Name: Fabricação de diodos de Schottky na Zn-polar BeMgZnO/ZnO Heterostructure cultivadas por Epitaxia de feixe Molecular assistido por Plasma (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-10-23T13:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 16 s
Description: Aprenda a fabricar diodos de Schottky em heteroestruturas BeMgZnO/ZnO Zn-polar por epitaxia de feixe molecular assistida por plasma. Este método possibilita controle de tensão sobre corrente em transistores de alta frequência e alta potência.

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Este trabalho foi financiado pela força aérea escritório de científico pesquisa (AFOSR) sob Grant FA9550-12-1-0094.

1. crescimento e preparação de GaN modelo para crescimento de MBE
<ol><li>Crescimento do modelo de GaN semi isolante por MOCVD<ol>
<li>Certifique-se de que a válvula de portão isolando a câmara de carga-fechamento do reator é fechada. Ventilar a carga-fechamento com N2 a pressão atmosférica. Abra o bloqueio de carga para Retire o suporte do substrato.</li>
		<li>Carregar o substrato safira 2 polegadas no porta e em seguida, coloque o suporte para o bloqueio de carga. Bomba para baixo a pressão de carga-bloqueio até 2,5 × 10-2 Torr, por uma bomba mecânica e seca.</li>
		<li>Ventilar a carga-fechamento com N2 para equalizar sua pressão com que na câmara do reator (15 Torr).</li>
		<li>Abra a válvula de isolamento de carga-fechamento e carregar o titular para o conjunto do suporte de amostra no reator. Ligue o motor de rotação e definir a velocidade de rotação do substrato-titular de 100 rpm. Em seguida, feche a válvula.</li>
		<li>Certifique-se que a água de resfriamento está executando, ambos de H2 NH3 oferta é suficiente, massa fluxo controlador (MFC) e as leituras de pressão controlador (PC) são os mesmos que os setpoints e o titular do substrato estiver girando.</li>
		<li>Aquecer o gás do sistema de N2 H2. Ligue o monitor de reflectância óptica em situ .</li>
		<li>Inicie o crescimento iniciando o arquivo de receita, que pré-instala todos os parâmetros de crescimento, incluindo a subida de temperatura do substrato, taxas de fluxo de gás e pressão do reator e troca de válvulas.</li>
		<li>Rampa até a pressão do reator até 30 Torr em 3 min e a temperatura do substrato para o 1055 ° C desorb contaminações residuais da superfície do substrato por 3 min em ambiente de2 H.</li>
		<li>Rampa para baixo a temperatura do substrato de 941 ° C para a nucleação e o crescimento da camada de buffer de AlN (LT) de baixa temperatura.</li>
		<li>Estabilize o fluxo de trimethylaluminum (TMAl) como 12 centímetro cúbico padrão por minuto (sccm) e amônia (NH3) fluxo como sccm 7 e a temperatura do substrato por 3 min.</li>
		<li>Inicie o crescimento da camada LT-AlN passando TMAl de ventilação para a linha de execução.</li>
		<li>Controle a espessura da camada de LT-AlN usando um sistema de medição de refletividade custom-built, que inclui um díodo laser 637-nm, um p-i-n Si fotodetector e um software baseado em Labview. Determine a taxa de crescimento do período da refletividade oscilações19,20. Em amostras selecionadas, use imagens de microscopia eletrônica de varredura varredura transversais da microscopia eletrônica e transmissão para confirmar a exatidão de em situ monitoramento.</li>
		<li>Manter o crescimento para 6 min chegar a uma espessura de ~ 20 nm, em seguida, rampa até a temperatura do substrato a 1100 ° C em 3 min sem uma interrupção do crescimento e continuar o crescimento da AlN camada com uma espessura de 300 nm, como monitorado pela evolução da oscilação da em s ITU reflectância óptica.</li>
		<li>Interruptor TMAl de executar a ventilação e depois a linha ociosa para parar o crescimento de AlN. Estabilizar o fluxo de trimethylgallium (TMGa), no sccm 15,5, rampa até o fluxo do NH3 7000 sccm e estabilizar por 1 min. rampa acima da pressão de reator para 76 Torr em 1 min. rampa até a temperatura do substrato a 1107 ° C em 1 min.</li>
		<li>Nucleada e crescer uma camada de recuperação GaN com uma espessura de ~ 400 nm, enquanto monitora a evolução de refletividade. Inicialmente a refletividade apresenta uma diminuição abrupta quando GaN ilhas nucleada na superfície de AlN e então recupera a intensidade ao nível original correspondente a uma superfície atomicamente plana quando se aglutinam as ilhas.</li>
		<li>Rampa até o substrato 1124 ° c em 2 min. cresce a camada de GaN semi isolante de alta temperatura com uma espessura de ~2.5 mm. parar o crescimento, passando de TMGa executar a ventilação e depois a linha ociosa.</li>
		<li>Arrefecer o substrato a temperatura ambiente durante um período de 40 min.</li>
		<li>Rampa para baixo a pressão do reator para 15 Torr ao longo de um período de 1,5 min.</li>
		<li>Descarrega o substrato do reator, seguindo o procedimento inverso de passos 1.1.1-1.1.4.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Preparação do modelo de GaN e carregamento de reator MBE<ol>
<li>Corte o modelo de GaN de 2 polegadas em 6 partes iguais em forma de torta usando um scriber do diamante.</li>
		<li>Prepare água régia solução ácida dentro da coifa ácido adicionando ácido nítrico (HNO3, 70,0 68,0-w/w%, 50 mL) de ácido clorídrico (HCl, 36,5-38.0 w/w%, 150 mL) lentamente para um matraz de quartzo.</li>
		<li>Colocar o copo de água régia em uma chapa quente com uma temperatura de 220 ° C.</li>
		<li>Após o aparecimento de uma cor de laranja/vermelho e bolhas de gás, embeba um modelo em forma de torta de GaN na solução e ferva-a por 10 min.</li>
		<li>Lave o modelo GaN em marcha os água deionizada (DI) por 3 min.</li>
		<li>Mergulhe o modelo GaN em HCl (36,5-38.0 w/w%):H2O solução (1:1) por 3 min remover óxido de Ga.</li>
		<li>Lave o modelo GaN no DI água corrente por 5 min.</li>
		<li>Seque o modelo com gás de2 N.</li>
		<li>Colocar o modelo GaN limpo sobre um suporte de Mo e carregá-lo na câmara de carga-fechamento MBE imediatamente.</li>
		<li>Comece a bombear até o bloqueio de carga por uma bomba mecânica e seca.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. MBE crescimento de BeMgZnO/ZnO estende
<ol><li>Preparação das células efusão<ol>
<li>Após o bombeamento para o Bloquear de carga para 1 h, iniciar a preparação do Zn, Mg, ser células de efusão. Definir a temperatura da zona superior da célula de Zn-zona dupla para 525 ° C, com uma taxa de subida de 17 ° C/min, espere 5 min, em seguida, rampa até 515 ° C, com uma taxa de subida de 5 ° C/min. Set a temperatura da célula de Mg a 570 ° C com uma taxa de subida de 15 ° C/min , depois de atingir o set point, esperar por 10 min, em seguida, rampa a célula Mg até 300 ° C. Definir a temperatura da célula 900 ° C, com uma taxa de subida de 10 ° C/min, depois de atingir o set point, esperar 3 min depois rampa a célula até 650 ° C.</li>
		<li>Após 30 min, defina a temperatura de zona inferior da célula Zn Duplo-zona de 360 ° C, com uma taxa de subida de 10 ° C/min.</li>
		<li>Após o bombeamento para o Bloquear de carga para 2h chegar a uma pressão de ~ 5 × 10-7 Torr, ligue o sistema de difração (RHEED) de elétrons de alta energia de reflexão e carregar o modelo de GaN na câmara da MBE.</li>
		<li>Ajuste o ângulo do modelo GaN girando o manipulador para monitorar a evolução do padrão RHEED direção azimutal [1-100].</li>
		<li>Defina a temperatura de zona inferior da célula Zn Duplo-zona 355 ° c, com uma taxa de subida de 10 ° C/min.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Controle de polaridade de ZnO em GaN e crescimento do buffer LT-ZnO<ol>
<li>Rampa até a temperatura do substrato a 615 ° C, com uma taxa de subida de 13,6 ° C/min para desorb as contaminações residuais da superfície do substrato por 15 min.</li>
		<li>Rampa para baixo a temperatura do substrato de 615 280 ° c, com uma taxa de subida de 13,6 ° C/min para o crescimento da LT-ZnO. Quando a temperatura atinge 550 ° C, abra o obturador de célula Zn para expor a superfície do modelo de GaN com fluxo de Zn. Ligue a fonte de alimentação de plasma O2 , definir o poder como 100 W e dar uma olhada para verificar que a tubulação de gás O2 está fechada.</li>
		<li>Quando a temperatura atinge 280 ° C, como o poder de plasma O2 400 W, taxa de fluxo do conjunto o O2 para 0,3 sccm para inflamar o plasma, em seguida, diminuir a taxa de fluxo de2 O para sccm 0,25.</li>
		<li>Aguarde 1 min e, em seguida, abrir o obturador de2 O para iniciar o crescimento da camada de buffer LT-ZnO.</li>
		<li>Grave um padrão RHEED cada 5 min. Após ter crescido para cerca de 15 min, correspondente a uma espessura de tampão de ~ 20 nm, quando o padrão RHEED muda de listras (modo 2D) para manchas elípticas (modo 3D), fechar ambos Zn e O2 obturadores para parar o crescimento.</li>
		<li>Definir a taxa de fluxo de2 O de 0,4 sccm e regule a temperatura do substrato a 730 ° C, com uma taxa de subida de 13,6 ° C/min para recozer a camada de buffer LT-ZnO. Defina a temperatura mais baixa da zona da célula Zn Duplo-zona de 345 ° C, com uma taxa de subida de 10 ° C/min para o crescimento da camada de ZnO-HT.</li>
		<li>Quando a temperatura do substrato atinge o set-point de 730 ° C, espere 5 min e verifique a superfície de ZnO por RHEED. Quando o padrão RHEED transita de 3D para 2D, para recozimento pela rampa para baixo a temperatura do substrato a 700 ° C.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Crescimento da camada de ZnO de alta temperatura<ol>
<li>Quando a temperatura do substrato atinge 700 ° C e estabiliza, aumente a taxa de fluxo de2 O para 3.2 sccm.</li>
		<li>Inicie o crescimento da camada de HT-ZnO abrindo tanto Zn e O2 obturadores simultaneamente.</li>
		<li>Crescer a camada de ZnO-HT para ~ 140 min chegar a uma espessura de ~ 300 nm. Grave os padrões RHEED várias vezes durante o crescimento, para confirmar o modo de crescimento 2D.</li>
		<li>Pare o crescimento da camada de HT-ZnO, fechando tanto Zn e O2 obturadores simultaneamente.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Crescimento da barreira BeMgZnO<ol>
<li>Definir a taxa de fluxo de2 O para 0,3 sccm, definir a temperatura da célula 820 ° c, com uma taxa de subida de 10 ° C/min, regule a temperatura de célula de Mg 510 ° c, com uma taxa de subida de 15 ° C/min e regule a temperatura do substrato a 325 ° C, com uma taxa de subida de 13,6 ° C/min para o crescimento da barreira BeMgZnO.</li>
		<li>Quando a temperatura do substrato se estabiliza, aumentar a taxa de fluxo de2 O para 1,25 sccm, e começar o crescimento simultâneo abrindo o Zn, Mg, ser e O2 obturadores.</li>
		<li>Crescer a BeMgZnO camada de barreira para ~ 12 min chegar a uma espessura de ~ 30 nm. Registro RHEED padrões várias vezes durante o crescimento para monitorar a evolução do modo de crescimento.</li>
		<li>Parar o crescimento da camada BeMgZnO, fechando a Mg e ser o obturador, mantendo o Zn e O2 obturador aberto por 1 min ter uma camada de cap ~ 2 nm grosso ZnO.</li>
		<li>Termine o crescimento fechando ambos Zn e O2 obturadores.</li>
		<li>Rampa para baixo a temperatura do substrato a sua temperatura de standby 150 ° C. Diminua a taxa de fluxo de2 O para 0,25 sccm.</li>
		<li>Quando a temperatura do substrato estiver abaixo de 250 ° C, diminuir o poder de plasma O2 a 100 W, desligue a fonte de alimentação O2 plasma, diminuir a taxa de fluxo O2 a 0, fechar a linha de gás de2 O e arrefecer as temperaturas de célula para standby condições.</li>
		<li>Espere que a temperatura do substrato atingir a temperatura de standby 150 ° C, abra a válvula de câmara de crescimento e descarregar o titular de bolacha para a câmara de carga-bloqueio.</li>
		<li>Ventilação da câmara de carga-fechamento com gás de2 N e tirar a amostra.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. caracterizações
<ol><li>Mais ou menos medir a espessura da amostra usando um etapa-profiler, através da área coberta na borda da amostra.</li>
	<li>Avalie a qualidade de espessura, tensão e estrutural da heterostructure usando alta resolução, difração de raios x (HRXRD) (2q-w varreduras de reflexão (0002)).</li>
	<li>Cortar a amostra em 5 × 5 mm2 pedaço quadrado usando um scriber do diamante. Investiga as propriedades eletrônicas da amostra por meio de medidas de efeito Hall temperatura dependentes na geometria de van der Pauw, com índio (In) pontos como eletrodos de contato.</li>
	<li>Verificar a morfologia da superfície usando microscopia de força atômica (AFM).</li>
</ol>4. fabricação de diodos de Schottky
<ol><li>Fabricação de contatos ôhmicas na BeMgZnO/ZnO estende<ol>
<li>Desengordurar a amostra (~ 20 × 20 mm2 no tamanho) com acetona em um líquido de limpeza ultra-sônico por 5 min, seguido de limpeza com metanol no líquido de limpeza ultra-sônico por 5 min, enxaguar em água por 5 min e soprando seco com N2.</li>
		<li>Girar o casaco fotorresiste com 1000 rpm por 3 s e então 3000 rpm por 30 s.</li>
		<li>Macio, Asse o fotorresiste a 100 ° C para 140 s.</li>
		<li>Expor com luz através do contato ôhmico UV máscara na potência de lâmpada 6,5 mW UV para 2,38 min sobre alinhador de máscara de fotolitografia.</li>
		<li>Post Asse o fotorresiste a 110 ° C para 80 s.</li>
		<li>Desenvolver em um desenvolvedor para 60 s com uma frequência de agitação de 1/s.</li>
		<li>Enxaguar em água DI por 3 min e secagem com N2.</li>
		<li>Carrega a amostra para o evaporador de feixe de elétrons.</li>
		<li>Sem a amostra de aquecimento, depósito de Ti/Au com uma espessura de 30/50 nm, medida pelo monitor de espessura de cristal de quartzo.</li>
		<li>Decolagem em acetona, seguida de limpeza em metanol por 5 min, enxaguar em água por 5 min e soprando seco com N2.</li>
		<li>Recoze o contato por annealer térmica rápida (RTA) a 300 ° C por 30 s.</li>
		<li>Verifica a resistência de contato através da linha de transição modelo (TLM) medição21.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Fabricação de Schottky contatos na BeMgZnO/ZnO estende<ol>
<li>Siga os passos 4.1.1-4.1.7 para fotolitos de Schottky contato.</li>
		<li>Tratar a superfície da amostra com plasma de2 O remoto por 5 min com um fluxo de2 O do sccm 35 e uma potência de RF de 50 w.</li>
		<li>Siga os passos 4.1.8-4.1.10 para a deposição de Ag com uma espessura de 50 nm.</li>
		<li>Caracteriza a estrutura obtida através de medições de-V para os diodos de Schottky17.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

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</ol>

Os autores não têm nada para divulgar.

Incorporação de BeO MgZnO para formar o quaternário BeMgZnO fornece a viabilidade para sintonizar a extensão e o sinal de tensão no quaternário e, portanto, aumenta significativamente a densidade 2DEG8. Os representante resultados mostram que o ser0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostructure resultados em uma densidade de 2DEG perto da plasmon desejado-LO fônon ressonância elétron densidade (~ 7 × 1012 cm-2)24. Embora a mobilidade de elétrons da heterostructure fortemente depende dos parâmetros de crescimento de MBE tais como a temperatura do substrato e a relação de VI/II de ambos o HT-ZnO e a camada de barreira BeMgZnO, a densidade de 2DEG é fracamente dependentes das condições de crescimento e determinada principalmente pelo ser e o teor de Mg na barreira.
Um modelo de GaN é usado para o crescimento da BeMgZnO/ZnO estende com alta qualidade cristalina devido à incompatibilidade de treliça moderada de 1,8% entre GaN e ZnO, comparado com uma incompatibilidade de grande estrutura de 18% entre safira e ZnO. Para evitar qualquer canal condutor paralelo, é fundamental para ter uma alta resistência na faixa de MΩ/Praça para o modelo de GaN. No nosso caso, isto é conseguido através do crescimento a uma pressão de câmara baixa de 76 Torr para melhorar a compensação de carbono. Para garantir o controle de polaridade em estende o BeMgZnO/ZnO (Zn-polaridade), tratamento de superfície cuidado do modelo GaN é indispensável. Qualquer oxidação ou contaminação introduzida durante a preparação da superfície de GaN induziria Zn - e O-mistura-polaridade no estende até a relação determinante de VI/II < 1.5 é cumprido.
Qualquer reação química entre o metal e o semicondutor, a presença de contaminantes superficiais, afirma, defeitos nas proximidades da superfície e a difusão de metal para os semicondutores são problemas comuns no domínio da fabricação de Schottky contatos. Uma variedade de métodos tem sido relatada na literatura para a preparação da superfície de ZnO para fabricação contato Schottky. Entre eles está gravando em HCl (ou outros ácidos), física gravura com Ar+, Ozone UV, limpeza, tratamento em H2O2e O plasma2 (ou mistura com ele)25,26,27, 28. os procedimentos de gravura aponta para a remoção de uma camada de superfície com espessura um variando de alguns nanómetros a microns e, portanto, não pode ser aplicados para dispositivos HFET. A UV-ozônio limpeza ou procedimento de plasma O2 remove apenas a camada superficial. Portanto, é adequado para a preparação de superfície de nossa BeMgZnO/ZnO estende.
Geralmente contatos Schottky são alcançados mediante depósito de um metal de alta função de trabalho tais como Pd, Pt, infravermelho, etc. Em contraste, a Ag tem uma função de trabalho baixa de 4,26 eV. Apesar disso, dispositivos utilizando eletrodo Ag podem mostrar rectificativo comportamento devido a formação de uma camada de óxido de prata de interface causada pela oxidação parcial de Ag com oxigênio de ZnO matrix. A camada de óxido assim formada é transparente para elétrons e tem a função de trabalho superior em comparação com Ag. Raju et al. relataram a funções de trabalho cerca de 5,5 eV para atrás, crescida por deposição de laser pulsado (PLD), que é maior do que 1,3 eV de Ag e perto a característica da Pd, Pt e Ir29. Nossos resultados indicam que o eletrodo de Ag (com O2 plasma pré-tratamento na superfície de ZnO heterostructure) é um metal de contato promissor para a formação de diodos de Schottky.
Temos demonstrado um método para a fabricação de contatos de Schottky de alta qualidade para baseados em ZnO virais. Modelo de GaN MOCVD crescido com cuidadosa preparação de superfície antes de MBE crescimento e uma baixa relação de VI/II < 1.5 durante a nucleação de ZnO assegurar a orientação Zn-polar da estende com base em ZnO com alta qualidade. MOCVD é uma técnica de madura utilizado por Epitaxia de GaN para várias aplicações. O procedimento MBE descrito neste trabalho indica o combinability de técnicas de MOCVD e MBE e GaN e óxido de semicondutores para dispositivos eletrônicos. Incorporação de uma pequena quantidade de ser para os resultados de camada de barreira BeMgZnO em virais com 2DEG de alta densidade, mobilidade de elétron elevado e alta estabilidade térmica, para melhor desempenho de alta velocidade.

Transistores de efeito de campo Heterostructure (virais) com base no gás de elétrons dimensional dois (2DEG) têm um potencial promissor para as aplicações em dispositivos eletrônicos de alta velocidade a1,2,3. Óxido de zinco (ZnO) como um semicondutor bandgap largo (3,4 eV) com velocidade de elétrons de alta saturação ganhou a atenção considerável como uma plataforma para virais4,5. Barreira convencionalmente utilizado material MgZnO ternário exigem um muito elevado teor de Mg (> 40%) cultivado em substrato de baixas temperaturas (300 ° C ou inferior)6,7e como tal estas estruturas estão aptas a degradar sob operações de alta potência e durante tratamentos termais, mesmo se a densidade de carga indesejada na barreira é baixa o suficiente para modulação do portão. Para contornar esse obstáculo, temos proposto e adotado BeMgZnO como a barreira, em que o sinal de tensão na barreira pode ser alternado de compressão para tração através da incorporação de berílio (Be), tornando a espontânea e piezoelectricpolarizations para ser aditivo. Como resultado, 2DEG alta concentração pode ser conseguida com conteúdo relativamente moderado de Mg. Utilizar esta abordagem, 2DEG alta densidades é observado perto da plasmon-LO fônon ressonância (~ 7 × 1012 cm-2) em BeMgZnO/ZnO estende enquanto o teor de Mg abaixo é de 30% e a ser conteúdo está somente em 2 ~ 3%8.
Devido à sua simetria semelhante de cristal, UV e transparência de luz visível, robustas propriedades físicas e químicas e baixo custo, c-plano safira é amplamente empregado por Epitaxia de GaN e ZnO. Graças aos notáveis progressos na tecnologia de crescimento de GaN-based eletrônica e dispositivos optoeletrônicos na saphhire, modelos de GaN de alta qualidade podem ser facilmente produzidos em substratos de safira usando AlN ou tampão de baixa temperatura (LT) GaN, apesar sua incompatibilidade de grande estrutura de 16% com safira9. Crescimento epitaxial de ZnO, que tem uma incompatibilidade no plano da estrutura ainda maior de 18% com safira, é relativamente bem compreendido para O-polar variedade, enquanto o crescimento do Zn-polar material no modo bidimensional não está bem estabelecido. Devido à incompatibilidade de treliça moderada de 1,8%, Epitaxia de ZnO na GaN é uma alternativa atraente.
MOCVD e a MBE são as mais bem sucedidas técnicas de deposição de semicondutores para fabricação de filmes finos de alta qualidade e a estende com alta reprodutibilidade. A principal razão que MBE é menos popular do que MOCVD por Epitaxia de GaN é o custo e a inadequação para produção em massa. A taxa de crescimento em GaN por MOCVD pode ser vários micrômetros por hora e dezenas de discos (wafers) diâmetro de 2 polegadas (50 mm) ou aqueles tão grande como a 6-8" podem ser cultivadas em uma execução9. Aqui, também adotamos MOCVD para o crescimento de GaN em nosso estudo. Para o crescimento de ZnO-baseado estende, no entanto, mais relatórios sobre a formação de 2DEG são realizados por MBE neste momento antes da comercialização dos potenciais aplicações10,11,12. Recentemente, temos desenvolvido crescimento MBE de alta qualidade ZnO estende com um controle preciso da superfície polaridade na Ga-polar GaN modelos13. Verificou-se que, com tratamento pré-exposição de Zn, ZnO camadas tão crescida exposta Zn-polaridade quando nucleated com baixos índices de VI/II (< 1.5), enquanto aqueles nucleated com rácios de VI/II acima 1,5 exibiram O-polaridade. Para evitar o canal paralelo de condução através de modelos de GaN, adotamos carbono compensado semi isolante GaN MOCVD cultivadas sob condições de baixa pressão em AlN buffer para o crescimento subsequente de estruturas baseadas em ZnO HFET.
Antes de nosso trabalho14, não tem havido relatos na investigação de diodos de Schottky na BeMgZnO/ZnO estende. Apenas vários estudos têm relatado na Schottky contatos para MgZnO15,16, por exemplo., com um factor de idealidade de 2,37, a altura de barreira de 0,73 eV e uma relação de retificação de apenas 103 15. Vários metais de Schottky têm sido utilizados para ZnO17, e entre eles, prata (Ag) tem sido amplamente adoptada, devido a uma relativamente alta Schottky barreira altura de 1,11 eV em granel ZnO com um factor de idealidade de 1,08 18.
Neste trabalho, pretendemos fabricar diodos de Schottky de alta qualidade para as aplicações em dispositivos baseados em ZnO HFET de alta velocidade. O seguinte protocolo aplica-se especificamente para a fabricação de diodos de Schottky Ag/BeMgZnO/ZnO por evaporação e-feixe de Ag sobre a BeMgZnO/ZnO estende cultivadas por plasma assistida MBE em modelos GaN MOCVD-depositado.

<table><tbody><tr><td>MOCVD</td><td>Emcore</td><td></td><td>MBE</td></tr><tr><td></td><td>SVT Associates</td><td></td><td></td></tr><tr><td>TMAl</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>O grupo Linde</td><td>CAS: 7664-41-7</td><td></td></tr><tr><td>H2</td><td>National Welders Supply Co.</td><td>Fornecedor nº da peça 335-041</td><td>Grau 5.0</td></tr><tr><td>O2</td><td>National Welders Supply Co.</td><td>Fornecedor Número da peça Oxigênio de grau industrial OX 300</td><td>, cilindro tamanho 300, CGA-540</td></tr><tr><td>mg</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Nº do produto: 474754-25G</td><td>MAGNÉSIO, DESTILADO, PEÇAS DENDRÍTICAS, 99,998% BASE DE METAIS</td></tr><tr><td>Seja</td><td>ESPI Metals</td><td>Stock No. K646b</td><td>Peças de berílio, 3N</td></tr><tr><td>Zn</td><td>Alfa Aesar, Thermo Fisher Scientific Chemicals Inc.</td><td>Nº do produto: 10760-30</td><td>Granalha de zinco, 1-6 mm (0,04-0,24 pol.), Puratronic, 99,9999%</td></tr> <tr><td>Au</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>número da peça. EVMAUXX40G</td><td>Pelotas de Ouro, 99,99%</td></tr> <tr><td>Ag</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>número da peça. EVMAG40QXQ</td><td>Pellets de prata, 99,99%</td></tr> <tr><td>Ti</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>número da peça. EVMTI45QXQ</td><td>Pellets de titânio, 99,995%</td></tr><tr><td>Desenvolvedor</td><td>Rohm and Haas electronic Materials LLC</td><td>MF-CD-26</td><td>Número do material 10018050</td></tr><tr><td>Photoresist</td><td>Rohm and Haas electronic Materials LLC</td><td>SPR 955</td><td>Número do material 10018283</td></tr></tbody></table>

fabricação de diodos de schottky na zn-polar bemgzno/zno heterostructure cultivadas por epitaxia de feixe molecular assistido por plasma

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

Transistores de efeito de campo Heterostructure (virais) utilizando um canal de gás (2DEG) de dois elétrons dimensional têm um grande potencial para aplicativos de dispositivo de alta velocidade. Óxido de zinco (ZnO), um semicondutor com um bandgap largo (3,4 eV) e velocidade de elétrons de alta saturação tem ganhado muita atenção como um material atrativo para dispositivos de alta velocidade. Modulação de portão eficiente, no entanto, requer contatos de Schottky de alta qualidade sobre a camada de barreira. Neste artigo, apresentamos nosso procedimento de fabricação de diodo de Schottky na BeMgZnO/ZnO Zn-polar heterostructure com 2DEG de alta densidade, que é conseguido através de modulação de tensão e a incorporação de alguns por cento ser na barreira baseada em MgZnO durante o crescimento por Epitaxia de feixe molecular (MBE). Para alcançar alta qualidade cristalina, quase retículo-combinadas alta resistividade GaN modelos cultivados pela deposição de vapor químico metal-orgânico (MOCVD) são usados como substrato para o crescimento de MBE subsequente das camadas de óxido. Para obter a necessária Zn-polaridade, tratamento de superfície cuidado de GaN modelos e controle sobre a relação de VI/II durante o crescimento da temperatura baixa camada de nucleação de ZnO são utilizados. Eletrodos de ti/Au servem como contatos ôhmicas e eletrodos de Ag depositados no plasma2 O pré-tratamento de superfície de BeMgZnO são utilizados para contatos de Schottky.

A coluna da esquerda da Figura 1 mostra a evolução do padrão RHEED gravado ao longo da direção azimutal [1-100] durante o crescimento da MBE de um ser de0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostructure com uma camada de HT-ZnO grossa nm 300 e 30 nm de espessura ser0,02 Barreira de ZnO0,26Mg. A coluna da direita mostra representativas morfologias de superfície em estágios de crescimento diferentes (não da mesma amostra). Como evidenciado desde a aparência de um padrão irregular de RHEED, a camada de buffer LT-ZnO é da natureza de modo de crescimento tridimensional (3D) ilha. Sua morfologia superficial foi melhorada com tratamento térmico de recozimento a uma temperatura acima de 700 ° C. Vê-se claramente que a superfície transformado de 3D para 2D morfologia. A camada subsequente de HT-ZnO continua a crescer em um modo 2D, seguido pelo crescimento 2D de ser0,02Mg0,26ZnO camada sem a formação de uma segunda fase. Medições de AFM têm mostrado que o modelo de GaN tem uma rugosidade de raiz média quadrática (RMS) de 0,28 nm para 5 × 5 μm2 scan. Uma superfície lisa com uma rugosidade RMS de 0,35 nm é obtido para a camada de HT-ZnO sem uma barreira crescendo sob condição de O rico e uma rugosidade RMS de 0.45 nm é observado após o crescimento da barreira BeMgZnO.
HRXRD triplo-eixo 2 θ-ω digitalizar para um típico Zn-polar ser0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostructure com uma camada de HT-ZnO grossa nm 300 e 50 nm de espessura ser0,02Mg0,26ZnO camada de barreira é mostrada na Figura 2. As reflexões em 34.46 ó34.54 óe 34.75 ó são consistentes com (0002) reflexões de ZnO, GaN e ser0,02Mg0,26ZnO, respectivamente. Note que a ampliação da reflexão de ser0,02Mg0,26ZnO é devido a sua magreza. A tensão biaxial elástica na camada de ZnO é uma indicação da heterostructure Zn-polar, como investigado em nossa anterior estudo13. Ser e conteúdo de Mg no quaternário BeMgZnO calcularam-se o ângulo de Bragg de sua energia XRD (0002) reflexão e emissão de fótons no espectro de LT-fotoluminescência (LT-PL) medida a 13 K (não mostrado).
A Figura 3 mostra os resultados das medições de temperatura-dependente efeito Hall para um ser de0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostructure. A concentração de portador de folha reduzida de 8,8 × 1012 cm-2 para 6,4 × 10-12 cm-2 quando a amostra foi arrefecida de temperatura ambiente (293 K) para aproximadamente 100 K. Com mais de resfriamento para 13 K, a concentração de portador de folha satura em 6,2 × 1012 cm-2. Esta constatação manifesta-se de que a redução observada na concentração de elétrons é originada a partir das contribuições de canais de condução paralela que inclui a camada de nucleação defeituosa e camada de HT-ZnO, bem como a ser0,02Mg0,26ZnO barreira, se for o caso. Esta tendência também tem sido relatada para MgZnO/ZnO estende10,22. A mobilidade de elétron na ser0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostructure monotônico aumenta com a diminuição da temperatura; tanto a mobilidade de 293 K de 206 cm2/Vs e a mobilidade de 13 K de 1550 cm2/Vs são comparáveis aos valores na literatura22,23. A evolução das propriedades eletrônicas em função da temperatura indica claramente a presença de 2DEG na ser0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterointerface.
A Figura 4 mostra a corrente-tensão (V) curvas medida na temperatura de quarto para quatro representante Ag / ser0,02Mg0,26diodos de Schottky ZnO/ZnO com uma área de Schottky de 1,1 × 10-4 cm2 dentro de uma bolacha. As correntes para a frente aumentam exponencialmente com a tensão aplicada até 0,25 V, além do qual a tensão cai do outro lado a resistência série tornam-se aparentes. A maior altura de barreira Schottky de Φap de 1,07 eV foi atingida com um n de fator de idealidade de 1,22. Rácios de rectificação de cerca de 1 × 108 são obtidos usando os valores de corrente medidos em V= ± 2 V.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58113/58113fig1.jpg"> Figura 1. Caracterização de superfície. Coluna da esquerda mostra os padrões RHEED tomados ao longo da direção azimutal [1-100] durante o crescimento da MBE de um ser de0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostructure e coluna da direita apresenta as morfologias de superfície do modelo GaN, camada de HT-ZnO e ser 0.02camada de ZnO0,26Mg medido por AFM. LT-ZnO tecnologia de buffer permite o crescimento de modo 2D de alta qualidade estende de ZnO na baixos modelos de GaN retículo-incompatíveis. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58113/58113fig1large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58113/58113fig2.jpg"> Figura 2. HRXRD da heterostructure. HRXRD triplo-eixo 2 θ-ω scan de um típico Zn-polar ser0,02Mg0,26heterostructure ZnO/ZnO com 50 nm de espessura ser0,02Mg0,26camada de barreira de ZnO. As reflexões em 34.46 ó34.54 óe 34.75 ó são consistentes com (0002) reflexões de ZnO, GaN e ser0,02Mg0,26ZnO, respectivamente. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58113/58113fig2large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58113/58113fig3.jpg"> Figura 3. Propriedades eletrônicas da heterostructure. Dependências de temperatura da folha transportadora densidade elétron mobilidade e de um Zn-polar ser0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostructure. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58113/58113fig3large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58113/58113fig4.jpg"> Figura 4. Diodos de Schottky. Características típicas -V de quatro representante Ag / diodos de Schottky ZnO/ZnO0,02Mg0,26medido a temperatura. A semelhança das quatro curvas-V indica a alta uniformidade na bolacha da amostra. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58113/58113fig4large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

Realização de contatos de Schottky de alta qualidade é fundamental para alcançar a modulação eficiente portão em transistores de efeito de campo heterostructure (virais). Apresentamos a metodologia de fabricação e características de diodos de Schottky na BeMgZnO/ZnO Zn-polar estende com gás de elétrons dimensional dois high-density (2DEG), cultivadas por Epitaxia de feixe molecular assistido por plasma em modelos de GaN.

Fabricação de diodos de Schottky na Zn-polar BeMgZnO/ZnO Heterostructure cultivadas por Epitaxia de feixe Molecular assistido por Plasma

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

Este método pode ajudar a responder a perguntas-chave sobre o controle de tensão sobre a corrente em transistores de efeito de campo de heterojunção à base de óxido de zinco com gás eletrônico bidimensional usando contatos Schottky. A principal vantagem desta técnica é que o portão do transistor de efeito de campo pode ser definido em uma etapa fotográfica. As implicações desta técnica se estendem através de novas gerações de transistores de efeito de campo de alta frequência e alta potência, aproveitando a alta diversidade de saturação de elétrons em óxido de zinco.Embora este método forneça uma visão da natureza do contato schottky em estabilidade em um único local, ele também pode ser aplicado a outros dispositivos baseados em um único local, como detectores de plantas solares e os químicos ou biosensores. Para iniciar o procedimento, carregue um substrato de safira de duas polegadas de diâmetro de 380 micrômetros de espessura C-plane em um instrumento de DCV orgânico metálico, e prepare o sistema para deposição. Uma vez que o sistema esteja pronto, aumente a pressão do reator para 30 torrs e a temperatura do substrato a 1.055 graus Celsius em uma atmosfera de hidrogênio ao longo de 35 minutos.Segure-o a essa temperatura por três minutos para desordenar os contaminantes residuais. Em seguida, aumente o substrato para 941 graus Celsius ao longo de três minutos. Depois de deixar a temperatura estabilizar por dois minutos, defina o fluxo trimetilaluminum para 12,0 SCCM, e o fluxo de amônia para sete SCCM.Deixe a vazão estabilizar por três minutos. Em seguida, mude o fluxo trimetilaluminum para a linha de execução para iniciar o crescimento da camada de nitreto de alumínio de baixa temperatura. Ao longo de seis minutos, cresça cerca de 20 nanômetros de nitreto de alumínio no substrato medido por oscilações de refletividade.Depois disso, sem interromper o crescimento, aumente o substrato para 1.100 graus Celsius em três minutos. Continue o crescimento do nitreto de alumínio até que a camada esteja com 300 nanômetros de espessura. Em seguida, direcione o fluxo trimetilaluminum para longe do reator.Inicie o fluxo de trimetilgallium a 15,5 SCCM e deixe estabilizar por dois minutos. Então, cresça cerca de 400 nanômetros de nitreto de gálio no substrato. Uma diminuição inicial da reflexividade será observada durante a nucleação do nitreto de gálio.A reflexividade se recuperará ao nível original quando as ilhas de nitreto de gálio se unirem. Uma vez que o nitreto de gálio tem 400 nanômetros de espessura, aumente a temperatura do substrato para 1.124 graus Celsius em dois minutos sem interromper o crescimento. Cresça cerca de 2,5 nanômetros de uma camada de nitreto de gálio semi-isolante de alta temperatura.Em seguida, direcione o fluxo de trimetilgallium para longe do reator para parar o crescimento. Esfrie o modelo de nitreto de gálio recém-formado à temperatura ambiente e descarregue-o do reator. Em seguida, corte o modelo em seis peças de tamanho igual.Em um capô de fumaça, aqueça uma placa quente a 220 graus Celsius e prepare 200 mililitros de uma mistura de um para um por volume de ácido clorídrico concentrado em água desionizada. Em seguida, coloque 150 mililitros de ácido clorídrico concentrado em um béquer de quartzo de 300 mililitros. Adicione lentamente 50 mililitros de ácido nítrico concentrado para obter uma solução aqua regia.Aqueça a solução aqua regia na placa até que a solução seja laranja-vermelha e borbulhante. Em seguida, coloque uma peça de modelo de nitreto de gálio em uma cesta de politefluoroetileno e ferva-a em aqua regia por 10 minutos. Enxágüe o modelo em água deionizada fluindo por três minutos.Em seguida, mergulhe o modelo na solução de ácido clorídrico por três minutos. Enxágüe o modelo novamente em água deionizada fluindo por cinco minutos e depois seque-o com gás nitrogênio. Dentro de cinco minutos, carregue o modelo limpo em um bloqueio de carga de instrumento de epitaxia de feixe molecular de dois a seis e comece a bombeá-lo para baixo.Depois de bombear a trava de carga com o modelo de nitreto de gálio limpo por uma hora, prepare as células de efusão de magnésio de zinco e berílio. Ligue o sistema de difração eletrônica de alta energia e carregue o modelo para o MBE. Em seguida, aumente o substrato para 615 graus Celsius a 13,6 graus Celsius por minuto, e segure-o a essa temperatura por 15 minutos para desorb contaminantes residuais.Então, comece a subir o substrato para 280 graus Celsius. Quando o substrato atingir 550 graus Celsius, abra o obturador da célula de zinco para expor a superfície do nitreto de gálio ao fluxo de zinco. Ligue a fonte de alimentação de plasma de oxigênio, defina a energia para 100 watts, e confirme que a linha de gás de oxigênio está fechada.Quando o substrato atingir 280 graus Celsius, defina a potência do plasma de oxigênio para 400 watts. Defina o fluxo de oxigênio para 0,3 SCCM para inflamar o plasma e, em seguida, reduza-o para 0,25 SCCM. Aguarde um minuto e abra o obturador de oxigênio para iniciar o crescimento da camada tampão de óxido de zinco de baixa temperatura.Registo um padrão de leitura ao longo de uma direção negativa um zero zero azimuthal a cada cinco minutos durante o crescimento. Após cerca de 15 minutos, o padrão de leitura mudará do modo 2D para o modo 3D, indicando uma espessura tampão de cerca de 20 nanômetros. Feche o zinco e as persianas de oxigênio para parar o crescimento.Em seguida, aumente a vazão de oxigênio para 0,4 SCCM. Comece a subir o substrato para 730 graus Celsius a 13,6 graus Celsius por minuto. Aumente a temperatura da zona inferior da célula de zinco de zona dupla para 345 graus Celsius a 10 graus Celsius por minuto.Aguarde por cinco minutos quando o substrato atingir 730 graus Celsius e, em seguida, comece a monitorar a superfície do óxido de zinco por leitura. Quando muda para o modo 2D, a camada tampão foi ressarcido. Esfrie o substrato a 680 graus Celsius.Em seguida, aumente a taxa de fluxo de oxigênio para 3,2 SCCM, e abra as persianas de zinco e oxigênio para crescer uma camada de óxido de zinco de 300 nanômetros de espessura e alta temperatura. Defina a taxa de fluxo de oxigênio para 0,3 SCCM depois. Aumente a célula de berílio para 820 graus Celsius a 10 graus Celsius por minuto, e a célula de magnésio a 510 graus Celsius a 15 graus Celsius por minuto.Esfrie o substrato a 325 graus Celsius a 13,6 graus Celsius por minuto. Uma vez que a temperatura do substrato se estabilize, aumente gradualmente a vazão de oxigênio para 1,25 SCCM. Em seguida, abra simultaneamente as persianas de zinco, magnésio, berílio e oxigênio para iniciar o crescimento da barreira de óxido de zinco de magnésio de berílio.Cresça uma camada de aproximadamente 30 nanômetros de óxido de zinco de magnésio de berílio ao longo de 12 minutos. Adquira periodicamente padrões de leitura para monitorar a evolução do modo de crescimento. Em seguida, adquira um padrão de leitura final e feche as persianas de magnésio e berílio para acabar com o crescimento do óxido de zinco de magnésio de berílio.Deixe as persianas de zinco e oxigênio abertas por mais um minuto para cultivar uma camada de tampa de óxido de zinco de aproximadamente dois nanômetros de espessura. Para começar a fabricação de diodo, sonicar a amostra de óxido de zinco de magnésio de magnésio em acetona e metanol por cinco minutos cada em sequência. Enxágüe a amostra em água deionizada por cinco minutos, e seque-a sob um fluxo de gás nitrogênio.Em seguida, gire a amostra com fotoresist positivo i-Line. Asse suavemente o fotoresist a 100 graus Celsius por 140 segundos. Mascarar a amostra e expô-la a uma lâmpada UV de 6,5 watts por 2,38 minutos.Pós-asse o fotoresist a 110 graus Celsius por 80 segundos. Em seguida, agite a amostra no desenvolvedor fotoresist por 60 segundos com uma frequência de agitação de um hertz. Enxágüe a amostra desenvolvida em água deionizada por três minutos e seque-a sob gás nitrogênio.Em seguida, trate a amostra com plasma remoto de oxigênio com um fluxo de oxigênio de 35 SCCM em uma potência rf de 50 watts por cinco minutos. Por fim, carregue a amostra em um evaporador de feixe de elétrons e deposite 50 nanômetros de prata. Retire com acetona para formar os contatos, e limpe e seque a amostra com metanol, água e gás nitrogênio.Os padrões de leitura da camada tampão de óxido de zinco de baixa temperatura apresentaram inicialmente manchas elípticas, indicando um modo de crescimento das ilhas 3D. A ressarência acima de 700 graus Celsius produziu uma morfologia de superfície 2D. As camadas subsequentes cresceram no modo 2D.A microscopia da força atômica mostrou um pequeno aumento na rugosidade quadrada média da raiz com cada camada. A difração de raios-X mostrou reflexos consistentes com reflexos de 0002 de óxido de zinco, nitreto de gálio e óxido de zinco de magnésio de berílio. A ampliação do reflexo do óxido de zinco de magnésio de berílio foi atribuída à magreza dessa camada.As medições de todos os efeitos da heteroestrutura mostraram uma diminuição na concentração dos portadores da folha com a diminuição da temperatura, com saturação em cerca de 13 kelvin. A mobilidade eletrônica aumentou monotonicamente com a diminuição da temperatura. Os valores observados em 293 kelvin e 13 kelvin foram consistentes com os valores da literatura.Estas tendências indicam a presença de gás eletrônico bidimensional na interface de óxido de zinco de magnésio de berílio. Curvas de tensão de densidade atual à temperatura ambiente para óxido de zinco de magnésio de prata óxido de zinco Schottky diodos mostrou correntes de portão aumentando exponencialmente com tensão dianteira aplicada até 0,25 volts, após a qual a tensão-quedas em toda a série de resistência tornou-se aparente. A semelhança entre as curvas indicou alta uniformidade no wafer da amostra.A maior altura aparente da barreira schottky foi observada com um fator de idealidade de 1,22. Uma vez que este método realizado é fundamental para a união controlar precisamente a polaridade superficial do óxido de zinco nos modelos de nitreto de gálio polar polarium, a falha no controle da polaridade resulta em uma heteroestrutura sem gás eletrônico bidimensional. Manter a relação de todos os setores abaixo de 1,5 durante a nucleação de um único local garante que as heteroestruturas baseadas em um único local tenham toda a orientação polar de zinco.Ao tentar este procedimento, lembre-se de limpar cuidadosamente a superfície da amostra antes de cultivar as heteroestruturas de óxido de zinco de magnésio de magnésio de berílio no modelo de nitreto de gálio e antes de fabricar os contatos schottky nas heteroestruturas. Após este procedimento, outros métodos como um RTM e XPS podem ser empregados para obter informações sobre a natureza da interface prata de um único local no nível de nanoescala. Nós hipótesemos que a formação de óxido de prata condutivo na interface de prata de óxido de zinco resulta no contato estável schottky.Portanto, essa abordagem abre caminho para o contato schottky estável de alta quantidade em um único local. Isso tem implicações para dispositivos que dependem do contato schottky, incluindo fotodetetores de fase H e biosensores químicos e biosensores. Não se esqueça que os solventes fortes e compostos contendo berílio podem ser extremamente perigosos.Equipamentos de proteção química, uma máscara e luvas devem ser sempre usados durante este procedimento. Use uma máscara de poeira ao carregar e descarregar amostras para o crescimento de MB. No entanto, deve-se mencionar que a quantidade total de berílio evaporado no sistema MB é alguns décimos de microgramas, com a maioria enterrado nas paredes da câmara na forma de óxido de berílio-pobre de zinco.

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Fabricação de diodos de Schottky na Zn-polar BeMgZnO/ZnO Heterostructure cultivadas por Epitaxia de feixe Molecular assistido por Plasma

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