방법 논문

Zn-폴라 BeMgZnO/ZnO Heterostructure 플라즈마를 이용한 분자 빔 피 성장에 쇼트 키 다이오드 제작

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DOI:

10.3791/58113

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2018년 10월 23일

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Electrical and Computer Engineering, Virginia Commonwealth University

이 논문에서

요약

높은-품질 쇼트 키 접촉의 달성은 heterostructure 필드 효과 트랜지스터 (HFETs)에서 효율적인 게이트 변조를 달성 하기 위한 필수적입니다. 우리는 제조 방법론 및 GaN 템플릿에 플라즈마를 이용한 분자 빔 피 여 성장 고밀도 2 차원 전자 가스 (2DEG)와 Zn-폴라 BeMgZnO/ZnO heterostructures에 쇼트 키 다이오드 특성을 제시.

초록

Heterostructure 필드 효과 트랜지스터 (HFETs) 2 차원 전자 가스 (2DEG) 채널을 활용 하 여 고속 장치 응용 프로그램에 대 한 큰 잠재력이 있다. 산화 아연 (ZnO), 높은 전자 채도 속도와 넓은 갭 (3.4 eV) 반도체 고속 장치를 위한 매력적인 소재로 관심의 큰 거래를 얻고 있다. 그러나 효율적인 게이트 변조,, 방 벽 층에 높은-품질 쇼트 키 접촉을 요구 한다. 이 문서에서는, 현재 우리 긴장 변조 및 몇 %의 설립을 통해 달성 되는 고밀도 2DEG와 Zn-폴라 BeMgZnO/ZnO heterostructure에 우리의 쇼트 키 다이오드 제작 절차 수 MgZnO 기반 장벽으로 성장 하는 동안 분자 빔 피 (MBE) 높은 결정 질을 달성 하기 위해 거의 격자 일치 하는 높은 저항력 GaN 템플릿은 금속 유기 화학 기상 증 착 (MOCVD) 성장 산화물 층의 후속 MBE 성장에 대 한 기질으로 사용 됩니다. 필요한 Zn 극성 GaN의 주의 표면 처리를 템플릿 및 낮은 온도 ZnO nucleation 계층의 성장 동안 VI/II 비율 제어 활용 됩니다. Ti/Au 전극 저항 연락처 및 청소용된 BeMgZnO 표면 쇼트 키 접촉을 위해 사용 되는 O2 플라즈마에 Ag 전극으로 제공 합니다.

서론

Heterostructure 필드 효과 트랜지스터 (HFETs) 2 차원 전자 가스 (2DEG)에 따라 고속 전자 장치1,2,3응용 프로그램에 대 한 유망한 잠재력을 있다. 높은 전자 채도 속도와 넓은 갭 (3.4 eV) 반도체로 산화 아연 (ZnO) HFETs4,5에 대 한 플랫폼으로 상당한 관심을 얻고 있다. 통상 사용된 배리어 소재 MgZnO 삼항 필요로 매우 높은 Mg 함량 (> 40%) 낮은 기판 온도 (300 ° C 이하로)6,7, 그리고 같은 성장 이러한 구조는 높은 전력 작업에서 저하 하는 경향이 열 치료, 장벽에 원치 않는 충전 밀도 게이트 변조에 대 한 충분히 낮은 경우에 중. 이 장애물을 회피, 우리 제안 하 고 있는 장벽에 스트레인 로그인 전환 될 수 있다 압축에서 베릴륨 (수)의 설립을 통해 인장 하는 자발적인 만드는 방 벽 및 piezoelectricpolarizations에 BeMgZnO를 채택 수 첨가제. 그 결과, 상대적으로 온건한 Mg 콘텐츠로 높은 2DEG 농도 얻을 수 있습니다. 근처는 플라스몬 관찰은이 접근, 높은 2DEG 밀도 활용 하 여-LO phonon 공명 (~ 7 × 1012 cm-2) BeMgZnO/ZnO heterostructures Mg 콘텐츠 아래 동안에 30%와 될 콘텐츠는만 2 ~ 38.

유사한 크리스탈 대칭, UV 및 보이는 가벼운 투명도, 강력한 물리적, 화학적 속성 및 저렴 한 비용, c-면 사파이어는 널리 GaN 및 ZnO의 피에 대 한 사용 됩니다. 전자의 GaN 기반 성장 기술, 광전자 장치 saphhire에 달성 놀라운 진행 덕분에 고품질 GaN 템플릿 제작 하실 수 있습니다 쉽게 사파이어 기판에도 불구 하 고 낮은 온도 (LT) GaN 버퍼 또는 AlN을 사용 하 여 사파이어9와 16%의 그것의 큰 격자 불일치. 사파이어와 18%의 더 큰 비행기에 격자 불일치는, ZnO의 코피 성장 2 차원 모드에서 Zn 극 지 물자의 성장을 잘 설립 하지 동안 O-폴라 다양 한 비교적 잘 이해 된다. 1.8%의 적당 한 격자 일치 하지 않아 GaN, ZnO의 택시는 매력적인 대안 이다.

MOCVD 및 MBE 높은 재현성 높은-품질 박막 및 heterostructures를 날조를 위한 가장 성공적인 반도체 증 착 기술이 있습니다. MBE는 MOCVD GaN의 피에 대 한 보다 덜 인기 있는 주된 이유는 비용 및 대량 생산을 위한 무 능력입니다. Gan MOCVD로 성장 속도 시간당 몇 마이크로미터 및 2 인치 (50 밀리미터) 직경 웨이퍼 또는 큰 6-8"성장 될 수 있다 한 실행된9에 그의 수만 될 수 있습니다. 여기, 우리 또한 채택 MOCVD GaN의 성장에 대 한 우리의 연구에. 그러나 ZnO 기반 heterostructures의 성장에 대 한, 2DEG의 형성에 더 많은 보고서는 실현 MBE 잠재적인 응용 프로그램10,,1112의 상용화에 앞서 현 시점에서. 최근, 조지아-폴라 GaN 템플릿13에 표면 극성의 정확한 제어와 높은 품질 산화 아연 heterostructures의 MBE 성장을 개발 했습니다. 그것은 Zn 사전 노출 치료, ZnO 레이어 그래서 재배 전시 Zn-극성 낮은 6/II 비율 nucleated 때 발견 (< 1.5), VI/II 비율 1.5 위의 nucleated 그 O 극성을 전시 하는 동안. GaN 템플릿을 통해 병렬 전도 채널을 피하기 위해, 우리는 탄소를 채택 ZnO 기반 HFET 구조의 연속적인 성장 위한 AlN 버퍼에 저압 조건 하에서 성장 하는 세미 보 온 GaN MOCVD을 보상.

이전에 우리의 일14, 쇼트 키 다이오드 BeMgZnO/ZnO heterostructures에 조사 보고 되었습니다 합니다. 쇼트 키 MgZnO15,16, 예를 들어연락처에만 여러 연구 보고., 2.37의 한 관념 요소, 0.73 eV의 장벽 높이, 103 15의 정류 비율. 다양 한 쇼트 키 금속 ZnO17, 사용 되 고 있다 그리고 그들 가운데,은 (Ag) 널리 채택 되었습니다, 상대적으로 높은 쇼트 키 장벽 높이 1.11 eV의 대량 ZnO에 1.08 18求 인자 때문.

이 작품에서 우리는 ZnO 기반 고속 HFET 장치에 응용 프로그램에 대 한 높은-품질 쇼트 키 다이오드 제작을 목표로 합니다. 다음 프로토콜에 GaN MOCVD 입금 템플릿에 플라즈마 기반 MBE 성장 BeMgZnO/ZnO heterostructures Ag의 전자 빔 증발에 의해 Ag/BeMgZnO/ZnO 쇼트 키 다이오드 제조에 특히 적용 됩니다.

프로토콜

1. 성장과 MBE 성장 위한 GaN 서식 파일의 준비

  1. MOCVD에 의해 반 격리 GaN 템플릿의 성장
    1. 원자로에서 잠금 로드 챔버 격리 밸브는 닫을 확인 하십시오. N2 대기 압력 부하 잠금 환기. 로드 잠금 기판 홀더를 엽니다.
    2. 2 인치 사파이어 기판 소유자를 로드 하 고 다시 로드 잠금에 홀더를 배치. 로드 잠금 압력 2.5 × 10 아래로 내려 펌프 기계 건조 펌프-2 Torr.
    3. N2 반응 기 챔버 (15 Torr)에서 그의 압력을 맞춰야 부하 잠금 환기.
    4. 로드 잠금 절연 게이트 밸브 열고 원자로에서 샘플 홀더 어셈블리에 홀더를 로드 합니다. 회전 모터를 켜고 100 rpm의 기판 홀더 회전 속도 설정. 다음 게이트 밸브를 닫습니다.
    5. 냉각수, 두 H2 실행 및 컨트롤러 (MFC) 흐름 대량 NH3 공급이 충분 한, 및 압력 컨트롤러 (PC) 수치와 같습니다 설정값, 고 기판 홀더 회전 확인 하십시오.
    6. H2N2 에서 시스템 가스를 전환 합니다. 현장에서 광 반사율 모니터를 켭니다.
    7. 기판 온도, 가스 유량, 및 반응 기 압력, 램프 및 밸브의 전환 등 모든 성장 매개 변수를 사전 설치한 조리법 파일을 시작 하 여 성장을 시작 합니다.
    8. 3 분 30 Torr에 원자로 압력 및 기판 온도 1055 ° C H2 환경에서 3 분 기판 표면에서 잔여 오염 desorb ~를 진입로가
    9. 941 ° c nucleation 낮은 온도 (LT) AlN 버퍼 층의 성장을 위한 기판 온도 램프.
    10. 12 표준 입방 센티미터 (sccm) 분당으로 trimethylaluminum (TMAl) 흐름 및 암모니아 (NH3) 7 sccm으로 흐름과 3 분 기판 온도 안정화 합니다.
    11. 실행된 라인에 환 풍에서 TMAl를 전환 하 여 LT AlN 층의 성장을 시작 합니다.
    12. 637 nm 레이저 다이오드, p i n 시 매칭 및 Labview 기반 소프트웨어를 포함 하는 사용자 정의 반사도 측정 시스템을 사용 하 여 LT AlN 층의 두께 제어 합니다. 반사율 진동19,20의 기간에서 성장 속도 결정 합니다. 선택한 샘플에서 횡단면 스캐닝 전자 현미경 검사 법 그리고 전송 전자 현미경 이미지를 사용 하 여 현장에서 모니터링의 정확성을 확인 하.
    13. 6 분 ~ 20 nm, 다음 성장 중단 없이 3 분에 1100 ° C에 기판 온도 램프의 두께 도달 하 고 300의 두께에 AlN 층의 성장을 계속 성장을 계속 nm, s에는 의 진동의 진화에 의해 모니터링으로 itu 광 반사율.
    14. 환기 그리고 AlN 성장을 중지 유휴 라인 실행에서 TMAl를 전환 합니다. 15.5 sccm, NH3 흐름 7000 sccm 최대 진입로에서 trimethylgallium (TMGa) 유량을 안정화 하 고 1 분 1 분 1 분에 1107 ° C에 기판 온도를 램프에에서 76 하루를 원자로 압력을 램프에 대 한 안정.
    15. ~ 400의 두께와 GaN 복구 레이어 성장과 nucleate nm, 반사도 진화를 모니터링 하는 동안. 처음에 반사도 GaN AlN 표면에 핵 제도 섬 합체 하는 때에 해당 하는 원자적 평평한 표면 원래 단계로 강도 다음 복구 때 날카로운 감소를 전시 한다.
    16. 진입로가 2 분 성장 높은 온도 반 격리 GaN 층 두께가 ~2.5 m m.에서 1124 ° C에 기판 환기 그리고 유휴 라인 TMGa 실행에서 전환 하 여 성장을 중지 합니다.
    17. 40 분 동안 실내 온도에 기판 아래로 냉각 하십시오.
    18. 1.5 분 동안 15 하루에 원자로 압력 아래로 램프.
    19. 단계 1.1.1-1.1.4의 역방향 절차에 따라 원자로에서 기판을 언로 드.
  2. GaN 템플릿 준비 및 부하 MBE 반응 기를
    1. 다이아몬드 선 침을 사용 하 여 2 인치 GaN 템플릿 6 동등한 원형 조각으로 잘라.
    2. 석 영 비 커에 천천히 질소 산 (HNO3, 68.0 70.0 w/w%, 50 mL) 염 산 (HCl, 36.5-38.0 w/w%, 150 mL)에 추가 하 여 산 성 증기 두건 안쪽 아쿠아 레 지아 산 성 솔루션을 준비 합니다.
    3. 아쿠아 레 지아 비 커 220 ° c.의 온도 가진 뜨거운 접시에 넣어
    4. 오렌지/레드 색상과 가스 거품의 모양, 후 한 파이 모양의 GaN 템플릿 솔루션에 적시 게 하 고 10 분 동안 삶아.
    5. 3 분 드 이온된 (DI) 수를 실행에 GaN 템플릿 린스.
    6. 담가 GaN 템플릿 HCl (36.5-38.0 w/w%):H2O 솔루션 (1:1)가 산화 제거 3 분.
    7. GaN 템플릿을 실행 5 분 디 물에 헹 구 십시오.
    8. N2 가스 서식 파일 드라이.
    9. 모 홀더에 청소 GaN 템플릿을 넣고 즉시 MBE 잠금 로드 챔버에 로드.
    10. 기계 건조 펌프에 의해 부하 잠금 다운 펌핑 시작 합니다.

2. BeMgZnO/ZnO Heterostructures의 MBE 성장

  1. 토로 셀의 준비
    1. Zn, Mg, 준비 시작 후 1 시간에 대 한 부하 잠금 아래로 양수 유출 셀 수. 더블-존 Zn 셀의 위쪽 영역 온도 17 ° C/min의 램프 속도 525 ° C를 설정, 5 분 후 15 ° C/min의 램프 속도 세트 570 ° c 마그네슘 셀 온도 5 ° C/분의 램프 속도 515 ° c 램프에 대 한 대기 세트 포인트에 도달, 후 10 분 동안 기다린 후 300 ° c.까지 Mg 셀 진입로 설정 된 셀 온도 10 ° C/min의 램프 속도와 900 ° C에, 세트 포인트 도달 후 3 분 대기 후 650 ° c.까지 셀 진입로
    2. 30 분 후 10 ° C/min의 램프 속도와 360 ° c 더블 영역 Zn 세포의 저온 영역을 설정 합니다.
    3. ~ 5 × 10-7 Torr의 압력을 도달 하는 2 시간에 대 한 부하 잠금 내려 펌핑 후 반영 고 에너지 전자 회절 (RHEED) 시스템에 설정 하 고 MBE 챔버로 GaN 서식 파일을 로드.
    4. [1-100] 방위 방향 따라 RHEED 패턴 진화를 모니터링 조작 회전 하 여 GaN 템플릿의 각도 조정.
    5. 355 ° c에 10 ° C/min의 램프 속도와 더블 영역 Zn 세포의 낮은 영역 온도 설정 합니다.
  2. GaN와 LT ZnO 버퍼의 성장에 ZnO의 극성 제어
    1. 기판 온도 615 ° C 15 분 동안 기판 표면에서 잔여 오염 desorb를 13.6 ° C/min의 램프 속도 최대 진입로.
    2. 615에서 LT ZnO의 성장에 대 한 13.6 ° C/min의 램프 속도 280 ° C는 기판 온도 램프. 때 온도 550 ° C에 도달 하면, Zn 플럭스와 GaN 템플릿 표면 노출 Zn 셀 셔터를 엽니다. O2 플라즈마 전원 공급, 100 W, 그리고 O2 가스 라인 닫혔는지 확인 하는 검사로는 전원 설정.
    3. 온도 280 ° C에 도달 하면, 플라즈마 점화 후 0.25 sccm에 O2 유량을 줄일 0.3 sccm에 400 W, 유량 설정 O2 O2 플라즈마 전원 설정.
    4. 1 분 기다립니다 다음 LT ZnO 버퍼 층의 성장을 시작을 O2 셔터를 엽니다.
    5. RHEED 패턴 5 분 마다 기록 합니다. 약 15 분 ~ 20의 버퍼 두께 대 한 성장 후 nm, RHEED 패턴 타원형 반점 (3D 모드), 줄무늬 (2D 모드)에서 변경 될 때 성장을 중지 Zn과 O2 셔터를 닫습니다.
    6. 0.4 sccm에 O2 유량을 설정 하 고 기판 온도 13.6 ℃/분 anneal LT ZnO 버퍼 층의 램프 속도 730 ° C를 설정. HT-ZnO 층의 성장 위한 10 ° C/min의 램프 속도 345 ° c 더블 영역 Zn 세포의 낮은 영역 온도 설정 합니다.
    7. 기판 온도는 730 ° C의 세트 포인트에 도달 하면, 5 분 대기 하 고 RHEED에 의해 ZnO 표면 확인 합니다. RHEED 본 3D에서 2d를 전송 하는 경우 중지 700 ° c는 기판 온도 램프에 의해 어 닐 링
  3. 높은-온도 ZnO 층의 성장
    1. 기판 온도 700 ° C를 도달 하 고 안정화 때 3.2 sccm에 O2 유량 증가.
    2. Zn과 O2 셔터를 동시에 열어서 HT ZnO 층의 성장을 시작 합니다.
    3. HT-ZnO 레이어 ~ 140 분 ~ 300의 두께 도달 성장 nm. 2D 성장 모드를 확인 하려면 성장 동안 RHEED 패턴 여러 번을 기록 합니다.
    4. 동시에 Zn과 O2 셔터를 닫는 여 HT ZnO 층의 성장을 중지 합니다.
  4. BeMgZnO 방 벽의 성장
    1. 0.3 sccm O2 유량, 설정 된 셀 온도 10 ° C/min의 램프 속도 820 ℃, Mg 셀 온도 15 ° C/min의 램프 속도 510 ° C를 설정 되며 기판 온도 13.6 °의 램프 속도 325 ° C를 설정 C/BeMgZnO 방 벽의 성장에 대 한 민.
    2. 기판 온도 안정화, 1.25 sccm에 O2 유량을 증가 하 고 동시 Zn, Mg, 개방 하 여 성장을 시작 될, 및 O2 셔터.
    3. BeMgZnO 방 벽 층 ~ 12 분 ~ 30의 두께 도달 성장 nm. 레코드 RHEED 패턴 성장 성장 모드 진화를 모니터링 하는 동안 여러 번.
    4. Mg 여 BeMgZnO 층의 성장을 중지 하 고 셔터 수 Zn과 O2 를 유지 하면서 셔터 1 분 ~ 2 nm 두꺼운 ZnO 모자 레이어 오픈.
    5. Zn과 O2 셔터를 폐쇄 하 여 성장을 마칩니다.
    6. 기판 온도 대기 온도를 아래로 램프 150 ° c. 0.25 sccm에 O2 흐름 속도 감소.
    7. 기판 온도 250 ° C 미만이 면 100 W O2 플라즈마 전력 감소, O2 플라즈마 전원 공급 장치 해제, 0 O2 유량 감소, O2 가스 라인 닫고 대기로 셀 온도 아래로 냉각 조건입니다.
    8. 기판 온도 150 ° C의 대기 온도 도달, 성장 챔버 게이트 밸브를 열고 부하 자물쇠 약 실에 웨이퍼 홀더를 언로 드를 기다립니다.
    9. N2 가스 잠금 로드 챔버를 환기 하 고 샘플을 꺼내.

3입니다. characterizations

  1. 대략 샘플의 가장자리에 적용된 영역을 통해 단계 프로파일러를 사용 하 여 샘플의 두께 측정 합니다.
  2. 고해상도 x 선 회절 (HRXRD) ((0002) 반사의 2 분기 w 검사)를 사용 하 여 두께, 스트레인 및 구조는 heterostructure의 품질을 평가 합니다.
  3. 5 × 5 m m로 샘플을 절단2 정사각형 조각을 다이아몬드 선 침을 사용 하 여. 밴 der Pauw 형상을, (에서) 점 접촉 전극으로 인듐에 온도 종속 홀 효과 측정을 사용 하 여 샘플의 전자 속성을 조사 합니다.
  4. 원자 힘 현미경 (AFM)을 사용 하 여 표면 형태를 확인 합니다.

4입니다. 쇼트 키 다이오드 제작

  1. BeMgZnO/ZnO heterostructures에 저항 접촉의 제조
    1. 5 분, 5 분 동안 초음파 청소기에 메탄올과 청소, 5 분 디 물에 헹 구 고 건조 N2부 다음 초음파 청소기에 아세톤으로 샘플을 (~ 20 × 20 m m2 크기에서)를 탈지 하십시오.
    2. 3 s 1000 rpm와 30에 대 한 후 3000 rpm 코트 감광 스핀 s.
    3. 부드러운 빵을 140 대 100 ° C에서 감광 제 s.
    4. UV 저항 접촉을 통해 빛과 노출에 포토 리소 그래피 마스크 aligner 2.38 분 6.5 mW UV 램프 전력에서 마스크.
    5. 게시물 80 110 ° C에서 감광 제를 구워 s.
    6. 60에 대 한 개발자에서 개발 s 1/s의 진동 주파수와 함께.
    7. 3 분 및 타격 건조 N2와 디 물에 린스.
    8. 전자 빔 증발 기에는 샘플을 로드 합니다.
    9. 30/50의 두께가 Ti/Au 샘플, 난방 없이 입금 nm, 크리스털 두께 모니터에 의해 측정 된.
    10. 아세톤, 메탄올 5 분에 청소 뒤에 이륙 5 분 디 물에 헹 구 고 불고 N2와 함께 건조.
    11. 30 300 ° C에 급속 한 열 annealer (RTA)에 의해 접촉 anneal s.
    12. 전환 선 모델 (TLM) 측정21을 통해 접촉 저항을 확인 하십시오.
  2. Heterostructures BeMgZnO/ZnO에 쇼트 키 접촉의 제조
    1. 쇼트 키 접촉의 포토 리소 그래피에 대 한 단계 4.1.1-4.1.7을 따릅니다.
    2. 원격 O2 플라즈마는 O2 35 sccm의 흐름과 RF 전력 50 w.의 5 분에 대 한 샘플 표면 처리
    3. Ag의 증 착에 대 한 단계 4.1.8-4.1.10 50의 두께 따라 nm.
    4. 쇼트 키 다이오드17-V 측정에 의해 획득된 구조를 특징.

결과

그림 1 의 왼쪽된 열에 표시의 MBE 성장 하는 동안 [1-100] 방위 방향을 따라 기록 RHEED 본의 진화는0.02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure 300 nm 두꺼운 HT-ZnO 층과 30 수 nm 두께 수0.02 Mg0.26장벽을 ZnO. 오른쪽 열 (동일한 샘플)에서 다른 성장 단계에서 대표적인 표면 형태학을 보여줍니다. 드문드문 RHEED 본의 모습에서 입증, LT ZnO 버퍼 층의 3 차원 (3D) 섬 성장 모드 자연입니다. 그것의 표면 형태는 700 ° c.의 위 온도에 어 닐 링 열 처리에 의해 향상 되었습니다. 그것은 명확 하 게 표면 변형 3D에서 2D 형태를 볼 수 있다. 후속 HT-ZnO 레이어는 2D 모드에서 성장을 계속 하 고 두 번째 단계 형성 없이0.02Mg0.26ZnO 레이어 수의 2D 성장 뒤. AFM 측정 GaN 템플릿 0.28의 평균 제곱근 (RMS) 거칠기가 나타났습니다 5 × 5 μ m2 스캔에 대 한 nm. 0.35 nm 장벽 없이 HT-ZnO 레이어 O 풍부한 상태 및 0.45 nm BeMgZnO 방 벽의 성장 후 관찰의 RMS 거칠기에서 성장 하 여 획득은의 RMS 거칠기와 매끄러운 표면.

HRXRD 트리플-축 2θ-ω 검색 전형적인 Zn-극 수는 50와 300 nm 두꺼운 HT-ZnO 층,0.02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure nm 두꺼운 수0.02Mg0.26ZnO 배리어 층 그림 2에 표시 됩니다. 34.46 o, 34.54 o, 그리고 34.75 o 반사는 ZnO, GaN의 (0002) 반사와 일치 되며0.02Mg0.26ZnO, 각각. 유의 하십시오 그것의 얇음은0.02Mg0.26ZnO 수에서 반사의 확대. 우리의 이전 연구13조사 ZnO 레이어에서 biaxial 인장 스트레인 Zn 극 heterostructure의 표시입니다. 되며 BeMgZnO 비밀이에 Mg 내용을 13 K (표시 되지 않음)에서 측정 하는 LT photoluminescence (LT-PL) 스펙트럼에서의 XRD (0002) 반사와 방출 광자 에너지의 브래그 각도에서 계산 했다.

그림 3 은 온도 따른 홀 효과 측정에 대 한 결과0.02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure 수. 8.8 × 10에서 시트 캐리어 농도 감소 6.4 × 1012 cm-2 12 cm-2 때 샘플은 실내 온도 (293 K)에서 약 100 K.에 냉각 했다 추가 13 K로 냉각, 시트 캐리어 농도 포화 6.2 × 1012 cm-2. 이 매니페스트 전자 농도 있는 관찰 된 감소 결함 nucleation 레이어 및 HT-ZnO 레이어를 포함 하는 병렬 전도 채널에서 기부금에서 유래로0.02Mg0.26ZnO를 수 장벽, 있는 경우 했다입니다. 이 추세는 또한 MgZnO/ZnO heterostructures10,22에 대 한 보고 되었다. 전자 이동성에는 감소 하는 온도;0.02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure 일정 하 게 증가 될 모두는 293 K 206 cm2/Vs의 이동 성과 1550 cm2/Vs의 13 K 이동성 문학22,23에 값을 비교할 수 있습니다. 온도의 함수로 서 전자 속성의 진화는 명확 하 게에서 2DEG의 존재를 표시는0.02Mg0.26ZnO/ZnO heterointerface 수.

그림 4 는 전류-전압 (i-v) 곡선 4 명의 대표 Ag에 대 한 실 온에서 측정 /0.02Mg0.261.1 × 10의 쇼트 키 면적 ZnO/ZnO 쇼트 키 다이오드-4 cm2 한 웨이퍼 내. 순방향 전류 있는 전압 직렬 저항 명백 하 게 될 전체 상품 적용된 전압 0.25 V, 최대 기 하 급수적으로 증가. 가장 높은 쇼트 키 장벽 높이 Φ의ap 1.07 eV의 1.22의 관념 요소 n 달성 했다. 약 1 × 108 의 정류 비율 V에서 측정 하는 현재 값을 사용 하 여 달성 된다 = ± 2 V.

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그림 1입니다. 표면 특성. 왼쪽된 열에 RHEED 본의 MBE 성장 하는 동안 [1-100] 방위 방향 따라 표시는0.02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure, 수 그리고 오른쪽 열 GaN 템플릿, HT-ZnO 층의 표면 형태학을 선물 하 고 0.02Mg0.26ZnO 레이어 AFM으로 측정. LT-ZnO 버퍼 기술 낮은 격자 불일치 GaN 템플릿에 높은-품질 산화 아연 heterostructures의 2D 모드 성장 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

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그림 2입니다. heterostructure의 HRXRD. HRXRD 트리플-축 2θ-ω 전형적인 Zn-북극의 스캔0.02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure는 50 수 nm 두께0.02Mg0.26ZnO 배리어 층 수. 34.46 o, 34.54 o, 그리고 34.75 o 반사는 ZnO, GaN의 (0002) 반사와 일치 되며0.02Mg0.26ZnO, 각각. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

figure-results-3
그림 3입니다. 전자는 heterostructure의 속성입니다. Zn 극의 시트 캐리어 밀도 전자 이동성의 온도 의존0.02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure 수. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

figure-results-4
그림 4입니다. 쇼트 키 다이오드. 4 대표 Ag의 전형적인 i-v 특성 상 온에서0.02Mg0.26ZnO/ZnO 쇼트 키 다이오드 측정 /. 4-V 곡선의 샘플의 높은-웨이퍼 균일성을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

토론

제 사기 BeMgZnO를 MgZnO로 BeO의 설립 타당성 범위와는 비밀이에 긴장의 표시를 조정 하며 따라서 크게 2DEG 밀도8증가. 대표 결과 표시는 수0.02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure 결과 원하는 플라스몬 가까이 2DEG 밀도-LO phonon 공명 전자 밀도 (~ 7 × 1012 cm-2)24. heterostructure의 전자 이동성 강하게 MBE 성장 매개 변수 기판 온도 등 6/II HT-ZnO 및 BeMgZnO 배리어 층의 비율에 따라, 비록 2DEG 밀도 약하게 성장 조건에 의존 하는 고 에 의해 주로 결정은 수 및 장벽에 Mg 콘텐츠.

GaN 템플릿이 GaN 및 ZnO, 사파이어와 ZnO 간의 18%의 큰 격자 불일치에 비해 1.8%의 적당 한 격자 불일치 때문 높은 결정 질 BeMgZnO/ZnO heterostructures의 성장을 위해 사용 됩니다. 모든 전도성 병렬 채널을 피하기 위해, 그것이 GaN 서식 파일에 대 한 m ω/광장 범위에 높은 저항을가지고 중요 합니다. 우리의 경우,이 탄소 보상을 향상 시키기 위해 76 Torr의 낮은 약 실 압력에 성장 하 여 이루어집니다. BeMgZnO/ZnO heterostructures (Zn-극성)에 극성 제어를 보장 하기 위해, GaN 템플릿의 주의 표면 처리 없어서는 아니다. 어떤 산화 또는 오염의 GaN 표면에 준비 하는 동안 도입 heterostructures 결정 6/II 비율에서에서의 Zn과 O 믹스 극성을 유도 것 < 1.5 성취 된다.

금속, 반도체, 표면 오염 물질의 존재 사이 어떤 화학 반응 상태, 표면, 그리고 반도체에 금속 확산 주변 결함은 쇼트 키 제조의 분야에서 일반적인 문제 연락처입니다. 방법의 다양 한 쇼트 키 접촉 제조 ZnO의 표면 준비 하기 위한 문학에서 보고 되었습니다. 그들 가운데는 아칸소+, UV 오존 청소, H2O2와 O2 플라즈마 (또는 그 혼합물)에 치료와 함께 물리 HCl (또는 기타 산), 에칭 에칭25,,2627, 28. 에칭 절차는 몇 나노미터에서 미크론까지 두께와 표면 층의 제거를 위해 조 준 하 고 HFET 장치에 적용할 수 없습니다. UV 오존 청소 또는 O2 플라즈마 절차만 표면 레이어를 제거합니다. 따라서, 그것은 우리의 BeMgZnO/ZnO heterostructures의 표면 처리에 대 한 적합 합니다.

일반적으로 쇼트 키 접촉 등, Ir, Pt, Pd 등 높은 일 함수 금속을 입금 하 여 달성 된다. 대조적으로, Ag는 4.26 eV의 낮은 작업 기능이 있다. 그럼에도 불구 하 고, Ag 전극 활용 장치 ZnO 매트릭스에서 산소와 Ag의 부분 산화로 인해 발생 하는 인터페이스 실버 산화물 층의 대형 때문에 정류 동작을 표시할 수 있습니다. 그래서 형성 된 산화물 층 전자에 대 한 투명 하 고 높은 작업 기능이 Ag에 비해. Raju 외. 전 1.3 eV 보다 높은 Ag의 그리고 가까이 Pd, Pt, 및 Ir29의 특성은 펄스 레이저 증 착 (PLD), 성장에 대 한 작업 함수 약 5.5 eV를 보고 있다. 우리의 결과 Ag 전극 (O2 플라즈마 전처리 표면에 산화 아연 heterostructure)와 쇼트 키 다이오드의 형성을 위한 유망한 연락처 금속 나타냅니다.

우리 HFETs ZnO 기반에 대 한 고품질 쇼트 키 연락처를 조작 하는 방법을 설명 했다. MBE 성장과 낮은 6/II 비율 직전 주의 표면 준비 MOCVD 성장 GaN 템플릿 < ZnO nucleation 동안 1.5 보장 고품질 ZnO 기반 heterostructures의 Zn 극 방향. MOCVD는 다양 한 응용 프로그램에 대 한 GaN의 택시는 널리 사용 되는 성숙한 기술. 이 작품에서 설명 하는 MBE 절차는 MOCVD 및 MBE 기술과 전자 장치용 GaN 및 산화물 반도체의 combinability를 나타냅니다. 작은 금액의 향상 된 고속 성능에 대 한 높은 2DEG 밀도, 높은 전자 이동성 및 높은 열 안정성, HFETs에 BeMgZnO 방 벽 레이어 결과에 수.

공개 사항

저자는 공개 없다.

감사의 글

이 작품에 의해 공군 사무실의 과학적 연구 (AFOSR) 그랜트 FA9550-12-1-0094에서 지원 되었다.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
MOCVDEmcore맞춤형
MBESVT Associates
TMAlSAFCCAS: 75-24-1
TMGaSAFCCAS: 1445-79-0
NH3Linde 그룹CAS: 7664-41-7
H2National Welders Supply Co.공급 업체 부품 번호 : 335-041등급 5.0
O2National Welders Supply Co.공급 업체 부품 번호 OX 300산업용 산소 등급, 크기 300 실린더, CGA-540
mgSigma-Aldrich제품 번호: 474754-25G마그네슘, 증류, 수지상 조각, 99.998% 금속 기초
BeESPI 금속재고 번호 K646b베릴륨 조각, 3N
ZnAlfa Aesar, Thermo Fisher Scientific Chemicals Inc.제품 번호 : 10760-30아연 샷, 1-6mm (0.04-0.24in), Puratronic, 99.9999 %
AuKurt J. Lesker부품 번호. EVMAUXX40G골드 펠릿, 99.99%
Ag커트 J. Lesker부품 번호. EVMAG40QXQ실버 펠릿, 99.99%
Ti커트 J. Lesker부품 번호. EVMTI45QXQ티타늄 펠릿, 99.995%
개발자Rohm and Haas electronic Materials LLCMF-CD-26재료 번호 10018050
포토레지스트Rohm and Haas electronic Materials LLCSPR 955재료 번호 10018283

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