Plasma-assisterad Molecular Beam epitaxi av N-polära InAlN barriär hög elektron rörlighet transistorer

Summary

Molekylär balk epitaxi används för att odla N-polära InAlN-barriär med hög elektronrörlighet transistorer (HEMTs). Kontroll av skiv förberedelse, lager tillväxtförhållanden och epitaxiella strukturen resulterar i släta, sammansättnings homogena InAlN lager och HEMTs med rörlighet så hög som 1750 ^cm2 / V ∙ sek.

Abstract

Plasma-assisterad molekylär balk epitaxi är väl lämpad för epitaxiell tillväxt av III-nitrid tunna filmer och hetero med släta, abrupta gränssnitt som krävs för högkvalitativa hög elektronrörlighet transistorer (HEMTs). Ett förfarande presenteras för tillväxt av N-polära InAlN HEMTs, inklusive rån förberedelse och tillväxt av buffertlager, den InAlN barriärskiktet, AIN och GaN mellanskikt och GaN kanal. Kritiska frågor vid varje steg i processen identifieras, som att undvika Ga ackumulering i GaN buffert roll av temperaturen på InAlN kompositions homogenitet, och användningen av Ga flöde under AIN mellanskikt och avbrotts före GaN kanal tillväxt. Kompositions homogen N-polära InAlN tunna filmer demonstreras med yta root-mean-squared grovhet så lågt som 0,19 nm och InAlN-baserade HEMT strukturer redovisas med rörlighet så hög som 1750 ^cm2 / V ∙ sek för enheter med ett ark laddningsdensitet av 1,7 x 1013 cm ^-2.

Introduction

Molekylär (MBE) är en mångsidig epitaxiell tunnfilmsodlingsteknik som använder en extremt hög vakuum med bas tryck så låga som 10 ^-11 Torr för att säkerställa låg förorenings inkorporering i vuxen film. Sammansättningen och tillväxthastigheten för de epitaxiellt odlade skikt bestäms genom reglering av temperaturen hos varje effusionscell, och sålunda den förångade flödet av de olika källmaterial. I fallet med III-nitrid epitaxi, gruppen III-element (I, Al, Ga) tillhandahålles typiskt genom effusionsceller medan den aktiva kväve (N *) flux tillhandahålls av antingen en N ₂ plasma ^1,2 (RF-plasma -assisted MBE:. PAMBE eller RFMBE) eller ammoniak _(NH3 -MBE) ^3,4 MBE tillväxt kännetecknas av lägre tillväxttemperaturer och skarpare interfacial abruptness än andra epitaxiella tillväxttekniker, såsom metallorganisk kemisk ångavsättning ⁵ En schematisk visas. i figur 1.

<pclass = "jove_content">
Figur 1:.. MBE systemet schematiskt schema som visar sluss, överföringssystem, avgasning station och tillväxtkammare Klicka här för att se en större version av denna siffra.

III-nitrider kan odlas på substrat som har en mängd olika kristallorienteringar. Det mest använda läggning är den Ga-polära c -planet, vilket medger bildning av en tvådimensionell elektrongas utan dopning genom att utnyttja skillnaden i polarisation mellan barriärskiktet, typiskt AlGaN och GaN-kanal. Olika icke-polära och semipolära orienteringar av GaN har fått stor uppmärksamhet för optoelektronik på grund av minskad polariseringseffekter i kvantbrunnar, ^6,7 vilket också gör dessa riktlinjer mindre önskvärda för HEMT TILLÄMPNINns. N-polära orienterade enheter är attraktiva för nästa generations högfrekvent HEMT drift på grund av flera inneboende fördelar jämfört med konventionella Ga-polära enheter. ⁸ Barriärskiktet i N-polära enheter odlas under GaN-kanalen såsom visas i figur 2, vilket resulterar i en naturlig tillbaka barriär som hjälper till elektrostatisk styrning av kanalen och minskar korta kanaleffekter, samtidigt som lättare nuvarande tillgång till GaN-kanalen och minska kontaktresistansen. Barriären kan också styras separat från kanalen, så att när kanaltjockleken skalas ned för högfrekventa enheter kan barriär designen modifieras för att kompensera för kanalavgift förlorade mot Fermi-nivå sätter effekter.

Figur 2:. Epitaxialskikt schematisk skiktstruktur av (a) en N-polär HEMT och (b) en Ga-polära HEMT för jämIson. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

HEMTs används i hög hastighet är hög effektförstärkare normalt odlas på SiC substrat för att dra nytta av den höga värmeledningsförmåga SiC. Låga gäng dislokationstätheten fristående GaN-substrat kan användas för att förbättra elektronmobilitet, ⁹ på så sätt förbättra den högfrekventa prestanda. Efter tillväxten av ett AIN kärnskikt, är en tjock GaN buffert vuxit till spatialt separera föroreningarna vid återväxt gränssnittet från HEMT kanalen och förbättra elektrisk isolering. Till skillnad från andra III-V-material, GaN ökat med PAMBE behöver normalt tillväxtbetingelser med en grupp-III / V-förhållande större än 1, det vill säga metallrika förhållanden, ^10,11 i syfte att uppnå en jämn yta morfologi. I _x Al _{1- x} N är ett alterinfödda barriärmaterial för III-nitrid HEMTs, och har fått stor uppmärksamhet nyligen eftersom den kan odlas gitter matchas till GaN för x ≈ 0,18 och kan generera mer än dubbelt kanal laddning relativt AlGaN hinder på grund av dess höga spontan polarisation. ^12-15 skillnad AlGaN hinder kommer Ga införliva företrädesvis till in i InAlN lager, ¹⁶ vård därför måste vidtas för att säkerställa att ytan är fri från överskott Ga efter Ga-rika GaN buffertlager tillväxt och före InAlN tillväxt.

Kontroll av Ga på ytan kan åstadkommas genom att som levererar en Ga flux något mindre än det flöde som krävs för Ga-droppbildning. Detta är dock tillväxt fönster liten, och otillräcklig Ga yttäckning kommer att orsaka ytmorfologin att brytas ned in i platå / trench morfologi medan överskott av Ga flussmedel kommer att resultera i Ga ackumulering och makroskopisk droppbildning. ¹⁷ Reflektion hög energi elektron diffraktion (RHEED) intens ten kan användas för att övervaka Ga ackumulering och desorption. Ga yttäckning indikeras av en reduktion i RHEED intensitet, och någon fördröjning mellan stängning av ga (och N *) jalusier och den initiala ökningen av RHEED intensitet indikerar ackumulering av Ga, såsom visas i fig 3.

Figur 3: Övervakning Ga täckning med RHEED intensitet RHEED intensitetssignalen mätt från RHEED mönster som förvärvats under rotation med hjälp av utlöst förvärvet.. Otillräcklig Ga flöde indikeras av en omedelbar ökning i intensitet efter stängning jalusier (ej visad). Mättat / ideal Ga täckning indikeras av en fördröjning mellan slutare stängning och abrupt RHEED ljusare och överskott Ga täckning ses som både en fördröjning i inledande RHEED ljusning samt en mer gradvis intensitet ökar vilket resulterar i full intensitet återhämtning tar längre tid än 60 sekunder.com / filer / ftp_upload / 54.775 / 54775fig3large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Att uppnå hög kvalitet InAlN av PAMBE kompliceras av närvaron av sidosvängningar sammansättning, vilket resulterar i en "honeycomb" mikrostruktur bestående av Al-rika domäner omges av In-rika gränser. ¹⁸ Eliminering av denna mikrostruktur uppnås genom att använda en substrattemperatur om 50 ° C över uppkomsten av i desorption, ^15,19,20 eller approximativt 630 ° C i N-polär InAlN. I denna höga temperatur tillväxt regimen, i _x Al _{1 x} N komposition är en stark funktion av substrattemperaturen, med högre temperaturer resulterar i lägre i inkorporering. In flöde kan ökas för att kompensera för In förlorade mot avdunstning, men i praktiken den högsta i flödet begränsas av en minskning av inkorporering effektivitet med ökande i förändring. ²¹ Förutom att minska substrattemperaturen eller öka i flödet, ökar tillväxttakten kan också öka i komposition på grund av "I begrava effekt", där inkommande Al-atomer fälla I och hindra den från att avdunsta. ^21,22 Högre tillväxttakten kan uppnås genom att öka i och Al flux proportionellt. För att hålla tillväxtbetingelserna N-rika, skulle den N * behöva ökas också, vilket kan uppnås genom ökning av RF-plasmaeffekt, vilket ökar _N2 flödeshastigheten, förbättra plasmakammaren design eller öka öppningen platthålet densitet.

Ytterligare epitaxiella skikt i InAlN-baserade HEMTs inkluderar GaN och AlN mellanskikt (ILS) och en GaN-kanal. En AIN IL införas mellan barriären och kanalen kan öka rörligheten μ samt kanal ark laddningsdensitet n _er. Den ökade rörligheten tillskrivs minska elektron vågfunktion överlappning med InAlN Barrier och efterföljande legering spridning. ^{9 För} att säkerställa tillväxten av AIN IL hög kvalitet, är ett överskott av Ga flöde levereras under tillväxt för att fungera som ett ytaktivt ämne. En GaN IL kan användas mellan AIN IL och hinder för att ytterligare förbättra rörligheten och samtidigt minska kanalavgift. GaN-kanalen kan odlas på samma temperatur som InAlN barriären, vilket gör kontinuerlig tillväxt från barriären även om ILS och kanal. Förbättrad rörlighet har erhållits genom att avbryta tillväxt efter AIN IL och öka tillväxttemperaturen innan växer GaN-kanalen. I detta fall en skyddande Ga yttäckning måste upprätthållas under avbrottet för att förhindra nedbrytning rörlighet.

Följande protokoll gäller specifikt till InAlN spärr HEMTs odlas på N-polära GaN-substrat. Den direkt kan utvidgas till tillväxt på C-polärt 4H- eller 6H-SiC-substrat genom att inkludera en 50 nm tjock N-rika AIN skiktet.

Protocol

1. effusionscellerna Ramp och Flux Kalibrering Bekräfta flytande N2 flödar till Cryo-paneler, och att tillväxtkammaren har nått grundtryck. Ramp upp effusionscellerna till deras balkflödesmätning (BFM) temperatur vid en ramphastighet av 1 ° C / sek för Ga och In-celler, och 10 ° C / min för Al. Vänta 1 h för celler för att termiskt stabiliseras. Öppna slutaren av varje cell för 30-60 sekunder och stäng sedan luckan i 1-2 minuter. Upprepa tre gånger för varje ce…

Representative Results

Röntgendiffraktion (XRD) genomsökningar av InAlN tunna filmer visas odlas på N-polära GaN-substrat i figur 4 (a) är enda kulminerat både 50 och 200 nm tjocka filmer. XRD genomsökning av 50 nm tjockt InAlN film uppvisar Pendellösung fransar upp till 15: e ordningen, vilket indikerar mycket hög gräns kvalitet. Den asymmetriska reciproka rummet kartan i figur 4 (b) visar att 200 nm tjockt InAlN skiktet har samma q ‖, och d?…

Discussion

Tillväxten av hög kvalitet GaN buffertskikt är avgörande för att uppnå hög elektronrörlighet i någon III-nitrid HEMT. I fallet med en N-polär InAlN HEMT, är buffertskiktet tillväxt kompliceras av kravet på att all Ga avlägsnas från ytan innan InAlN tillväxt. Det finns en mängd olika tekniker för att åstadkomma detta förutom det förfarande som beskrivs här, såsom metall-module epitaxi, ²⁷ med hjälp av tillväxtbetingelser vid kanten av mellan Ga täckning och Ga dropp ackumulering regim…

Materials

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