Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

-Plasma ondersteunde Moleculaire bundel epitaxie van N-polaire InAlN-barrière High-elektron-mobiliteit Transistors

Published: November 24, 2016 doi: 10.3791/54775
Automatic Translation
1, 2, 2, 2, 2, 2
1NRC Postdoctoral Scholar, Naval Research Laboratory, 2Electronics Science and Technology Division, Naval Research Laboratory

Summary

Moleculaire bundel epitaxie wordt gebruikt om N-polar InAlN-barrier high-elektron-mobiliteit transistoren (HEMTs) groeien. Controle van de wafer voorbereiding, laag groeiomstandigheden en epitaxiale structuur resulteert in gladde, compositorisch homogene InAlN lagen en HEMTs die slecht ter been zo hoog als 1750 cm2 / V ∙ sec.

Abstract

-Plasma ondersteunde moleculaire bundel epitaxie is goed geschikt voor de epitaxiale groei van III-nitride dunne films en heterostructuren met gladde, abrupte interfaces nodig voor hoogwaardige high-elektron-mobiliteit transistoren (HEMTs). Een procedure wordt voorgesteld voor de groei van N-polaire InAlN HEMT, waaronder wafer voorbereiding en groei van bufferlagen, de InAlN barrièrelaag, AlN en GaN tussenlagen en de GaN kanaal. Kritieke problemen bij elke stap van de werkwijze worden geïdentificeerd, zoals het vermijden GA ophoping in de GaN buffer, de rol van de temperatuur op InAlN samenstelling homogeniteit en het gebruik van Ga flux tijdens de AlN tussenlaag en de interrupt vóór GaN kanaal groei. Compositorisch homogene N-polaire InAlN dunne films worden gedemonstreerd met een oppervlakte wortel van het gemiddelde kwadraat ruwheid zo laag als 0,19 nm en InAlN-gebaseerde HEMT structuren worden gemeld met mobiliteit zo hoog als 1750 cm2 / V ∙ sec voor apparaten met een vel ladingsdichtheid van 1,7 x 1013 cm -2.

Introduction

Moleculaire bundel epitaxie (MBE) is een veelzijdige epitaxiale dunne film groei techniek die een ultra-hoog vacuüm omgeving telt met base druk zo laag als 10 -11 Torr lage onzuiverheid opname in de volwassen film te waarborgen. De samenstelling en de groei van de epitaxiaal gegroeide lagen worden bepaald door het regelen van de temperatuur van elk effusie cel, en dus de verdampte stroom van de verschillende bronmaterialen. Bij III-nitride epitaxie, de groep III-elementen (In, Al, Ga) worden typisch verschaft door uitstroomcellen terwijl de actieve stikstofatoom (N *) stroom wordt geleverd door hetzij een N2 plasma 1,2 (RF plasma bijgestane MBE. PAMBE of RFMBE) of ammoniak (NH3 -MBE) 3,4 MBE groei wordt gekenmerkt door lagere groeitemperatuur en scherper grensvlak abrupte dan andere epitaxiale technieken, zoals metaal-organische chemische dampafzetting 5 een schematisch weergegeven. in Figuur 1.


Figuur 1:.. MBE systeem schema Schematische die de vulsluis, transfersysteem, ontgassing station en kweekkamer Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

III-nitriden worden geteeld op substraten met verschillende kristaloriëntaties. De meest gebruikte oriëntatie is de Ga-polaire c -vlak, die de vorming van een tweedimensionaal elektronengas mogelijk maakt zonder doping door gebruik te maken van het verschil in polarisatie tussen de barrièrelaag, typisch AlGaN en GaN kanaal. Diverse niet-polaire en semi-polaire oriëntaties van GaN hebben veel aandacht voor opto-elektronica gekregen als gevolg van verminderde polarisatie effecten in het quantum putten, 6,7 waardoor ook deze oriëntaties minder wenselijk HEMT applicatioNS. N-polaire georiënteerde inrichtingen zijn aantrekkelijk voor de volgende generatie hoogfrequent HEMT bediening door verschillende intrinsieke voordelen ten opzichte van conventionele Ga-polaire inrichtingen. 8 De barrièrelaag in N-polaire inrichtingen wordt gekweekt onder de GaN kanaal zoals getoond in figuur 2, resulteert in een natuurlijke achtergrond barrière die helpt elektrostatische controle over het kanaal en vermindert korte kanaal effecten, terwijl stroom gemakkelijker toegang tot de GaN kanaal en verminderen contactweerstand. De slagboom kan ook afzonderlijk worden bediend vanaf het kanaal, zodat wanneer het kanaal dikte is verkleind voor hoogfrequente apparatuur de barrière ontwerp kan worden aangepast om te compenseren voor kanaal lading verloren aan Fermi-niveau pinning effecten.

Figuur 2
Figuur 2:. Epitaxiale laag schematische laagopbouw van (a) een N-polaire HEMT en (b) een Ga-polaire HEMT voor vergelijIson. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

HEMT gebruikt in high-speed worden hoge-vermogensversterkers gewoonlijk bestemd voor SiC substraten te profiteren van de hoge thermische geleidbaarheid van SiC. Threading lage dislocatiedichtheid vrijstaande GaN substraten kunnen worden toegepast om de elektronen mobiliteit, 9 waardoor de hoogfrequente prestatie verbeteren verbeteren. Na de groei van een AlN nucleatielaag wordt een dikke GaN buffer gekweekt ruimtelijk de onzuiverheden te scheiden van de hergroei-interface van de HEMT kanaal en elektrische isolatie te verbeteren. In tegenstelling tot andere III-V materialen, GaN gegroeid PAMBE heeft typisch groeiomstandigheden met een groep-III / V-verhouding groter is dan 1, dat wil zeggen, metaal-rijke omstandigheden, 10,11 om een glad oppervlak morfologie te bereiken. In x Al 1- x N is een alterinheemse barrière materiaal voor III-nitride HEMTs, en heeft veel aandacht gekregen onlangs omdat het uitgegroeid rooster kan worden afgestemd op GaN voor x ≈ 0.18 en kan via het genereren van twee keer het kanaal heffing ten opzichte van AlGaN barrières vanwege zijn hoge spontane polarisatie. In tegenstelling tot 12-15 AlGaN barrières, zal Ga bij voorkeur op te nemen die geldt voor de InAlN lagen, 16 dus zorg moeten worden genomen om ervoor te zorgen dat de ondergrond vrij van overtollige Ga na de Ga-rich GaN bufferlaag groei en voorafgaand aan InAlN groei.

Controle van Ga op het oppervlak kan worden bereikt door een suppling Ga flux iets minder dan de flux vereist voor Ga-druppelvorming. Echter, deze groei venster is klein, en onvoldoende Ga oppervlak dekking zal de oppervlakte morfologie veroorzaken te degraderen naar plateau / geul morfologie terwijl overtollige Ga flux zal resulteren in Georgia accumulatie en macroscopische druppelvorming. 17 Reflectie hoog-energetische elektronen diffractie (RHEED) intens teit kan worden gebruikt om Ga accumulatie en desorptie controleren. Ga oppervlaktebedekking wordt aangegeven door een verlaging van RHEED intensiteit en eventuele vertraging tussen het sluiten van de Ga (en N *) blinden en de aanvankelijke verhoging van RHEED intensiteit geeft accumulatie van Ga, zie figuur 3.

figuur 3
Figuur 3: Monitoring Ga dekking met RHEED intensiteit RHEED intensiteit signaal gemeten van RHEED patroon onder rotatie verkregen met behulp van getriggerde acquisitie.. Onvoldoende Ga flux wordt aangegeven door een onmiddellijke toename in intensiteit na het sluiten van de luiken (niet getoond). Verzadigde / ideale Ga dekking wordt met een vertraging tussen sluiter sluiting en abrupte RHEED en helder overmaat Ga dekking in beschouwd als zowel een vertraging in aanvankelijke RHEED heldermakende en een geleidelijkere intensiteit verbeteren met volle intensiteit herstel duurt langer dan 60 s.com / files / ftp_upload / 54775 / 54775fig3large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Kwalitatief hoogstaand InAlN door PAMBE wordt gecompliceerd door de aanwezigheid van laterale samenstelling schommelingen, resulterend in een "honingraat" microstructuur bestaande uit Al-rijke domeinen omgeven door In-rijke grenzen. 18 Eliminatie van deze microstructuur wordt bereikt door een substraattemperatuur ongeveer 50 ° C boven het begin van In desorptie, 15,19,20 of ongeveer 630 ° C N-polaire InAlN. In deze hoge temperatuur groei regime, de in x Al 1- x N samenstelling is een sterke functie van de ondergrond temperatuur, met hogere temperaturen leidt tot lagere in oprichting. In de flux kan worden verhoogd als compensatie voor verloren In verdamping, hoewel in de praktijk de maximale flux wordt beperkt door een vermindering opnamedoelmatigheid met toenemende In flux. 21 Naast het verminderen van de substraattemperatuur of verhogen van de flux in het verhogen van de groeisnelheid kan ook de samenstelling stijgen door de "begraven in effect", waarbij inkomende Al atomen val en ter voorkoming van verdamping. 21,22 Higher groei kan worden bereikt door het verhogen van de In en Al flux proportioneel. De groeicondities N-rijk houden, zou de N * moeten ook worden vergroot, hetgeen kan worden bereikt door de RF plasmavermogen, waardoor de N2 stroomsnelheid, verbeteren de plasmakamer ontwerp, of verhoging van het diafragma plaatholte dichtheid.

Extra epitaxiale lagen in InAlN-gebaseerde HEMTs omvatten GaN en AlN tussenlagen (ILS) en een GaN-kanaal. Een AlN IL ingevoegd tussen de barrière en het kanaal kan de mobiliteit μ evenals kanaal sheet ladingsdichtheid n s te verhogen. De toename van de mobiliteit wordt toegeschreven aan het verminderen van elektron golffunctie overlap met de InAlN barrier en daaropvolgende legering verstrooiing. 9 Ter controle hoogwaardige groei van AlN IL wordt een overmaat van Ga flux toegevoerd tijdens de groei om als surfactant. Een GaN IL kan worden gebruikt tussen de AIN IL en belemmering voor de mobiliteit verder te verbeteren terwijl het verminderen van kanaal lading. De GaN-kanaal kan worden geteeld op dezelfde temperatuur als de InAlN barrière, waardoor een continue groei van de barrière hoewel het ILS en kanaal. Betere mobiliteit is verkregen door onderbreking groei na de AlN IL en het verhogen van de groeitemperatuur voor het groeien GaN kanaal. In dit geval heeft een beschermende Ga oppervlaktebedekking tijdens de interrupt mobiliteit straling beschermd worden gehandhaafd.

Het volgende protocol is specifiek van toepassing InAlN-barrière HEMTs gekweekt op N-polaire GaN substraten. Het kan direct worden uitgebreid tot groei op C-polaire 4H of 6H SiC-substraten met een 50 nm dikke AlN N-rijke laag.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. uitstroomcel Ramp en Flux Calibration

  1. Bevestig vloeibare N2 stroomt naar de cryo-panelen en dat de groei kamer heeft base druk bereikt.
  2. Opvoeren van de effusiecellen hun bundel flux meting (BFM) temperatuur bij een ramp snelheid van 1 ° C / sec voor GA en in cellen, en 10 ° C / min voor Al. Wacht 1 uur op cellen thermisch stabiliseren.
  3. Open de sluiter van elke cel voor 30-60 sec, en sluit de sluiter voor 1-2 min. Herhaal dit drie keer voor elke cel. Gooi de eerste bundel flux ion meter meten en het gemiddelde van de laatste twee. Stel de cel temperatuur om de gewenste flux te bereiken op basis van de vorige flux / temperatuur kalibraties.

2. Voorbereiding van de ondergrond en het laden

  1. Ex situ substraat schoonmaak
    1. Load epi-ready N-polaire GaN substraten direct, zonder enige ex situ reiniging. Indien de wafer is blootgesteld aan lucht moredan een paar uur, afspoelen onder aceton (30 sec), isopropanol (30 sec) en gedeïoniseerd (DI) water (60 sec). Spoelen voorkeur onderdompeling indien mogelijk omdat deze dan minder deeltjes achter op het wafeloppervlak.
      LET OP:. Voor Ga-polaire GaN substraten een meer rigoureuze oppervlak schoon wordt aanbevolen 23
  2. load wafer
    1. Sluit de load-lock isolatie gate ventiel, en vent met N2.
    2. Laad de wafer op de houder en zet de cassette naar de vulsluis. Schakel de voorbewerking pomp load lock en open het voorbewerken pomp ventiel en spruitstuk ventiel.
    3. Wanneer het spruitstuk druk onder 0,1 Torr is gedaald, sluit het spruitstuk en voorbewerken pompkleppen. Schakel de voorbewerking pomp en open de load-lock turbo-pomp afsluiter.
    4. Laat de vulsluis om naar beneden te pompen gedurende 30-60 min. Gebruik bij voorkeur een lading lock druk van 10 -6 -10 -7 Torr alvorens naar de voorbereiding kamer.
    5. Open de vulsluis in de voorbereiding kamer, en de overdracht van de wafer om de trolley met behulp van wobble stick. Maak dan gebruik van de trolley naar de wafer te dragen aan de ontgassing station in de voorbereiding kamer. Beweeg de trolley handmatig langs een rail met behulp van een draaiende doorvoer over de voorbereiding kamer.
  3. ontgassen wafer
    1. Ramp de ontgassing station verwarmingstemperatuur tot 700 ° C gedurende 10 min.
    2. Na 30 min, helling de temperatuur terug naar 100 ° C. Wanneer de temperatuur ≤ 250 ° C en breng de wafer terug naar de wagen via wobble stok de ontgassing station.
  4. Laad wafer in de kweekkamer
    1. Verlaag het substraat manipulator naar de laadpositie, opent de bereiding / groeikamer schuifafsluiter en breng de wafelhouder de manipulator.
    2. Verhoog de manipulator om de groei plaats, in de buurt van het substraat kachel.
    3. Verwijder de trolley en close de afsluiter.
    4. Open de N2 fles ventiel, regelklep en isolatie naaldventiel. Stel de massastroomregelaar (MFC) tot 1,5 SCCM (of als nodig is om een kamer druk van 3-4 x 10 -5 Torr te krijgen). De optimale druk voor plasma ontsteking is sterk afhankelijk van het systeem. Merk op dat de N 2 ultrazuivere (bij voorkeur meer dan 6 N) en een extra filter wordt gebruikt in overeenstemming onzuiverheden verder te verminderen moet zijn.
    5. Met de N * en de belangrijkste luiken gesloten, zet de plasma RF voeding en auto-matching netwerk controller. Verhoging van de RF-energie tot de plasma ontsteekt.
    6. Stel het HF-vermogen en N2 stroom naar de gewenste procesomstandigheden, in dit geval 350 W en 2,0 sccm. De N * flux als gevolg van gegeven plasma omstandigheden is het systeem afhankelijk is, maar hier, deze omstandigheden leveren een GaN-groei van 5,0 nm / min, of een N * flux van 1,8 nm -2 sec -1. Controleer de plasmastabiliteit spectrometer met een aan deachterruit van de plasma kamer.
  5. In situ voorbereiding van het oppervlak: Ga depositie en desorptie
    1. Opvoeren van de substraatverhitter tot 10 ° C boven de gewenste GaN groeitemperatuur met een toenamesnelheid van ≤1 ° C / sec. In dit geval moet u een geschatte wafer temperatuur van 730 ° C.
    2. Zet de RHEED systeem om naar te kijken voor de afbraak van de wafer oppervlak en monitoren Ga dekking. Handmatig in- het substraat rotatie. Stel de getriggerd RHEED acquisitie software naar een RHEED patroon eens te verzamelen per substraat omwenteling naar een statisch beeld te bieden, terwijl het substraat roteert tijdens de groei.
    3. Open het substraat sluiter en Ga sluiter voor 1 min. Zorg ervoor dat de RHEED intensiteit neemt dan bereikt een plateau als Ga ophoopt. Ga flux moeten vergelijkbaar zijn met die welke voor GaN groei. Hier, de Ga flux is bij benadering 3,7 nm -2 -1 sec.
    4. Sluit de sluiter gedurende 2 minuten en zorgen voor de RHEEDintensiteit toeneemt en een plateau voor het einde van de 2 min bereikt, aangeeft Ga desorptie.
    5. Herhaal stap 2.5.2-2.5.4 drie keer, 24 en vervolgens oprit van het substraat aan de GaN groei temperatuur.

3. HEMT Growth

  1. buffer groei
    1. Initiëren groei door het openen van de N * sluiter voor een 1 min nitridatie.
    2. Kweek een dunne 1-3 nm N-rijke AIN nucleatielaag door het openen van de Al sluiter. Dit AlN laag kan voorkomen threading dislocatie generatie, 25 maar de AIN laag compliceert röntgendiffractie (XRD) metingen en is niet geschikt voor XRD-gebaseerde ijkmonsters. Gebruik dezelfde Al flux als de InAlN laag, of ongeveer 0,36 nm -2 s -1, hetgeen een groei van ongeveer 1 nm / min.
    3. Sluit de Al en N * sluiter en onmiddellijk openen de Ga sluiter voor 10 seconden om Ga naar de oppervlakte te verzadigen, zou de intensiteit RHEED ra verlagenpidly. Open de N * sluiter (met de Ga sluiter nog open) en groeien 5 min van GaN. Gebruik of C doping, vooral voor vrijstaande GaN substraten elektrische lekstromen in de buffer te voorkomen.
    4. Sluit de GA en N * rolluiken voor een 1 min groei onderbreking. Bewaken van de RHEED intensiteit. Als de intensiteit RHEED onmiddellijk toeneemt, dan de Ga flux niet hoog genoeg. Als de RHEED intensiteit toeneemt na> 30 sec of niet een plateau binnen 1 minuut te bereiken dan de Ga flux is te hoog. Zie figuur 3.
    5. Verhoog de substraattemperatuur enkele graden (of kleiner Ga uitstroomcel temperatuur) compenseren hoge Ga flux gezien in 3.1.4. Als de Ga flux is te laag, verlagen temperatuur van het substraat (of verhoging van de Ga uitstroomcel temperatuur) te compenseren.
      1. Herhaal stap 3.1.3-3.1.5 totdat er een 15-30 seconden duren voordat de RHEED intensiteit toeneemt en de intensiteit RHEED een plateau voor 1 min bereikt.
      Blijven herhalen stappen 3.1.4-3.1.5 tot de gewenste dikte GaN is bereikt. Bepaal de dikte van de totale groei van de tijd te vermenigvuldigen met de gekalibreerde groeisnelheid. GA genererende groei, bepalen de groeisnelheid van de N * flux, die op hun beurt kunnen worden berekend met behulp van XRD om de dikte van een bekend groeitijd in een afzonderlijk gekweekt ijkmonster meten.
  2. InAlN barrière groei
    1. Wacht een extra 1 minuut na de laatste GaN groei stap om ervoor te zorgen alle Ga is verdampt.
    2. Snel helling naar beneden naar de InAlN groei temperatuur tot ongeveer 630 ° C. Laat de substraattemperatuur te stabiliseren gedurende ongeveer 2 minuten.
    3. Open de In, Al en N * luiken. De RHEED intensiteit zou afnemen en een plateau bereikt binnen de eerste 3 min. Voortdurende afname van RHEED intensiteit kan accumulatie van In, hetgeen schadelijk is voor InAlN groei geven. De RHEED patroon moet buikspek blijven, wat wijst op een glad oppervlak. de In en Al stromen zijn ongeveer 0,31 en 0,36 nm -2 sec -1, het geven van een groep-III een beperkte groei van 1,25 nm / min.
    4. Sluit de In, Al en N * luiken nadat de gewenste barrière dikte is bereikt. Voor N-rijke groei, bepalen de groei van de totale groep-III flux. Meet de groei met behulp van XRD op een apart gegroeid InAlN kalibratie monster. Voor een 15 nm InAlN barrière met behulp van de hier gegeven omstandigheden, de luiken open gedurende 12 min 30 sec.
  3. Tussenlaag en het kanaal groei
    1. Open eerst de Ga sluiter voor 5 sec, open dan de N * sluiter en groeien de GaN tussenlaag. De ondergrond temperatuur moet nog steeds aan de InAlN groei temperatuur.
    2. Open de Al sluiter zonder het sluiten van de Ga of N * luiken aan de AlN tussenlaag groeien. Al flux van de tussenlaag moet gelijk of iets hoger dan de N * flux, idealiter met een ander Al uitstroomcel dan die toegepast voor de InAlN barrièrelaag, to voorkomen dat de cel temperatuur te veranderen. Zie stap 3.2.4.
    3. Sluit de N * en Al luiken maar laat de Ga sluiter geopend. Ramp temperatuur van het substraat aan de GaN-kanaal temperatuur.
    4. Na 30 seconden sluit de Ga sluiter. Wacht 30 sec (of zodra de RHEED intensiteit begint te stijgen) en opnieuw openen van de Ga sluiter. Doorgaan om te fietsen de Ga sluiter totdat het substraat de GaN-kanaal groei temperatuur heeft bereikt. Dit zal het oppervlak te beschermen terwijl het voorkomen van overmatig Ga accumulatie.
    5. Open de Ga sluiter voor 5 sec, open dan de N * sluiter en groeien de GaN-kanaal.
    6. Sluit de Ga, N * en de belangrijkste luiken. Ramp de ondergrond temperatuur tot 200 ° C, zet de N * plasma en zet de N2 gasstroom.
    7. Ramp van de cellen naar beneden hun stand-by temperatuur als klaar voor de dag.
    8. Wacht tot de substraattemperatuur daalt beneden 250 ° C en kamerdruk tot onder 8 x 10 -7 Torr, danOpen de groeikamer afsluiter en overdragen van de wafel houder terug naar de trolley.
    9. Volg het omgekeerde van stap 2.2 de wafer terug naar de vulsluis overdragen vent met N2 en verwijder de wafel. Controleer de groeikamer schuifafsluiter wordt voordat de vulsluis gesloten en dat de vulsluis turbopomp schuifafsluiter is gesloten voordat ontluchten.
    10. Volg de stappen 2.2.3-2.2.5 naar de cassette en de belasting slot terug te keren naar hoog vacuüm.

4. karakterisering

  1. Kenmerkend zijn voor de kwaliteit van het materiaal met behulp van optische microscopie om te controleren of kuilen, scheuren of Ga-druppels die tijdens de groei kanaal kan hebben gevormd, XRD aan het grensvlak en de structuur kwaliteit te controleren, en de AFM aan de oppervlakte morfologie controleren. 20,21
  2. Als Ga-druppeltjes aanwezig zijn, dompel de wafer in geconcentreerde HF zuur voor 5-10 min naar de druppels te verwijderen zonder beschadiging van het chemisch gevoelige N-polaire oppervlak.
  3. Meet sheet resistance gebruik Lehighton contactloze weerstand metingen.
  4. Verwerk het monster om elektrische karakterisering, met inbegrip van Hall en CTLM metingen en dc en RF transistor karakterisering mogelijk te maken. 9,26

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Röntgendiffractie (XRD) scans van InAlN dunne films die gegroeid op N-polaire GaN substraten in figuur 4 (a) één piek zowel 50 en 200-nm-dikke lagen. De XRD scan van de 50 nm dik InAlN film vertoont Pendellösung franjes tot 15 th orde, met vermelding van zeer hoge kwaliteit grensvlak. De asymmetrische reciproke ruimte kaart in figuur 4 (b) toont dat de 200 nm dikke InAlN laag heeft dezelfde q ‖ en dus dezelfde in het vlak roosterconstante als GaN substraat aangeeft volledig coherent groei een redelijk dikke InAlN laag. De breedte op halve hoogte (FWHM) van de q ‖ richting dicht bij hetzelfde voor de InAlN GaN laag en substraat, wat erop wijst dat er geen extra dislocaties of andere structurele defecten in de laag InAlN ingevoerd. De verbreding van de laag in InAlN q ⊥ wordt veroorzaakt door beperkte samenhang lenGTH verbreding in de relatief dunne InAlN laag.

De AFM afbeeldingen in figuur 5 Vergelijk twee In 0,18 N 0,82 Al lagen met gelijke samenstelling gegroeid bij 500 ° C en 630 ° C. Om dezelfde samenstelling te bereiken, werd de in / groep-III fluxverhouding steeg van 0,18 bij 500 ° C tot 0,47 bij 630 ° C. Bij de lagere groei temperatuur, het oppervlak aan een quasi-3D-groei-modus, terwijl stappen worden gezien op de 630 ° C monster, wat suggereert 2D stap flow groei. TEM tonen eliminatie van de honingraat morfologie In Al 0,18 0,82 N monsters gekweekt bij hoge temperatuur. 19,20

XRD metingen van volledige N-polaire InAlN barrière HEMT structuren gekweekt in N-polaire GaN substraten weergegeven in figuur 6 (a) goed overeenkomen met XRD simulaties. De simulaties zijn gevoelig voor allede verschillende lagen, en een dergelijke overeenkomst geeft aan zowel goed grensvlak kwaliteit en een hoge mate van controle over de individuele laag diktes. De AlN en GaN IL dikten waren 1,4 en 1,5 nm. Hall-effect metingen leiden tot gemeten μ = 1400 cm2 / V ∙ sec, n s = 2,2 x 10 13 cm 2, en R s = 200 Ω / □.

N-polariteit epitaxiale lagen gegroeid op C-polaire SiC en N-polaire GaN substraten werd bevestigd door vergelijking van de laagweerstand van teststrukturen en volledige HEMT structuren. Monsters met alleen een InAlN laag geteeld op GaN of GaN / AIN buffer laag waren hoge weerstand, met vermelding van het ontbreken van een tweedimensionaal electron gas. Monsters met een GaN-kanaal op de top van de InAlN laag vertonen een lage weerstand van 170-300 Ω / □ en het bewijs van een tweedimensionaal electron gas in Hall metingen bevestigt N-polar orientation.

Gebaseerd op de initiële materiaal karakterisering, kunnen monsters worden verwerkt tot HEMT apparaten. De eerste fase van de verwerking omvat het afzetten van de Ti / Al / Ni / Au (20/100/10/50 nm) Ohmse contacten per e-verdamping en gloeien bij 750 ° C gedurende 30 seconden onder N2 omgevingstemperatuur, gevolgd door inrichting isolatiefilm met een Cl 2 / Bcl 3 / Ar inductief gekoppeld plasma etch. De source-drain tussenruimte voor de toestellen hier wordt 5 urn. Op dit punt een aantal procesbewaking structuren elektrisch kunnen worden getest, met inbegrip van lineaire en circulaire overdracht lengtemeting patronen voor blad en contact weerstand en Hall-effect patronen voor kanaal ladingsdichtheid en mobiliteit. Geselecteerde monsters worden vervolgens verwerkt voor volledige HEMT structuren door het storten van 1 micrometer lang en 150 micrometer breed Pt / Au gates. HEMT de epitaxiale boven omschreven gekweekt op een N-polaire GaN substraat en vervaardigd met Pt / Au Schottky poorten tonen uitstekende eigenschappen gelijkstroom, met een maximale stroom van 1,5 A / mm (voor een 5 urn source-drain afstand en unoptimized contacten) en een drempelspanning van -1,6 V, zie figuur 6.

figuur 4
Figuur 4:. XRD van InAlN dunne films (a) 2θ / ω XRD diffractie scans van 50 nm en 200 nm dikke InAlN dunne films gegroeid op vrijstaande N-polaire substraten en (b) een XRD reciproke ruimtekaart de reflectie, die de 200 nm dik InAlN laag heeft dezelfde q ‖ te coördineren en is daarmee samenhangend de GaN-substraat. klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

ftp_upload / 54775 / 54775fig5.jpg "/>
Figuur 5:. AFM InAlN dunne films AFM microfoto van in 0,18 Al 0,82 N monsters gekweekt bij (a) 500 ° C met een in / groep-III-verhouding van 0,18 en (b) 630 ° C met een in / groep-III verhouding van 0,47. klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 6
Figuur. 6: XRD EN INRICHTING resultaten van een InAlN HEMT (a) XRD ω / 2θ scannen over 0002 reflectie van een volledige N-polaire InAlN HEMT structuur gekweekt op een N-polaire GaN substraat met bijvoegsel laagdikten gebruikt om de XRD simulatie genereren. . (B) HEMT overdrachtcurve en (c) IV curves voor dezelfde inrichting in (a) processed met een Pt / Au Schottky gate. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Groei van een hoge kwaliteit GaN bufferlaag dit is nodig om mobiliteit hoge elektronenmobiliteit één III-nitride HEMT. Bij een N-polair InAlN HEMT, wordt de bufferlaag groei bemoeilijkt door de eis dat alle Ga van het oppervlak vóór InAlN groei verwijderen. Er zijn verschillende technieken om deze naast de procedure bereiken hier beschreven, zoals metaal gemoduleerd epitaxie, 27 behulp groeiomstandigheden aan de rand van de tussenliggende Ga dekking en Ga druppeltje accumulatie regime, 28 of als een continue N * - flux om de overmaat Ga nemen wanneer de Ga sluiter periodiek gesloten. 24

Een groei onderbreking (tot Ga verdamping mogelijk) wordt in dit geval, omdat het spaart de luiken impliciet in metaal gemoduleerde epitaxie, tolerant voor plaktemperatuur ongelijkmatigheid, 29 en voorkomt dubbelzinnigheid in de werkelijke groeitijd (en laagdikte ) ookl en voorkomt mogelijke verontreiniging oprichting als gevolg van het gebruik van N * flux de Ga-wetting layer nemen. 24 Deze techniek resulteert in gestreept RHEED en gladde oppervlakken / interfaces rms ruwheid <1 nm of de juiste GA-flux en groei / onderbreken tijden worden gebruikt. Naast de RHEED transiënten in Figuur 3 beschreven, kan onvoldoende Ga-flux aangeduid met onregelmatig RHEED patronen en een ruw oppervlak (voor N-rijke omstandigheden) of streperig RHEED een plateau / geul ruwe oppervlakte morfologie (voor Ga-rijke tussenproduct omstandigheden). 28

De maximale groeitijd tussen interrupts is enigszins flexibel, maar wordt beperkt door macroscopische Ga-druppelvorming. Zodra druppels vormen en samenvloeien, ze zijn zeer moeilijk volledig verdampen RHEED verhelderende nog altijd mogelijk in aanwezigheid van Ga druppeltjes onrechte suggereert een Ga-oppervlak. GaN groei van soms wel 20 minuten tussen interrupts zijn gebruikt om reduce sluiter slijtage. 29 Ga-druppeltjes gevonden op het oppervlak van een wafer na groei kan afkomstig zijn van druppeltjes gevormd tijdens de groei bufferlaag (hoewel ze ook zonder significante negatieve gevolgen kunnen vormen tijdens de GaN-kanaal groei). Macroscopische Ga-druppeltjes die gevormd tijdens de buffer kan GA opname en / of verplaatsing van In veroorzaken in de InAlN barrièrelaag, hetgeen afbreuk dragerconcentraties en / of scheuren van de barrièrelaag door spanning, die ernstiger bij lagere temperatuurgebieden van de wafel.

Groei onderbreekt in of nabij het kanaal kan ernstige verslechtering veroorzaken inrichting voor HEMT. Indien Ga-flux periodiek toegevoerd en men laat desorberen in de interrupt, de afbraak mobiliteit kan worden vermeden en de interrupt kan worden gebruikt om het substraat geleidelijk naar een hogere groeitemperatuur gunstiger GaN groei. 15 Met deze techniek, de mobiliteit is verhoogd met ongeveer 150 cm

We hebben een werkwijze van hoge kwaliteit N-polaire InAlN barrière HEMT groeien aangetoond. In situ Ga depositie en desorptie wordt gebruikt om een schoon oppervlak te bereiden voor epitaxiale groei. De HEMT epitaxiale laag structuur bevat een InAlN-barrière laag met homogene samenstelling, AlN en GaN tussenlagen kanaal ladingsdichtheid en mobiliteit, en een GaN-kanaal groei procedure met een temperatuur hellingbaan die de mobiliteit verder kan optimaliseren controleren. PAMBE en de hier beschreven procedures zijn breed toepasbaar tot en met III-nitride epitaxie, met inbegrip van RF en high-power elektronica en zichtbaar-through-UV opto-elektronica.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Hughes, W. C., et al. Molecular beam epitaxy growth and properties of GaN films on GaN/SiC substrates. J. Vac. Sci. Technol., B. 13 (4), 1571-1577 (1995).
  2. McSkimming, B. M., Wu, F., Huault, T., Chaix, C., Speck, J. S. Plasma assisted molecular beam epitaxy of GaN with growth rates 2.6 µm/hr. J. Cryst. Growth. 386 (0), 168-174 (2014).
  3. Grandjean, N., Massies, J., Leroux, M. Nitridation of sapphire. Effect on the optical properties of GaN epitaxial overlayers. Appl. Phys. Lett. 69 (14), 2071-2073 (1996).
  4. Corrion, A. L., Wu, F., Speck, J. S. Growth regimes during homoepitaxial growth of GaN by ammonia molecular beam epitaxy. J. Appl. Phys. 112 (5), 054903 (2012).
  5. Mazumder, B., et al. Atom probe analysis of AlN interlayers in AlGaN/AlN/GaN heterostructures. Appl. Phys. Lett. 102 (11), 111603 (2013).
  6. Feezell, D. F., Speck, J. S., DenBaars, S. P., Nakamura, S. Semipolar (2021) InGaN/GaN Light-Emitting Diodes for High-Efficiency Solid State Lighting. J. Disp. Technol. 9 (4), (2013).
  7. Hardy, M. T., et al. True Green Semipolar InGaN-Based Laser Diodes Beyond Critical Thickness Limits Using Limited Area Epitaxy. J. Appl. Phys. 114 (18), 183101 (2013).
  8. Wong, M. H., et al. N-polar GaN epitaxy and high electron mobility transistors. Semicond. Sci. Technol. 28 (7), 074009 (2013).
  9. Hardy, M. T., et al. Charge control in N-polar InAlN high-electron-mobility transistors grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy. J. Vac. Sci. Technol., B. 33 (6), 061207 (2015).
  10. Piquette, E. C., Bridger, P. M., Beach, R. A., McGill, T. C. Effect of Buffer Layer and III/V Ratio on the Surface Morphology of GaN Grown by MBE. Symposium G '-' GaN and Related Alloys. , (1998).
  11. Tarsa, E. J., et al. Homoepitaxial growth of GaN under Ga-stable and N-stable conditions by plasma-assisted molecular beam epitaxy. J. Appl. Phys. 82 (11), 5472-5479 (1997).
  12. Kuzmik, J. Power electronics on InAlN/(In)GaN: Prospect for a record performance. IEEE Electron Device Lett. 22 (11), 510-512 (2001).
  13. Fernández-Garrido, S., Gačević, Ž, Calleja, E. A comprehensive diagram to grow InAlN alloys by plasma-assisted molecular beam epitaxy. Appl. Phys. Lett. 93 (19), 191907 (2008).
  14. Katzer, D. S., et al. Molecular beam epitaxy of InAlN∕GaN heterostructures for high electron mobility transistors. J. Vac. Sci. Technol., B. 23 (3), 1204-1208 (2005).
  15. Kaun, S. W., et al. GaN-based high-electron-mobility transistor structures with homogeneous lattice-matched InAlN barriers grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy. Semicond. Sci. Technol. 29 (4), 045011 (2014).
  16. Hoke, W. E., Torabi, A., Mosca, J. J., Kennedy, T. D. Thermodynamic analysis of cation incorporation during molecular beam epitaxy of nitride films using metal-rich growth conditions. J. Vac. Sci. Technol., B. 25 (3), 978-982 (2007).
  17. Koblmüller, G., Reurings, F., Tuomisto, F., Speck, J. S. Influence of Ga/N ratio on morphology, vacancies, and electrical transport in GaN grown by molecular beam epitaxy at high temperature. Appl. Phys. Lett. 97 (19), 191915 (2010).
  18. Zhou, L., Smith, D. J., McCartney, M. R., Katzer, D. S., Storm, D. F. Observation of vertical honeycomb structure in InAlN∕GaN heterostructures due to lateral phase separation. Appl. Phys. Lett. 90 (8), 081917 (2007).
  19. Ahmadi, E., et al. Elimination of columnar microstructure in N-face InAlN, lattice-matched to GaN, grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy in the N-rich regime. Appl. Phys. Lett. 104 (7), 072107 (2014).
  20. Hardy, M. T., et al. Morphological and microstructural stability of N-polar InAlN thin films grown on free-standing GaN substrates by molecular beam epitaxy. J. Vac. Sci. Technol., A. 34 (2), 021512 (2016).
  21. Hardy, M. T., et al. Indium incorporation dynamics in N-polar InAlN thin films grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy on freestanding GaN substrates. J. Cryst. Growth. 245, (2015).
  22. Leszczynski, M., et al. Indium incorporation into InGaN and InAlN layers grown by metalorganic vapor phase epitaxy. J. Cryst. Growth. 318 (1), 496-499 (2011).
  23. Storm, D. F., et al. Ultrathin-barrier AlN/GaN heterostructures grown by rf plasma-assisted molecular beam epitaxy on freestanding GaN substrates. J. Cryst. Growth. 380, 14-17 (2013).
  24. Storm, D. F., Katzer, D. S., Meyer, D. J., Binari, S. C. Oxygen incorporation in homoepitaxial N-polar GaN grown by radio frequency-plasma assisted molecular beam epitaxy: Mitigation and modeling. J. Appl. Phys. 112 (1), 013507 (2012).
  25. Storm, D. F., et al. Effect of interfacial oxygen on the microstructure of MBE-grown homoepitaxial N-polar. J. Cryst. Growth. 409 (0), 14 (2014).
  26. Meyer, D. J., et al. High Electron Velocity Submicrometer AlN/GaN MOS-HEMTs on Freestanding GaN Substrates. IEEE Electron Device Lett. 34, 199 (2013).
  27. Moseley, M., Billingsley, D., Henderson, W., Trybus, E., Doolittle, W. A. Transient atomic behavior and surface kinetics of GaN. J. Appl. Phys. 106 (1), 014905 (2009).
  28. Koblmüller, G., et al. Ga Adlayer Governed Surface Defect Evolution of (0001)GaN Films Grown by Plasma-Assisted Molecular Beam Epitaxy. Jpn. J. Appl. Phys. 44 (28), L906-L908 (2005).
  29. Poblenz, C., Waltereit, P., Speck, J. S. Uniformity and control of surface morphology during growth of GaN by molecular beam epitaxy. J. Vac. Sci. Technol., B. 23 (4), 1379-1385 (2005).

Tags

Engineering moleculaire bundel epitaxie GaN III-nitriden InAlN high-elektron-mobiliteit transistoren halfgeleiders groei
-Plasma ondersteunde Moleculaire bundel epitaxie van N-polaire InAlN-barrière High-elektron-mobiliteit Transistors
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hardy, M. T., Storm, D. F., Katzer,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter