Plasma-assisteret Molecular Beam Epitaxy af N-polar InAlN-barriere High-elektron-mobilitet Transistorer

Summary

Molekylær stråle epitaksi anvendes til at vokse N-polære InAlN-barriere høj elektron-mobilitet transistorer (HEMTs). Kontrol af wafer forberedelse, lag vækst betingelser og epitaksial struktur resulterer i glatte, deres sammensætning homogene InAlN lag og HEMTs med mobilitet så højt som 1.750 cm ² / V ∙ sek.

Abstract

Plasma-assisteret molekylær stråle epitaxy er velegnet til det epitaksiale vækst af III-nitrid tynde film og heterostrukturer med glatte, abrupte fornødne snitflader høj kvalitet high-elektron-mobilitet transistorer (HEMTs). En procedure præsenteres for væksten af ​​N-polære InAlN HEMTs, herunder wafer forberedelse og vækst af buffer lag, den InAlN barriere lag, AlN og GaN mellemlag og GaN kanal. Kritiske spørgsmål på hvert trin i processen er identificeret, såsom at undgå Ga akkumulering i GaN buffer, rolle temperatur på InAlN sammensætningen homogenitet, og brugen af ​​Ga flux under AlN mellemlag og interrupt før GaN kanal vækst. Deres sammensætning homogen N-polar InAlN tyndfilm er demonstreret med overfladen rod-middelværdi-kvadreret ruhed så lav som 0,19 nm og InAlN-baserede HEMT strukturer rapporteres at have mobilitet så højt som 1.750 cm ² / V ∙ sek til enheder med et ark ladningstæthed af 1,7 x 1013 cm ^-2.

Introduction

Molekylær stråle epitaxy (MBE) er en alsidig epitaksial tynd film vækst teknik, der anvender en ultra-høj-vakuum miljø med base-tryk helt ned til 10 ^-11 Torr at sikre lav urenhed inkorporering i den dyrkede filmen. Sammensætningen og vækst i de epitaksisk dyrkede lag bestemmes ved at styre temperaturen af ​​hver effusionscelle, og dermed den inddampede flux af de forskellige udgangsmaterialer. I tilfælde af III-nitrid epitaksi, gruppen III-elementer (In, AI, Ga) er typisk tilvejebragt ved Effusionsceller mens den aktive kvælstof (N *) flux leveres af enten en _N2 plasma ^1,2 (RF plasma -assisted MBE:. PAMBE eller RFMBE) eller ammoniak _(NH3 -MBE) ^3,4 MBE vækst er karakteriseret ved lavere vækst temperaturer og skarpere grænsefladepolymerisation pludselighed end andre epitaksial dyrkning teknikker, såsom metalorganisk kemisk dampafsætning ⁵ En skematisk er vist. i figur 1.

<pclass = "jove_content">
Figur 1:.. MBE-system skematisk Skematisk viser belastningen lås, transfersystem, afgasning station og vækst kammer Klik her for at se en større version af dette tal.

III-nitrider kan dyrkes på substrater med en række forskellige krystal orienteringer. Det mest almindeligt anvendte orientering er Ga-polære C -plane, der tillader dannelsen af et todimensionalt elektrongas uden doping ved udnyttelse af forskellen i polarisering mellem barrierelaget, typisk AlGaN, og GaN kanal. Forskellige ikke-polære og semi-polære orienteringer af GAN har fået stor opmærksomhed for optoelektronik grund af reduceret polarisering effekter i kvantebrønde, ^6,7 hvilket også gør disse retningslinjer mindre ønskeligt HEMT applications. N-polære orienterede enheder er attraktive for næste generation højfrekvente HEMT drift på grund af flere iboende fordele i forhold til konventionelle Ga-polære enheder. ^8. Barrierelaget i N-polære enheder dyrkes under GaN kanalen som vist i figur 2, hvilket resulterer på en naturlig back barriere, der hjælper elektrostatisk kontrol over kanalen og reducerer korte kanal effekter, samtidig med at lettere nuværende adgang til GaN kanal og reducere kontakt modstand. Barrieren kan også styres uafhængigt af den kanal, således at så kanaltykkelsen nedskaleres til højfrekvente enheder kan barrieren design modificeres for at kompensere for kanal ladning lykkede Fermi niveau pinning virkninger.

Figur 2:. Epitaksiale lag skematisk lagstruktur af (a) en N-polær HEMT og (b) en Ga-polær HEMT for comparison. Klik her for at se en større version af dette tal.

HEMTs anvendes i høj hastighed, er high-effektforstærkere normalt dyrkes på SiC substrater at drage fordel af den høje varmeledningsevne af siliciumcarbid. Lave gevindskæring dislokationsdensitet fritstående GaN substrater kan anvendes til at forbedre elektron mobilitet, ⁹ således forbedre den højfrekvente ydeevne. Efter væksten af ​​et AlN kernedannelse lag, er en tyk GaN buffer vokset til rumligt adskille urenheder på genvækst grænsefladen fra HEMT kanal og forbedre elektrisk isolation. I modsætning til andre III-V materialer, GaN vokset med PAMBE typisk behov vækstbetingelser med en gruppe-III / V-forhold større end 1, dvs., metal-rige tilstande, ^10,11 for at opnå en glat overflademorfologi. I _x Al _{1- x} N er et alterindfødte barriere materiale til III-nitrid HEMTs, og har fået stor opmærksomhed for nylig, fordi det kan dyrkes gitter matches til GAN for x ≈ 0,18 og kan generere over to gange kanal afgift i forhold til AlGaN barrierer på grund af sin høje spontane polarisering. ^12-15 modsætning AlGaN barrierer, vil Ga indarbejde fortrinsvis til In i InAlN lag, ¹⁶ således skal man være omhyggelig for at sikre, at overfladen er fri for overskydende Ga efter Ga-rige GaN buffer lag vækst og før InAlN vækst.

Kontrol af Ga på overfladen kan opnås ved suppling en Ga flux lidt mindre end fluxen kræves til dannelse Ga-dråbe. Men dette vindue vækst er lille, og utilstrækkelig Ga overfladedækning vil få overfladen morfologi at nedbrydes til plateau / trench morfologi, mens overskydende Ga flux vil resultere i Ga ophobning og dannelse makroskopisk dråbe. ¹⁷ Refleksion høj energi elektron diffraktion (RHEED) intens ity kan anvendes til at overvåge Ga ophobning og desorption. Ga overfladedækning indikeres ved en reduktion i RHEED intensitet, og enhver forsinkelse mellem lukning af Ga (og N *) skodder og den indledende stigning i RHEED intensitet indikerer ophobning af Ga, som vist i figur 3.

Figur 3: Overvågning Ga dækning med RHEED intensitet RHEED intensitet signal målt fra RHEED mønster erhvervet under rotation ved hjælp udløst erhvervelse.. Utilstrækkelig Ga flux er angivet ved en øjeblikkelig stigning i intensitet efter lukning skodder (ikke vist). Mættet / ideal Ga-dækning er angivet med en forsinkelse mellem lukker lukning og pludselige RHEED lysere og overskydende Ga dækning i ses som både en forsinkelse i indledende RHEED lysere samt en mere gradvis intensitet stigning resulterer i fuld intensitet opsving tager længere tid end 60 s.dk / filer / ftp_upload / 54.775 / 54775fig3large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Opnåelse af høj kvalitet InAlN af PAMBE kompliceres af tilstedeværelsen af sammensætning udsving laterale, hvilket resulterer i en "honeycomb" mikrostruktur bestående af Al-rige domæner omgivet af In-rige grænser. ¹⁸ Eliminering af denne mikrostruktur opnås ved anvendelse af en substrattemperatur ca. 50 ° C over indtræden af In desorption, ^15,19,20 eller omtrent 630 ° C i N-polær InAlN. I denne høje temperatur vækstregime, In _x Al _{1- x} N sammensætning er en stærk funktion af substrattemperatur, med højere temperaturer resulterer i lavere i inkorporering. In flux kan øges for at kompensere for In tabte til fordampning, skønt den maksimale flux i praksis er begrænset af en reduktion i inkorporeringseffektivitet med stigende In flux. ²¹ Ud over at reducere substratet temperatur eller forøgelse af in flux, øge vækstraten kan også øge i sammensætning på grund af "I nedgravning effekt", hvor indkommende Al-atomer fælde i og forhindre det i at fordampe. ^21,22 Højere vækstrater kan opnås ved at øge In og Al flux proportionalt. For at holde de vækstbetingelser N-rige, ville N * skal øges så godt, hvilket kan opnås ved at øge RF plasma magt, øge _N2 strømningshastighed, forbedring plasmakammeret design eller forøge åbningen pladehullet densitet.

Yderligere epitaksiale lag i InAlN-baserede HEMTs omfatter GaN og AlN mellemlag (ILS) og en GaN kanal. En AlN IL indsat mellem barrieren og kanalen kan øge mobiliteten μ samt kanal ark ladningstæthed n _s. Stigningen i mobilitet tilskrives reducere elektron bølgefunktion overlapning med InAlN Barrier og efterfølgende legering spredning. ^{9 For} at sikre væksten i AlN IL høj kvalitet, er et overskud af Ga flux leveret under væksten til at fungere som et overfladeaktivt stof. En GaN IL kan bruges mellem AlN IL og barriere for yderligere at forbedre mobiliteten og samtidig reducere kanal gebyr. Gan-kanalen kan dyrkes ved samme temperatur som InAlN barriere, hvilket muliggør en løbende vækst fra barrieren selvom ILS og kanal. Forbedret mobilitet er opnået ved at afbryde vækst efter AlN IL og øge væksten temperatur, før voksende GaN kanal. I dette tilfælde skal opretholdes under interrupt at forhindre mobilitet nedbrydning en beskyttende Ga overflade dækning.

Følgende protokol gælder specifikt til InAlN-barriere HEMTs dyrket på N-polære GaN substrater. Det kan være direkte forlænges til vækst på C-polær 4H- eller 6H-SiC substrater ved at inkludere en 50 nm tyk N-rige AlN lag.

Protocol

1. effusionscellen Rampe og Flux kalibrering Bekræft flydende N2 strømmer til cryo-paneler, og at væksten kammeret har nået bunden tryk. Rampe op effusionscellerne til deres stråle flux måling (BFM) temperatur med en stigningsgrad på 1 ° C / sek for Ga og In celler, og 10 ° C / min for Al. Vent 1 time for celler til termisk stabilisering. Åbn lukkeren af ​​hver celle i 30-60 sek, og luk derefter lukkeren for 1-2 min. Gentag tre gange for hver celle. Kassér den fø…

Representative Results

Røntgendiffraktion (XRD) scanninger af InAlN tynde film vist dyrket på N-polære GaN substrater i figur 4 (a) er single toppede både 50 og 200-nm-tykke film. XRD-scanning af 50 nm tyk InAlN film udviser Pendellösung frynser op til 15 th orden, hvilket indikerer meget høj grænsefladespænding kvalitet. Den asymmetriske reciprokke rum kort i figur 4 (b) viser, at 200 nm tykt InAlN lag har samme q ‖, og således den samme i pla…

Discussion

Vækst af en høj kvalitet GaN bufferlaget er afgørende for at opnå høj elektron mobilitet i enhver III-nitrid HEMT. I tilfælde af en N-polær InAlN HEMT, er bufferlaget vækst kompliceret af kravet om, at alle Ga fjernes fra overfladen før InAlN vækst. Der er en række forskellige teknikker til at opnå dette i tillæg til fremgangsmåden beskrevet her, såsom metal-moduleret epitaksi, ²⁷ under anvendelse af vækstbetingelser på kanten af den mellemliggende Ga dækning og Ga dråbe ophobning regime, <…

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