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Engineering

Asistida por plasma Molecular Beam epitaxia de N-polar InAlN de barrera de transistores de alta movilidad de electrones

doi: 10.3791/54775 Published: November 24, 2016

Summary

epitaxia de haces moleculares se utiliza para producir transistores InAlN barreras de alta movilidad de electrones-N-polares (HEMT). De control de la preparación de la oblea, condiciones de crecimiento y estructura de capa epitaxial resultados en capas InAlN lisas, de composición homogénea y HEMTs con movilidad tan alto como 1.750 cm2 / V ∙ seg.

Abstract

epitaxia de haz molecular asistido por plasma es muy adecuado para el crecimiento epitaxial de películas y heteroestructuras delgadas de nitruro III con interfaces lisas, abruptos necesarios para la alta calidad transistores de alta movilidad de electrones (HEMT). Un procedimiento se presenta para el crecimiento de HEMTs InAlN N-polares, incluyendo la preparación de la oblea y el crecimiento de las capas tampón, la capa de barrera InAlN, AlN y de GaN de capas encapsuladas y el canal de GaN. Se identifican los problemas críticos en cada paso del proceso, tales como evitar la acumulación de Ga en el tampón de GaN, el papel de la temperatura en InAlN homogeneidad de composición, y el uso de flujo de Ga en la capa intermedia de AIN y el crecimiento antes de GaN canal de interrupción. Películas delgadas a composición homogénea InAlN N-polar se demuestran con rugosidad superficial raíz media cuadrada tan bajo como 0,19 nm y InAlN-basan son reportados estructuras HEMT que tiene la movilidad tan alto como 1.750 cm2 / V ∙ s para los dispositivos con una densidad de hoja de cargos de 1,7 x 1013 cm -2.

Introduction

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Epitaxia de haces moleculares (MBE) es una técnica de crecimiento de película delgada epitaxial versátil que emplea un ambiente ultra-alto vacío con presiones de base tan bajas como 10 -11 Torr para asegurar una baja incorporación de impurezas en la película adulta. La composición y la tasa de crecimiento de las capas obtenidas por crecimiento epitaxial se determina mediante el control de la temperatura de cada célula de efusión, y por lo tanto el flujo evaporada de los diversos materiales de base. En el caso de epitaxia III-nitruro, del grupo III-elementos (In, Al, Ga) se proporcionan típicamente por las células de efusión mientras que el nitrógeno activo (N *) de flujo se proporciona por cualquiera de un plasma de 1,2 (plasma RF N 2 MBE -assisted:. PAMBE o RFMBE) o el amoníaco (NH3 -MBE) 3,4 MBE crecimiento se caracteriza por temperaturas de crecimiento más bajas y más cortante interfacial brusquedad que otras técnicas de crecimiento epitaxial, tales como deposición de vapor químico organometálico 5 se muestra un esquema. en la Figura 1.


Figura 1:.. Esquema del sistema de MBE Esquema que muestra la cámara de bloqueo de carga, sistema de transferencia, la estación de desgasificación y el crecimiento Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

III-nitruros se pueden crecer en sustratos que tienen una variedad de orientaciones de cristal. La orientación más comúnmente utilizado es el un plano c Ga-polar, lo que permite la formación de un gas de electrones bidimensional sin dopaje mediante la utilización de la diferencia de polarización entre la capa de barrera, típicamente AlGaN, y el canal de GaN. Varios no polar y semi-polares orientaciones de GaN han recibido mucha atención de la optoelectrónica, debido a la reducción de los efectos de polarización en los pozos cuánticos, 6,7, que también hace que estas orientaciones menos deseable para applicatio HEMTns. Dispositivos orientados N-polares son atractivos para el funcionamiento HEMT de alta frecuencia de próxima generación debido a varias ventajas intrínsecas más de los dispositivos de Ga-polares convencionales. 8 La capa de barrera en dispositivos N-polares se cultiva bajo el canal de GaN como se muestra en la Figura 2, lo que resulta en una barrera natural que volver Control del SIDA electrostática del canal y reduce los efectos de canal corto, al tiempo que permite un acceso más fácil actual al canal GaN y la reducción de la resistencia de contacto. La barrera también se puede controlar por separado del canal, de modo que a medida que el espesor del canal es reducido para los dispositivos de alta frecuencia el diseño de barrera puede ser modificado para compensar la carga del canal perdido a Fermi efectos de nivel fijación.

Figura 2
Figura 2:. Epitaxial capa esquemática estructura de capas de (a) un HEMT N-polar y (b) un HEMT Ga-polar para comparIson. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

HEMTs utilizados en alta velocidad, amplificadores de alta potencia normalmente se cultivan en sustratos de SiC para tomar ventaja de la alta conductividad térmica de SiC. Threading dislocación sustratos de baja densidad independiente de GaN se pueden emplear para mejorar la movilidad de los electrones, 9 mejorando así el rendimiento de alta frecuencia. Tras el crecimiento de una capa de AlN nucleación, un tampón de GaN de espesor se cultiva para separar espacialmente las impurezas en la superficie de nuevo crecimiento del canal HEMT y mejorar el aislamiento eléctrico. A diferencia de otros materiales III-V, GaN crecido por PAMBE normalmente necesita condiciones de crecimiento con una relación de grupo-III / V mayor que 1, es decir, condiciones ricas en metales, 10,11 a fin de alcanzar una morfología de superficie lisa. En x Al x 1- N es un altermaterial de barrera nativo para HEMTs de nitruro III, y ha recibido mucha atención recientemente debido a que puede ser adaptado a crecido celosía de GaN para x ≈ 0,18 y puede generar más del doble de la carga de canal en relación con las barreras AlGaN debido a su alta polarización espontánea. A diferencia de 12-15 barreras AlGaN, Ga incorporarán preferentemente a a en capas InAlN, 16 por lo tanto se debe tener cuidado para asegurar que la superficie esté libre de exceso de Ga Ga después del crecimiento con alto coeficiente de amortiguación capa de GaN y antes de que el crecimiento InAlN.

El control de Ga en la superficie se puede lograr por suppling un flujo Ga ligeramente menor que el flujo necesario para la formación Ga-gotas. Sin embargo, esta ventana crecimiento es pequeño, y la insuficiente cobertura de la superficie Ga hará que la morfología de la superficie de degradar en la morfología de meseta / zanja mientras que el exceso de flujo de Ga dará lugar a la acumulación de Ga y la formación de gotas macroscópica. Difracción de electrones de alta energía 17 de reflexión (RHEED) intens dad se puede utilizar para controlar la acumulación de Ga y desorción. Cobertura de la superficie Ga se indica por una reducción en la intensidad RHEED, y cualquier retraso entre el cierre de la Ga (y N *) persianas y el aumento inicial de la intensidad RHEED indica acumulación de Ga, como se muestra en la Figura 3.

figura 3
Figura 3: Monitoreo de la cobertura Ga con señal de intensidad RHEED intensidad RHEED medido desde el patrón RHEED adquirido en virtud de la rotación mediante la adquisición disparada.. flujo insuficiente Ga se indica por un aumento inmediato de la intensidad después de cerrar las persianas (no mostrado). la cobertura saturada / ideales Ga se indica mediante un retardo entre el cierre de obturación y la abrupta brillo RHEED y el exceso de cobertura de Ga en la vista tanto como un retraso en el brillo inicial RHEED, así como un aumento de la intensidad más gradual que resulta en la recuperación plena intensidad tomando más tiempo de 60 s.com / archivos / ftp_upload / 54775 / 54775fig3large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

El logro de alta calidad InAlN por PAMBE se complica por la presencia de las fluctuaciones de la composición laterales, lo que resulta en una microestructura "nido de abeja" que consiste en dominios de Al-ricos rodeados por límites In-ricos. 18 Eliminación de esta microestructura se consigue mediante el uso de una temperatura de sustrato de 50 ° C por encima de la aparición de los En desorción, 15,19,20 o aproximadamente 630 ° C para InAlN N-polar. En este régimen de crecimiento de alta temperatura, la x Al x 1- composición N es una fuerte función de la temperatura del sustrato, con temperaturas más altas resulta en un menor en la incorporación. El flujo en se puede aumentar para compensar En pierde por evaporación, aunque en la práctica el máximo en el flujo está limitado por una reducción de la eficacia de incorporación con el aumento en el flujo de. 21 Además de reducir la temperatura del sustrato o el aumento de la en flujo, el aumento de la tasa de crecimiento también puede aumentar la composición A su debido a la trampa "En efecto enterrar", donde entrante Al átomos en y evitar que se evapore. 21,22 Superior las tasas de crecimiento se puede lograr mediante el aumento del flujo en y al proporcionalmente. Para mantener las condiciones de crecimiento rico en N, necesitaría el N * que aumentar, así, que se puede lograr mediante el aumento de la potencia de plasma de RF, el aumento de la velocidad de flujo de N 2, mejorar el diseño cámara de plasma, o el aumento del orificio de la placa de abertura densidad.

capas epitaxiales adicionales en HEMTs basados ​​en GaN y InAlN incluyen AlN intercalares (ILS) y un canal de GaN. Un AlN IL inserta entre la barrera y el canal puede aumentar μ movilidad, así como la hoja canal de densidad de carga n s. El aumento de la movilidad se atribuye a la reducción de función de onda de electrones superposición con la InAlN bArrier y posterior dispersión de la aleación. 9 Para garantizar un crecimiento de alta calidad de la IL AlN, un exceso de flujo de Ga se suministra durante el crecimiento para actuar como un agente tensioactivo. A GaN IL se puede utilizar entre el AlN IL y de barrera para mejorar aún más la movilidad al tiempo que reduce la carga de canal. El canal de GaN se puede cultivar en la misma temperatura que la barrera InAlN, permitiendo el crecimiento continuo de la barrera cuando los líquidos iónicos y canal. Mejora de la movilidad se ha obtenido mediante la interrupción de crecimiento después de que el AlN IL y el aumento de la temperatura de crecimiento antes de crecer el canal de GaN. En este caso una cobertura protectora de la superficie Ga tiene que ser mantenido durante la interrupción para evitar la degradación de la movilidad.

El siguiente protocolo se aplica específicamente a HEMTs InAlN-barrera cultivadas sobre sustratos de GaN N-polares. Se puede extender directamente al crecimiento sobre sustratos C-polar 4H- o 6H-SiC mediante la inclusión de una capa de AlN 50 nm de espesor N-rico.

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Protocol

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1. Derrame célula de rampa y el flujo de calibración

  1. Confirmar N2 líquido está fluyendo a las temperaturas muy bajas en los paneles y que la cámara de crecimiento ha alcanzado la presión de base.
  2. Rampa hasta las células de efusión a su medición del flujo del haz de temperatura (BFM) a una velocidad de rampa de 1 ° C / seg para Ga y en las células, y 10 ° C / min para Al. Espere 1 hora para las células para estabilizar térmicamente.
  3. Abrir el obturador de cada célula durante 30-60 segundos, y luego cerrar el obturador durante 1-2 minutos. Repetir tres veces para cada celda. Efectuar el primer haz de medición de flujo medidor de iones y promediar los dos segundos. Ajustar la temperatura de la célula para conseguir el flujo deseado de acuerdo con anteriores calibraciones de flujo / temperatura.

2. Preparación del soporte y carga

  1. Ex situ de limpieza sustrato
    1. Cargar epi-N-polar listo GaN sustratos directamente, sin ningún tipo de limpieza ex situ. Si la oblea ha sido expuesto al aire durante másde unas pocas horas, enjuague con acetona (30 seg), isopropanol (30 sec) y desionizada (DI) (60 seg). El enjuague se prefiere la inmersión cuando sea posible, ya que tiende a dejar menos partículas en la superficie de la oblea.
      NOTA:. Para Ga-polar GaN sustratos se recomienda una superficie más limpia rigurosa 23
  2. Cargar la oblea
    1. Cierre la válvula de compuerta de aislamiento de carga-bloqueo, y ventilar con N2.
    2. Cargar la oblea sobre el soporte y regresar el cassette al bloqueo de carga. Encienda la bomba de desbaste de bloqueo de carga y abra la válvula de la bomba de desbaste y válvula de distribución.
    3. Cuando la presión del colector ha caído por debajo de 0,1 Torr, cerrar las válvulas de la bomba del colector y de desbaste. Apague la bomba de desbaste y abrir la válvula de aislamiento de turbo-bomba de carga-bloqueo.
    4. Deje que el bloqueo de carga para bombear hacia abajo durante 30-60 minutos. Lo ideal es utilizar una presión de bloqueo de carga de 10 -6 -10 -7 Torr antes de transferir a la cámara de preparación.
    5. Abrir la cerradura de carga en la cámara de preparación, y la transferencia de la oblea al carro utilizando varilla elástica. A continuación, utilice el carro para transferir la oblea a la estación de salida de gases en la cámara de preparación. Mover el carro manualmente a lo largo de un carril utilizando un Sistema rotatorio en la cámara de preparación.
  3. oblea de desgasificación
    1. Rampa la temperatura del calentador de la estación de desgasificación a 700 ° C durante 10 min.
    2. Después de 30 minutos, la rampa de nuevo la temperatura hasta los 100 ° C. Cuando la temperatura es ≤ 250 ° C, la transferencia de la oblea de nuevo al carro utilizando el vástago oscilante en la estación de desgasificación.
  4. Carga de obleas en la cámara de crecimiento
    1. Bajar el manipulador de sustrato a la posición de carga, abra la válvula de compuerta cámara de preparación / crecimiento y transferir el soporte de rebanadas al manipulador.
    2. Elevar el manipulador a la posición de crecimiento, cerca del calentador de sustrato.
    3. Retire el carro y close la válvula de compuerta.
    4. Abra la válvula de la válvula de la botella de N2, válvula reguladora y la aguja de aislamiento. Ajuste el controlador de flujo másico (MFC) de 1,5 sccm (o según sea necesario para obtener una presión de cámara de 3-4 x 10 -5 Torr). La presión óptima para la ignición del plasma es fuertemente dependiente del sistema. Tenga en cuenta que el N 2 debe ser ultra-alta pureza (preferiblemente mejor que 6 N) y un filtro adicional se utiliza en línea para reducir aún más impurezas.
    5. Con el N * y principales persianas cerradas, encender la fuente de alimentación de RF plasma y controlador de red de auto-adaptación. Aumentar la potencia de RF hasta que el plasma se enciende.
    6. Establecer la potencia de RF y el flujo de N 2 a las condiciones del proceso deseadas, en este caso 350 W y 2,0 sccm. El flujo de N * resultante de condiciones de plasma dados depende del sistema, pero aquí, estas condiciones dió una tasa de crecimiento de GaN de 5,0 nm / min, o un flujo de N * de 1,8 nm -2 seg -1. Monitorear la estabilidad del plasma con un espectrómetro conectado a laventana trasera de la cámara de plasma.
  5. En preparación de la superficie situ: deposición Ga y desorción
    1. Rampa hasta el calentador de sustrato a 10 ° C por encima de la temperatura de crecimiento de GaN deseada con una velocidad de rampa de ≤1 ° C / seg. En este caso, utilice una temperatura de la oblea estimado de 730 ° C.
    2. Encienda el sistema RHEED para observar la degradación de la superficie de la oblea y supervisar la cobertura Ga. activar manualmente la rotación del sustrato. Configurar el software de adquisición de RHEED disparado para recoger un patrón RHEED una vez por cada rotación del sustrato para proporcionar una imagen estática mientras el sustrato está girando durante el crecimiento.
    3. Abrir el obturador y el obturador sustrato Ga durante 1 min. Asegúrese de que la intensidad disminuye RHEED entonces alcanza una meseta que se acumula Ga. Ga flujo debe ser similar a la utilizada para el crecimiento de GaN. En este caso, el flujo de Ga es de aproximadamente, 3,7 Nm-2 s-1.
    4. Cerrar el obturador durante 2 min y asegurar la RHEEDaumenta la intensidad y alcanza una meseta antes de que el final de la 2 min, lo que indica Ga desorción.
    5. Repita los pasos 2.5.2-2.5.4 tres veces, y luego la rampa 24 del sustrato a la temperatura de crecimiento de GaN.

3. Crecimiento HEMT

  1. el crecimiento tampón
    1. Iniciar el crecimiento abriendo el obturador N * para una nitruración 1 min.
    2. Hacer crecer una delgada capa de 1-3 nm de AlN nucleación rico en N abriendo el obturador de Al. Esta capa de AlN puede ayudar a prevenir la generación de luxación de roscado, de 25 años, sin embargo, la capa de AlN complica las mediciones de difracción de rayos X (DRX) y no se recomienda para las muestras de calibración basada en la difracción de rayos X. Utilizar el mismo flujo de Al como para la capa InAlN, o aproximadamente 0,36 nm -2 s -1, con una tasa de crecimiento de aproximadamente 1 nm / min.
    3. Cierre el obturador Al y N * e inmediatamente abrir el obturador Ga durante 10 segundos para permitir Ga para saturar la superficie, la intensidad RHEED debe disminuir rapidly. Abrir el obturador N * (con el obturador Ga sigue abierta) y crecer 5 min de GaN. Sé el uso o C dopaje, especialmente para los sustratos de GaN independiente, para evitar corrientes de fuga eléctricos en la memoria intermedia.
    4. Cierre las persianas Ga y N * para una interrupción del crecimiento de 1 min. Seguimiento de la intensidad RHEED. Si la intensidad RHEED aumenta inmediatamente, entonces el flujo de Ga no es lo suficientemente alta. Si la intensidad RHEED aumenta después de> 30 seg o no llega a una meseta dentro de 1 min y después el flujo de Ga es demasiado alto. Vea la Figura 3.
    5. Aumentar la temperatura del sustrato por unos pocos grados (o reducir la temperatura de la célula de efusión de Ga) para compensar alto flujo Ga visto en 3.1.4. Si el flujo de Ga era demasiado bajo, disminuya la temperatura del sustrato (o aumentar la temperatura de la célula de efusión de Ga) para compensar.
      1. Repita los pasos 3.1.3-3.1.5 hasta que hay un retardo de 15 a 30 segundos antes de la intensidad aumenta RHEED y la intensidad RHEED alcanza una meseta antes de 1 min.
      Continúe repitiendo los pasos 3.1.4-3.1.5 hasta que se alcanza el espesor deseado de GaN. Determinar el espesor multiplicando el tiempo total del crecimiento por la tasa de crecimiento calibrado. Para el crecimiento Ga-rico, determinar la tasa de crecimiento por el flujo de N *, que puede a su vez ser calculado usando XRD para medir el espesor para un tiempo de crecimiento conocido en una muestra de calibración crecido por separado.
  2. El crecimiento de barrera InAlN
    1. Espere un adicional de 1 minuto después de la etapa de crecimiento de GaN final para asegurar que todo el Ga se haya evaporado.
    2. aumentar rápidamente hasta la temperatura de crecimiento InAlN a aproximadamente 630 ° C. Dejar que la temperatura del sustrato se estabilice durante aproximadamente 2 min.
    3. Abrir los In, Al y N * persianas. La intensidad RHEED debe disminuir y llegar a una meseta dentro de la primera 3 min. Continúa disminución de la intensidad RHEED puede indicar acumulación de A, que es perjudicial para el crecimiento InAlN. El patrón RHEED debe permanecer rayado, lo que indica una superficie lisa. el In y los flujos de Al son aproximadamente 0,31 y 0,36 nm -2 s -1, con una tasa de crecimiento limitado grupo III de 1,25 nm / min.
    4. Cierre el In, Al, y N * se ha alcanzado después de persianas el espesor de barrera deseadas. Para el crecimiento rico en N, determinar la tasa de crecimiento en el flujo total del grupo III. Medir la tasa de crecimiento usando XRD en una muestra de calibración InAlN crecido por separado. Para un 15 nm InAlN barrera utilizando las condiciones que se dan aquí, abrir las persianas durante 12 min 30 seg.
  3. El crecimiento de capa intermedia y el canal
    1. En primer lugar abrir el obturador Ga durante 5 segundos, a continuación, abrir el obturador * N y hacer crecer la capa intermedia de GaN. La temperatura del sustrato debe todavía estar en la temperatura de crecimiento InAlN.
    2. Al abrir el obturador sin cerrar la Ga o N * persianas para hacer crecer la capa intermedia de AIN. El flujo de Al para la capa intermedia debe ser la misma o ligeramente más alta que la N * flujo, idealmente usando una célula de efusión de Al diferente a la utilizada para la capa de barrera InAlN, to evitar tener que cambiar la temperatura de la célula. Vea el paso 3.2.4.
    3. Al cerrar las persianas y N * pero dejar el obturador abierto Ga. Rampa la temperatura del sustrato a la temperatura de canal de GaN.
    4. Después de 30 seg cerrar el obturador Ga. Espere 30 segundos (o tan pronto como la intensidad RHEED comienza a aumentar) y volver a abrir el obturador Ga. Continuará el ciclo el obturador Ga hasta que el sustrato se ha alcanzado la temperatura de crecimiento de GaN canal. Esto protegerá a la superficie mientras que la prevención de la acumulación excesiva Ga.
    5. Abrir el obturador Ga durante 5 segundos, a continuación, abrir el obturador * N y hacer crecer el canal de GaN.
    6. Cierre la Ga, N * y principales persianas. Rampa de la temperatura del substrato a 200 ° C, apagar el plasma * N y cerrar el flujo de gas N2.
    7. Rampa las celdas hacia abajo a sus temperaturas de mantenimiento si ha terminado para el día.
    8. Esperar a que la temperatura del substrato a disminuir por debajo de 250 ° C y la presión de la cámara a caer por debajo de 8 x 10 -7 Torr, a continuación,abrir la válvula de compuerta cámara de crecimiento y transferir el soporte de la oblea de nuevo al carro.
    9. Siga la inversa de la etapa 2.2 para transferir la oblea de nuevo a la de bloqueo de carga, de ventilación con N 2 y retirar la oblea. Asegúrese de que la válvula de compuerta cámara de crecimiento se cierra antes de abrir el bloqueo de carga, y que la válvula de compuerta de la bomba turbo de bloqueo de carga se cierra antes de la ventilación.
    10. Siga los pasos 2.2.3-2.2.5 para devolver el cassette y de carga bloqueo a alto vacío.

4. Caracterización

  1. Caracterizar la calidad del material mediante microscopía óptica para comprobar si hay grietas o pozos, Ga-gotas que puedan haberse formado durante el crecimiento del canal, difracción de rayos X para comprobar la calidad y la estructura interfacial, y AFM para comprobar la morfología de la superficie. 20,21
  2. Si GA-gotitas están presentes, sumergir la oblea en ácido HF concentrado durante 5-10 min para eliminar las gotitas sin dañar la superficie N-polar químicamente sensible.
  3. Medir la resolución de la hojaIstance utilizando mediciones de resistencia de contacto Lehighton.
  4. Procesar la muestra para permitir la caracterización eléctrica, incluyendo las mediciones de corriente continua y Hall and CTLM y caracterización de transistores de RF. 9,26

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Representative Results

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Difracción de rayos X (XRD) exploraciones de películas delgadas InAlN mostrados cultivados en sustratos de GaN N-polares en la Figura 4 (a) son single alcanzó tanto para 50 y las películas 200 nm de espesor. La exploración de difracción de rayos X de la película de 50 nm de espesor InAlN exhibe Pendellösung bordea hasta 15 º orden, lo que indica muy alta calidad interfacial. El mapa espacio recíproco asimétrico en la Figura 4 (b) muestra que la capa de InAlN nm de espesor 200 tiene el mismo q ‖, y por lo tanto constante como el sustrato de GaN de la misma red en el plano, lo que indica crecimiento completamente coherente para una capa InAlN razonablemente de espesor. La anchura total a la mitad del máximo (FWHM) en la dirección q está muy cerca de la misma para la capa InAlN y el sustrato de GaN, lo que sugiere que no hay dislocaciones adicionales u otros defectos estructurales se han introducido en la capa de InAlN. La ampliación de la capa InAlN en q es causada por la coherencia limitada lenGTH ampliación en la capa relativamente delgada InAlN.

Las imágenes de AFM se muestran en la Figura 5 se comparan las dos de Al 0,18 0,82 N capas de similar composición cultivadas a 500 ° C y 630 ° C. Para lograr la misma composición, la relación de flujo en / grupo-III se incrementó de 0,18 a 500 ° C a 0,47 a 630 ° C. A la temperatura de crecimiento más baja, la superficie indica un modo de crecimiento cuasi-3D, mientras que los pasos se ven en la muestra de 630 ° C, lo que sugiere un crecimiento de flujo de paso 2D. Micrografías electrónicas de transmisión muestran eliminación de la morfología de nido de abeja para In 0.18 Al 0.82 N muestras crecidas a alta temperatura. 19,20

Mediciones de XRD de estructuras HEMT InAlN de barrera de N-polares completos cultivados en sustratos de GaN N-polares que se muestran en la Figura 6 (a) concuerdan bien con las simulaciones de XRD. Las simulaciones son sensibles a todoslas diversas capas, y acuerdo de este tipo indica tanto buena calidad interfacial y un alto grado de control sobre los espesores de capa individuales. Los espesores de AlN y GaN IL fueron de 1,4 y 1,5 nm, respectivamente. Mediciones de efecto Hall resultan en μ medido = 1400 cm 2 / V ∙ sec, n s = 2,2 x 10 13 cm 2, y R = s 200 Ω / □.

N-polaridad para las capas epitaxiales cultivadas en C-polares de SiC y N-polares sustratos de GaN se confirmó mediante la comparación de la resistencia de la lámina de estructuras de prueba y estructuras HEMT completos. Las muestras que tienen solamente una capa InAlN crecido en GaN o GaN / capa tampón AlN fueron altamente resistiva, lo que indica la ausencia de un gas de electrones de dos dimensiones. Las muestras con un canal de GaN en la parte superior de la capa de InAlN muestran una baja resistencia de hoja de 170 a 300 Ω / □ y la evidencia de un gas de electrones de dos dimensiones en las mediciones Pasillo, confirmando orie N-polarntation.

Con base en la caracterización de materiales iniciales, las muestras pueden ser procesados ​​en dispositivos HEMT. La primera etapa de procesamiento implica depositar el Ti / Al / Ni / Au (20/100/10/50 nm) contactos óhmicos por evaporación por haz de electrones y recocido a 750 ° C durante 30 segundos bajo N 2 ambiente, seguido de aislamiento dispositivo usando un ataque químico de plasma de acoplamiento inductivo-Cl 2 / Bcl 3 / Ar. La separación de fuente-drenaje para los dispositivos descritos aquí es de 5 micras. En este punto las estructuras de supervisión de varios procesos pueden ser probados eléctricamente, incluidos los patrones de medición de la longitud de transferencia lineales y circulares para los patrones de la hoja y de la resistencia de contacto y de efecto Hall para la densidad de carga de canal y la movilidad. Las muestras seleccionadas se procesan para estructuras HEMT completo mediante el depósito de 1 m de largo, 150 m de ancho Pt / Au puertas. HEMTs con la estructura epitaxial descrito anteriormente cultivadas en un sustrato de GaN N-polar y fabricados con Pt / Au Puertas Schottky muestran excelentes características de corriente continua, con una corriente máxima de 1,5 A / mm (para una separación de fuente-drenaje de 5 micras y contactos no optimizadas) y una tensión de umbral de -1,6 V, como se muestra en la Figura 6.

Figura 4
Figura 4:. XRD de películas delgadas InAlN (a) 2θ / ω exploraciones de difracción XRD de 50 nm y 200 películas delgadas de espesor InAlN nm cultivadas en autoportante sustratos N-polares y (b) un recíproco mapa espacio XRD de la reflexión, que muestra el 200 nm de espesor de capa InAlN tiene el mismo q coordinar y por lo tanto es coherente con el sustrato de GaN. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 5:. AFM de películas delgadas InAlN micrografías de AFM de En 0.18 Al 0.82 N muestras cultivadas en (a) 500 ° C con una relación de A / grupo-III de 0,18 y (b) 630 ° C con una In / grupo-III proporción de 0.47. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6
Figura. 6: XRD y dispositivos resultados de un HEMT InAlN (a) ω XRD / 2θ escanear sobre el 0002 reflejo de una estructura InAlN HEMT N-polar adulto sobre un sustrato de GaN N-polar con espesores de capa de inserción utilizados para generar la simulación XRD. . (B) la curva de transferencia HEMT y (c) curvas IV para el mismo dispositivo en (a) procesSED con una puerta de Pt / Au Schottky. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

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El crecimiento de una capa tampón de GaN de alta calidad es fundamental para el logro de alta movilidad de electrones en cualquier HEMT III-nitruro. En el caso de un N-polar InAlN HEMT, el crecimiento de la capa tampón se complica por el requisito de que todos Ga ser retirado de la superficie antes de crecimiento InAlN. Hay una variedad de técnicas para lograr esto además con el procedimiento descrito aquí, tales como la epitaxia, 27 de metal modulada usando condiciones de crecimiento en el borde de la cobertura Ga intermedio y Ga régimen de acumulación de gotas, 28 o permitir que un N * continua - flujo de incorporar el exceso de Ga Ga cuando el obturador está cerrado periódicamente. 24

Una interrupción de crecimiento (para permitir Ga evaporación) se utiliza en este caso, ya que reduce el desgaste de las persianas implícitas en epitaxia modulada-metal, es tolerante a la temperatura de la oblea no uniformidad, 29 y evita la ambigüedad en el tiempo de crecimiento real (y espesor de la capa ) así comol como evita potencial incorporación de impurezas como resultado del uso de N * flujo para incorporar la capa de Ga-humectante. 24 resultados esta técnica en panceta RHEED y lisas superficies / interfaces con rugosidad RMS <1 nm si el correcto Ga-flujo y el crecimiento / interrumpen se utilizan veces. Además de los transitorios RHEED descritos en la Figura 3, la insuficiencia de Ga-flujo puede ser indicado por los patrones de RHEED irregular y una superficie rugosa (para condiciones rico en N) o rayado RHEED con una meseta / zanja morfología de la superficie áspera (por intermedio Ga-rico condiciones). 28

El tiempo máximo de crecimiento entre interrupciones es algo flexible, pero está limitada por la formación de Ga-gota macroscópica. Una vez que las gotitas de forma y se unen, que son muy difíciles de evaporarse completamente y RHEED brillo todavía puede ocurrir en presencia de gotas de Ga, lo que sugiere erróneamente una superficie Ga-libre. tiempos de crecimiento de GaN de hasta 20 min entre las interrupciones se han utilizado para reducir el desgaste del obturador. 29 ga-gotitas se encuentran en la superficie de la oblea después de un crecimiento puede originarse a partir de las gotitas formadas durante el crecimiento de la capa tampón (a pesar de que también se pueden formar sin consecuencias negativas significativas durante el crecimiento canal GaN). Macroscópicas GA-gotitas que se formó durante el tampón pueden causar incorporación Ga y / o el desplazamiento de In en la capa de barrera InAlN, dando lugar a concentraciones de portadores reducidos y / o formación de grietas de la capa de barrera debido a la tensión, que es más grave en las regiones de temperatura más baja de la oblea.

Crecimiento interrumpe en o cerca del canal puede causar una degradación severa dispositivo para HEMTs. Sin embargo, si Ga-flujo se suministra periódicamente y se dejó para desorber durante la interrupción, la degradación de la movilidad se puede evitar y la interrupción se puede utilizar a la rampa del sustrato a una temperatura de crecimiento más alta más favorable para GaN crecimiento. 15 Usando esta técnica, la movilidad se ha aumentado en aproximadamente 150 cm

Hemos demostrado un método para hacer crecer HEMTs InAlN de barrera de N-polar de alta calidad. En situ Ga deposición y de desorción se utiliza para preparar una superficie limpia para el crecimiento epitaxial. La estructura de la capa epitaxial HEMT incorpora una capa de barrera con InAlN composición homogénea, AlN y GaN capas intermedias para controlar la densidad de carga de canal y la movilidad, y un procedimiento de crecimiento del canal de GaN con una rampa de temperatura que puede optimizar aún más la movilidad. PAMBE y los procedimientos descritos aquí son ampliamente aplicables a epitaxia III-nitruro, incluyendo RF de alta potencia y la electrónica y optoelectrónica visible a través de-UV.

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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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Asistida por plasma Molecular Beam epitaxia de N-polar InAlN de barrera de transistores de alta movilidad de electrones
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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

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).

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