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Engineering

Plasmagestützte Molecular Beam Epitaxy von N-polar InAlN-Barriere Hochelektronenmobilität Transistoren

doi: 10.3791/54775 Published: November 24, 2016

Summary

Molekularstrahlepitaxie verwendet wird N-polar InAlN-Barriere High-Elektronen-mobility transistors (HEMT) zu wachsen. Die Steuerung der Waferaufbereitung, Schichtwachstumsbedingungen und Epitaxie - Struktur ergibt glatte, homogene kompositorisch InAlN Schichten und HEMTs mit Mobilität so hoch wie 1750 cm 2 / V ∙ sec.

Abstract

Plasma-unterstützte Molekularstrahl-Epitaxie ist gut geeignet für das epitaktische Wachstum von III-Nitrid-Schichten und Heterostrukturen mit glatten, abrupt Schnittstellen für Hochelektronenmobilitätstransistoren hoher Qualität erforderlich (HEMTs). Ein Verfahren wird für das Wachstum von N-polaren InAlN HEMTs präsentiert, einschließlich Wafervorbereitungs und das Wachstum der Pufferschichten, die InAlN Sperrschicht, AlN und GaN-Zwischenschichten und der GaN-Kanal. Kritische Punkte bei jedem Schritt des Verfahrens identifiziert werden, wie beispielsweise die Vermeidung Ga Akkumulation im GaN-Puffer, um die Rolle der Temperatur auf InAlN Zusammensetzungshomogenität und die Verwendung von Ga Flußmittel während der AlN-Zwischenschicht und den Interrupt vor GaN Kanalwachstum. Zusammensetzung homogenen N-polaren InAlN Dünnschichten mit Oberflächen root-mean-squared Rauheit so günstig wie 0,19 nm und zeigte InAlN-basierten HEMT - Strukturen sind für Geräte mit einer Flächenladungsdichte Mobilität so hoch wie 1750 cm 2 / V ∙ sec berichteten, von 1,7 x 1013 cm -2.

Introduction

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Molekularstrahlepitaxie (MBE) ist ein vielseitiger Epitaxie - Dünnschicht - Wachstumstechnik , die ein Ultrahochvakuum - Umgebung mit Basisdruck so niedrig wie 10 -11 Torr beschäftigt zu niedrigen Verunreinigungs Einbau in den gewachsenen Film sicherzustellen. Die Zusammensetzung und die Wachstumsgeschwindigkeit der epitaktisch gewachsenen Schichten werden durch Steuern der Temperatur jeder Effusionszelle bestimmt und somit die verdampften Flußmittel der verschiedenen Ausgangsmaterialien. Im Fall von III-Nitrid - Epitaxie, der Gruppe III-Elemente (In, Al, Ga) werden typischerweise durch Effusionszellen vorgesehen ist, während der aktive Stickstoff (N *) Fluss entweder durch ein N 2 -Plasma 1,2 (RF Plasma vorgesehen ist -Assistierte MBE. PAMBE oder RFMBE) oder Ammoniak (NH 3 -MBE) 3,4 MBE Wachstum wird durch niedrigere Wachstumstemperaturen und schärfere Grenzflächen abruptness als andere epitaktische Wachstumstechniken, wie beispielsweise metallorganische chemische Gasphasenabscheidung gekennzeichnet 5A schematisch dargestellt. in Figur 1.


Abbildung 1:.. MBE Systemschema Schematische Darstellung der Ladesperre, Transfersystem, das Ausgasen Station und Wachstumskammer Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

III-Nitriden auf Substraten aufgewachsen werden, um eine Vielzahl von Kristallorientierungen aufweist. Die am häufigsten verwendete Ausrichtung ist die Ga-polaren c -Ebene, die durch Ausnutzung der Differenz in der Polarisation zwischen der Barriereschicht, typischerweise AlGaN und GaN Kanal die Bildung eines zweidimensionalen Elektronengases ohne Dotierung ermöglicht. Verschiedene nicht-polaren und semipolaren Orientierungen von GaN haben erhebliche Aufmerksamkeit für die Optoelektronik aufgrund reduzierter Polarisationseffekte in den Quantentrögen, 6,7 , die auch diese Orientierungen weniger wünschenswert für HEMT applicatio machtns. N-polar orientierte Geräte sind attraktiv für die nächste Generation Hochfrequenz - HEMT Betrieb durch mehrere intrinsische Vorteile gegenüber herkömmlichen Ga-polaren Vorrichtungen. 8 ist die Sperrschicht in N-polaren Geräte unterhalb des GaN Kanal gezüchtet , wie in 2 gezeigt, was in einer natürlichen Barriere zurück hilft, dass elektrostatische Kontrolle des Kanals und Short-Channel-Effekte reduziert, während leichter aktuellen Zugriff auf die GaN-Kanal ermöglicht und Kontaktwiderstand zu reduzieren. Die Barriere kann auch separat von dem Kanal gesteuert werden, so daß, wenn die Kanaldicke nach unten für Hochfrequenzvorrichtungen skaliert wird die Sperr Design modifiziert werden kann, für die Kanalladung zu Ferminiveau Pinning-Effekte verloren zu kompensieren.

Figur 2
Fig . 2: schematische Epitaxial - Schicht Schichtstruktur von (a) einem N-polaren HEMT und (b) eine Ga-polaren HEMT für comparIson. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

HEMTs in Hochgeschwindigkeits verwendet werden Hochleistungsverstärker normalerweise auf SiC-Substrate aufgewachsen Vorteil der hohen Wärmeleitfähigkeit von SiC zu nehmen. Niedrige Fadenversetzungsdichte freistehende GaN - Substrate können die Elektronenbeweglichkeit zu verbessern , verwendet werden, 9 so die Hochfrequenzleistung verbessert wird . Nach dem Wachstum einer AlN Kernbildungsschicht wird ein dicker GaN-Puffer bei dem Nachwachsen Schnittstelle vom HEMT Kanal und verbessern die elektrische Isolierung räumlich getrennt um die Verunreinigungen gezüchtet. Im Gegensatz zu anderen III-V - Materialien, durch PAMBE gewachsen GaN benötigt typischerweise Wachstumsbedingungen mit einer Gruppe-III / V - Verhältnis von größer als 1 ist , dh metallreichen Bedingungen, 10,11 , um eine glatte Oberflächenmorphologie zu erreichen. In x Al 1- x N ist ein alternativen Barrierematerial für III-Nitrid - HEMTs, und hat vor kurzem erhebliche Aufmerksamkeit erhalten , weil es Gitter für x ≈ 0,18 bis GaN angepasst angebaut werden kann und über die doppelte Kanalladung relativ zu AlGaN Barrieren aufgrund seiner hohen spontanen Polarisation erzeugen. 15.12 Im Gegensatz zu AlGaN Barrieren, wird Ga bevorzugt an in in InAlN Schichten einzuarbeiten, 16 so darauf geachtet werden , muss die Oberfläche frei ist von überschüssigem Ga nach dem Ga-reiche GaN - Pufferschicht Wachstum und vor InAlN Wachstum zu gewährleisten.

Steuerung von Ga auf der Oberfläche kann für Ga-Tröpfchenbildung erforderlich durch suppling eine Ga Flußmittel geringfügig kleiner als der Fluß erreicht werden. Allerdings ist dieses Wachstum Fenster klein, und eine unzureichende Oberflächenabdeckung Ga wird die Oberflächenmorphologie zu degradieren in Plateau / Graben Morphologie verursachen , während überschüssiges Ga Fluss in Ga Akkumulation und makroskopischen Tropfenbildung führen. 17 Rheed (RHEED) intens keit kann verwendet werden, Ga Akkumulation und Desorption zu überwachen. Ga Oberflächenabdeckung wird durch eine Verringerung der RHEED Intensität angegeben, und jede Verzögerung zwischen den Ga Schließen (und N *) Fensterläden und die anfängliche Anstieg der RHEED Intensität zeigt Anhäufung von Ga, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Figur 3
Abbildung 3: Überwachung Ga Abdeckung mit RHEED Intensität RHEED Intensitätssignal gemessen von RHEED Muster unter Rotation mit getriggerten Akquisition erworben.. Unzureichende Ga Flußmittel durch eine sofortige Erhöhung der Intensität angezeigt wird, nachdem die Jalousien zu schließen (nicht gezeigt). Gesättigte / ideal Ga Abdeckung wird durch eine Verzögerung zwischen dem Verschluss Verschluss und abrupte RHEED Aufhellung und überschüssige Ga Abdeckung angegeben in sowohl als in der anfänglichen RHEED Aufhellung einer Verzögerung zu sehen sowie eine allmähliche Intensitätserhöhung in voller Intensität Erholung resultierenden dauert länger als 60 s.com / files / ftp_upload / 54775 / 54775fig3large.jpg "target =" _ blank "> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Erreichen hoher Qualität durch PAMBE InAlN wird durch das Vorhandensein von seitlichen Zusammensetzung Schwankungen kompliziert, in einer "Bienenwabe" Mikrostruktur führen , bestehend aus Al-reichen Domänen , die durch In-reichen Grenzen umgeben. 18 Elimination dieser Mikrostruktur unter Verwendung einer Substrattemperatur etwa 50 erreicht wird ° C über dem Beginn der Desorption In, 15,19,20 oder ungefähr 630 ° C für N-polar InAlN. In dieser hohen Temperatur Wachstum Regime, x die in Al 1- x N Zusammensetzung eine starke Funktion der Substrattemperatur, bei höheren Temperaturen niedriger Einbau führt. Der im Fluss kann erhöht werden, um zu kompensieren In Verdunstung verloren, obwohl in der Praxis die maximale im Fluss durch eine Reduzierung der Einbaueffizienz begrenzt ist im Fluss mit zunehmenderDarüber hinaus. 21 , die Substrattemperatur oder die Erhöhung der im Fluss zu verringern, die Wachstumsrate zu erhöhen kann auch aufgrund der die In - Zusammensetzung erhöhen "Effekt zu begraben", wo eingehende Al - Atome Falle und verhindern , dass es zu verdampfen. 21,22 Higher Wachstumsraten durch Erhöhung der In und Al Fluß proportional erreicht werden. Um die Wachstumsbedingungen N-rich halten, wird die N * müssten ebenfalls erhöht werden, wodurch die RF Plasmaleistung durch Steigerung erzielt werden kann, die N 2 Durchflussrate steigt, die Verbesserung der Plasmakammer - Design, oder durch Erhöhung der Aperturplatte Loch Dichte.

Zusätzliche Epitaxieschichten in InAlN-basierten HEMTs umfassen GaN und AlN-Zwischenschichten (ILs) und einen GaN-Kanal. Ein AlN - IL zwischen der Barriere und Kanal eingeführt kann Mobilität μ sowie Kanalflächenladungsdichte n s erhöhen. Die Erhöhung der Mobilität wird zur Verringerung der Elektronenwellenfunktion Überlappung mit dem InAlN b zugeschriebenArrier und einen nachfolgenden Legierungsstreuung. 9 hochwertige Wachstum des AlN IL zu gewährleisten, ein Überschuß an Ga Flußmittel während des Wachstums zugeführt , wie einem oberflächenaktiven Mittel zu wirken. Ein GaN IL kann zwischen dem AlN-IL und Barriere zur weiteren Verbesserung der Mobilität bei gleichzeitiger Reduzierung Kanalladung verwendet werden. Der GaN-Kanal kann als InAlN Barriere, so dass ein kontinuierliches Wachstum von der Barriere obwohl die ILs und Kanal bei der gleichen Temperatur gezüchtet werden. Verbesserte Mobilität wurde durch Unterbrechung Wachstum nach dem AlN IL und die Erhöhung der Wachstumstemperatur, bevor das Wachstum des GaN-Kanal erhalten. In diesem Fall ist eine Schutz Ga hat Oberflächenbedeckung während der Unterbrechung zu verhindern Mobilitäts Abbau gehalten werden.

Das folgende Protokoll gilt speziell für InAlN-Barriere HEMTs auf N-polaren GaN-Substraten gewachsen. Es kann direkt, indem man eine 50 nm dicke N-rich AlN-Schicht zu Wachstum auf C-polar 4H- oder 6H-SiC-Substrate erweitert werden.

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Protocol

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1. Effusionszelle Ramp und Flux-Kalibrierung

  1. Bestätigen Flüssigkeit N 2 fließt an die Kryo-Panels und dass die Wachstumskammer Basisdruck erreicht.
  2. Rampe auf der Effusionszellen ihrer Strahlflussmessung (BFM) Temperatur mit einer Anstiegsrate von 1 ° C / s für Ga und In-Zellen und 10 ° C / min für Al. Warten Sie 1 Stunde für Zellen thermisch zu stabilisieren.
  3. Öffnen Sie den Verschluss jeder Zelle für 30-60 Sekunden, und schließen Sie dann den Auslöser für 1-2 min. Wiederholen dreimal für jede Zelle. Entsorgen Sie den ersten Strahlfluss Ionenmeßgerät Messung und der Mittelwert der letzten beiden. Stellen Sie die Zellentemperatur den gewünschten Fluss nach den vorherigen Fluss / Temperaturkalibrierungen zu erreichen.

2. Untergrundvorbereitung und Laden

  1. Ex - situ - Substratreinigung
    1. Laden Epi-Ready N-polaren GaN - Substraten direkt, ohne Ex - situ - Reinigung. Wenn der Wafer an der Luft wurde für mehr ausgesetztunter Aceton (30 sec), Isopropanol (30 sec) und de-ionisiertes Wasser (DI) als ein paar Stunden, spülen (60 sec). Abspülen wird dem Eintauchen bevorzugt, wenn möglich, da es weniger Partikel auf der Waferoberfläche zu hinterlassen neigt.
      HINWEIS:. Für Ga-polaren GaN - Substraten eine strengere Oberfläche sauber empfohlen wird 23
  2. Last - Wafer
    1. Schließen der Ladungsschleusenisolationsgateventil und Entlüftungs mit N 2.
    2. Laden des Wafers auf der Halterung und Rück die Kassette in die Ladesperre. Schalten Sie die Ladesperre Grobpumpe und öffnen Sie die Vorvakuumpumpe Ventil- und Verteilerventil.
    3. Wenn der Ladedruck unter 0,1 Torr fallen gelassen wurde, schließen Sie die vielfältigen und Schruppen Pumpenventile. Drehen Sie die Grobpumpe und öffnen Sie die Ladeschleusenturbopumpe Absperrventil ab.
    4. Lassen Sie die Ladesperre zu pumpen 30-60 min nach unten. Idealerweise 10 -6 -10 -7 Torr eine Ladesperre Druck verwenden , bevor sie an den Behandlungsraum zu übertragen.
    5. Öffnen Sie die Ladeschleuse in die Vorbereitungskammer und übertragen den Wafer auf dem Wagen mit Wobble-Stick. Verwenden Sie dann den Wagen, den Wafer auf die Ausgasung Station in der Vorbereitungskammer zu übertragen. Bewegen Sie den Wagen manuell entlang einer Schiene eine Drehdurchführung auf der Vorbereitungskammer verwendet wird.
  3. ausgasen Wafer
    1. Rampe die Ausgasung Station Heizungstemperatur bis 700 ° C über 10 min.
    2. Nach 30 Minuten die Temperatur Rampe wieder auf 100 ° C. Wenn die Temperatur ≤ 250 ° C ist, übertragen Sie den Wafer zurück in den Wagen an der Ausgasung Station die Wobble-Stick.
  4. Last Wafer in die Wachstumskammer
    1. Senken Sie den Substrat-Manipulator in die Ladeposition, öffnen Sie die Vorbereitung / Wachstumskammer Absperrschieber und übertragen die Waferhalter zum Manipulator.
    2. Heben Sie den Manipulator zu Wachstumsposition, in der Nähe der Substratheizung.
    3. Entfernen Sie den Wagen und close Absperrschiebers.
    4. Öffnen Sie die N 2 Flaschenventil, Regelventil und Isolation Nadelventil. Stellen Sie den Massendurchflussregler (MFC) auf 1,5 sccm (oder bei Bedarf einen Kammerdruck von 3-4 x 10 -5 Torr zu bekommen). Der optimale Druck für Plasmazündung ist stark systemabhängig. Beachten Sie, dass die N 2 muss extrem hoher Reinheit (als 6N vorzugsweise besser) werden und ein zusätzlicher Filter wird in der Leitung verwendet , um weitere Verunreinigungen zu reduzieren.
    5. Mit der N * und Hauptfensterläden geschlossen, schalten Sie die Plasma-HF-Stromversorgung und Auto-Matching-Netzwerk-Controller. Erhöhen Sie die HF-Leistung, bis das Plasma zündet.
    6. Stellen Sie die HF - Leistung und N & sub2 ; -Strom zu den gewünschten Verfahrensbedingungen, in diesem Fall 350 W und 2,0 sccm. Der N * Fluss von bestimmten Plasmabedingungen resultiert , ist systemabhängig, aber hier ergeben diese Bedingungen eine GaN - Wachstumsrate von 5,0 nm / min, oder eine N * Fluss von 1,8 nm -2 s -1. Überwachen Sie die Plasmastabilität mit einem Spektrometer auf die beigefügtenHeckscheibe aus der Plasmakammer.
  5. In - situ - Oberflächenvorbereitung: Ga Ablagerung und Desorption
    1. Rampe die Substratheizung auf 10 ° C über der gewünschten GaN Wachstumstemperatur mit einer Anstiegsrate von ≤1 ° C / sec. In diesem Fall kann eine geschätzte Wafertemperatur von 730 ° C verwendet werden.
    2. Schalten Sie das RHEED-System für eine Verschlechterung der Waferoberfläche zu beobachten und Ga Abdeckung überwachen. drehen manuell auf dem Substrat Rotation. Stellen Sie die ausgelöst RHEED Erfassungs-Software, um eine RHEED Muster sammeln einmal pro Substratrotation ein statisches Bild zu liefern, während das Substrat während des Wachstums dreht.
    3. Öffnen Sie die Substratblende und Ga Verschluss für 1 min. Sicherstellen, dass die RHEED Intensität abnimmt erreicht dann ein Plateau als Ga ansammelt. Ga Flussmittel für GaN Wachstum eingesetzt ähnlich sein. Hier ist die Ga Flußmittel etwa 3,7 nm -2 sec -1.
    4. Schließen Sie den Auslöser für 2 min und gewährleisten die RHEEDIntensität nimmt zu und erreicht ein Plateau vor dem Ende der 2 min, was anzeigt, Ga Desorption.
    5. Wiederholen Sie die Schritte 2.5.2-2.5.4 dreimal, 24 und dann das Substrat zu der GaN - Wachstumstemperatur Rampe.

3. HEMT Wachstum

  1. Buffer Wachstum
    1. Initiieren Wachstum durch die N * Auslöser für eine 1 min Nitrierung zu öffnen.
    2. Wachsen einer dünnen 1-3 nm N-reiche AlN Keimschicht durch die Al-Verschluss zu öffnen. Diese AlN - Schicht kann dazu beitragen , Fadenversetzungserzeugung verhindern, 25 jedoch die AlN - Schicht erschwert Röntgenbeugung (XRD) Messungen und ist nicht für die XRD basierte Kalibrierungsproben empfohlen. Verwenden Sie die gleiche Al Fluss wie für die InAlN Schicht oder etwa 0,36 nm -2 s -1, eine Wachstumsrate von etwa 1 nm / min ergibt.
    3. Schließen Sie das Al und N * Verschluss und sofort öffnen Sie die Ga Verschluss für 10 Sekunden zu ermöglichen, Ga, die Oberfläche zu sättigen, sollte die RHEED Intensität verringern rapidly. Öffnen Sie die N * Blende (mit dem Ga Verschluss noch offen) und wachsen 5 min von GaN. Verwendung Be oder C Dotierung, insbesondere für die GaN-Substrate freistehende, elektrische Leckströme in dem Puffer zu vermeiden.
    4. Schließen Sie die Ga und N * Fensterläden für ein 1 min Wachstumsunterbrechung. Überwachen Sie die RHEED Intensität. Wenn der RHEED Intensität sofort erhöht, dann ist die Ga Flußmittel nicht hoch genug. Wenn die RHEED Intensität nach erhöht> 30 sec oder nicht ein Plateau innerhalb von 1 min zu erreichen, dann ist die Ga-Fluss zu hoch. Siehe Abbildung 3.
    5. Erhöhen Sie die Substrattemperatur um einige Grad (oder die Ga Effusionszellentemperatur reduzieren) für hohe Ga Fluss in 3.1.4 gesehen zu kompensieren. Wenn die Ga Fluss zu niedrig war, verringern Sie die Substrattemperatur (oder die Ga Effusionszellentemperatur erhöhen) zu kompensieren.
      1. Wiederholen Sie die Schritte 3.1.3-3.1.5, bis es eine 15-30 Sekunden Verzögerung ist, bevor die RHEED Intensität zunimmt und die RHEED Intensität ein Plateau vor 1 min erreicht.
      Weiter Schritte wiederholt werden, bis die gewünschte 3.1.4-3.1.5 GaN Dicke erreicht ist. Bestimmen Dicke durch die gesamte Wachstumszeit durch die kalibrierte Wachstumsrate multipliziert wird. Für Ga-reichen Wachstum bestimmen, indem der N * Flußmittel die Wachstumsrate, die ihrerseits berechnet werden kann unter Verwendung von XRD der Dicke für eine bekannte Wachstumszeit in einem separat gezüchtet Kalibrierungsprobe zu messen.
  2. InAlN Barriere Wachstum
    1. Warten Sie eine zusätzliche 1 min nach dem letzten GaN Wachstum Schritt, um sicherzustellen, alle Ga verdampft ist.
    2. Schnell auf den auf etwa 630 ° C InAlN Wachstumstemperatur herunterzufahren. Ermöglichen die Substrattemperatur für etwa 2 min zu stabilisieren.
    3. Öffnen Sie die In, Al und N * Fensterläden. Die RHEED Intensität sollte ein Plateau innerhalb der ersten 3 min zu verringern und zu erreichen. Fortsetzung Abnahme der RHEED Intensität kann Ansammlung von In zeigen, was zu InAlN Wachstum abträglich ist. Das RHEED Muster sollte streifig bleiben, was auf eine glatte Oberfläche. Das in und Al Flüsse sind etwa 0,31 und 0,36 nm -2 s -1, eine Gruppe-III begrenzten Wachstumsrate von 1,25 nm / min ergibt.
    4. Schließen des In, Al und N * Rolläden nach der gewünschten Barrierendicke erreicht ist. Für N-reiche Wachstum, die Wachstumsrate durch die gesamte Gruppe-III-Fluss bestimmen. Messen Sie die Wachstumsrate auf einem separat angebaut InAlN Kalibrierungsprobe unter Verwendung von XRD. Für eine 15 nm InAlN Barriere, die Bedingungen hier angegebenen verwenden, öffnen Sie die Fensterläden für 12 min 30 sec.
  3. Zwischenlage und Kanal Wachstum
    1. Öffnen Sie zunächst den Ga Verschluss für 5 Sekunden, dann den Auslöser N * öffnen und die GaN-Zwischenschicht wachsen. Die Substrattemperatur sollte bei der InAlN Wachstumstemperatur immer noch.
    2. Öffnen Sie die Al Verschluss ohne die Ga schließen oder N * Fensterläden, um die AlN-Zwischenschicht wachsen. Der Al Flußmittel für die Zwischenschicht sollte gleich oder etwas höher als der N * Flußmittel sein, im Idealfall eine andere Al-Effusionszelle verwendet dann die für die Sperrschicht verwendet InAlN, to vermeiden, dass die Zelltemperatur zu ändern. Siehe Schritt 3.2.4.
    3. Schließen Sie die N * und Al Fensterläden, aber lassen Sie die Ga Verschluss geöffnet. Rampe der Substrattemperatur auf der GaN-Kanaltemperatur.
    4. Nach 30 sec die Ga Verschluss schließen. Warten Sie 30 Sekunden (oder sobald die RHEED Intensität zu erhöhen beginnt) und wieder zu öffnen, die Ga Verschluss. Fortsetzung der Ga Verschluss wiedergegeben, bis das Substrat mit der GaN-Kanal Wachstumstemperatur erreicht hat. Dadurch wird die Oberfläche zu schützen, während eine übermäßige Ansammlung Ga zu verhindern.
    5. Öffnen Sie die Ga Auslöser für 5 Sekunden, dann öffnen Sie die N * Shutter und wachsen, um die GaN-Kanal.
    6. Schließen Sie die Ga, N * und Hauptfensterläden. Rampe , die Substrattemperatur bis zu 200 ° C, schalten Sie das N * Plasma ab und schließen Sie die N 2 Gasstrom aus.
    7. Rampe, die Zellen bis auf die Standby-Temperaturen, wenn für den Tag beendet.
    8. Warten für die Substrattemperatur unter 250 ° C und der Kammerdruck zu verringern unter 8 x 10 -7 Torr fallen zu lassen, dannÖffnen Sie die Absperrschieber Wachstumskammer und Transfer zum Wagen des Wafer-Halters zurück.
    9. Folgen Sie der Rückseite der Schritt 2.2 den Wafer zurück in die Ladesperre zu übertragen, Entlüftung mit N 2 und dem Wafer zu entfernen. Sicherstellen, dass die Wachstumskammer Absperrschieber vor dem Öffnen der Ladeschleuse geschlossen ist, und dass die Ladeschleusenturbopumpe Absperrschieber geschlossen ist, bevor entlüften.
    10. Führen Sie die Schritte 2.2.3-2.2.5 die Kassette und Ladesperre zu Hochvakuum zurückzukehren.

4. Charakterisierung

  1. Charakterisieren Sie die Materialqualität mittels optischer Mikroskopie für Gruben, Risse oder Ga-Tröpfchen zu überprüfen , die während der Kanalwachstum gebildet haben können, XRD die Grenzflächen- und Strukturqualität zu überprüfen und AFM die Oberflächenmorphologie zu überprüfen. 20,21
  2. Wenn Ga-Tröpfchen vorhanden sind, für 5-10 min, den Wafer in konzentrierter HF-Säure tauchen, um die Tröpfchen zu entfernen, ohne dass die chemisch empfindliche N-polare Oberfläche zu beschädigen.
  3. Messen Sie Blatt resmit Lehighton kontaktlos Widerstandsmessungen Istance.
  4. Verarbeiten Sie die Probe elektrische Charakterisierung zu ermöglichen, einschließlich Hall und CTLM Messungen und DC- und HF - Transistor Charakterisierung. 9,26

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Representative Results

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Röntgenbeugung (XRD) -Scans von InAlN Dünnschichten auf N-polare GaN - Substrate in Figur 4 aufgewachsen (a) gezeigt sind einzelne erreichte sowohl für 50 und 200 nm dicke Filme. Die XRD - Scan der 50 nm dicken InAlN Folie zeigt Pendellösung bis zu 15 - ter Ordnung Fransen, was eine hohe Grenzflächenqualität. Die asymmetrische reziproke Raumkarte in Figur 4 (b) zeigt , dass die 200 nm dicke InAlN Schicht das gleiche q hat und somit die gleiche in-plane Gitterkonstante als das GaN - Substrat, was anzeigt , vollständig kohärent Wachstum für eine einigermaßen dicken InAlN Schicht. Die volle Breite bei halbem Maximum (FWHM) in der q Richtung ist sehr nah an dem gleichen für die InAlN Schicht und GaN - Substrat, was vermuten lässt , dass keine zusätzlichen Versetzungen oder andere strukturelle Defekte in der InAlN Schicht eingeführt. Die Verbreiterung der InAlN Schicht in q wird durch begrenzte Kohärenz len verursachtgth Verbreiterung in der relativ dünnen Schicht InAlN.

Die AFM - Bilder in Abbildung 5 zu vergleichen , zwei In 0,18 Al 0,82 N - Schichten mit ähnlicher Zusammensetzung bei 500 ° C und 630 ° C gewachsen. bei 630 ° C zu der gleichen Zusammensetzung zu erzielen, wurde die In / Gruppe-III Flussverhältnis von 0,18 bei 500 ° C auf 0,47 erhöht. Am unteren Wachstumstemperatur, zeigt die Oberfläche eines quasi-3D-Wachstumsmodus, während die Schritte auf dem 630 ° C-Probe zu sehen sind, was darauf hindeutet, 2D-Schritt-Flow-Wachstum. Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen , Eliminierung der Waben Morphologie In 0,18 Al 0,82 N Proben bei hoher Temperatur gezüchtet. 19,20

XRD - Messungen der vollständigen N-polar InAlN-Barriere HEMT - Strukturen gewachsen auf N-polaren GaN - Substraten in Abbildung 6 (a) stimmen gut mit XRD - Simulationen. Die Simulationen sind empfindlich gegenüber allendie verschiedenen Schichten, und eine solche Vereinbarung gibt sowohl gute Grenzflächenqualität und ein hohes Maß an Kontrolle über die einzelnen Schichtdicken. Die AlN und GaN IL Dicken betrugen 1,4 und 1,5 nm. Hall - Effekt - Messungen ergeben gemessen μ = 1,400 cm 2 / V sec ∙, n s = 2,2 x 10 13 cm 2, und R s = 200 Ω / □.

N-Polarität für Epitaxieschichten aufgewachsen auf C-polar SiC und N-polaren GaN-Substrate wurde durch Vergleich der Flächenwiderstand von Teststrukturen und Voll HEMT-Strukturen bestätigt. Proben, die nur eine InAlN Schicht auf GaN oder GaN / AlN-Pufferschicht waren, hochohmige was die Abwesenheit Gas eines zweidimensionalen Elektronen gewachsen ist. Proben mit einem GaN-Kanal auf der Oberseite der InAlN Schicht mit einem niedrigen Schichtwiderstand von 170 bis 300 Ω / □ und Nachweis eines zweidimensionalen Elektronengases in Hall-Messungen zeigen, was bestätigt, N-polar orientation.

Auf der Grundlage erster Charakterisierung Materialien können Proben in HEMT-Geräte verarbeitet werden. Die erste Stufe der Verarbeitung beinhaltet durch Elektronenstrahlverdampfung und Tempern bei 750 ° C für 30 sec unter einer N 2 -Umgebung, gefolgt von Vorrichtungsisolations die Ti / Al / Ni / Au (20/100/10/50 nm) Ohmsche Kontakte Ablagern mit einem Cl 2 / BCl 3 / Ar induktiv gekoppeltes Plasmaätzen. Der Source-Drain-Abstand für die Geräte, die hier beschrieben ist, 5 um. An dieser Stelle mehrere Prozessüberwachung Strukturen können elektrisch getestet werden, einschließlich lineare und zirkulare Transferlängenmessung Muster für den Bogen und Kontaktwiderstand und Hall-Effekt-Muster für den Kanal Ladungsdichte und Mobilität. Ausgewählte Proben werden dann für die vollständige HEMT-Strukturen verarbeitet durch Ablagern 1 & mgr; m lang, 150 um breit Pt / Au-Gattern. HEMTs mit der beschriebenen epitaktische Struktur auf einem N-polaren GaN-Substrat und hergestellt mit Pt / Au oben gewachsen Schottky - Gates zeigen ausgezeichnete Eigenschaften dc, mit einem maximalen Strom von 1,5 A / mm (für eine 5 um Source-Drain - Abstand und nicht optimierte Kontakte) und einer Schwellenspannung von -1,6 V, wie in Abbildung 6 gezeigt.

Abbildung 4
Abbildung 4:. XRD von InAlN Dünnschichten (a) 2θ / ω XRD Beugungsscans von 50 nm und 200 nm dicke InAlN dünn auf freistehende N-polaren Substraten gewachsen Filme und (b) ein XRD - reziproken Raum Karte über die Reflexion, zeigt die 200 nm dicke InAlN Schicht hat die gleiche q koordinieren und steht daher im Einklang mit dem GaN - Substrat. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Abbildung 5:. AFM von InAlN Dünnschichten AFM - Aufnahmen von In 0,18 Al 0,82 N Proben , die bei (a) 500 ° C mit einer In / Gruppe-III - Verhältnis von 0,18 und (b) 630 ° C mit einer In gewachsen / Gruppe-III Verhältnis von 0,47. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 6
Zahl. 6: XRD und Geräte Ergebnisse eines InAlN HEMT (a) XRD ω / 2θ - Scan über die 0002 Reflexion einer vollständigen N-polaren Struktur InAlN HEMT auf einem N-polaren GaN - Substrat mit eingesetzten Schichtdicken verwendet gezüchtet die XRD - Simulation zu erzeugen. . (B) HEMT Übertragungskurve und (c) IV - Kurven für dasselbe Gerät in (a) Vorarbsed mit einem Pt / Au - Schottky - Tor. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Discussion

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Wachstum eines qualitativ hochwertigen GaN-Pufferschicht ist kritisch hohe Elektronenbeweglichkeit in beliebigen III-Nitrid-HEMT zu erreichen. In dem Fall eines N-polar InAlN HEMT ist die Pufferschichtwachstum durch das Erfordernis erschwert, dass alle Ga von der Oberfläche vor dem Wachstum InAlN entfernt werden. Es gibt eine Vielzahl von Techniken , dies zusätzlich zu den hier beschriebenen Verfahren zu erreichen, wie beispielsweise Metall-moduliertes Epitaxie, 27 unter Verwendung von Wachstumsbedingungen am Rand des Zwischen Ga Abdeckung und Ga Tröpfchens Akkumulationsregime, 28 oder ermöglicht einen kontinuierlichen N * - Fluß des überschüssigen Ga aufzunehmen , wenn die Verschluss Ga periodisch geschlossen. 24

Eine Wachstumsunterbrechung (Ga Verdampfung zu ermöglichen) in diesem Fall verwendet wird , weil es auf den Verschlüssen impliziter in Metallmoduliertes Epitaxie tragen reduziert ist, tolerant zu Wafertemperatur Ungleichförmigkeit, 29 und vermeidet Mehrdeutigkeit in der tatsächlichen Wachstumszeit (und der Schichtdicke ) als well wie verhindert mögliche Verunreinigung Einarbeitung als Folge von N * Fluss mit der Ga-Benetzungsschicht zu integrieren. 24 Diese Technik führt zu streifig RHEED und glatte Oberflächen / Schnittstellen mit rms Rauheit <1 nm , wenn die richtige Ga-Fluss und Wachstum / unterbrechen Zeiten verwendet. Zusätzlich zu den in Abbildung beschrieben RHEED Transienten 3, unzureichende Ga-Fluss kann durch fleckige RHEED - Muster und einer rauen Oberfläche (für N-reichen Bedingungen) oder streifig RHEED mit einem Plateau / Graben raue Oberflächenmorphologie (für Ga-reiche Zwischen angegeben werden Bedingungen). 28

Die maximale Wachstums Zeit zwischen Interrupts ist etwas flexibel, sondern wird durch makroskopische Ga-Tröpfchenbildung begrenzt. Sobald Tröpfchen bilden und koaleszieren, sie sind sehr schwer vollständig verdampfen und RHEED Aufhellungs noch in Gegenwart von Ga-Tröpfchen auftreten, falsch eine Ga-freie Oberfläche hindeutet. GaN Wachstumszeiten von bis zu 20 min zwischen Interrupts haben r verwendeteduce Verschluss Verschleiß. 29 Ga-Tröpfchen auf der Waferoberfläche nach dem Wachstum gefunden von Tröpfchen während der Pufferschicht Wachstum entstehen kann gebildet (obwohl sie auch ohne nennenswerte negative Auswirkungen während der GaN Kanalwachstum bilden können). Makroskopischen Ga-Tröpfchen, die während des Puffers gebildeten verursachen Ga Inkorporation und / oder Verschiebung von In in der InAlN Sperrschicht, was zu einer verringerten Ladungsträgerkonzentrationen und / oder aufgrund der Belastung der Sperrschicht Rissbildung, die in niedrigeren Temperaturbereichen ist schwerer des Wafers.

Das Wachstum unterbricht bei oder in der Nähe des Kanals kann zu schweren Verschlechterung der Vorrichtung für HEMTs verursachen. Wenn Ga-Flussmittel wird jedoch periodisch zugeführt und erlaubt während der Unterbrechung zu desorbieren, kann die Verschlechterung in der Mobilität vermieden werden und der Interrupt kann verwendet werden , um das Substrat auf eine höhere Wachstumstemperatur Rampe günstiger für GaN Wachstum. 15 unter Verwendung dieser Technik die Mobilität von ca. 150 cm erhöht

Wir haben ein Verfahren wachsen hochwertige N-polar InAlN Barriere HEMTs demonstriert. In situ Abscheidung Ga und Desorption verwendet wird , um eine saubere Oberfläche für epitaktisches Wachstum vorzubereiten. Der HEMT epitaktischen Schichtstruktur enthält eine InAlN-Sperrschicht mit einer homogenen Zusammensetzung, AlN und GaN-Zwischenschichten Kanalladungsdichte und Mobilität und eine GaN Kanalwachstumsverfahren mit einer Temperaturrampe zu steuern, die die Mobilität weiter zu optimieren. PAMBE und die hier beschriebenen Verfahren breit anwendbar bis III-Nitrid-Epitaxie, einschließlich RF und Hochleistungselektronik und sichtbaren Durch UV Optoelektronik.

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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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Plasmagestützte Molecular Beam Epitaxy von N-polar InAlN-Barriere Hochelektronenmobilität Transistoren
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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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