Artykuł metodologiczny

Wytwarzanie diod Schottky'ego na zn-polarnej heterostrukturze BeMgZnO/ZnO wyhodowanej metodą epitaksji molekularnej wspomaganej plazmą

10K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/58113

⸱

23 października 2018

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

W tym artykule

Podsumowanie

Osiągnięcie wysokiej jakości styków Schottky'ego jest niezbędne do osiągnięcia efektywnej modulacji bramki w tranzystorach polowych o heterostrukturze (HFET). Przedstawiono metodologię wytwarzania i charakterystykę diod Schottky'ego na zn-polarnych heterostrukturach BeMgZnO/ZnO z dwuwymiarowym gazem elektronowym o dużej gęstości (2DEG), hodowanymi metodą epitaksji wiązki molekularnej wspomaganej plazmą na matrycach GaN.

Streszczenie

Tranzystory polowe (HFET) wykorzystujące dwuwymiarowy kanał gazu elektronowego (2DEG) mają duży potencjał do zastosowań w urządzeniach o dużej prędkości. Tlenek (ZnO), półprzewodnik o szerokim paśmie wzbronionym (3,4 eV) i wysokiej prędkości nasycenia elektronów, zyskał dużą uwagę jako atrakcyjny materiał dla urządzeń o dużej prędkości. Wydajna modulacja bramki wymaga jednak wysokiej jakości styków Schottky'ego na warstwie barierowej. W tym artykule przedstawiamy naszą procedurę wytwarzania diody Schottky'ego na zn-polarnej heterostrukturze BeMgZnO/ZnO o wysokiej gęstości 2DEG, którą uzyskuje się poprzez modulację odkształcenia i włączenie kilku procent Be do bariery opartej na MgZnO podczas wzrostu przez epitaksję wiązki molekularnej (MBE). Aby osiągnąć wysoką jakość krystaliczną, jako podłoże do późniejszego wzrostu warstw tlenkowych warstw tlenkowych stosuje się niemal dopasowane do sieci matryce GaN o wysokiej rezystywności wyhodowane metodą metaloorganicznego chemicznego osadzania z fazy gazowej (MOCVD). Aby uzyskać wymaganą polarność Zn, stosuje się staranną obróbkę powierzchniową matryc GaN i kontrolę stosunku VI/II podczas wzrostu niskotemperaturowej warstwy zarodkowania ZnO. Elektrody Ti/Au służą jako styki omowe, a elektrody Ag osadzone na wstępnie obrobionej plazmie O2 powierzchni BeMgZnO są używane do styków Schottky'ego.

Wprowadzenie

Tranzystory polowe o heterostrukturze (HFET) oparte na dwuwymiarowym gazie elektronowym (2DEG) mają obiecujący potencjał do zastosowań w szybkich urządzeniach elektronicznych1,2,3. Tlenek (ZnO) jako półprzewodnik o szerokim paśmie wzbronionym (3,4 eV) o wysokiej prędkości nasycenia elektronami zyskał znaczną uwagę jako platforma dla HFET4,5. Konwencjonalnie stosowany materiał barierowy MgZnO trójskładnikowy wymaga bardzo wysokiej zawartości Mg (>40%) uprawianej w niskich temperaturach podłoża (300 °C lub niższych)6,7, i jako takie struktury te są podatne na degradację podczas operacji o dużej mocy i podczas obróbki termicznej, nawet jeśli niepożądana gęstość ładunku w barierze jest wystarczająco niska, aby można było modulować bramkę. Aby obejść tę przeszkodę, zaproponowaliśmy i przyjęliśmy BeMgZnO jako barierę, w której znak odkształcenia w barierze może być przełączany z ściskającego na rozciągający poprzez włączenie berylu (Be), dzięki czemu polaryzacja spontaniczna i piezoelektryczna są addytywne. W rezultacie można osiągnąć wysokie stężenie 2DEG przy stosunkowo umiarkowanej zawartości Mg. Wykorzystując to podejście, wysokie gęstości 2DEG obserwuje się w pobliżu rezonansu fononowego plazmon-LO (~7×1012 cm-2) w heterostrukturach BeMgZnO/ZnO, podczas gdy zawartość Mg poniżej wynosi 30%, a zawartość Be tylko na poziomie 2~3%8.

Ze względu na podobną symetrię kryształów, przezroczystość UV i światła widzialnego, solidne właściwości fizyczne i chemiczne oraz niski koszt, szafir płaski c jest szeroko stosowany do epitaksji zarówno GaN, jak i ZnO. Dzięki niezwykłemu postępowi osiągniętemu w technologii wzrostu urządzeń elektronicznych i optoelektronicznych opartych na GaN na saphhire, wysokiej jakości szablony GaN mogą być łatwo wytwarzane na podłożach szafirowych przy użyciu AlN lub niskotemperaturowego (LT) bufora GaN, pomimo dużego niedopasowania sieci wynoszącego 16% z sapphire9. Epitaksjalny wzrost ZnO, który ma jeszcze większe niedopasowanie sieci w płaszczyźnie wynoszące 18% z szafirem, jest stosunkowo dobrze poznany dla odmiany O-polarnej, podczas gdy wzrost materiału Zn-polarnego w trybie dwuwymiarowym nie jest dobrze ustalony. Ze względu na umiarkowane niedopasowanie sieci wynoszące 1,8%, epitaksja ZnO na GaN jest atrakcyjną alternatywą.

Zarówno MOCVD, jak i MBE są najbardziej skutecznymi technikami osadzania półprzewodników do wytwarzania wysokiej jakości cienkich warstw i heterostruktur o wysokiej powtarzalności. Głównym powodem, dla którego MBE jest mniej popularny niż MOCVD w epitaksji GaN, jest koszt i nieadekwatność do masowej produkcji. Tempo wzrostu GaN przez MOCVD może wynosić kilka mikrometrów na godzinę, a dziesiątki wafli o średnicy 2 cali (50 mm) lub tych o wielkości 6-8 cali można wyhodować w jednym przebiegu9. W tym przypadku również przyjmujemy MOCVD do wzrostu GaN w naszym badaniu. Jednak w związku z rozwojem heterostruktur opartych na ZnO, MBE realizuje obecnie więcej raportów na temat powstania 2DEG przed komercjalizacją potencjalnych zastosowań10,11,12. Ostatnio opracowaliśmy wzrost MBE wysokiej jakości heterostruktur ZnO z dokładną kontrolą polarności powierzchni na szablonach Ga-polar GaN13. Stwierdzono, że przy traktowaniu Zn przed ekspozycją, warstwy ZnO wyhodowane w ten sposób wykazywały polarność Zn przy zarodkowaniu z niskimi stosunkami VI/II (<1,5), podczas gdy te zarodkowane ze stosunkami VI/II powyżej 1,5 wykazywały polarność O. Aby uniknąć równoległego kanału przewodzenia przez matryce GaN, zastosowaliśmy półizolacyjny GaN MOCVD z kompensacją węglową hodowany w warunkach niskiego ciśnienia na buforze AlN w celu późniejszego wzrostu struktur HFET na bazie ZnO.

Przed rozpoczęciem naszej pracy14, nie było żadnych doniesień na temat badań diod Schottky'ego na heterostrukturach BeMgZnO/ZnO. Tylko kilka badań doniosło o kontaktach Schottky'ego z MgZnO15,16, np. ze współczynnikiem idealności 2,37, wysokością bariery 0,73 eV i współczynnikiem rektyfikacji wynoszącym tylko 103 15. Różne metale Schottky'ego zostały użyte do ZnO17, a wśród nich srebro (Ag) zostało szeroko przyjęte, ze względu na stosunkowo wysoką wysokość bariery Schottky'ego wynoszącą 1,11 eV na masowym ZnO ze współczynnikiem idealności 1,08 18.

W tej pracy staramy się wyprodukować wysokiej jakości diody Schottky'ego do zastosowań w szybkich urządzeniach HFET opartych na ZnO. Poniższy protokół ma zastosowanie w szczególności do wytwarzania diod Schottky'ego Ag/BeMgZnO/ZnO przez odparowanie wiązką elektroniczną Ag na heterostrukturach BeMgZnO/ZnO wyhodowanych przez wspomagane plazmą MBE na matrycach GaN osadzonych w MOCVD.

Protokół

1. Wzrost i przygotowanie szablonu GaN do wzrostu MBE

  1. Wzrost półizolacyjnej matrycy GaN firmy MOCVD
    1. Upewnij się, że zasuwa izolująca komorę blokady obciążenia od reaktora jest zamknięta. Odpowietrzyć blokadę obciążenia za pomocą N2 do ciśnienia atmosferycznego. Otwórz blokadę obciążenia, aby wyjąć uchwyt podłoża.
    2. Załaduj 2-calowe szafirowe podłoże na uchwyt, a następnie umieść uchwyt z powrotem w blokadzie załadunku. Obniż ciśnienie blokady obciążenia do 2,5×10-2 Torr za pomocą mechanicznej pompy suchej.
    3. Odpowietrzyć blokadę obciążenia za pomocą N2, aby wyrównać jej ciśnienie z ciśnieniem w komorze reaktora (15 Torr).
    4. Otwórz zasuwę odcinającą blokadę obciążenia i załaduj uchwyt do zespołu uchwytu próbki w reaktorze. Włącz silnik obrotowy i ustaw prędkość obrotową uchwytu podłoża na 100 obr./min. Następnie zamknij zasuwę.
    5. Upewnij się, że woda chłodząca jest uruchomiona, zarówno zasilanieH2, jak i NH3 jest wystarczające, odczyty regulatora przepływu masowego (MFC) i regulatora ciśnienia (PC) są takie same jak wartości zadane, a uchwyt podłoża się obraca
      6. .
    6. Przełącz gaz systemowy z N2 na H2. Włącz optyczny monitor odbicia światła in situ.
    7. Zainicjuj wzrost, uruchamiając plik receptury, który wstępnie instaluje wszystkie parametry wzrostu, w tym wzrost temperatury substratu, natężenie przepływu gazu i ciśnienie w reaktorze oraz przełączanie zaworów.
    8. Zwiększ ciśnienie w reaktorze do 30 Torr w ciągu 3 minut, a temperaturę podłoża do 1055 °C, aby desorbować resztki zanieczyszczeń z powierzchni podłoża przez 3 minuty w środowiskuH2.
    9. Obniżyć temperaturę podłoża do 941 °C w celu zarodkowania i wzrostu niskotemperaturowej warstwy buforowej AlN (LT).
    10. Ustabilizować przepływ trimetylogwinu (TMAl) jako 12 standardowych centymetrów sześciennych na minutę (sccm) i przepływ amoniaku (NH3) jako 7 sccm i temperaturę podłoża przez 3 min.
    11. Zainicjuj wzrost warstwy LT-AlN, przełączając TMAl z linii wentylacyjnej na linię biegową.
    12. Kontroluj grubość warstwy LT-AlN za pomocą niestandardowego systemu pomiaru współczynnika odbicia, który obejmuje diodę laserową 637 nm, fotodetektor p-i-n Si i oprogramowanie oparte na Labview. Określ tempo wzrostu z okresu oscylacji odbicia19,20. W wybranych próbkach wykorzystaj obrazy ze skaningowej mikroskopii elektronowej w przekroju poprzecznym i transmisyjnej mikroskopii elektronowej, aby potwierdzić dokładność monitorowania in situ.
    13. Utrzymuj wzrost przez 6 minut, aby osiągnąć grubość ~20 nm, a następnie zwiększ temperaturę podłoża do 1100 °C w ciągu 3 minut bez przerwy we wzroście i kontynuuj wzrost warstwy AlN do grubości 300 nm, zgodnie z rozwojem oscylacji odbicia optycznego in situ.
    14. Przełącz TMAl z biegu na odpowietrznik, a następnie na linię jałową, aby zatrzymać wzrost AlN. Ustabilizować przepływ trimetylagu (TMGa) na poziomie 15,5 sccm, zwiększyć przepływ NH3 do 7000 sccm i ustabilizować przez 1 minutę. Zwiększ ciśnienie w reaktorze do 76 Torr w ciągu 1 minuty. Zwiększyć temperaturę podłoża do 1107 °C w 1 minutę.
    15. Zarodkowanie i wyhodowanie warstwy odzysku GaN o grubości ~400 nm, jednocześnie monitorując ewolucję współczynnika odbicia. Początkowo współczynnik odbicia wykazuje gwałtowny spadek, gdy wyspy GaN zarodkują na powierzchni AlN, a następnie odzyskuje intensywność do pierwotnego poziomu odpowiadającego atomowo płaskiej powierzchni, gdy wyspy się łączą.
    16. Zwiększ temperaturę podłoża do 1124 °C w ciągu 2 minut. Wyhoduj wysokotemperaturową półizolacyjną warstwę GaN o grubości ~2,5 μm. Zatrzymaj wzrost, przełączając TMGa z biegu na odpowietrznik, a następnie na linię jałową.
    17. Podłoże schłodzić do temperatury pokojowej przez 40 minut.
    18. Zmniejsz ciśnienie w reaktorze do 15 Torr w ciągu 1,5 minuty.
    19. Usunąć substrat z reaktora, postępując zgodnie z procedurą odwrotną opisaną w krokach 1.1.1-1.1.4.
  2. Przygotowanie i załadunek matrycy GaN do reaktora MBE
    1. Pokrój 2-calowy szablon GaN na 6 równych kawałków w kształcie koła za pomocą rysika diamentowego.
    2. Przygotować roztwór kwasu wodnego królewskiego wewnątrz kwaśnego dygestorio, powoli dodając kwas azotowy (HNO3, 68,0-70,0 m/w%, 50 ml) do kwasu solnego (HCl, 36,5-38,0 w/w%, 150 mL) do zlewki kwarcowej.
    3. Umieść zlewkę do wody królewskiej na płycie grzejnej o temperaturze 220 °C.
    4. Po pojawieniu się pomarańczowo-czerwonego koloru i pęcherzyków gazu, namocz jedną matrycę GaN w kształcie ciasta w roztworze i gotuj ją przez 10 minut.
    5. Opłucz matrycę GaN pod bieżącą wodą dejonizowaną (DI) przez 3 minuty.
    6. Namoczyć matrycę GaN w roztworze HCl (36,5-38,0 m/w%):H2O (1:1) przez 3 minuty w celu usunięcia tlenku Ga.
    7. Opłucz matrycę GaN pod bieżącą wodą DI przez 5 minut.
    8. Osuszyć szablon gazemN2.
    9. Umieść oczyszczony szablon GaN na uchwycie Mo i natychmiast załaduj go do komory MBE load-lock.
    10. Rozpocznij pompowanie w dół zamka ładunkowego za pomocą mechanicznej pompy suchej.

2. MBE Wzrost heterostruktur BeMgZnO/ZnO

  1. Przygotowanie komórek efuzyjnych
    1. Po odpompowywaniu śluzy obciążeniowej przez 1 godzinę należy przystąpić do przygotowania komórek efuzyjnych Zn, Mg, Be. Ustawić temperaturę górnej strefy dwustrefowej ogniwa Zn na 525 °C z szybkością narastania 17 °C/min, odczekać 5 minut, a następnie obniżyć do 515 °C z szybkością narastania 5 °C/min. Ustaw temperaturę ogniwa Mg na 570 °C z szybkością narastania 15 °C/min, po osiągnięciu wartości zadanej, odczekaj 10 minut, a następnie zmniejsz temperaturę ogniwa Mg do 300 °C. Ustaw temperaturę ogniwa Be na 900 °C z szybkością narastania 10 °C/min, po osiągnięciu wartości zadanej, odczekaj 3 minuty, a następnie zmniejsz temperaturę ogniwa do 650 °C.
    2. Po 30 minutach ustaw dolną temperaturę strefy dwustrefowej celi Zn na 360 °C z szybkością narastania 10 °C/min.
    3. Po pompowaniu śluzy obciążeniowej przez 2 godziny, aby osiągnąć ciśnienie ~5×10-7 Torr, włącz system odbicia wysokoenergetycznej dyfrakcji elektronów (RHEED) i załaduj matrycę GaN do komory MBE.
    4. Dostosuj kąt matrycy GaN, obracając manipulator, aby monitorować ewolucję wzorca RHEED wzdłuż kierunku azymutalnego [1-100].
    5. Ustawić dolną temperaturę strefy dwustrefowej ogniwa Zn na 355 °C z szybkością narastania 10 °C/min.
  2. Kontrola polaryzacji ZnO na GaN i wzrost bufora LT-ZnO
    1. Zwiększyć temperaturę podłoża do 615 °C z szybkością narastania 13,6 °C/min, aby zdesorbować resztki zanieczyszczeń z powierzchni podłoża przez 15 minut.
    2. Obniż temperaturę podłoża z 615 do 280 °C z prędkością narastania 13,6 °C/min dla wzrostu LT-ZnO. Gdy temperatura osiągnie 550 °C, otwórz przesłonę ogniwa Zn, aby naświetlić powierzchnię matrycy GaN za pomocą strumienia Zn. Włącz zasilanie plazmowe O2, ustaw moc na 100 W i sprawdź, czy przewód gazowy O2 jest zamknięty.
    3. Gdy temperatura osiągnie 280 °C, ustaw moc plazmyO2 na 400 W, ustaw natężenie przepływuO2 na 0,3 sccm, aby zapalić plazmę, a następnie zmniejsz natężenie przepływuO2 do 0,25 sccm.
    4. Odczekaj 1 minutę, a następnie otwórz migawkę O2, aby rozpocząć wzrost warstwy buforowej LT-ZnO.
    5. Nagrywaj wzorzec RHEED co 5 minut. Po wzroście przez około 15 minut, co odpowiada grubości bufora ~20 nm, gdy wzór RHEED zmienia się z pasków (tryb 2D) na eliptyczne plamki (tryb 3D), zamknij zarówno przesłony Zn, jak iO2, aby zatrzymać wzrost.
    6. Ustawić natężenie przepływu O2 na 0,4 sccm i ustawić temperaturę podłoża na 730 °C z szybkością narastania 13,6 °C/min, aby wyżarzyć warstwę buforową LT-ZnO. Ustawić dolną temperaturę strefy dwustrefowej ogniwa Zn na 345 °C z szybkością narastania 10 °C/min dla wzrostu warstwy HT-ZnO.
    7. Gdy temperatura podłoża osiągnie wartość zadaną 730 °C, odczekaj 5 minut i sprawdź powierzchnię ZnO za pomocą RHEED. Gdy wzór RHEED przechodzi z 3D do 2D, należy przerwać wyżarzanie, obniżając temperaturę podłoża do 700 °C.
  3. Wzrost warstwy ZnO o wysokiej temperaturze
    1. Gdy temperatura podłoża osiągnie 700 °C i ustabilizuje się, zwiększ natężenie przepływuO2 do 3,2 sccm.
    2. Rozpocznij wzrost warstwy HT-ZnO, otwierając jednocześnie przesłony Zni O 2.
    3. Hoduj warstwę HT-ZnO przez ~140 min, aby osiągnąć grubość ~300 nm. Nagraj wzorce RHEED kilka razy podczas wzrostu, aby potwierdzić tryb wzrostu 2D.
    4. Zatrzymaj wzrost warstwy HT-ZnO, zamykając jednocześnie przesłony Zni O 2.
  4. Wzrost bariery BeMgZnO
    1. Ustawić natężenie przepływu O2 na 0,3 sccm, ustawić temperaturę ogniwa Be na 820 °C z szybkością narastania 10 °C/min, ustawić temperaturę ogniwa Mg na 510 °C z szybkością narastania 15 °C/min i ustawić temperaturę podłoża na 325 °C z szybkością narastania 13,6 °C/min dla wzrostu bariery BeMgZnO.
    2. Gdy temperatura podłoża ustabilizuje się, zwiększ natężenie przepływu O2 do 1,25 sccm i rozpocznij wzrost poprzez jednoczesne otwarcie żaluzji Zn, Mg, Be i O2.
    3. Warstwę barierową BeMgZnO należy hodować przez ~12 min, aby osiągnąć grubość ~30 nm. Rejestruj wzorce RHEED kilka razy podczas wzrostu, aby monitorować ewolucję trybu wzrostu.
    4. Zatrzymaj wzrost warstwy BeMgZnO, zamykając przesłonę Mg i Be, jednocześnie utrzymując otwartą migawkę Zn i O2 przez 1 minutę, aby uzyskać warstwę czapek ZnO o grubości ~2 nm.
    5. Zakończ wzrost, zamykając żaluzje Zn i O2.
    6. Zmniejsz temperaturę podłoża do temperatury czuwania 150 °C. Zmniejsz natężenie przepływuO2 do 0,25 sccm.
    7. Gdy temperatura podłoża spadnie poniżej 250 °C, zmniejsz moc plazmyO2 do 100 W, wyłącz zasilanie plazmyO2, zmniejsz natężenie przepływuO2 do 0, zamknij przewód gazowyO2 i schładzaj temperaturę ogniwa do stanu czuwania.
    8. Poczekaj, aż temperatura podłoża osiągnie temperaturę czuwania 150 °C, otwórz zasuwę komory wzrostu i rozładuj uchwyt wafla do komory załadunku.
    9. Odpowietrzyć komorę załadunku gazemN2 i wyjąć próbkę.

3. Charakterystyki

  1. Z grubsza zmierzyć grubość próbki za pomocą profilera krokowego, przez pokryty obszar na krawędzi próbki.
  2. Oceń grubość, odkształcenie i jakość strukturalną heterostruktury za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej o wysokiej rozdzielczości (HRXRD) (skany odbicia 2q-w (0002)).
  3. Pokrój próbkę na2 kwadratowe kawałki o średnicy 5×5 mm za pomocą rysika diamentowego. Zbadaj właściwości elektroniczne próbki za pomocą pomiarów efektu Halla zależnych od temperatury w geometrii van der Pauwa, z kropkami indu (In) jako elektrodami kontaktowymi.
  4. Sprawdź morfologię powierzchni za pomocą mikroskopii sił atomowych (AFM).

4. Produkcja diod Schottky'ego

  1. Wytwarzanie styków omowych na heterostrukturach BeMgZnO/ZnO
    1. Odtłuścić próbkę (o wielkości ~20×20 mm2) acetonem w myjce ultradźwiękowej przez 5 minut, następnie oczyścić metanolem w myjce ultradźwiękowej przez 5 minut, spłukiwać w wodzie DI przez 5 minut i wysuszyć N2.
    2. Fotorezystor wirujący z prędkością 1000 obr./min przez 3 s, a następnie 3000 obr./min przez 30 s.
    3. Miękkie pieczenie fotorezystu w temperaturze 100 °C przez 140 s.
    4. Naświetlaj światłem UV przez omową maskę kontaktową o mocy lampy UV 6,5 mW przez 2,38 minuty na wyrównywaczu maski fotolitograficznej.
    5. Piecz fotorezystor w temperaturze 110 °C przez 80 s.
    6. Rozwijaj się w wywoływaczu przez 60 s z częstotliwością wstrząsów 1/s.
    7. Płucz w wodzie DI przez 3 minuty i wysusz suszarką z N2.
    8. Załadować próbkę do parownika wykorzystującego wiązkę elektronów.
    9. Bez podgrzewania próbki należy osadzić Ti/Au o grubości 30/50 nm, mierzonej za pomocą monitora grubości kryształu kwarcu.
    10. Odśnieżenie w acetonie, następnie czyszczenie w metanolu przez 5 minut, płukanie w wodzie demineralizowanej przez 5 minut i suszenie suszarką zN2.
    11. Wyżarzanie styku za pomocą szybkiego wyżarzania termicznego (RTA) w temperaturze 300 °C przez 30 s.
    12. Sprawdź rezystancję styku za pomocą pomiaru modelu linii przejściowej (TLM)21.
  2. Wytwarzanie styków Schottky'ego na heterostrukturach BeMgZnO/ZnO
    1. Wykonaj kroki 4.1.1-4.1.7 dla fotolitografii kontaktu Schottky'ego.
    2. Powierzchnię próbki należy traktować zdalną plazmąO2 przez 5 minut przy przepływieO2 wynoszącym 35 sccm i mocy RF 50 W.
    3. Postępować zgodnie z krokami 4.1.8-4.1.10 w celu osadzania Ag o grubości 50 nm.
    4. Scharakteryzuj otrzymaną strukturę za pomocą pomiarów I-V dla diod Schottky'ego17.

Wyniki

Lewa kolumna Rysunku 1 przedstawia ewolucję obrazu RHEED zarejestrowanego w kierunku azymutalnym [1-10] podczas wzrostu MBE heterostruktury Be0.02Mg0.26ZnO/ZnO z warstwą HT-ZnO o grubości 30 nm i barierą Be0.02Mg0.26ZnO o grubości 30 nm. Prawa kolumna pokazuje reprezentatywne morfologie powierzchni na różnych etapach wzrostu (nie pochodzące z tej samej próbki). Jak wynika z pojawienia się kropkowanego obrazu RHEED, warstwa buforowa LT-ZnO charakteryzuje się trójwymiarowym (3D) trybem wzrostu wyspowego. Jej morfologia powierzchni została poprawiona poprzez wygrzewanie termiczne w temperaturze powyżej 70 °C. Wyraźnie widać, że powierzchnia przekształciła się z morfologii 3D w 2D. Następnie warstwa HT-ZnO kontynuuje wzrost w trybie 2D, po czym następuje wzrost 2D warstwy Be0.02Mg0.26ZnO bez tworzenia się drugiej fazy. Pomiary AFM wykazały, że szablon GaN posiada średnią kwadratową (RMS) chropowatość wynoszącą 0,28 nm dla skanu 5×5 μm2. Gładka powierzchnia o chropowatości RMS wynoszącej 0,35 nm została uzyskana dla warstwy HT-ZnO bez bariery poprzez wzrost w warunkach bogatych w tlen, natomiast chropowatość RMS wynosząca 0,45 nm została zaobserwowana po wzroście bariery BeMgZnO.

Na Rysunku 2 przedstawiono skan HRXRD trzechosiowy 2θ-ω dla typowej heterostruktury Be0.02Mg0.26ZnO/ZnO o polarności Zn, z warstwą HT-ZnO o grubości 30 nm oraz warstwą barierową Be0.02Mg0.26ZnO o grubości 50 nm. Refleksy przy 34,46 o, 34,54 o i 34,75 o odpowiadają odpowiednio refleksom (02) dla ZnO, GaN oraz Be0.02Mg0.26ZnO. Należy zauważyć, że poszerzenie refleksu od Be0.02Mg0.26ZnO wynika z małej grubości tej warstwy. Rozciągające naprężenie dwuosiowe w warstwie ZnO wskazuje na heterostrukturę o polarności Zn, co zostało zbadane w naszej poprzedniej pracy13. Zawartość Be i Mg w czwórniku BeMgZnO obliczono na podstawie kąta Bragga dla refleksu XRD (002) oraz energii emitowanych fotonów w widmie niskotemperaturowej fotoluminescencji (LT-PL) mierzonej w temperaturze 13 K (brak rysunku).

Rysunek 3 przedstawia wyniki pomiarów efektu Halla w zależności od temperatury dla heterostruktury Be0.02Mg0.26ZnO/ZnO. Powierzchniowe stężenie nośników spadło z 8,8×1012 cm-2 do 6,4×1012 cm-2 podczas chłodzenia próbki z temperatury pokojowej (293 K) do około 100 K. Przy dalszym chłodzeniu do 13 K powierzchniowe stężenie nośników nasyca się na poziomie 6,2×1012 cm-2. Wynik ten wskazuje, że obserwowany spadek stężenia elektronów wynika z wkładu równoległych kanałów przewodzenia, do których należą wadliwa warstwa nukleacyjna i warstwa HT-ZnO, a także ewentualnie bariera Be0.02Mg0.26ZnO. Taka tendencja była zgłaszana również dla heterostruktur MgZnO/ZnO10,2. Mobilność elektronów w heterostrukturze Be0.02Mg0.26ZnO/ZnO zwiększa się monotonicznie wraz ze spadkiem temperatury; zarówno mobilność w 293 K wynosząca 206 cm2/Vs, jak i mobilność w 13 K wynosząca 150 cm2/Vs są porównywalne z wartościami literaturowymi2,23. Ewolucja właściwości elektronicznych w funkcji temperatury wyraźnie wskazuje na obecność 2DEG na heterointerfejsie Be0.02Mg0.26ZnO/ZnO.

Rysunek 4 przedstawia krzywe prądowo-napięciowe (I-V) zmierzone w temperaturze pokojowej dla czterech reprezentatywnych diod Schottky’ego Ag/Be0.02Mg0.26ZnO/ZnO o powierzchni Schottky’ego 1,1×10-4 cm2 w obrębie jednego wafla. Prądy przewodzenia rosną wykładniczo wraz z przyłożonym napięciem do 0,25 V, powyżej którego stają się widoczne spadki napięcia na rezystancji szeregowej. Najwyższą wysokość bariery Schottky’ego Φap wynoszącą 1,07 eV uzyskano przy współczynniku idealności n równym 1,2. Współczynniki prostownictwa rzędu około 1×108 osiągnięto, wykorzystując wartości prądu zmierzone przy V=±2 V.

Analiza powierzchni cienkich warstw; wartości RMS w nm; podłoże z GaN; warstwy ZnO; porównanie efektu wyżarzania.
Rysunek 1. Charakterystyka powierzchni. Lewa kolumna przedstawia wzory RHEED uzyskane wzdłuż kierunku azymutalnego [1-10] podczas wzrostu Be metodą MBE0.02Mg0.26heterostruktura ZnO/ZnO, a prawa kolumna przedstawia morfologię powierzchni matrycy GaN, warstwy HT-ZnO oraz Be0.02Mg0.26Warstwa ZnO zmierzona za pomocą AFM. Technologia bufora LT-ZnO umożliwia wzrost w trybie 2D wysokiej jakości heterostruktur ZnO na podłożach GaN o niskim niedopasowaniu sieciowym. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

Wykres XRD przedstawiający piki dyfrakcyjne dla GaN, ZnO, BeMgZnO; dane analizy krystalicznej.
Rycina 2. HRXRD heterostruktury. Trójosiowy skan 2θ-ω HRXRD typowej warstwy Be o polaryzacji Zn0.02Mg0.26heterostruktura ZnO/ZnO z warstwą Be o grubości 50 nm0.02Mg0.26warstwa barierowa ZnO. Refleksy przy 34,46 o, 34.54 o, oraz 34,75 Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. są zgodne z refleksami (002) ZnO, GaN i Be0.02Mg0.26odpowiednio ZnO. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Wykres ruchliwości elektronów w funkcji temperatury; koncentracja powierzchniowa, zmienność ruchliwości; badanie półprzewodników.
Rysunek 3. Właściwości elektroniczne heterostruktury. Zależności temperaturowe powierzchniowej gęstości nośników i ruchliwości elektronów w warstwie Be o polaryzacji Zn0.02Mg0.26heterostruktura ZnO/ZnO Aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury, kliknij tutaj.

Wykresy prądowo-napięciowe, pomiar gęstości prądu, charakterystyki J-V, analiza fotowoltaiczna.
Rycina 4. Diody Schottky’ego. Typowy I-V charakterystyka czterech reprezentatywnych Ag/Be0.02Mg0.26Diody Schottky'ego ZnO/ZnO mierzone w temperaturze pokojowej. Podobieństwo czterech krzywych I-V wskazuje na wysoką jednorodność próbki w obrębie wafla. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Dyskusja

Włączenie BeO do MgZnO w celu utworzenia czwartorzędowego BeMgZnO zapewnia możliwość dostrojenia zakresu i znaku odkształcenia w czwartorzędzie, a tym samym znacznie zwiększa gęstość 2DEG8. Reprezentatywne wyniki pokazują, że heterostruktura Be0,02Mg0,26ZnO/ZnO skutkuje gęstością 2DEG zbliżoną do pożądanej gęstości elektronów rezonansu plazmon-LO fononów (~7×1012 cm-2)24. Chociaż ruchliwość elektronów heterostruktury silnie zależy od parametrów wzrostu MBE, takich jak temperatura substratu i stosunek VI/II zarówno warstwy barierowej HT-ZnO, jak i warstwy barierowej BeMgZnO, gęstość 2DEG jest słabo zależna od warunków wzrostu i zależy głównie od zawartości Be i Mg w barierze.

Matryca GaN jest używana do wzrostu heterostruktur BeMgZnO/ZnO o wysokiej jakości krystalicznej ze względu na umiarkowane niedopasowanie sieci wynoszące 1,8% między GaN i ZnO, w porównaniu z dużym niedopasowaniem sieci wynoszącym 18% między szafirem a ZnO. Aby uniknąć przewodzącego kanału równoległego, bardzo ważne jest, aby mieć wysoką rezystancję w zakresie MΩ/kwadrat dla matrycy GaN. W naszym przypadku osiąga się to poprzez uprawę przy niskim ciśnieniu w komorze wynoszącym 76 Torr w celu zwiększenia kompensacji emisji dwutlenku węgla. Aby zapewnić kontrolę polarności w heterostrukturach BeMgZnO/ZnO (polarność Zn), niezbędna jest staranna obróbka powierzchni matrycy GaN. Jakiekolwiek utlenienie lub zanieczyszczenie wprowadzone podczas otrzymywania na powierzchni GaN indukowałoby polarność mieszanin Zn i O w heterostrukturach, nawet jeśli spełniony jest stosunek VI/II wyznacznika <1,5.

Każda reakcja chemiczna między metalem a półprzewodnikiem, obecność zanieczyszczeń powierzchniowych, stany, defekty w pobliżu powierzchni oraz dyfuzja metalu do półprzewodnika to częste problemy w dziedzinie wytwarzania styków Schottky'ego. W literaturze opisano różne metody przygotowania powierzchni ZnO do wytwarzania kontaktowego Schottky'ego. Wśród nich jest wytrawianie w HCl (lub innych kwasach), wytrawianie fizyczne za pomocą Ar+, czyszczenie ozonem UV, obróbka w plazmie H2O2 i O2 plazmie (lub mieszanina z He)25,26,27,28. Procedury trawienia mają na celu usunięcie warstwy powierzchniowej o grubości od kilku nanometrów do mikronów i dlatego nie mogą być stosowane w urządzeniach HFET. Procedura czyszczenia UV-Ozone lub plazmaO2 usuwa tylko warstwę powierzchniową. Dlatego doskonale nadaje się do przygotowania powierzchni naszych heterostruktur BeMgZnO/ZnO.

Zwykle styki Schottky'ego uzyskuje się poprzez osadzenie metalu o wysokiej funkcji pracy, takiego jak Pd, Pt, Ir, itp. Natomiast Ag ma niską funkcję pracy wynoszącą 4,26 eV. Mimo to urządzenia wykorzystujące elektrodę Ag mogą wykazywać zachowanie prostownicze dzięki tworzeniu warstwy międzyfazowej tlenku srebra spowodowanej częściowym utlenieniem Ag tlenem z matrycy ZnO. Utworzona w ten sposób warstwa tlenkowa jest przezroczysta dla elektronów i ma wyższą funkcję pracy w porównaniu do Ag. Raju i wsp. zgłosiły funkcje pracy około 5,5 eV dla AgO hodowanego przez impulsowe osadzanie laserowe (PLD), które jest o 1,3 eV wyższe niż Ag i zbliżone do charakterystyki Pd, Pt i Ir29. Nasze wyniki wskazują, że elektroda Ag (ze wstępną obróbką plazmowąO2 na powierzchni heterostruktury ZnO) jest obiecującym metalem kontaktowym do tworzenia diod Schottky'ego.

Zademonstrowaliśmy metodę wytwarzania wysokiej jakości styków Schottky'ego dla HFET opartych na ZnO. Matryca GaN wyhodowana w MOCVD ze starannym przygotowaniem powierzchni tuż przed wzrostem MBE i niskim stosunkiem VI/II <1,5 podczas zarodkowania ZnO zapewniają orientację Zn-polarną heterostruktur opartych na ZnO o wysokiej jakości. MOCVD jest szeroko stosowaną dojrzałą techniką epitaksji GaN do różnych zastosowań. Procedura MBE opisana w tej pracy wskazuje na łączność technik MOCVD i MBE oraz półprzewodników GaN i tlenkowych w urządzeniach elektronicznych. Włączenie niewielkiej ilości Be do warstwy barierowej BeMgZnO powoduje, że HFET mają wysoką gęstość 2 stopnie Celsjusza, wysoką ruchliwość elektronów i wysoką stabilność termiczną, co zapewnia lepszą wydajność przy dużych prędkościach.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca była wspierana przez Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych (AFOSR) w ramach grantu FA9550-12-1-0094.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
MOCVDEmcorezbudowane na zamówienie
MBESVT Associates
TMAlSAFCCAS: 75-24-1
TMGaSAFCCAS: 1445-79-0
NH3Grupa LindeCAS: 7664-41-7
H2National Welders Supply Co.nr części dostawcy 335-041klasa 5.0
O2National Welders Supply Co.Nr części dostawcy Tlen klasy przemysłowej OX 300butla wielkości 300, CGA-540
MgSigma-AldrichNr produktu: 474754-25GMAGNEZ, DESTYLOWANY, KAWAŁKI DENDRYTYCZNE, 99,998% NA BAZIE METALI
BądźESPI MetalsNr katalogowy K646bKawałki berylu, 3N
ZnAlfa Aesar, Thermo Fisher Scientific Chemicals Inc.Numer katalogowy: 10760-30Śrut cynkowy, 1-6 mm (0,04-0,24 cala), Puratronic, 99,9999%
AuKurt J. LeskerNr części EVMAUXX40GZłota kulka, 99,99%
AgKurt J. Leskerczęść nr. EVMAG40QXQSrebrne granulki, 99,99%
TiKurt J. Leskerczęść nr. EVMTI45QXQGranulki tytanu, 99,995%
DeweloperRohm and Haas electronic Materials LLCMF-CD-26Numer materiału 10018050
PhotoresistRohm and Haas electronic Materials LLCSPR 955Numer materiału 10018283
,

Bibliografia

  1. Morkoc, H., Solomon, P. M. The hemt: A superfast transistor: An experimental GaAs-AlGoAs device switches in picoseconds and generates little heat. This is just what supercomputers need. IEEE spectrum. 21 (2), 28-35 (1984).
  2. Aktas, O., et al. Microwave performance of AlGaN/GaN inverted MODFET's. IEEE Electron Device Letters. 18 (6), 293-295 (1997).
  3. Leach, J. H., et al. Effect of hot phonon lifetime on electron velocity in InAlN/AlN/GaN heterostructure field effect transistors on bulk GaN substrates. Applied Physics Letters. 96 (13), 133505(2010).
  4. Sasa, S., et al. Microwave performance of ZnO/ZnMgO heterostructure field effect transistors. Physica status solidi (a). 208 (2), 449-452 (2011).
  5. Ye, D., et al. Enhancement-mode ZnO/Mg0.5Zn0.5O HFET on Si. Journal of Physics D: Applied Physics. 47 (25), 255101(2014).
  6. Koike, K., et al. Molecular beam epitaxial growth of wide bandgap ZnMgO alloy films on (111)-oriented Si substrate toward UV-detector applications. Journal of Crystal Growth. 278 (1-4), 288-292 (2005).
  7. Du, X., et al. Controlled Growth of High-Quality ZnO-Based Films and Fabrication of Visible-Blind and Solar-Blind Ultra-Violet Detectors. Advanced Materials. 21 (45), 4625-4630 (2009).
  8. Ding, K., Ullah, M., Avrutin, V., Özgür, Ü, Morkoç, H. Investigation of high density two-dimensional electron gas in Zn-polar BeMgZnO/ZnO heterostructures. Applied Physics Letters. 111 (18), 182101(2017).
  9. Ding, K., Avrutin, V., Özgür, Ü, Morkoç, H. III-Nitride Light-Emitting Diodes. Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering. , 1-21 (2017).
  10. Tsukazaki, A., et al. Quantum Hall effect in polar oxide heterostructures. Science. 315 (5817), 1388-1391 (2007).
  11. Tsukazaki, A., et al. Observation of the fractional quantum Hall effect in an oxide. Nat Mater. 9 (11), 889-893 (2010).
  12. Falson, J., et al. MgZnO/ZnO heterostructures with electron mobility exceeding 1 x 10(6) cm(2)/Vs. Sci Rep. 6, 26598(2016).
  13. Ullah, M. B., et al. Polarity control and residual strain in ZnO epilayers grown by molecular beam epitaxy on (0001) GaN/sapphire. physica status solidi (RRL) Rapid Research Letters. 10 (9), 682-686 (2016).
  14. Ullah, M. B., et al. Characterization of Ag Schottky Barriers on Be0.02Mg0.26ZnO/ZnO Heterostructures. physica status solidi (RRL) - Rapid Research Letters. , (2017).
  15. Lee, J. H., et al. Schottky diodes prepared with Ag, Au, or Pd contacts on a MgZnO/ZnO heterostructure. Japanese Journal of Applied Physics. 51 (9S2), 09MF07(2012).
  16. Singh, R., et al. Investigation of barrier inhomogeneities and interface state density in Au/MgZnO: Ga Schottky contact. Journal of Physics D: Applied Physics. 49 (44), 445303(2016).
  17. Brillson, L. J., Lu, Y. ZnO Schottky barriers and Ohmic contacts. Journal of Applied Physics. 109 (12), 121301(2011).
  18. Müller, S., et al. Method of choice for fabrication of high-quality ZnO-based Schottky diodes. Journal of Applied Physics. 116 (19), 194506(1945).
  19. Figge, S., Böttcher, T., Einfeldt, S., Hommel, D. In situ and ex situ evaluation of the film coalescence for GaN growth on GaN nucleation layers. Journal of Crystal Growth. 221 (1-4), 262-266 (2000).
  20. Han, J., Ng, T. -B., Biefeld, R., Crawford, M., Follstaedt, D. The effect of H 2 on morphology evolution during GaN metalorganic chemical vapor deposition. Applied Physics Letters. 71 (21), 3114-3116 (1997).
  21. Berger, H. Models for contacts to planar devices. Solid-State Electronics. 15 (2), 145-158 (1972).
  22. Tampo, H., et al. Polarization-induced two-dimensional electron gases in ZnMgO/ZnO heterostructures. Applied Physics Letters. 93 (20), 202104(2008).
  23. Ye, J. D., et al. Two-dimensional electron gas in Zn-polar ZnMgO/ZnO heterostructure grown by metal-organic vapor phase epitaxy. Applied Physics Letters. 97 (11), 111908(2010).
  24. Šermukšnis, E., et al. Hot-electron energy relaxation time in Ga-doped ZnO films. Journal of Applied Physics. 117 (6), 065704(2015).
  25. Singh, C., Agarwal, G., Rao, G. D., Chaudhary, S., Singh, R. Effect of hydrogen peroxide treatment on the electrical characteristics of Au/ZnO epitaxial Schottky diode. Materials Science in Semiconductor Processing. 14 (1), 1-4 (2011).
  26. Mohanta, S., et al. Electrical characterization of Schottky contacts to n-MgZnO films. Thin Solid Films. 548, 539-545 (2013).
  27. Schifano, R., Monakhov, E., Grossner, U., Svensson, B. Electrical characteristics of palladium Schottky contacts to hydrogen peroxide treated hydrothermally grown ZnO. Applied Physics Letters. 91 (19), 193507(2007).
  28. Ip, K., et al. Improved Pt/Au and W/Pt/Au Schottky contacts on n-type ZnO using ozone cleaning. Applied Physics Letters. 84 (25), 5133-5135 (2004).
  29. Raju, N. R. C., Kumar, K. J., Subrahmanyam, A. Physical properties of silver oxide thin films by pulsed laser deposition: effect of oxygen pressure during growth. Journal of Physics D: Applied Physics. 42 (13), 135411(2009).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Heterostruktura BeMgZnO2DEG w ZnOMBE wspomagane plazmąszablon GaNkontakty omoweelektrody Agplazma tlenowanaparowanie wiązką elektronówfotolitografia
Wytwarzanie diod Schottky'ego na zn-polarnej heterostrukturze BeMgZnO/ZnO wyhodowanej metodą epitaksji molekularnej wspomaganej plazmą
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.