بمساعدة البلازما الجزيئية شعاع إبيتاز من InAlN من العوائق الترانزستور عالية الإلكترون التنقل N-القطبية
Summary
يستخدم الجزيئية تناضد شعاع لزراعة N-القطبية الترانزستورات InAlN من الحواجز العالية الإلكترون التنقل (HEMTs). السيطرة على إعداد ويفر، وظروف نمو طبقة والهيكل الفوقي النتائج في سلسة، وطبقات InAlN متجانسة بشكل إنشائي وHEMTs مع حركية عالية مثل 1750 سم 2 / V ∙ ثانية.
Abstract
بمساعدة البلازما الجزيئية شعاع تناضد هي مناسبة تماما لنمو الفوقي من الثالث إلى نيتريد الأغشية الرقيقة وheterostructures مع نحو سلس، واجهات مفاجئة اللازمة لعالية الجودة الترانزستورات عالية الإلكترون التنقل (HEMTs). ويرد الإجراء لنمو HEMTs InAlN N-القطبي، بما في ذلك إعداد ويفر ونمو طبقات عازلة، طبقة InAlN الحاجز، ن. والجاليوم interlayers وقناة الجاليوم. ويتم تحديد القضايا الحرجة في كل خطوة من خطوات عملية، مثل تجنب تراكم جورجيا في المخزن المؤقت الجاليوم، ودور درجة الحرارة على InAlN التجانس التركيبي، واستخدام الجا تدفق خلال البينية ن. وقبل الجاليوم النمو قناة المقاطعة. وقد أثبت متجانسة بشكل إنشائي N-القطبية InAlN الأغشية الرقيقة مع سطح جذر متوسط تربيع منخفضة تصل إلى 0.19 نانومتر، وخشونة يتم الإبلاغ عن الهياكل HEMT وجود حركية عالية مثل 1750 سم 2 / V ∙ ثانية للأجهزة مع كثافة الشحنة ورقة InAlN القائم 1.7 × 1013 سم -2.
Introduction
الشعاع الجزيئي تنضيد (مبي) هو تقنية الفوقي تنوعا رقيقة النمو التي توظف بيئة فراغ عالية جدا مع الضغوط قاعدة منخفضة تصل إلى 10 -11 عربة لضمان انخفاض التأسيس النجاسة في الفيلم نمت. يتم تحديد معدل تكوين ونمو الطبقات نمت epitaxially عن طريق التحكم في درجة حرارة كل خلية الانصباب، وبالتالي تدفق تبخر من مختلف المواد المصدر. في حالة تنضيد III-نيتريد، المجموعة عادة يتم توفير III-العناصر (في، القاعدة، الجا) من قبل خلايا انصباب بينما النيتروجين النشط وتقدم (N *) التدفق من خلال إما N 2 البلازما 1،2 (RF البلازما مبي -assisted: PAMBE أو RFMBE) أو الأمونيا (NH 3 -MBE) يتميز 3،4 النمو مبي من انخفاض درجات الحرارة النمو وضوحا فجائية بينية من تقنيات النمو الفوقي أخرى، مثل metalorganic ترسيب الأبخرة الكيميائية 5 ويرد التخطيطي. في الشكل 1.
<pالطبقة = "jove_content">
الشكل 1:.. نظام مبي التخطيطي تخطيطي يظهر الغرفة قفل الحمل، ونظام نقل ومحطة إطلاق الغازات والنمو الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
III-نتريدات يمكن زراعتها على ركائز وجود مجموعة متنوعة من التوجهات وضوح الشمس. التوجه الأكثر شيوعا هو ج -plane جا القطبية، والذي يسمح بتشكيل الغاز الإلكترون ثنائية الأبعاد دون الكشف عن المنشطات من خلال الاستفادة من الفرق في الاستقطاب بين طبقة الحاجز، عادة ألجان، وقناة الجاليوم. وقد تلقى توجهات مختلفة غير القطبية وشبه القطبية من الجاليوم اهتماما كبيرا لالإلكترونيات الضوئية نظرا لانخفاض تأثيرات الاستقطاب في الآبار الكم، 6،7 مما يجعل هذه التوجهات اقل من المرغوب فيه أيضا عن الطلبات، HEMTنانو ثانية. الأجهزة الموجهة N-القطبية جذابة للجيل المقبل من ارتفاع وتيرة عملية HEMT بسبب العديد من المزايا الجوهرية عبر أجهزة جا القطبية التقليدية. 8 ويزرع طبقة حاجز في أجهزة N-القطبية تحت قناة الجاليوم كما هو مبين في الشكل 2، مما أدى في الحاجز الخلفي الطبيعي أن يساعد تحكم كهرباء القناة ويقلل من الآثار قناة قصيرة، في الوقت الذي تسمح سهولة الوصول الحالي إلى قناة الجاليوم وتقليل مقاومة للإتصال به. ويمكن أيضا أن الحاجز يمكن السيطرة عليها بشكل منفصل من القناة، بحيث كما يتم تحجيم سمك قناة أسفل للأجهزة عالية التردد تصميم الحاجز يمكن تعديل للتعويض عن تهمة قناة خسر أمام مستوى تعلق الآثار فيرمي.
الشكل 2: الفوقي طبقة التخطيطي هيكل طبقة من (أ) HEMT N-القطبي و (ب) HEMT لجا القطبي لcomparison. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
HEMTs المستخدمة في سرعة عالية، وتزرع مكبرات الصوت عالية الطاقة عادة على ركائز كربيد للاستفادة من الموصلية الحرارية العالية من كربيد. يمكن استخدام منخفضة خيوط خلع ركائز الكثافة قائما بذاته الجاليوم لتحسين التنقل الإلكترون، 9 وبالتالي تحسين أداء عالية التردد. بعد نمو طبقة ن. التنوي، ويزرع منطقة عازلة الجاليوم سميك لفصل مكانيا الشوائب في واجهة إعادة نمو من القناة HEMT وتحسين العزل الكهربائي. وخلافا للمواد III-V أخرى، الجاليوم نمت بنسبة PAMBE يحتاج عادة ظروف النمو مع نسبة مجموعة-III / V أكبر من 1، أي ظروف غني بالمعادن، 10،11 من أجل تحقيق التشكل سطح أملس. في العاشر آل 1- س N هو مذبحوتلقى المواد حاجز الأم لHEMTs III-نيتريد، واهتماما كبيرا في الآونة الأخيرة لأنه يمكن زراعتها مطابقة شعرية لالجاليوم ل x ≈ 0.18 ويمكن أن تولد أكثر من مرتين قناة تهمة المتعلقة الحواجز ألجان استحقاقها الاستقطاب عفوية عالية. 12-15 على خلاف الحواجز ألجان، والجا تتضمن تفضيلي في في طبقات InAlN، 16 وبالتالي يجب توخي الحذر لضمان سطح خال من فائض جورجيا بعد نمو طبقة جورجيا الغنية عازلة الجاليوم وقبل نمو InAlN.
السيطرة على جورجيا على السطح ويمكن تحقيق ذلك عن طريق توريد والجا تدفق أقل قليلا من تدفق اللازمة لتشكيل جا قطرة. ومع ذلك، هذه النافذة نمو صغير، وعدم كفاية تغطية سطح الجا سوف تتسبب في التشكل السطح لتتحلل في التشكل هضبة / خندق في حين الزائد الجا تدفق سيؤدي إلى تراكم جورجيا وتشكيل الحبرية العيانية 17 انعكاس عالية الطاقة الإلكترون حيود (RHEED) INTENS إيتي يمكن استخدامها لمراقبة تراكم جورجيا والامتزاز. يشار إلى تغطية سطح الجا انخفاض في كثافة RHEED، وأي فجوة بين إغلاق الجا (وN *) مصاريع والزيادة الأولية في كثافة RHEED تشير تراكم الجا، كما هو مبين في الشكل (3).
الشكل (3): رصد تغطية الجا مع RHEED كثافة RHEED إشارة كثافة يقاس من نمط RHEED التي تحصل عليها بموجب تناوب باستخدام اكتساب المشغلة. يشار عدم كفاية تدفق الجا من زيادة فورية في كثافة بعد إغلاق مصاريع (لا يظهر). يشار المشبعة / تغطية الجا مثالية من تأخير بين إغلاق مصراع والمفاجئ اشراق RHEED وتغطية الجا الزائدة في رأينا على حد سواء تأخير في اشراق RHEED الأولي وكذلك زيادة كثافة أكثر تدرجا مما أدى إلى انتعاش كثافة الكامل يستغرق وقتا أطول من 60 ثانية.كوم / ملفات / ftp_upload / 54775 / 54775fig3large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
ويزيد من تعقيد تحقيق جودة عالية InAlN التي كتبها PAMBE من وجود تقلبات تكوين الجانبية، مما أدى إلى المجهرية "العسل" التي تتألف من المجالات آل الغنية تحيط بها حدود في الغنية. ويتم تحقيق 18 القضاء على هذا المجهرية باستخدام درجة حرارة الركيزة حول 50 ° C فوق ظهور في الامتزاز، 15،19،20 أو ما يقرب من 630 درجة مئوية لمدة InAlN N-القطبية. في هذا النظام النمو ارتفاع في درجة الحرارة، وفي العاشر آل 1- تكوين س N هو وظيفة قوية لدرجة حرارة الركيزة، مع ارتفاع درجات الحرارة مما أدى إلى انخفاض في التأسيس. ويمكن زيادة تدفق في لتعويض وخسر أمام التبخر، على الرغم من ممارسة الحد الأقصى في تدفق محدودة بسبب انخفاض في كفاءة التأسيس مع زيادة في تدفق21 بالإضافة إلى خفض درجة حرارة الركيزة أو زيادة في تدفق وزيادة معدل النمو ويمكن أيضا أن يزيد من تكوين في يرجع ذلك إلى فخ "في دفن تأثير"، حيث ذرات آل الواردة في ومنعها من التبخر. 21،22 العالي معدلات النمو لا يمكن أن يتحقق من خلال زيادة في تدفق و آل نسبيا. للحفاظ على ظروف النمو N-الأغنياء، سيحتاج N * إلى زيادة أيضا، وهو ما يمكن أن يتحقق من خلال زيادة قوة الترددات اللاسلكية البلازما، وزيادة معدل تدفق N 2، وتحسين تصميم غرفة البلازما، أو زيادة حفرة لوحة الفتحة كثافة.
وتشمل طبقات الفوقي إضافية في HEMTs أساس InAlN-الجاليوم ون. interlayers (ILS) وقناة الجاليوم. ون. IL تدرج بين الحاجز وقناة يمكن أن تزيد μ التنقل وكذلك ورقة قناة كثافة الشحنة ن ق. وتعزى الزيادة في التنقل للحد من موجة الإلكترون وظيفة تداخل مع InAlN بarrier وسبائك نثر لاحق. 9 لضمان نمو عالية الجودة من ن. IL، يتم توفير فائض من الجا تدفق أثناء النمو ليكون بمثابة السطحي. والجاليوم IL يمكن استخدامها بين ن. IL وعائقا أمام زيادة تحسين التنقل في حين أن الحد تهمة القناة. يمكن زراعتها في قناة الجاليوم في نفس درجة حرارة حاجز InAlN، مما يتيح النمو المستمر من حاجز على الرغم من أن ILS والقناة. وقد تم الحصول على تحسين التنقل عن طريق قطع النمو بعد ن. IL وزيادة درجة حرارة النمو قبل نموا في قناة الجاليوم. في هذه الحالة لابد من الحفاظ خلال المقاطعة لمنع تدهور التنقل تغطية سطح جورجيا واقية.
ينطبق على بروتوكول التالية خصيصا لHEMTs InAlN من العوائق نمت على ركائز الجاليوم N-القطبية. ويمكن أن تمتد مباشرة إلى النمو على ركائز C-القطبي 4H- أو 6H-كربيد من قبل بما في ذلك نانومتر طبقة سميكة ن. ن الغنية 50.
Protocol
Representative Results
Discussion
نمو عالية الجودة طبقة عازلة الجاليوم أمر بالغ الأهمية لتحقيق ارتفاع التنقل الإلكترون في أي HEMT III-نيتريد. في حالة وجود InAlN HEMT N-القطبي، معقد نمو طبقة عازلة حسب المتطلبات التي يمكن إزالتها عن جورجيا من على سطح الأرض قبل أن النمو InAlN. وهناك مجموعة متنوعة من التقنيات لإنجاز…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank Mr. Neil Green for assistance with sample preparation. This work was supported by the Office of Naval Research under funding from Dr. P. Maki. MTH was supported by a National Research Council Postdoctoral Fellowship.
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 |
References
- 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).
- 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, 168-174 (2014).
- 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).
- 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).
- Mazumder, B., et al. Atom probe analysis of AlN interlayers in AlGaN/AlN/GaN heterostructures. Appl. Phys. Lett. 102 (11), 111603 (2013).
- 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).
- 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).
- Wong, M. H., et al. N-polar GaN epitaxy and high electron mobility transistors. Semicond. Sci. Technol. 28 (7), 074009 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kuzmik, J. Power electronics on InAlN/(In)GaN: Prospect for a record performance. IEEE Electron Device Lett. 22 (11), 510-512 (2001).
- Fernández-Garrido, S., Gačević, &. #. 3. 8. 1. ;., Calleja, E. A comprehensive diagram to grow InAlN alloys by plasma-assisted molecular beam epitaxy. Appl. Phys. Lett. 93 (19), 191907 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Storm, D. F., et al. Effect of interfacial oxygen on the microstructure of MBE-grown homoepitaxial N-polar. J. Cryst. Growth. 409, 14 (2014).
- Meyer, D. J., et al. High Electron Velocity Submicrometer AlN/GaN MOS-HEMTs on Freestanding GaN Substrates. IEEE Electron Device Lett. 34, 199 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
