 GaN と酸化物半導体の組合せ可能を示します。定款の少量の高速性能を強化、2 deg の高密度、高電子移動度、高い熱安定性と Hfet の BeMgZnO 障壁層の結果になります。

ヘテロ構造電界効果トランジスタ (Hfet) 2 つの 2次元電子ガス (2 deg) に基づく高速電子デバイス1,2,3アプリケーションの有望な潜在性があります。酸化亜鉛 (ZnO) (3.4 eV) ワイドバンド ギャップ半導体であり、高電子飽和速度として Hfet4、5のためのプラットフォームとして脚光を浴びてきてください。非常に高い Mg コンテンツを必要とする従来のバリア材料 MgZnO 三元 (> 40%) 低基板温度 (300 ° C 以下)6、7で、そのような成長をしてこれらの構造が高い電源操作の下で低下する傾向があります。たとえバリアで不要な電荷密度がゲート変調のため十分に低く、サーマル ・ トリートメント中。この障害を回避するために提案し、バリア内ずみ符号に切り替えられる圧縮から (が)、ベリリウムの設立を介して引張自発的な作りの壁に piezoelectricpolarizations と BeMgZnO を採用添加剤。その結果、高い 2次元電子ガス濃度は比較的穏健な Mg コンテンツで実現できます。プラズモン近く観察される高い 2次元電子密度、このアプローチを活用-LO 以下 Mg コンテンツ中 BeMgZnO/酸化亜鉛ヘテロ構造におけるフォノン共鳴 (7 ~ 10 ×12 cm-2) は 30% とされるコンテンツは 2 のみで 〜 38。
類似の結晶対称性、紫外線と可視光透明性のため堅牢な物理・化学的性質、および低コスト、c 面サファイア広く GaN、ZnO 結晶のエピタキシャル成長の採用です。GaN ベースの成長技術電子 saphhire の光電子デバイスの実現する顕著な進歩のおかげで高品質 GaN テンプレート簡単にとれるサファイア基板上にもかかわらず AlN または低温 (LT) GaN バッファーを使用してその格子ミスマッチの大きなサファイア9と 16% の。O 極様々 な二次元モードにおける Zn 極性物質の成長がうまく確立されない間、サファイアと 18% のより大きい面内格子不整合のある ZnO エピタキシャル成長は理解比較的よく。1.8% の適度な格子の不一致により GaN 上への ZnO 結晶のエピタキシャル成長、魅力的な代替手段です。
MOCVD や MBE は、再現性の高い高品質薄膜の作製とヘテロ構造を製造するための最も成功した半導体成膜技術です。MBE は GaN のエピタキシャル成長の mocvd 法よりも人気の主な理由は、コストと大量生産のため不十分です。Mocvd 法による GaN の成長率は、時速数 μ m と 2 インチ (50 mm) 直径ウエハーや 6-8"育てることができる 1 つ実行9倍万にすることができます。ここでは、私たちも採用 MOCVD GaN の成長のため我々 の研究で。酸化亜鉛ヘテロ構造の成長、ただし、2次元電子ガスの形成に関する複数のレポートを実現しました mbe 現時点で潜在的なアプリケーション10、11,12化前に。最近では、Ga 極 GaN テンプレート13表面極性の正確な制御と高品質酸化亜鉛ヘテロ構造の MBE 成長をしました。Zn 曝露前治療と ZnO 層そう育った展示 Zn 極性 VI/II レシオが低い核とが分かった (< 1.5)、これらの VI/II 比率 1.5 以上と核は O 極性を展示中。GaN テンプレートを通じて並列伝導チャネルを避けるためには、我々 は炭素を採用した AlN バッファー ZnO 系 HFET 構造のそれに続く成長のための低圧の条件下で半絶縁性 GaN パッシベを補償。
私たちの仕事の14、前に報告されているない BeMgZnO/酸化亜鉛ヘテロ界面にショットキー ダイオードの調査。MgZnO15,16、例えばショットキー接触にのみいくつかの研究が報告している。、2.37 の理想係数、0.73 eV の障壁高さと整流の比率のみ 103 15の。ZnO17ショットキーの様々 な金属が使用されている中で、銀 (Ag) 採用されていると広く、1.08 18の理想係数とバルク ZnO の 1.11 eV の比較的高いショットキー障壁高さのため。
この作品で高速 HFET デバイスの酸化亜鉛ベースのアプリケーションに高品質のショットキー ダイオードを作製を目指します。次のプロトコルは、MOCVD 堆積 GaN テンプレート上 MBE により成長した BeMgZnO/酸化亜鉛ヘテロ構造の Ag の電子ビーム蒸着法による Ag/BeMgZnO/ZnO ショットキー ダイオードの作製に具体的に適用されます。

<table><tbody><tr><td>MOCVD</td><td>Emcore</td><td></td><td>カスタムビルド</td></tr><tr><td>MBE</td><td>SVTアソシエイツTMAl</td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>SAFC</td><td>CAS:75-24-1</td><td></td></tr><tr><td>TMGa</td><td>SAFC</td><td>CAS:1445-79-0</td><td></td></tr><tr><td>NH3</td><td>Lindeグループ</td><td>CAS:7664-41-7</td><td></td></tr><tr><td>H2</td><td>National Welders Supply Co.</td><td>サプライヤー部品番号335-041</td><td>グレード5.0</td></tr><tr><td>O2</td><td>ナショナル溶接機供給株式会社</td><td>サプライヤー部品番号OX 300</td><td>工業グレードの酸素、サイズ300シリンダー、CGA-540</td></tr><tr><td>mg</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>製品番号:474754-25G</td><td>マグネシウム、蒸留、樹枝状片、99.998%金属ベース</td></tr><tr><td>BE</td><td>ESPI金属</td><td>品番K646b</td><td>ベリリウム片、3N</td></tr><tr><td>Zn</td><td>Alfa Aesar、Thermo Fisher Scientific Chemicals Inc.</td><td>製品番号:10760-30</td><td>亜鉛ショット、1-6mm(0.04-0.24in)、ピュラトロニック、99.9999%</td></tr><tr><td>Au</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>部品番号EVMAUXX40G</td><td>金ペレット、99.99%</td></tr><tr><td>Ag</td><td>カートJ.レスカー</td><td>部品番号EVMAG40QXQ</td><td>銀ペレット、99.99%</td></tr><tr><td>Ti</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>部品番号EVMTI45QXQ</td><td>チタンペレット、99.995%</td></tr><tr><td>現像液</td><td>ローム&ハース電子材料LLC</td><td>MF-CD-26</td><td>材料番号 10018050</td></tr><tr><td>フォトレジスト</td><td>ローム&ハース電子材料</td><td>LLC SPR 955</td><td>材料番号10018283</td></tr></tbody></table>

プラズマ援用分子線エピタキシー法により成長した zn 極性 zno/bemgzno へテロ構造をショットキー ダイオードの作製

Fabrication of Schottky Diodes on Zn-polar BeMgZnO/ZnO Heterostructure Grown by Plasma-assisted Molecular Beam Epitaxy

ヘテロ構造電界効果トランジスタ (Hfet) 二次元電子ガス (2 deg) チャネルを用いる高速デバイス アプリケーションの大きな可能性があります。酸化亜鉛 (ZnO)、ワイドバンド ギャップ (3.4 eV) と高電子飽和速度の半導体は、高速デバイスのための魅力的な材料として大量の関心を得ています。効率的なゲート変調、しかし、高品質ショットキー障壁層が必要です。この記事で現在私たちショットキー ダイオード歪み変調と、数パーセントの設立を通じて達成される高密度 2次元電子ガスと Zn 極性 BeMgZnO/酸化亜鉛ヘテロ構造の施工いたします MgZnO ベース障壁に成長時分子線エピタキシー (MBE)。高結晶品質を達成するために有機金属化学気相成長 (MOCVD) による成長ほぼ格子整合高抵抗 GaN テンプレートは酸化層の MBE 成長の基板として使用されます。必要な Zn 極性 GaN の表面処理の注意を取得するには、テンプレートおよび低温 ZnO 核形成層の成長の間に VI/II 比制御が利用されています。Ti/Au 電極は、オーミック接触と O2プラズマ前処理 BeMgZnO 表面ショットキー接触用 Ag 電極として機能します。

図 1の左の列の MBE 成長中 [1-100] 方位角方向に沿って記録した RHEED パターンの進化を示しています、ある0.02Mg0.26酸化亜鉛/酸化亜鉛ヘテロ構造、300 nm 厚い HT ZnO 層と、30 nm 厚0.02 をします。Mg0.26ZnO バリア。右側の列では、(同じサンプル) からではなく異なる生育段階で代表的な表面形態を示しています。むら RHEED パターンの外観から明らかなよう、LT ZnO バッファー層は三次元 (3 D) 島成長モード自然。その表面は 700 ° C 以上の温度で焼鈍熱処理によって改善されました。表面 3 D から 2 D の形態に変換することを明確に見られています。2 D モードで成長を続けているその後 HT ZnO 層0.02Mg0.26ZnO 層がなければ第 2 段階の形成の二次元成長が続きます。AFM 測定 GaN テンプレートが 0.28 の二乗平均平方根 (RMS) 粗さが示されている 5 × 5 μ m2スキャンの nm。O リッチ条件と 0.45 BeMgZnO 障壁の成長後は nm を観察の RMS 粗さの下で成長によって障壁なし HT ZnO 層の nm が得られる 0.35 の RMS 粗さを滑らかな表面。
HRXRD 3 軸 2 θ-ω スキャン Zn 極性の典型的なの0.02Mg0.26酸化亜鉛/酸化亜鉛ヘテロ構造と 300 nm 厚い HT ZnO 層と 50 nm 厚が0.02Mg0.26ZnO バリア層を図 2に示します。34.46 o、34.54 o、および 34.75 oでの反射は、GaN、zno (0002) 反射と一致しているし、それぞれ0.02Mg0.26ZnO であります。その薄さ0.02Mg0.26ZnO からの反射の拡がりが注意してください。ZnO 層の引張軸ひずみは、私たちの以前の研究13, Zn 極性ヘテロ構造を示す。BeMgZnO の第四紀層中の Mg 含量は 13 K (図示せず) で測定した LT-フォトルミネッ センス (LT PL) スペクトルに (0002) x 線回折の反射と放射光子エネルギーのブラッグ角から算出しました。
図 3温度依存ホール効果測定の結果を示します、0.02Mg0.26酸化亜鉛/酸化亜鉛ヘテロ構造をします。シート キャリア濃度減少 8.8 × 10 から12 cm-2 6.4 × 10 ~12 cm-2サンプルは室温 (293 K) から約 100 K に冷却されたときさらに 13 K に冷却、シート キャリア濃度飽和 6.2 × 10 で12 cm-2。この発見はマニフェスト電子濃度で観察される減少は欠陥の核形成層と HT ZnO 層を含む並列の伝導チャネルからの貢献が由来と同様0.02Mg0.26ZnOバリア、あれば。この傾向は、MgZnO/酸化亜鉛ヘテロ構造10,22の報告されています。電子移動度、温度の下降とともに0.02Mg0.26酸化亜鉛/酸化亜鉛ヘテロ構造が単調に増加をします。206 cm2/Vs の 293 K モビリティと 1550 cm2/Vs の 13 K 移動文学22,23の値に匹敵するが。温度の関数としての電子特性の進化で 2次元電子ガスの存在を明示、0.02Mg0.26酸化亜鉛/酸化亜鉛ヘテロ界面をします。
図 4カーブ 4 代表 Ag の室温で測定/0.02Mg0.261.1 × 10 のショットキー面積 ZnO/ZnO ショットキー ダイオードに電流-電圧 (i-v) を示しています 1 つのウェハ内で-4 cm2 。明らかになる直列抵抗での電圧を降下 0.25 V、最大印加電圧と順方向電流が急増します。最高のショットキー障壁高さ 1.22 の理想係数 n Φ の 1.07 eV のapが得られました。Vで測定された現在の値を使用して達成される整流比約 1 × 108 ± 2 V を =。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58113/58113fig1.jpg"> 図 1。表面の特性評価します。左側の列の MBE 成長中 [1-100] 方位角方向に沿って撮影した RHEED パターンを示しています、0.02Mg0.26酸化亜鉛/酸化亜鉛ヘテロ構造をして右の列 GaN テンプレート、HT ZnO 層の表面モフォロジーをプレゼントし0.02Mg0.26ZnO 層の AFM による測定します。LT ZnO バッファー技術により、低格子不整結晶 GaN テンプレート上高品質酸化亜鉛ヘテロ構造の 2 D モードの成長率です。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58113/58113fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58113/58113fig2.jpg"> 図 2。ヘテロ構造の HRXRD.HRXRD 3 軸 2 θ-ω スキャンの Zn 極性の典型的な 500.02Mg0.26酸化亜鉛/酸化亜鉛ヘテロ構造をする nm 厚が0.02Mg0.26ZnO バリア層。34.46 o、34.54 o、および 34.75 oでの反射は、GaN、zno (0002) 反射と一致しているし、それぞれ0.02Mg0.26ZnO であります。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58113/58113fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58113/58113fig3.jpg"> 図 3。ヘテロ構造の電子物性は。Zn 極性のシート キャリア密度と電子移動度の温度依存性0.02Mg0.26酸化亜鉛/酸化亜鉛ヘテロ構造をします。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58113/58113fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58113/58113fig4.jpg"> 図 4。ショットキー ダイオード。4 代表者 Ag の典型的な-V特性/0.02Mg0.26ZnO/ZnO ショットキー ダイオードは室温で測定します。4 - V 曲線の類似性は、サンプルのウエハの均一性を示します。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58113/58113fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。

高品質ショットキー接触の達成はヘテロ構造電界効果トランジスタ (Hfet) の効率的なゲート変調を実現するために不可欠です。プラズマ援用分子線エピタキシによる GaN テンプレート上に成長した高密度 2 次元電子ガス (2 deg) と Zn 極性 BeMgZnO/酸化亜鉛ヘテロ構造をショットキー ダイオードの特性と製造方法を提案します。

プラズマ援用分子線エピタキシー法により成長した Zn 極性 ZnO/BeMgZnO へテロ構造をショットキー ダイオードの作製

Heterostructure field effect transistors (HFETs) utilizing a two dimensional electron gas (2DEG) channel have a great potential for high speed device ...

この方法は、ショットキー接点を使用して2次元電子ガスを用いた酸化亜鉛ベースのヘテロジャンクション電界効果トランジスタにおける電流制御に関する重要な質問に答える助けとなる。この技術の主な利点は、フィールドエフェクトトランジスタのゲートを1つの写真ステップで定義できることです。この技術の意味は、酸化亜鉛の高電子飽和多様性を利用することにより、高周波高出力電界効果トランジスタの新世代に及ぶ。この方法は、単一サイト上の安定性におけるショットキー接触の性質に関する洞察を提供するが、それはまた、太陽プラント検出器や化学またはバイオセンサーなどの他の単一サイトベースのデバイスに適用することができます。手順を開始するには、直径380マイクロメートルのサファイア基板を厚さ380マイクロメートルのCプレーンに金属有機CVD機器に積み込み、システムを堆積用に準備します。システムの準備ができたら、35分間にわたって水素雰囲気中で30トル、基板温度を摂氏1,055度に調整します。その温度で3分間保持し、残留汚染物質を脱分離します。その後、3分間で基板を摂氏941度まで下げます。温度を2分間安定させた後、トリメチルアルミニウム流量を12.0SCCMに、アンモニア流を7SCCMに設定します。流量を3分間安定させます。次いで、トリメチルアルミニウム流れをランラインに切り替えて、低温窒化アルミニウム層の成長を開始する。6分間の間に、反射率振動によって測定されるように、基板上の窒化アルミニウムの約20ナノメートルを成長させます。その後、成長を中断することなく、3分間で基板を1、100°Cにランプします。層の厚さが300ナノメートルになるまで窒化アルミニウムの成長を続けます。次いで、トリメチルアルミニウムの流れを反応器から遠ざける。トリメチルガリウムの流れを15.5 SCCMで始め、2分間安定させます。その後、約400ナノメートルの窒化ガリウムを基質に成長させる。窒化ガリウムの核化中に反射率の初期減少が観察される。窒化ガリウム島が合体すると、反射率は元のレベルに回復します。窒化ガリウムの厚さが400ナノメートルになったら、成長を中断することなく、2分間で基板温度を1、124°Cに下げます。高温半絶縁窒化ガリウム層の約2.5ナノメートルを成長させます。次いで、トリメチルガリウムが反応器から離れて流れ、成長を停止させる。新しく形成された窒化ガリウムテンプレートを室温まで冷却し、反応器からアンロードします。次に、テンプレートを 6 つの等しいサイズの部分にスライスします。ヒュームフードで、ホットプレートを摂氏220度に加熱し、脱イオン水中に濃縮塩酸を1対1の体積混合物で200ミリリットル調製します。次に、300ミリリットルの石英ビーカーに150ミリリットルの濃縮塩酸を入れる。50ミリリットルの濃縮硝酸をゆっくりと加え、水レゴア溶液を得る。溶液がオレンジレッドとバブリーになるまでホットプレートにアクアレジア溶液を加熱します。その後、ポリテトラフルオロエチレンバスケットに1つの窒化ガリウムテンプレートピースを入れ、アクアレジアで10分間沸騰させます。流れる脱イオン水で3分間テンプレートをすすいでください。その後、テンプレートを塩酸溶液に3分間浸します。流れる脱イオン水でテンプレートを再びリンスし、窒素ガスで乾燥させます。5分以内に、クリーンテンプレートを2-6分子ビームエピタキシー機器のロードロックにロードし、ポンピングを開始します。クリーンな窒化ガリウムテンプレートでロードロックを1時間ポンピングした後、亜鉛マグネシウムとベリリウムの流出細胞を準備します。反射高エネルギー電子回折システムをオンにし、テンプレートを MBE にロードします。次に、基板を1分あたり摂氏13.6度で615°Cにランプし、その温度で15分間保持して残留汚染物質を脱離します。その後、基板を摂氏280度まで下げ始めます。基板が摂氏550度に達したら、亜鉛セルシャッターを開けて、窒化ガリウム表面を亜鉛フラックスに露出させます。酸素プラズマ電源をオンにし、電力を100ワットに設定し、酸素ガスラインが閉じていることを確認します。基板が摂氏280度に達したら、酸素プラズマの電力を400ワットに設定します。酸素の流れを0.3 SCCMに設定してプラズマに点火し、0.25 SCCMに減らします。1分間待ってから酸素シャッターを開けて、低温酸化亜鉛バッファー層の成長を開始します。成長中に5分ごとに1つの負の1ゼロの方位角方向に沿って読み取りパターンを記録します。約15分後、読み取りパターンは2Dモードから3Dモードに変わり、約20ナノメートルのバッファ厚さを示します。亜鉛と酸素シャッターを閉じて成長を止めてください。その後、酸素流量を0.4SCCMに上げる。1分間に13.6°Cで基板を摂氏730度にランプスタート。ダブルゾーン亜鉛セルの低ゾーン温度を1分10度で摂氏345度に下げます。基板が摂氏730度に達したら5分間待ってから、読み取りで酸化亜鉛表面のモニタリングを開始します。2D モードに変更すると、バッファ レイヤはアニールされています。基板を680°Cに冷却します。その後、酸素流量を3.2SCCMに上げ、亜鉛と酸素シャッターを開けて300ナノメートルの厚さ、高温の酸化亜鉛層を成長させます。その後、酸素の流量を0.3 SCCMに設定します。ベリリウムセルを1分10度で摂氏820度に、マグネシウムセルを毎分摂氏15度で摂氏510度にランプします。1分間に13.6°Cで325°Cまで基板を冷却します。基板温度が安定したら、酸素の流量を1.25 SCCMに徐々に上げます。次いで、亜鉛、マグネシウム、ベリリウム、および酸素シャッターを同時に開いて、酸化亜鉛ベリリウムバリア成長を開始する。12分間にわたって約30ナノメートルの厚さの酸化ベリリウムマグネシウム亜鉛を成長させます。拡張モードの進化を監視するために、読み取りパターンを定期的に取得します。そして、最終読み取りパターンを取得し、マグネシウムとベリリウムシャッターを閉じて、酸化亜鉛ベリリウムの成長を終わらせる。亜鉛と酸素のシャッターをあと1分間開いたままにして、約2ナノメートルの厚さの酸化亜鉛キャップ層を成長させます。ダイオードの製造を開始するには、酸化亜鉛ベリリウム酸化亜鉛の酸化亜鉛のサンプルをアセトンおよびメタノールで5分間連続して超音波処理します。サンプルを脱イオン水で5分間リンスし、窒素ガスの流れの下で乾燥させます。次いで、i線陽性フォトレジストで試料をスピンコートする。フォトレジストを摂氏100度で140秒間ソフトベークします。サンプルをマスクし、6.5ワットのUVランプに2.38分間曝します。フォトレジストを摂氏110度で80秒間ポストベークします。次に、フォトレジスト現像器でサンプルを1ヘルツの振れ周波数で60秒間振る。開発したサンプルを脱イオン水で3分間リンスし、窒素ガスで乾燥させます。次に、50ワットのRF電力で35 SCCMの酸素流を持つ遠隔酸素プラズマで5分間サンプルを処理します。最後に、試料を電子ビームエバポレーターに積み込み、50ナノメートルの銀を堆積させます。アセトンを持ち上げて接点を形成し、メタノール、水、窒素ガスでサンプルを洗浄して乾燥させます。低温酸化亜鉛バッファー層の読み取りパターンは、当初、楕円の斑点を示し、3D島の成長モードを示す。摂氏700度以上でアニーリングすると、2D表面形態が生じる。後続のレイヤーは両方とも 2D モードで成長しました。原子間力顕微鏡は、各層での二乗平均の粗さの小さな増加を示した。X線回折は、酸化亜鉛、窒化ガリウム、およびベリリウムマグネシウム酸化亜鉛の0002反射と一致する反射を示した。酸化ベリリウム酸化マグネシウム反射の広がりは、その層の薄さに起因していた。ヘテロ構造の全効果測定は、温度の低下に伴うシートキャリア濃度の低下を示し、約13ケルビンの飽和度を有した。電子移動度は温度低下に伴って単調に増加した。293ケルビンおよび13ケルビンでの観察値は、文献値と一致していた。これらの傾向は、ベリリウム酸化亜鉛亜鉛界面における2次元電子ガスの存在を示している。銀ベリリウム酸化亜鉛酸化亜鉛ダイオードの室温での電流密度電圧曲線は、0.25ボルトまでの加圧順電圧で指数関数的に上昇するゲート電流を示し、その後、直列抵抗を越えて電圧降下が明らかになった。曲線間の類似性は、サンプルのハイ・イン・ウェハ均一性を示した。最も高い見かけショットキーバリア高さは、理想度係数1.22で観察された。この方法は、窒化ガリウムガリウムテンプレート上の酸化亜鉛の表面極性を正確に制御するために組合にとって重要であるため、極性制御の失敗は、二次元電子ガスのないヘテロ構造をもたらす。単一部位核形成中に全セクタ比を1.5以下に維持することで、単一部位ベースのヘテロ構造が亜鉛極性配向を有することを保証します。この手順を試みている間、慎重にサンプル表面をきれいにする慎重にブリリウム酸化亜鉛酸化亜鉛の鋳型のテンプレート上の酸化亜鉛亜鉛の構造を成長させる前に、ヘテロ構造上のショットキー接点を製造する前に。この手順に従って、RTMやXPSのような他の方法を使用して、ナノスケールレベルでの単一サイトのシルバーインターフェイスの性質に関する洞察を得ることができます。我々は、酸化亜鉛銀界面における導電性酸化銀の形成が安定なショットキー接触をもたらすと仮定する。したがって、このアプローチは、単一サイト上の高量安定したショットキー接触に向けて道を開きます。これは、H相光検出器や化学およびバイオセンサーを含むショットキー接触に依存するデバイスに影響を与えます。強い溶媒とベリリウム含有化合物は非常に危険なことができます忘れないでください。この手順では、常に化学保護具、マスク、手袋を着用する必要があります。MB成長のためにサンプルをロードおよびアンロードするときは、ダストマスクを着用してください。しかし、MB系で蒸発したベリリウムの総量は数十マイクログラムであり、そのほとんどはベリリウム不良亜鉛ベリリウム酸化物の形でチャンバー壁に埋もれている。

fabrication-schottky-diodes-on-zn-polar-bemgznozno-heterostructure

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JoVE Journal

Engineering

工学

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作製と Van Der waals 力ヘテロエピタキシーに基づくフレキシブル強誘電性要素の測定法

シリコン上に半円筒空隙を有するゲルマニウムエピタキシャル層におけるねじ切り転位(TD)密度の低減について、理論計算と実験的検証が提案されています。像力によるTDと表面の相互作用に基づく計算、TD測定、TDの透過型電子顕微鏡観察を示します。...

シリコン上に半円筒空隙を有するゲルマニウムエピタキシャル層の転位低減に関する理論計算と実験的検証

本稿では、窒素源および光学成長モニタリングとしてN2ガスを用いる血漿支援分子ビームエピタキシーによるMgO基板上のMg3N2及びZn3N2のエピタキシャルフィルムの増殖について述べた。...

Mg3 N2およびZn3N2薄膜の血漿支援分子ビームエピタキシー成長

シンクロトロンで調整可能な真空紫外光イオン化質量分析装置に結合された分子線は孤立気相分子·クラスターの電子構造を探索するのに便利なツールを提供します。...

波長可変真空紫外（VUV）放射光を用いた分子線質量分析

学ぶプラズマ援用分子線エピタキシー法によるZn極性ZnO/BeMgZnOへテロ構造のショットキーダイオード作製。高周波高出力電子デバイスのゲート制御に貢献する。

プラズマ援用分子線エピタキシー法により成長した Zn 極性 ZnO/BeMgZnO へテロ構造をショットキーダイオードの作製

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プラズマ援用分子線エピタキシー法により成長した Zn 極性 ZnO/BeMgZnO へテロ構造をショットキー ダイオードの作製

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