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Engineering

प्लाज्मा की मदद से आणविक बीम एन-ध्रुवीय InAlN बाधा उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता ट्रांजिस्टर के Epitaxy

doi: 10.3791/54775 Published: November 24, 2016

Summary

आणविक बीम epitaxy एन-ध्रुवीय InAlN बाधा उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता ट्रांजिस्टर (HEMTs) विकसित करने के लिए प्रयोग किया जाता है। 1,750 सेमी 2 / वी ∙ सेकंड के रूप में उच्च गतिशीलता के साथ चिकनी, compositionally सजातीय InAlN परतों और HEMTs में परिणाम वेफर तैयारी का नियंत्रण, परत विकास की स्थिति और epitaxial संरचना।

Abstract

प्लाज्मा की मदद से आणविक बीम epitaxy अच्छी तरह से चिकनी, अचानक उच्च गुणवत्ता वाले उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता ट्रांजिस्टर (HEMTs) के लिए आवश्यक इंटरफेस के साथ नाइट्राइड- III पतली फिल्मों और heterostructures की epitaxial विकास के लिए अनुकूल है। एक प्रक्रिया एन-ध्रुवीय InAlN HEMTs के विकास, मे तैयारी और बफर परतों, InAlN बाधा परत, AlN और गण मन interlayers और गण मन चैनल के विकास सहित, के लिए प्रस्तुत किया है। प्रक्रिया के प्रत्येक चरण पर महत्वपूर्ण मुद्दों जैसे गण मन बफर में गा संचय, InAlN compositional एकरूपता पर तापमान की भूमिका, और AlN interlayer के दौरान गा प्रवाह के उपयोग और व्यवधान से पहले गण मन के लिए चैनल विकास बचने के रूप में पहचान कर रहे हैं। Compositionally सजातीय एन-ध्रुवीय InAlN पतली फिल्मों 0.19 एनएम और के रूप में के रूप में कम सतह जड़ मतलब चुकता खुरदरापन के साथ प्रदर्शन कर रहे हैं InAlN आधारित HEMT संरचनाओं एक चादर चार्ज घनत्व के साथ उपकरणों के लिए के रूप में 1,750 सेमी 2 / वी ∙ सेकंड के रूप में उच्च गतिशीलता होने रिपोर्ट कर रहे हैं 1.7 x 10 का13 सेमी -2।

Introduction

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आणविक बीम epitaxy (एमबीई) एक बहुमुखी epitaxial पतली फिल्म विकास तकनीक है कि बड़े फिल्म में कम अशुद्धता समावेश सुनिश्चित करने के लिए के रूप में 10 -11 Torr के रूप में कम आधार दबाव के साथ एक अति उच्च निर्वात वातावरण को रोजगार मिला है। epitaxially उगाया परतों की संरचना और विकास दर प्रत्येक बहाव सेल के तापमान, और इस प्रकार विभिन्न स्रोत सामग्री की सुखाया प्रवाह को नियंत्रित करने से निर्धारित होते हैं। नाइट्राइड- III epitaxy, समूह तृतीय-तत्वों (में, अल, गा) आम तौर पर, जबकि सक्रिय नाइट्रोजन (एन *) प्रवाह या तो एक एन 2 प्लाज्मा 1,2 (आरएफ प्लाज्मा द्वारा प्रदान की जाती है बहाव कोशिकाओं द्वारा प्रदान की जाती हैं के मामले में -assisted एमबीई:। PAMBE या RFMBE) या अमोनिया (एनएच 3 -MBE) 3,4 एमबीई विकास कम वृद्धि तापमान और ऐसे metalorganic रासायनिक वाष्प जमाव के रूप में अन्य epitaxial विकास की तकनीक, तेज इंटरफेसियल आकस्मिकता के द्वारा होती है 5 एक योजनाबद्ध दिखाया गया है। चित्रा 1 में।


चित्रा 1:।। एमबीई प्रणाली योजनाबद्ध लोड ताला, हस्तांतरण प्रणाली, outgassing स्टेशन और विकास कक्ष दिखा योजनाबद्ध यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

तृतीय-nitrides क्रिस्टल झुकाव की एक किस्म के होने substrates पर विकसित किया जा सकता है। सबसे अधिक इस्तेमाल किया उन्मुखीकरण गा-ध्रुवीय सी विमान है, जो बाधा परत, आम तौर पर AlGaN, और गण मन चैनल के बीच ध्रुवीकरण में अंतर का उपयोग करके डोपिंग के बिना एक दो आयामी इलेक्ट्रॉन गैस के गठन की अनुमति देता है। गण मन के विभिन्न गैर ध्रुवीय और अर्द्ध-ध्रुवीय झुकाव क्वांटम कुओं, 6,7 जो भी HEMT आवेदन के लिए इन झुकाव कम वांछनीय बनाता में कम ध्रुवीकरण प्रभाव के कारण Optoelectronics के लिए महत्वपूर्ण ध्यान प्राप्त हुआ हैएनएस। एन-ध्रुवीय उन्मुख उपकरणों पारंपरिक गा-ध्रुवीय उपकरणों पर कई आंतरिक फायदे की वजह से अगली पीढ़ी के उच्च आवृत्ति HEMT ऑपरेशन के लिए आकर्षक हैं। 8 N-ध्रुवीय उपकरणों में बाधा परत जिसके परिणामस्वरूप, के रूप में चित्रा 2 में दिखाया गण मन चैनल के नीचे उगाया जाता है एक प्राकृतिक वापस बाधा में है कि चैनल के electrostatic नियंत्रण एड्स और, लघु चैनल प्रभाव को कम कर देता गण मन चैनल के लिए आसान वर्तमान उपयोग की अनुमति और संपर्क प्रतिरोध को कम करते हुए। बाधा भी चैनल से अलग से नियंत्रित किया जा सकता है ताकि के रूप में चैनल मोटाई उच्च आवृत्ति उपकरणों के लिए नीचे पहुंचा है बाधा डिजाइन चैनल प्रभारी फर्मी स्तर लगाए प्रभाव को खो के लिए क्षतिपूर्ति करने के लिए संशोधित किया जा सकता है।

चित्र 2
चित्रा 2:। Epitaxial परत योजनाबद्ध (क) एक एन-ध्रुवीय HEMT और compar के लिए (ख) एक गा-ध्रुवीय HEMT की परत संरचनाison। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

उच्च गति में इस्तेमाल HEMTs, उच्च शक्ति एम्पलीफायरों सामान्य रूप से इस प्रकार की उच्च तापीय चालकता का लाभ लेने के हिज्जे गलत substrates पर हो रहे हैं। कम सूत्रण अव्यवस्था घनत्व फ्रीस्टैंडिंग गण मन substrates इलेक्ट्रॉन गतिशीलता, 9 इस प्रकार उच्च आवृत्ति प्रदर्शन में सुधार में सुधार करने के लिए नियोजित किया जा सकता है। एक AlN nucleation परत की वृद्धि के बाद, एक मोटी गण मन बफर स्थानिक HEMT चैनल से regrowth इंटरफेस में अशुद्धियों को अलग किया और बिजली के अलगाव को सुधारने के लिए उगाया जाता है। अन्य III-V सामग्री के विपरीत, गण मन PAMBE की वृद्धि हुई आम तौर पर एक समूह III / वी 1, यानी, धातु युक्त स्थिति, आदेश में एक चिकनी सतह आकृति विज्ञान को प्राप्त करने में 10,11 से अधिक अनुपात के साथ विकास की स्थिति की जरूरत है। एक्स में अल 1- एक्स एन एक बदल रहा हैनाइट्राइड- III HEMTs के लिए देशी बाधा सामग्री, और हाल ही में महत्वपूर्ण ध्यान दिया गया है, क्योंकि यह हो गई जाली एक्स ≈ 0.18 के लिए गण मन के लिए मिलान किया जा सकता है और AlGaN बाधाओं को दो बार चैनल प्रभारी रिश्तेदार होने के कारण इसकी उच्च सहज ध्रुवीकरण से अधिक उत्पन्न कर सकते हैं। 12-15 के विपरीत AlGaN बाधाओं, गा InAlN परतों में में करने के लिए रियायत के तौर पर शामिल करेंगे, इस प्रकार 16 देखभाल सुनिश्चित करने के लिए सतह गा-अमीर गण मन बफर परत वृद्धि और विकास के लिए पहले InAlN बाद अतिरिक्त गा से मुक्त है लिया जाना चाहिए।

सतह पर गा का नियंत्रण एक गा प्रवाह प्रवाह गा-छोटी बूंद गठन के लिए आवश्यक तुलना में थोड़ा कम suppling द्वारा पूरा किया जा सकता है। हालांकि, इस विकास खिड़की छोटा है, और अपर्याप्त गा सतह कवरेज सतह आकृति विज्ञान का कारण होगा पठार / खाई को मान नीचा करने के लिए है, जबकि अतिरिक्त गा गा प्रवाह संचय और स्थूल छोटी बूंद गठन में परिणाम होगा। 17 प्रतिबिंब उच्च ऊर्जा इलेक्ट्रॉन विवर्तन (RHEED) INTENS अल्पसंख्यक गा संचय और desorption पर नजर रखने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। गा सतह कवरेज RHEED तीव्रता में कमी, और गा बंद करने के बीच कोई अंतराल ने संकेत दिया है (और एन *) बंद और के रूप में 3 चित्र में दिखाया RHEED तीव्रता में वृद्धि प्रारंभिक गा के संचय को इंगित करता है।

चित्र तीन
चित्रा 3:। RHEED तीव्रता RHEED तीव्रता संकेत RHEED पैटर्न रोटेशन के तहत अधिग्रहण किया ट्रिगर अधिग्रहण का उपयोग करने से मापा साथ गा कवरेज की निगरानी करना। अपर्याप्त गा प्रवाह के दरवाज़े बंद करने के बाद तीव्रता में एक तत्काल वृद्धि ने संकेत दिया है (नहीं दिखाया गया है)। संतृप्त / आदर्श गा कवरेज शटर बंद करने और अचानक RHEED ब्राइटनिंग और अतिरिक्त गा कवरेज प्रारंभिक RHEED ब्राइटनिंग में दोनों एक देरी के साथ ही एक और क्रमिक तीव्रता पूर्ण तीव्रता वसूली में जिसके परिणामस्वरूप वृद्धि की तुलना में अब 60 एस लेने के रूप में देखा में जो देरी ने संकेत दिया है।com / फ़ाइलें / ftp_upload / 54775 / 54775fig3large.jpg "लक्ष्य =" _blank "> यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

हासिल करने के लिए उच्च गुणवत्ता PAMBE द्वारा InAlN पार्श्व रचना में उतार-चढ़ाव की उपस्थिति से जटिल है, में अमीर सीमाओं से घिरा अल अमीर डोमेन से मिलकर एक "छत्ते" microstructure में जिसके परिणामस्वरूप। इस microstructure की 18 उन्मूलन 50 के बारे में एक सब्सट्रेट तापमान का उपयोग करके हासिल की है डिग्री सेल्सियस में desorption, एन-ध्रुवीय InAlN के लिए 15,19,20 या लगभग 630 डिग्री सेल्सियस के ऊपर शुरुआत। इस उच्च तापमान वृद्धि के शासन में, में एक्स अल 1- एक्स एन रचना सब्सट्रेट तापमान के एक मजबूत समारोह, उच्च तापमान समावेश में कम है, जिसके परिणामस्वरूप के साथ है। में प्रवाह की भरपाई करने के लिए, वाष्पीकरण के लिए खो दिया है, हालांकि व्यवहार में अधिकतम प्रवाह में प्रवाह में वृद्धि के साथ समावेश दक्षता में कमी के द्वारा सीमित है बढ़ाया जा सकता है। 21 सब्सट्रेट तापमान को कम करने या प्रवाह में वृद्धि, विकास दर बढ़ाने में भी "प्रभाव दफन में", जहां आने वाले अल परमाणुओं के जाल के कारण में रचना बढ़ाने के लिए और यह वाष्पन से रोका जा सकता है के अलावा। 21,22 उच्चतर विकास दर आनुपातिक रूप में और अल प्रवाह को बढ़ाने के द्वारा प्राप्त किया जा सकता है। विकास की स्थिति एन से भरपूर रखने के लिए, एन * के रूप में अच्छी तरह से वृद्धि हुई है, जो आरएफ प्लाज्मा शक्ति को बढ़ाने के द्वारा प्राप्त किया जा सकता है, की आवश्यकता होगी एन 2 प्रवाह की दर बढ़ रही है, प्लाज्मा चैम्बर डिजाइन में सुधार, या एपर्चर प्लेट छेद में वृद्धि घनत्व।

InAlN आधारित HEMTs में अतिरिक्त epitaxial परतों गण मन और AlN interlayers (आईएलएस) और एक गण मन चैनल शामिल हैं। एक AlN आईएल बाधा और चैनल के बीच डाला गतिशीलता μ के साथ ही चैनल चादर चार्ज घनत्व एन एस बढ़ा सकते हैं। गतिशीलता में वृद्धि InAlN बी के साथ इलेक्ट्रॉन लहर समारोह ओवरलैप को कम करने के लिए जिम्मेदार ठहराया हैarrier और बाद में मिश्र धातु बिखरने। 9 AlN आईएल के लिए उच्च गुणवत्ता वाले विकास को सुनिश्चित करने के लिए, गा प्रवाह की एक अतिरिक्त एक surfactant के रूप में कार्य करने के लिए विकास के दौरान आपूर्ति की है। एक गण मन आईएल AlN आईएल और बाधा के बीच किया जा सकता है आगे गतिशीलता में सुधार करने के लिए है, जबकि चैनल प्रभारी को कम करने। गण मन चैनल InAlN बाधा के रूप में ही तापमान पर उगाया जा सकता है, हालांकि बाधा आईएलएस और चैनल से सतत विकास की इजाजत दी। बेहतर गतिशीलता AlN आईएल के बाद विकास के दखल और गण मन चैनल बढ़ रहा से पहले विकास तापमान में वृद्धि से प्राप्त किया गया है। इस मामले में एक सुरक्षात्मक गा सतह कवरेज बीच में गतिशीलता गिरावट को रोकने के दौरान बनाए रखा जाना है।

निम्नलिखित प्रोटोकॉल एन-ध्रुवीय गण मन substrates पर हो InAlN बाधा HEMTs करने के लिए विशेष रूप से लागू होता है। यह सीधे एक 50 एनएम मोटी एन अमीर AlN परत सहित द्वारा सी-ध्रुवीय 4H- या 6H-हिज्जे गलत substrates पर विकास करने के लिए बढ़ाया जा सकता है।

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Protocol

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1. बहाव सेल रैंप और फ्लक्स कैलिब्रेशन

  1. पुष्टि तरल एन 2 क्रायो पैनल के लिए और कहा कि विकास कक्ष आधार दबाव पहुँच गया है बह रहा है।
  2. गा के लिए और कोशिकाओं में 1 डिग्री सेल्सियस / सेकंड की एक रैंप दर पर अपने बीम प्रवाह माप (BFM) तापमान के बहाव कोशिकाओं को रैंप, और 10 डिग्री सेल्सियस / अल के लिए मिनट। thermally स्थिर करने के लिए 1 कोशिकाओं के लिए मानव संसाधन रुको।
  3. 30-60 सेकंड के लिए प्रत्येक कोशिका के शटर खुला, और फिर 1-2 मिनट के लिए शटर बंद कर दें। प्रत्येक कक्ष के लिए तीन बार दोहराएँ। पहली किरण प्रवाह आयन गेज माप त्यागें और औसत दूसरा दो। पिछले प्रवाह / तापमान calibrations के अनुसार वांछित प्रवाह प्राप्त करने के लिए सेल के तापमान को समायोजित करें।

2. सब्सट्रेट तैयारी और लोड हो रहा है

  1. पूर्व सीटू सब्सट्रेट सफाई
    1. लोड महामारी तैयार एन-ध्रुवीय गण मन सीधे substrates, किसी भी पूर्व सीटू सफाई के बिना। वेफर अधिक के लिए हवा को उजागर किया गया हैकुछ घंटे से, एसीटोन (30 सेकंड), isopropanol (30 सेकंड) और de-ionized (डीआई) पानी (60 सेकंड) के तहत कुल्ला। Rinsing विसर्जन करने के लिए पसंद जब संभव के रूप में यह वेफर सतह पर कम कणों छोड़ जाता है।
      नोट:। गा-ध्रुवीय गण मन substrates के लिए एक और अधिक कठोर सतह को साफ सिफारिश की है 23
  2. लोड वेफर
    1. लोड ताला अलगाव गेट वाल्व बंद करें, और एन 2 के साथ वेंट।
    2. धारक पर वेफर लोड और लोड लॉक करने के लिए कैसेट वापसी। लोड ताला roughing पंप पर बारी और roughing पंप वाल्व और कई गुना वाल्व खुला।
    3. कई गुना दबाव 0.1 Torr से नीचे गिरा दिया गया है, कई गुना और roughing पंप वाल्व बंद कर दें। roughing पंप बंद कर दें और लोड ताला टर्बो पंप अलगाव वाल्व खुला।
    4. लोड ताला 30-60 मिनट के लिए नीचे पंप करने की अनुमति दें। आदर्श रूप में, तैयारी चैम्बर के लिए स्थानांतरित करने से पहले 10 -6 -10 -7 Torr के एक लोड ताला दबाव का उपयोग करें।
    5. तैयारी के चेंबर में लोड ताला खोलें, और लड़खड़ा छड़ी का उपयोग करने के लिए ट्राली वेफर हस्तांतरण। फिर तैयारी कक्ष में outgassing स्टेशन के लिए वेफर हस्तांतरण करने के लिए ट्राली का उपयोग करें। स्वयं एक रेल तैयारी कक्ष पर एक रोटरी feedthrough का उपयोग कर के साथ ट्राली ले जाएँ।
  3. outgas वेफर
    1. 10 मिनट से अधिक 700 डिग्री सेल्सियस के लिए outgassing स्टेशन हीटर तापमान रैंप।
    2. 30 मिनट के बाद, पीठ 100 डिग्री सेल्सियस से नीचे के तापमान रैंप। तापमान ≤ 250 डिग्री सेल्सियस हो गया है, outgassing स्टेशन पर लड़खड़ा स्टिक के इस्तेमाल से ट्राली को वापस वेफर हस्तांतरण।
  4. विकास कक्ष में लोड वेफर
    1. लोड की स्थिति के लिए सब्सट्रेट जोड़तोड़ लोअर, तैयारी / विकास कक्ष के गेट वाल्व खोलने के लिए और जोड़तोड़ करने के लिए वेफर धारक हस्तांतरण।
    2. विकास की स्थिति के लिए जोड़तोड़ उठाएँ, सब्सट्रेट हीटर के पास।
    3. ट्रॉली और सीएल हटायेगेट वाल्व OSE।
    4. एन 2 बोतल वाल्व, नियामक वाल्व और अलगाव सुई वाल्व खोलें। 1.5 sccm करने के लिए जन प्रवाह नियंत्रक (एम एफ सी) सेट (या के रूप में 3-4 x 10 -5 Torr के एक कक्ष दबाव पाने के लिए की जरूरत है)। प्लाज्मा प्रज्वलन के लिए इष्टतम दबाव जोरदार प्रणाली निर्भर है। ध्यान दें कि एन 2 अति उच्च शुद्धता (अधिमानतः 6N की तुलना में बेहतर है) और एक अतिरिक्त फिल्टर लाइन में प्रयोग किया जाता है आगे दोष को कम करने के लिए किया जाना चाहिए।
    5. एन * और मुख्य दरवाज़े बंद कर दिया साथ, प्लाज्मा आरएफ बिजली की आपूर्ति और ऑटो-मेल नेटवर्क नियंत्रक पर बारी। जब तक प्लाज्मा ignites आरएफ शक्ति बढ़ाएँ।
    6. 350 डब्ल्यू और 2.0 sccm वांछित प्रक्रिया की स्थिति के लिए आरएफ शक्ति और एन 2 प्रवाह सेट इस मामले में। एन * प्रवाह दिया प्लाज्मा की स्थिति से उत्पन्न प्रणाली निर्भर है, लेकिन यहाँ, इन शर्तों 5.0 एनएम / मिनट की एक गण मन विकास दर, या 1.8 एनएम -2 सेकंड की एक एन * प्रवाह उपज -1। एक स्पेक्ट्रोमीटर से जुड़ी साथ प्लाज्मा स्थिरता की निगरानीप्लाज्मा चैम्बर के पीछे की खिड़की।
  5. गा बयान और desorption: सीटू सतह तैयारी में
    1. ≤1 डिग्री सेल्सियस / सेकंड की एक रैंप दर के साथ वांछित गण मन विकास तापमान ऊपर 10 डिग्री सेल्सियस के लिए सब्सट्रेट हीटर को रैंप। इस मामले में, 730 डिग्री सेल्सियस के एक अनुमान के अनुसार वेफर तापमान का उपयोग करें।
    2. RHEED प्रणाली पर बारी वेफर सतह के क्षरण के लिए घड़ी और गा कवरेज पर नजर रखने के लिए। मैन्युअल सब्सट्रेट रोटेशन पर बारी। सब्सट्रेट रोटेशन प्रति एक बार एक RHEED पैटर्न इकट्ठा करने के लिए है, जबकि सब्सट्रेट विकास के दौरान घूर्णन कर रहा है एक स्थिर छवि प्रदान करने के लिए शुरू हो रहा RHEED अधिग्रहण सॉफ्टवेयर स्थापित करें।
    3. 1 मिनट के लिए सब्सट्रेट शटर और गा शटर खुला। सुनिश्चित करें RHEED तीव्रता तो कम हो जाती है के रूप में गा जम जाता है एक पठार तक पहुँचता है। गा प्रवाह गण मन के विकास के लिए प्रयोग किया जाता है कि इसी तरह होना चाहिए। इधर, गा प्रवाह लगभग 3.7 एनएम -2 सेकंड है -1।
    4. 2 मिनट के लिए शटर बंद कर दें और यह सुनिश्चित RHEEDतीव्रता बढ़ जाती है और 2 मिनट के अंत से पहले एक पठार तक पहुँच जाता है, गा desorption का संकेत है।
    5. दोहराएँ 2.5.2-2.5.4 तीन बार, 24 कदम और तब गण मन विकास तापमान सब्सट्रेट रैंप।

3. HEMT विकास

  1. बफर विकास
    1. एक 1 मिनट nitridation के लिए एन * शटर खोलने के द्वारा विकास आरंभ करें।
    2. अल शटर खोलने के द्वारा एक पतली 1-3 एनएम एन अमीर AlN nucleation परत के लिए आगे बढ़ें। इस AlN परत सूत्रण अव्यवस्था पीढ़ी को रोकने में मदद कर सकते हैं, 25 बहरहाल, AlN परत पेचीदा एक्स-रे विवर्तन (XRD) माप और XRD आधारित अंशांकन नमूने के लिए अनुशंसित नहीं है। InAlN परत के लिए के रूप में ही अल प्रवाह का उपयोग करें, या 0.36 एनएम के बारे -2 सेकंड -1, लगभग 1 एनएम / मिनट की वृद्धि दर दे रही है।
    3. अल और एन * शटर बंद कर दें और तुरंत 10 सेकंड के लिए गा शटर खोलने गा सतह तर करने के लिए अनुमति देने के लिए, RHEED तीव्रता रा कमी करनी चाहिएpidly। (अभी भी खुला गा शटर के साथ) एन * शटर खुला और गण मन के 5 मिनट हो जाना। उपयोग विशेष रूप से गण मन substrates freestanding के लिए हो या सी डोपिंग, बफर में बिजली के रिसाव धाराओं को रोकने के लिए।
    4. एक 1 मिनट विकास रुकावट के लिए बंद हो गा और एन * बंद। RHEED तीव्रता मॉनिटर। RHEED तीव्रता तुरंत बढ़ जाती है, तो गा प्रवाह काफी अधिक नहीं है। RHEED तीव्रता के बाद> 30 सेकंड बढ़ जाती है या 1 मिनट के भीतर एक पठार तक पहुँच नहीं है तो गा प्रवाह बहुत अधिक है। चित्रा 3 देखें।
    5. कुछ डिग्री से सब्सट्रेट तापमान वृद्धि (या गा बहाव सेल के तापमान को कम) उच्च गा प्रवाह 3.1.4 में देखा की भरपाई के लिए। यदि ga प्रवाह बहुत कम था, सब्सट्रेट तापमान में कमी (या गा बहाव सेल तापमान में वृद्धि) क्षतिपूर्ति करने के लिए।
      1. चरणों को दोहराएँ 3.1.3-3.1.5 जब तक वहाँ एक 15-30 सेकंड की देरी है, इससे पहले RHEED तीव्रता बढ़ जाती है और RHEED तीव्रता 1 मिनट पहले एक पठार तक पहुँचता है।
      दोहरा चरणों को जारी 3.1.4-3.1.5 जब तक वांछित गण मन मोटाई तक पहुँच जाता है। calibrated विकास दर से कुल वृद्धि समय गुणा करके मोटाई निर्धारित करते हैं। गा-समृद्ध विकास के लिए, एन * प्रवाह है, जो बारी में XRD का उपयोग कर एक अलग से उगाया अंशांकन नमूने में एक ज्ञात विकास समय के लिए मोटाई मापने के लिए गणना की जा सकती द्वारा विकास दर का निर्धारण।
  2. InAlN बाधा विकास
    1. अंतिम गण मन विकास कदम के बाद एक अतिरिक्त 1 मिनट रुको सुनिश्चित करने के लिए सभी गा सुखाया गया है।
    2. जल्दी से लगभग 630 डिग्री सेल्सियस के लिए InAlN विकास के तापमान को नीचे रैंप। सब्सट्रेट तापमान के बारे में 2 मिनट के लिए स्थिर करने की अनुमति दें।
    3. में, अल, और एन * दरवाज़े खोलें। RHEED तीव्रता कम होती है और पहले 3 मिनट के भीतर एक पठार तक पहुंच जाना चाहिए। RHEED तीव्रता के निरंतर कमी के संचय, जो InAlN विकास के लिए हानिकारक है का संकेत हो सकता। RHEED पैटर्न अस्थिर रहना चाहिए, एक चिकनी सतह का संकेत है। मैंn और अल अपशिष्टों 1.25 एनएम / मिनट के एक समूह-III सीमित विकास दर 0.31 देने के बारे में और 0.36 एनएम -2 सेकंड -1 हैं।
    4. पास में, अल, और एन * वांछित बाधा मोटाई के बाद दरवाज़े तक पहुँच गया है। एन-समृद्ध विकास के लिए, कुल समूह-III प्रवाह से विकास दर का निर्धारण। एक अलग से उगाया InAlN अंशांकन नमूना पर XRD का उपयोग कर विकास की दर को मापने। एक 15 एनएम InAlN बाधा यहाँ दी गई शर्तों का उपयोग के लिए, 12 मिनट 30 सेकंड के लिए दरवाज़े खोल सकते हैं।
  3. Interlayer और चैनल विकास
    1. सबसे पहले, 5 सेकंड के लिए गा शटर खोलने तो एन * शटर खोलने के लिए और गण मन interlayer बढ़ता है। सब्सट्रेट तापमान अभी भी InAlN विकास तापमान पर होना चाहिए।
    2. AlN interlayer विकसित करने के लिए गा या एन * दरवाज़े बंद किए बिना अल शटर खुला। interlayer के लिए अल प्रवाह आदर्श तो एक अलग अल बहाव सेल का उपयोग कि InAlN बाधा परत के लिए इस्तेमाल किया, एक ही है या एन * प्रवाह की तुलना में थोड़ा अधिक होना चाहिए, टीओ सेल के तापमान में परिवर्तन करने के लिए होने से बचें। कदम 3.2.4 देखें।
    3. एन * और अल दरवाज़े करीब है, लेकिन गा शटर खुला छोड़ दें। गण मन चैनल तापमान सब्सट्रेट तापमान रैंप।
    4. 30 सेकंड के बाद गा शटर बंद कर दें। 30 मिनट रुको और फिर से खोलने गा शटर (या जैसे ही RHEED तीव्रता में वृद्धि करने के लिए शुरू होता है)। चक्र के लिए गा शटर जारी रखें जब तक सब्सट्रेट गण मन चैनल विकास तापमान तक पहुँच गया है। इस सतह की रक्षा करते हुए अत्यधिक गा संचय को रोकने जाएगा।
    5. 5 सेकंड के लिए गा शटर खुला, तो एन * शटर खोलने के लिए और गण मन चैनल बढ़ता है।
    6. गा, एन * और मुख्य दरवाज़े बंद करें। 200 डिग्री सेल्सियस नीचे तापमान रैंप सब्सट्रेट, एन * प्लाज्मा बंद कर देते हैं और एन 2 गैस का प्रवाह बंद।
    7. अगर दिन के लिए समाप्त हो कोशिकाओं नीचे उनके स्टैंडबाई तापमान के लिए रैंप।
    8. सब्सट्रेट तापमान के लिए प्रतीक्षा नीचे 250 डिग्री सेल्सियस और चैम्बर दबाव कम करने के लिए नीचे दिए गए 8 x 10 -7 Torr ड्रॉप करने के लिए है, तोविकास कक्ष के गेट वाल्व खोलने और वेफर धारक वापस ट्राली के लिए स्थानांतरण।
    9. 2.2 चरण वेफर वापस लोड ताला के लिए स्थानांतरण करने के रिवर्स का पालन करें, एन 2 के साथ वेंट और वेफर को हटा दें। सुनिश्चित करें कि विकास कक्ष के गेट वाल्व लोड ताला खोलने से पहले बंद कर दिया है, और लोड ताला टर्बो पंप गेट वाल्व निकाल से पहले बंद कर दिया जाता है।
    10. चरणों का पालन 2.2.3-2.2.5 उच्च वैक्यूम के लिए कैसेट और लोड ताला लौटने के लिए।

4. विशेषता

  1. गड्ढ़े, दरारें या गा-बूंदों कि चैनल विकास के दौरान गठन हो सकता है, XRD इंटरफेसियल और संरचना की गुणवत्ता की जांच करने के लिए, और AFM सतह आकृति विज्ञान की जाँच करने के लिए जाँच करने के लिए ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी का उपयोग सामग्री की गुणवत्ता की विशेषताएँ। 20,21
  2. गा-बूंदों मौजूद हैं, रासायनिक संवेदनशील एन-ध्रुवीय सतह को नुकसान पहुँचाए बिना बूंदों दूर करने के लिए 5-10 मिनट के लिए केंद्रित एचएफ एसिड में वेफर विसर्जित कर दिया।
  3. उपाय चादर resLehighton संपर्क प्रतिरोध माप का उपयोग कर सहायता।
  4. नमूना प्रक्रिया हॉल और CTLM माप और डीसी और आरएफ ट्रांजिस्टर लक्षण वर्णन सहित बिजली के लक्षण वर्णन, अनुमति देने के लिए। 9,26

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Representative Results

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एक्स-रे विवर्तन (XRD) InAlN पतली फिल्मों में दिखाया गया के स्कैन चित्रा 4 में एन-ध्रुवीय गण मन substrates पर हो (क) एकल नुकीला दोनों 50 और 200 एनएम मोटी फिल्मों के लिए। 50 एनएम मोटी InAlN फिल्म के XRD स्कैन Pendellösung वें क्रम 15 तक किनारे, बहुत उच्च गुणवत्ता का संकेत इंटरफेसियल दर्शाती है। चित्रा 4 में विषम पारस्परिक अंतरिक्ष नक्शा (ख) से पता चलता 200 एनएम मोटी परत InAlN ही क्यू ही में विमान जाली गण मन सब्सट्रेट के रूप में निरंतर, एक हद तक मोटी परत InAlN के लिए पूरी तरह सुसंगत वृद्धि का संकेत है, और इस प्रकार है। क्यू दिशा में आधा अधिकतम पर पूरी चौड़ाई (FWHM), InAlN परत और गण मन सब्सट्रेट के लिए एक ही करने के लिए बहुत करीब है, सुझाव है कि कोई अतिरिक्त dislocations या अन्य संरचनात्मक दोषों InAlN परत में पेश किया गया है। क्यू में InAlN परत का विस्तार सीमित जुटना लेन के कारण होता हैGTH अपेक्षाकृत पतली परत InAlN में विस्तार।

चित्रा 5 में दिखाया AFM छवियों समान संरचना के साथ एन परतों 500 डिग्री सेल्सियस और 630 डिग्री सेल्सियस पर उगाया अल 0.82 0.18 में दो की तुलना करें। एक ही रचना को प्राप्त करने के लिए, / समूह-III प्रवाह अनुपात 0.18 से 500 डिग्री सेल्सियस पर 0.47 करने के लिए 630 डिग्री सेल्सियस पर वृद्धि की गई थी। कम वृद्धि के तापमान पर, सतह, एक अर्ध 3 डी मोड विकास को इंगित करता है, जबकि 630 कदम डिग्री सेल्सियस नमूना पर देखा जाता है, 2 डी कदम-प्रवाह विकास का सुझाव दे। ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन micrographs उच्च तापमान पर उगाया में 0.18 अल 0.82 एन नमूने लिए छत्ते आकृति विज्ञान के उन्मूलन दिखा। 19,20

पूर्ण एन-ध्रुवीय InAlN बाधा HEMT एन-ध्रुवीय गण मन substrates पर हो संरचनाओं के XRD माप 6 चित्र में दिखाया (क) XRD सिमुलेशन के साथ अच्छी तरह से सहमत हैं। सिमुलेशन के सभी के प्रति संवेदनशील हैंविभिन्न परतों, और इस तरह के समझौते दोनों अच्छे इंटरफेसियल गुणवत्ता और व्यक्तिगत परत की मोटाई पर नियंत्रण के एक उच्च डिग्री इंगित करता है। AlN और गण मन आईएल मोटाई 1.4 और 1.5 एनएम, क्रमशः थे। हॉल प्रभाव माप मापा μ = 1400 सेमी 2 / वी ∙ सेकंड, एन एस = 2.2 x 10 से 13 सेमी 2 में परिणाम, और आर एस = 200 Ω / □।

सी-ध्रुवीय हिज्जे गलत और एन ध्रुवीय गण मन substrates पर हो epitaxial परतों के लिए एन polarity परीक्षण संरचनाओं और पूर्ण HEMT संरचनाओं की चादर प्रतिरोध की तुलना द्वारा पुष्टि की गई। केवल एक InAlN परत गण मन या गण मन / AlN बफर परत पर विकसित होने नमूने अत्यधिक प्रतिरोधक थे, एक दो आयामी इलेक्ट्रॉन गैस के अभाव का संकेत है। InAlN परत के शीर्ष पर एक गण मन चैनल के साथ नमूने 170-300 Ω / हॉल माप में □ और एक दो आयामी इलेक्ट्रॉन गैस का सबूत है, इस बात की पुष्टि एन-ध्रुवीय आधारित व्यापार वातावरण से एक कम चादर प्रतिरोध दिखानेntation।

प्रारंभिक लक्षण वर्णन सामग्री के आधार पर, नमूने HEMT उपकरणों में संसाधित किया जा सकता है। प्रसंस्करण के पहले चरण जमा तिवारी / अल / नी / Au (20/100/10/50 एनएम) Ohmic एन 2 परिवेश के तहत 30 सेकंड के लिए 750 डिग्री सेल्सियस पर ई-बीम वाष्पीकरण और annealing से संपर्क, युक्ति अलगाव के द्वारा पीछा शामिल एक सीएल 2 / बीसीएल 3 / Ar उपपादन-मिलकर प्लाज्मा खोदना का उपयोग कर। यहाँ पर चर्चा उपकरणों के लिए स्रोत नाली रिक्ति 5 माइक्रोन है। इस बिंदु पर कई प्रक्रिया की निगरानी संरचनाओं विद्युत चैनल चार्ज घनत्व और गतिशीलता के लिए चादर और संपर्क प्रतिरोध और हॉल प्रभाव पैटर्न के लिए रैखिक और परिपत्र हस्तांतरण लंबाई माप पैटर्न सहित परीक्षण किया जा सकता है। चुने गए नमूने तो 1 माइक्रोन लंबे, 150 माइक्रोन विस्तृत पं / एयू फाटक जमा करके पूर्ण HEMT संरचनाओं के लिए कार्रवाई कर रहे हैं। ऊपर वर्णित epitaxial संरचना के साथ HEMTs एक एन-ध्रुवीय गण मन सब्सट्रेट पर हो गई है और पं / एयू के साथ निर्मित Schottky फाटक, उत्कृष्ट डीसी विशेषताओं दिखाने के लिए, (5 माइक्रोन स्रोत नाली रिक्ति और unoptimized संपर्कों के लिए) 1.5 ए / मिमी की अधिकतम वर्तमान और -1.6 वी की एक सीमा वोल्टेज के साथ के रूप में 6 चित्र में दिखाया गया है।

चित्रा 4
चित्रा 4:। InAlN पतली फिल्मों की XRD (क) 2θ / ω 50 एनएम और 200 एनएम मोटी InAlN पतली फिल्मों की XRD विवर्तन स्कैन प्रतिबिंब के बारे में एन-ध्रुवीय substrates और (ख) एक XRD पारस्परिक अंतरिक्ष नक्शा freestanding, दिखा पर हो 200 एनएम मोटी परत InAlN ही क्यू है समन्वय और इस प्रकार गण मन सब्सट्रेट करने के लिए सुसंगत है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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चित्रा 5:। 0.18 की एक में / समूह-III अनुपात और (ख) 630 डिग्री सेल्सियस ए में / समूह-III के साथ साथ (क) 500 डिग्री सेल्सियस से बढ़ी 0.18 अल 0.82 एन नमूनों की InAlN पतली फिल्मों की AFM AFM micrographs 0.47 का अनुपात। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 6
चित्रा। 6: XRD और डिवाइस एक InAlN HEMT के परिणाम (क) XRD ω / एक पूर्ण एन-ध्रुवीय InAlN HEMT संरचना के 0002 प्रतिबिंब XRD सिमुलेशन उत्पन्न करने के लिए इस्तेमाल किया इनसेट परत की मोटाई के साथ एक एन-ध्रुवीय गण मन सब्सट्रेट पर हो के बारे में स्कैन 2θ।(ख) HEMT हस्तांतरण की अवस्था और (ग) (क) की प्रक्रिया में एक ही डिवाइस के लिए चतुर्थ घटताएसईडी एक पंडित / एयू Schottky फाटक के साथ। यहां यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए क्लिक करें।

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Discussion

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एक उच्च गुणवत्ता गण मन बफर परत का विकास किसी भी नाइट्राइड- III HEMT में उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता को प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण है। एक एन-ध्रुवीय InAlN HEMT के मामले में, बफर परत विकास की आवश्यकता है कि सभी गा InAlN विकास करने से पहले सतह से हटाया जा से जटिल है। वहाँ तकनीकों प्रक्रिया के अलावा यह पूरा करने के लिए इस तरह के धातु संग्राहक epitaxy, 27 मध्यवर्ती गा गा कवरेज और छोटी बूंद संचय शासन, 28 के किनारे पर विकास की स्थिति का उपयोग कर या एक सतत एन * अनुमति के रूप में यहाँ वर्णित है, की एक किस्म के होते हैं - प्रवाह अतिरिक्त गा शामिल करने के लिए जब गा शटर समय समय पर बंद कर दिया है। 24

एक विकास रुकावट (गा वाष्पीकरण की अनुमति के लिए) इस मामले क्योंकि यह दरवाज़े धातु संग्राहक epitaxy में निहित पर पहनने कम कर देता है में प्रयोग किया जाता है, मे तापमान गैर एकरूपता के लिए सहिष्णु है, 29 और वास्तविक विकास समय में अस्पष्टता (और परत की मोटाई से बचा जाता है ) उसी तरहके रूप में एल के साथ आरएमएस खुरदरापन <1 एनएम एन * प्रवाह का उपयोग गा-गीला परत को शामिल करने का एक परिणाम के रूप में संभावित अशुद्धता समावेश से बचाता है। अस्थायी RHEED और चिकनी सतहों / इंटरफेस में 24 इस तकनीक के परिणाम अगर सही गा-प्रवाह और विकास / व्यवधान डाला कई बार उपयोग किया जाता है। चित्रा 3 में वर्णित RHEED यात्रियों के अलावा, अपर्याप्त गा-प्रवाह धब्बेदार RHEED पैटर्न और किसी न किसी सतह (एन-अमीर की स्थिति के लिए) या एक पठार / खाई किसी न किसी सतह आकृति विज्ञान के साथ अस्थायी RHEED (गा-अमीर मध्यवर्ती के लिए ने संकेत दिया जा सकती है स्थिति)। 28

व्यवधान के बीच अधिकतम वृद्धि समय कुछ हद तक लचीला है, लेकिन स्थूल गा-छोटी बूंद गठन के द्वारा सीमित है। एक बार फार्म बूंदों और संगठित होना, वे पूरी तरह से लुप्त हो जाना और RHEED ब्राइटनिंग अभी भी गा बूंदों की उपस्थिति में हो सकता है, गलत तरीके से गा-मुक्त सतह सुझाव बहुत मुश्किल हो जाता है। व्यवधान के बीच अप करने के लिए 20 मिनट का गण मन विकास बार आर करने के लिए इस्तेमाल किया गया हैशटर पहनने के निष्कर्ष निकालना। 29 गा-बूंदों वृद्धि के बाद वेफर सतह पर पाया बफर परत विकास के दौरान गठित की बूँदों से ही शुरू कर सकते हैं (हालांकि वे भी गण मन चैनल विकास के दौरान महत्वपूर्ण नकारात्मक परिणामों के बिना फार्म कर सकते हैं)। स्थूल गा-बूंदों जो बफर के दौरान गठित InAlN बाधा परत में गा समावेश और / या में विस्थापन का कारण बन सकती है, कम वाहक सांद्रता के लिए अग्रणी और / या जो कम तापमान क्षेत्रों में और अधिक गंभीर है अवरोध तनाव के कारण परत के खुर वेफर की।

ग्रोथ पर या चैनल के पास बीच में आता है HEMTs के लिए गंभीर डिवाइस गिरावट पैदा कर सकता है। हालांकि, अगर गा-प्रवाह समय समय पर आपूर्ति की है और व्यवधान के दौरान desorb की अनुमति दी है, गतिशीलता में गिरावट से बचा जा सकता है और बीच में एक उच्च विकास तापमान गण मन विकास। 15 इस तकनीक का उपयोग करने के लिए अधिक अनुकूल करने के लिए सब्सट्रेट रैंप के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, गतिशीलता लगभग 150 सेमी की वृद्धि हुई किया गया है

हम उच्च गुणवत्ता वाले एन-ध्रुवीय InAlN बाधा HEMTs विकसित करने के लिए एक विधि का प्रदर्शन किया है। सीटू गा बयान में और desorption epitaxial विकास के लिए एक साफ सतह तैयार करने के लिए उपयोग किया जाता है। HEMT epitaxial परत संरचना चैनल चार्ज घनत्व और गतिशीलता, और एक तापमान रैंप जो आगे गतिशीलता अनुकूलन कर सकते हैं के साथ एक गण मन चैनल विकास प्रक्रिया को नियंत्रित करने के सजातीय संरचना, AlN और गण मन interlayers के साथ एक InAlN-अवरोध परत को शामिल किया गया। PAMBE और यहाँ वर्णित प्रक्रियाओं को व्यापक रूप से आरएफ और उच्च शक्ति इलेक्ट्रॉनिक्स और दृश्य के माध्यम से यूवी Optoelectronics सहित नाइट्राइड- III epitaxy, को लागू कर रहे हैं।

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Freestanding N-polar GaN wafer Kyma 10 mm x 10 mm
C-polar SiC wafer Cree W4TRE0R-L600 3 inch diameter
Microelectronics grade acetone Fischer Scientific A18-4
Microelectronics grade isoproponal J.T. Baker 9079-05/JT9079-5
Al source material (6N5 pure) UMC ALR62060I
Ga source material (7N pure) UMC GA701
In source material (7N pure) UMC IN750
ULSI N2 source gas (6N pure) Matheson Tri-gas G2659906D
PRO-75 MBE system OmicronScientia

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References

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प्लाज्मा की मदद से आणविक बीम एन-ध्रुवीय InAlN बाधा उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता ट्रांजिस्टर के Epitaxy
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Hardy, M. T., Storm, D. F., Katzer, D. S., Downey, B. P., Nepal, N., Meyer, D. J. Plasma-assisted Molecular Beam Epitaxy of N-polar InAlN-barrier High-electron-mobility Transistors. J. Vis. Exp. (117), e54775, doi:10.3791/54775 (2016).More

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