Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

Beam Epitaxy המולקולרית בסיוע פלזמה של N-קוטבי InAlN-מחסום טרנזיסטורים-ניידות גבוהה-אלקטרון

doi: 10.3791/54775 Published: November 24, 2016

Summary

epitaxy קרן המולקולרי משמש לגדול טרנזיסטורים N-קוטביים InAlN-המחסום גבוהה-אלקטרון-ניידות (HEMTs). פיקוח על הכנת הרקיק, תנאי גידול שכבה ומבנה epitaxial תוצאות בשכבות InAlN חלקות, הומוגנית בעלי רכב HEMTs עם ניידות גבוהה ככל 1,750 סנטימטר 2 / V ∙ שניות.

Abstract

הפלזמה בסיוע epitaxy קרן המולקולרית הוא גם מתאים את צמיחת epitaxial של סרטי heterostructures דקים III-ניטריד עם ממשקים חלקים, פתאומיים הנדרשים טרנזיסטורים איכותי גבוהת אלקטרונים ניידים (HEMTs). הליך מוצג לצמיחת HEMTs InAlN N-קוטבי, כולל הכנת רקיק וצמיחה של שכבות חיץ, שכבת מחסום InAlN, interlayers AlN וגאן וערוץ גן. בעיות קריטיות בכל שלב של התהליך מזוהים, כגון הימנעות הצטברות Ga למאגר הגן, לתפקיד טמפרטורה על ההומוגניות הלחנת InAlN, ושימוש שטף Ga במהלך interlayer AlN ואת צמיחת ערוץ הפסיקה לפני הגן. בעלי הרכב סרטים דקים הומוגנית N-הקוטבית InAlN מודגמים עם משטח שורש ממוצע בריבוע חספוס נמוך כמו 0.19 ננומטר InAlN מבוסס מבני HEMT מדווחים שיש ניידות גבוהה ככל 1,750 סנטימטר 2 / V ∙ שנייה עבור מכשירים עם צפיפות מטען גיליון של 1.7 x 1013 ס"מ -2.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Epitaxy קרן מולקולרית (MBE) הוא טכניקת צמיחת סרט הדק epitaxial צד מעסיקת סביבת ואקום גבוה במיוחד עם לחצי בסיס נמוכים כמו 10 -11 Torr כדי להבטיח התאגדות טומאה נמוכה בסרט המבוגר. שיעור הרכב והצמיחה של ההשכבות גדלו epitaxially נקבע על ידי שליטה על הטמפרטורה של כל תא השתפכות, וכך שטף Evaporated של חומרי המקור השונים. במקרה של epitaxy III-ניטריד, הקבוצה III-אלמנטים (ב, אל, Ga) ניתנים בדרך כלל על ידי תאים השתפכות בעוד חנקן פעיל השטף (N *) מסופק על ידי בין כאדם פלזמה N 2 1,2 (פלזמה RF MBE -assisted:. PAMBE או RFMBE) או אמוניה (NH 3 -MBE) צמיחת MBE 3,4 מתאפיינת בטמפרטורות צמיחה נמוכות פתאומיות interfacial חד יותר טכניקות צמיחת epitaxial אחרות, כגון שיקוע כימי metalorganic 5 סכימטי מוצג. באיור 1.


איור 1:.. סכימת מערכת MBE סכמטי המציג את מנעול עומס, מערכת העברה, outgassing תחנה וצמיחה קאמרי אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

III-nitrides ניתן לגדל על מצעים בכך שיש להם מגוון של אוריינטציות קריסטל. האורינטציה הנפוצה ביותר היא -plane ג Ga-קוטבי, אשר מאפשר ההיווצרות של גז אלקטרונים דו-ממדי ללא סימום על ידי ניצול פרש הקיטוב בין שכבת המחסום, בדרך כלל AlGaN, וערוץ הגן. שונים קוטבי למחצה הקוטב אוריינטציות של גן זכו לתשומת לב משמעותית עבור אופטו בשל תופעות קיטוב מופחת בארות הקוונטים, 6,7 אשר גם עושה אוריינטציות אלה פחות רצוי הרשמות HEMTננו-שניות. מכשירי N-קוטביים אורינטציה הם אטרקטיביים עבור מבצע HEMT הדור הבא בתדירות גבוהה בשל מספר יתרונות מהותיים על פני מכשירי Ga-קוטביים קונבנציונליים. 8 שכבת מכשול מכשירי N-קוטביים הוא גדל מתחת ערוץ GaN כפי שמוצגות באיור 2, וכתוצאה מכך בתוך מחסום טבעי בחזרה המסייע בקרה אלקטרוסטטיים של הערוץ ומפחית תופעות ערוץ קצרים, תוך מתן אפשרות גישה נוכחית קלה יותר לערוץ הגן והפחתת התנגדות קשר. המכשול יכול גם להיות נשלט בנפרד מהערוץ, כך שככל עובי הערוץ scaled למטה למכשירים בתדר גבוה בעיצוב המכשול יכול להיות שונה כדי לפצות על תשלום ערוץ הפסיד פרמו תופעות מצמידות רמה.

איור 2
איור 2:. סכמטי שכבת Epitaxial מבנה שכבה של (א) HEMT N-קוטבי (ב) HEMT Ga-קוטבי עבור comparison. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

HEMTs המשמש במהירות גבוהה, מגברי הספק גבוה בדרך כלל גדלים על מצעי SiC כדי לנצל את מוליכות תרמית הגבוהות של SiC. גן מצעים בודד צפיפות פריקה השחלה נמוך יכול להיות מועסק על מנת לשפר את ניידות אלקטרונים, 9 ובכך לשפר את הביצועים בתדירות גבוהה. בעקבות צמיחה של שכבת נוקלאציה AlN, חיץ גן עבה הוא גדל להפריד בין זיהומים מרחבית על הממשק לצמיחה מחודשת מערוץ HEMT ולשפר בידוד חשמלי. בניגוד חומרי III-V אחרים, גן גדל PAMBE בדרך כלל צריך תנאי גידול עם יחס קבוצה-III / V גדול מ -1, כלומר, תנאי מתכת-עשירה, 10,11 כדי להשיג מורפולוגיה משטח חלק. בשנת x אל 1- x N הוא האלטרחומר מחסום מקורי עבור HEMTs III-ניטריד, וקבל תשומת לב משמעותית לאחרונה, כי זה יכול להיות מבוגר סריג מתאים גן עבור x ≈ 0.18 ויכול ליצור יותר מפי שתיים ביחס תשלום ערוץ לחסמי AlGaN הקיטוב הספונטני הגבוה המגיע לה. 12-15 בניגוד מחסומי AlGaN, Ga ישלבו מועדף בשינה בשכבות InAlN, 16 ובכך יש להקפיד על מנת להבטיח את פני השטח ללא עודף Ga לאחר צמיחת שכבת חיץ Ga-עשירה גן לפני צמיחת InAlN.

פיקוח על Ga על פני השטח ניתן להשיג על ידי suppling שטף Ga מעט פחות מ השטף הנדרש להיווצרות Ga-טיפה. עם זאת, חלון צמיחה זה הוא קטן, כיסוי שטח Ga מספיק יגרום מורפולוגיה המשטח להשפיל לתוך מורפולוגיה רמה / יעלה בעוד שטף Ga עודף יגרום הצטברות Ga ואת היווצרות טיפת מקרוסקופית. 17 עקיפת השתקפות אנרגיה גבוהה אלקטרונים (RHEED) intens ניתן להשתמש ity לפקח הצטברות desorption Ga. כיסוי שטח Ga מותווה על ידי הפחתה בעוצמת RHEED, וכל בפיגור בין סגירת Ga (ו- N *) תריסים והגידול הראשוני בעוצמת RHEED מציין הצטברות של Ga, כפי שמוצג באיור 3.

איור 3
איור 3: ניטור כיסוי Ga בעצמת RHEED עוצמת אות RHEED נמדדה מדפוס RHEED שנרכש במסגרת סיבוב באמצעות רכישה מאולצת.. Ga שטף מספיק מותווה על ידי גידול מיידי עוצמת לאחר סגירת התריסים (לא מוצג). רוויים / כיסוי Ga האידיאלי הוא הצביע על ידי עיכוב בין סגר תריס התבהרות RHEED פתאומי כיסוי Ga עודף נתפסת הן עיכוב התבהרות ראשונית RHEED וכן עלייה בעוצמה הדרגתית יותר וכתוצאה מכך התאוששות בעוצמה מלאה לוקח יותר מ -60 שניות.com / קבצים / ftp_upload / 54,775 / 54775fig3large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

השג איכות גבוהה InAlN ידי PAMBE מסתבכת בשל הנוכחות של תנודות רכב לרוחב, וכתוצאה מכך מייקרו "חלת דבש" מורכב תחומים אל-עשירים מוקפים גבולות In-עשירים. 18 ביעור מייקרו זו מושג באמצעות טמפרטורת מצע על 50 מעלות צלזיוס מעל תחילת desorption ב, 15,19,20 או כ -630 מעלות צלזיוס במשך InAlN N-קוטבי. במשטר צמיחה בטמפרטורה גבוהה זו, ב- x אל 1- רכב x N הוא פונקציה חזקה של טמפרטורת מצע, עם טמפרטורות גבוהות יותר וכתוצאה מכך נמוך ב התאגדות. השטף ב ניתן להגדיל כדי לפצות ב הפסיד אידוי, למרות שבפועל הוא מקסימלית השטף היא מוגבלת על ידי הקטנת יעילות התאגדות עם הגדלת השטף21. בנוסף להפחתת טמפרטורת המצע או הגדלת שטף, גברת קצב הצמיחה גם יכול להגדיל את הרכב בשינה בשל "לקבור השפעה", שבו נכנס אל אטומי המלכודת ולמנוע ממנו מתאדה. 21,22 גבוהה שיעורי צמיחה יכולים להיות מושגת על ידי הגדלת השטף ואל יחסים. כדי לשמור על מצב גידול עשיר N, * N היה צריך להיות גדל גם כן, אשר יכולה להיות מושגת על ידי הגדלת כוח פלזמה RF, הגברת קצב זרימת N 2, שיפור עיצוב תא פלזמה, או הגדלת החור צלחת הצמצם צְפִיפוּת.

שכבות epitaxial נוספות HEMTs המבוסס InAlN כוללות interlayers הגן AlN (ILs) ויעלה גן. AlN IL מוכנס בין המכשול לבין הערוץ יכול להגדיל μ ניידות כמו גם של n צפיפות מטען ערוץ גיליון. הגידול נייד מיוחס להפחתת חפיפת פונקצית גל של אלקטרון עם b InAlNarrier ופיזור סגסוגת שלאחר מכן. 9 כדי להבטיח צמיחה באיכות גבוהה של IL AlN, עודף של השטף Ga מסופק במהלך הצמיחה לפעול בתור פעילי שטח. IL גן יכול לשמש בין IL AlN והמכשולים שניצבים בפני לקדם ולשפר את הניידות תוך הפחתת תשלום הערוץ. ערוץ הגן ניתן לגדל באותה הטמפרטורה כמו מכשול InAlN, המאפשר צמיחה מתמשכת מהמחסום למרות ILs והערוצים. ניידות משופרת התקבלה על ידי להפריע לצמיחה לאחר IL AlN והגדלת טמפרטורת הצמיחה לפני הגוברת בערוץ הגן. במקרה זה כיסוי משטח Ga מגן צריך להישמר במהלך הפסיקה כדי למנוע שפלה ניידות.

הפרוטוקול הבא מתייחס באופן ספציפי HEMTs InAlN-המחסום גדל על גן מצעי N-קוטביים. זה יכול להתארך ישירות לצמיחה על מצעי C-קוטבי 4H- או 6H-SiC על ידי כולל שכבת AlN N-עשירה עבה 50 ננומטר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. Effusion Cell Ramp כיול שטף

  1. אשר נוזלי N 2 זורם אל לוחות-קריו וכי קאמרי הצמיחה הגיע בלחץ סטנדרטי.
  2. תעלו את התאים יפליטו למדידת שטף הקורה שלהם טמפרטורה (BFM) בשיעור רמפה של 1 ° C / sec עבור Ga ו בתאים, ו -10 ° C / min אל. חכו 1 hr עבור תאים לייצב תרמית.
  3. פתח את התריס של כל תא 30-60 שניות, ולאחר מכן לסגור את התריס במשך 1-2 דקות. חזור שלוש פעמים עבור כל תא. מחק את מדידת מד יון שטף הקורה הראשונה ומחשב את הממוצע של שני השני. כוון את הטמפרטורה בתא כדי להשיג את השטף הרצוי על פי כיולי שטף / טמפרטורה קודמות.

הכנת התשתית 2. וטעינה

  1. ניקוי מצע באתרו Ex
    1. טען עלית מוכן N-קוטבי גן מצעים ישירות, ללא כל ניקוי באתרו לשעבר. אם רקיק נחשף לאוויר במשך יותרמכמה שעות, לשטוף תחת אצטון (30 שניות), isopropanol (30 שניות) ו דה מיונן (DI) מים (60 שניות). שטיפה הוא העדיף טבילה במידת האפשר כפי שהוא נוטה להשאיר חלקיקים פחות על פני השטח רקיק.
      הערה:. לקבלת Ga-קוטבי גן מצעי משטח קפדני יותר מומלץ נקי 23
  2. רקיק טען
    1. סגור את שסתום שער בידוד נעילת עומס, ופורקים עם N 2.
    2. טען את הרקיק על הבעל ולהחזיר את הקלטת למנעול העומס. הפעל את המשאבה roughing מנעול עומס ופתח את השסתום roughing המשאבה שסתום סעפת.
    3. כאשר לחץ סעפת ירד מתחת 0.1 Torr, לסגור את שסתומי משאבת סעפת לעיבוד גסים. כבה את משאבת roughing ולפתוח את שסתום הבידוד טורבו משאבת עומס מנעול.
    4. אפשר לנעול עומס לשאוב למטה במשך 30-60 דקות. באופן אידיאלי, להשתמש בלחץ מנעול עומס של 10 -6 -10 -7 Torr לפני ההעברה לתא הכנה.
    5. פתח את מנעול העומס לתוך התא הכנה, ולהעביר את הרקיק אל העגלה באמצעות מקל לנענע. לאחר מכן השתמש עגלת להעביר את פרוסות לתחנת outgassing בתא הכנה. הזז את העגלה באופן ידני לאורך מעקה באמצעות מוזנים סיבוביים על החדר הכנה.
  3. רקיק outgas
    1. כבש את טמפרטורת דוד תחנת outgassing ל -700 מעלות צלזיוס במשך 10 דקות.
    2. לאחר 30 דקות, כבש את הטמפרטורה בחזרה אל 100 מעלות צלזיוס. כאשר הטמפרטורה היא ≤ 250 ° C, להעביר את הפרוסות בחזרה אל העגלה באמצעות מקל לנענע בתחנת outgassing.
  4. רקיק טען לתוך תא הצמיחה
    1. מנמיכים את מניפולטור המצע לעמדת הטעינה, פתח את שסתום השער תא הכנה / צמיחה ולהעביר את בעל רקיק המניפולטור.
    2. הרם את מניפולטור למצב צמיחה, ליד תנור המצע.
    3. הסר את העגלה CLOSE שסתום השער.
    4. פתח את שסתום בקבוק N 2, שסתום בידוד מחט שסתום הרגולטור. הגדר את בקר הזרימה ההמונית (MFC) ל -1.5 SCCM (או לפי צורך כדי לקבל לחץ קאמרי של 3-4 x 10 -5 Torr). הלחץ האופטימלי להצתת פלזמה הוא מאוד מערכת תלויה. ראוי לציין, כי N 2 חייב להיות טוהר גבוה במיוחד (רצוי יותר טוב 6N) ואת מסנן נוסף משמש בתור כדי להפחית זיהומים נוספים.
    5. עם * N ותריסים ראשיים נסגרו, להדליק את אספקת חשמל הפלזמה ו- RF בקר רשת אוטומטית תואם. להגדיל את כוח RF עד הפלזמה מציתה.
    6. הגדר את כוח RF ותזרים N 2 לתנאי התהליך הרצויים, במקרה זה 350 W ו- 2.0 SCCM. השטף * N נובעות תנאי פלזמה נתונה הוא מערכת תלויה, אבל כאן, בתנאים אלה להניב שיעור צמיחת גן של 5.0 ננומטר / דקה, או שטף * N של 1.8 ננומטר -2 שניות -1. לפקח על יציבות פלזמה עם ספקטרומטר המצורפתחלון אחורי של חדר הפלזמה.
  5. לקראת משטח באתרו: בתצהיר Ga ו desorption
    1. תעלה את דוד המצע עד 10 מעלות צלזיוס מעל טמפרטורת צמיחת גן הרצויה עם שיעור רמפה של ≤1 ° C / sec. במקרה זה, להשתמש טמפרטורת רקיק מוערכת של 730 מעלות צלזיוס.
    2. הפעל את מערכת RHEED לצפות השפלה של משטח רקיק ולפקח כיסוי Ga. באופן ידני להפעיל את סיבוב המצע. הגדרת תוכנת הרכישה RHEED מופעלת לאסוף דפוס RHEED פעם אחת לכל סיבוב מצע לספק תמונה סטטית ואילו המצע מסתובב במהלך צמיחה.
    3. פתח את תריס מצע תריס Ga דקות 1. ודא את עוצמת RHEED פוחתת ואז תגיע טבלה כמו Ga מצטבר. Ga שטף צריך להיות דומה לזה המשמש לצמיחת גן. הנה, שטף Ga הוא כ, 3.7 ננומטר -2 שניות -1.
    4. סגור את התריס למשך 2 דקות ולהבטיח את RHEEDעליות עוצמת תגיע טבלה לפני תום 2 דקות, המציין desorption Ga.
    5. חזור על שלבי 2.5.2-2.5.4 שלוש פעמים, 24 ולאחר מכן כבש המצע לטמפרטורת צמיחת הגן.

צמיחת HEMT 3.

  1. צמיחת הצפה
    1. ליזום צמיחה על ידי פתיחת הצמצם * N עבור nitridation 1 דקות.
    2. לגדל שכבת נוקלאציה 1-3 ננומטר N-עשיר AlN דקה ידי פתיחת התריס אל. שכבת AlN זה יכול לעזור למנוע דור נקע שחלה, 25 לעומת זאת, שכבת AlN מסבך קרני ה- X עקיף (XRD) מדידות אינו מומלצות עבור דגימות כיול מבוסס XRD. השתמש באותו שטף אל ובאשר שכבת InAlN, או על 0.36 ננומטר -2 שניות -1, נותן שיעור צמיחה של כ 1 ננומטר / דקה.
    3. סגור את התריס אל ו- N * ומיד לפתוח את התריס Ga במשך 10 שניות כדי לאפשר Ga להרוות את פני השטח, את עוצמת RHEED צריך להקטין rapidly. פתח את התריס * N (עם צמצם Ga עדיין פתוח) ולגדול 5 דקות של גן. השתמש להיות או סימום C, במיוחד עבור בודד גן מצעים, כדי למנוע זרמי הזליגה חשמל במאגר.
    4. סגור את תריסי Ga ו- N * עבור הפרעת צמיחה 1 דקות. לפקח על עוצמת RHEED. אם עוצמת RHEED מגביר באופן מיידי, ולאחר מכן שטף Ga אינו גבוה מספיק. אם עוצמת RHEED מגבירה לאחר> 30 שניות או לא מגיעה לרמה בתוך דקות 1 אז שטף Ga הוא גבוה מדי. ראה איור 3.
    5. העלה את טמפרטורת המצע על ידי כמה מעלות (או להפחית את טמפרטורת תא השתפכות Ga) כדי לפצות על שטף Ga גבוה לראות 3.1.4. אם שטף Ga היה נמוך מדי, להקטין את טמפרטורת המצע (או להעלות את הטמפרטורה בתא השתפכות Ga) כדי לפצות.
      1. חזור על שלבים 3.1.3-3.1.5 עד קיים עיכוב 15-30 שניות לפני עליית עוצמת RHEED ועוצמת RHEED תגיע טבלה לפני 1 דקות.
      המשך לחזור על שלבי 3.1.4-3.1.5 עד עובי הגן הרצוי הוא הגיע. לקבוע עובי ידי הכפלת שעת הצמיחה הכוללת על ידי קצב הצמיחה המכוילת. לצמיחה Ga-עשירים, לקבוע את שיעור הצמיחה על ידי השטף * N, אשר בתורו יכול להיות מחושב באמצעות XRD למדוד את עובי במשך זמן צמיחה ידוע במדגם כיול גדל בנפרד.
  2. צמיחת מחסום InAlN
    1. חכה דקות 1 נוספת לאחר שלב צמיחת הגן הסופי על מנת להבטיח את כל Ga התאדה.
    2. במהירות כבש יעיל להורדת טמפרטורת צמיחת InAlN כ 630 מעלות צלזיוס. אפשר טמפרטורת המצע לייצב למשך כ -2 דקות.
    3. פתח את ב, אל, ו- N * התריסים. עוצמת RHEED צריכה ירידה מגיעה לרמה בתוך 3 הדקות הראשונות. המשך ירידה של עוצמת RHEED עשויה להצביע על הצטברות של ב, שהוא מזיק לצמיחת InAlN. דפוס RHEED צריך להישאר מפוספס, מה שמעיד על משטח חלק. האניn ונתיבים אל עומדים 0.31 ו 0.36 ננומטר -2 שניות -1, נותן שיעור צמיחה מוגבל קבוצה-III של 1.25 ננומטר / דקה.
    4. סגור את ב, אל, ו- N * תריסים לאחר עובי המחסום הרצוי הושג. לצמיחה N-עשירה, לקבוע את שיעור הצמיחה על ידי שטף הקבוצה-III הכולל. למדוד את קצב הצמיחה באמצעות XRD על מדגם כיול InAlN בנפרד גדל. במשך 15 ננומטר InAlN מחסום באמצעות התנאים שניתנו כאן, לפתוח את התריסים במשך 12 דקות 30 שניות.
  3. צמיחת Interlayer וערוץ
    1. ראשית לפתוח את תריס Ga במשך 5 שניות, ולאחר מכן פתח את התריס * N ולגדל את interlayer הגן. טמפרטורת המצע עדיין צריכה להיות בטמפרטורת צמיחת InAlN.
    2. פתח את התריס אל מבלי לסגור את Ga או N * תריסים לגדל את interlayer AlN. שטף אל עבור interlayer צריך להיות זהה או גבוה במעט השטף * N, באופן אידיאלי באמצעות תא השתפכות אל שונה אז בשימוש עבור שכבת מחסום InAlN, to להימנע מהצורך לשנות את הטמפרטורה בתא. ראה שלב 3.2.4.
    3. סגור את * N ותריסים אל אך להשאיר את התריס Ga פתוח. כבש את טמפרטורת המצע לטמפרטורת ערוץ הגן.
    4. לאחר 30 שניות לסגור את התריס Ga. המתן 30 שניות (או ברגע עוצמת RHEED מתחיל לעלות) מחדש לפתוח את התריס Ga. המשך מחזור תריס Ga עד המצע הגיע לטמפרטורת צמיחת ערוץ הגן. זה יהיה להגן על המשטח תוך מניעת הצטברות Ga מוגזמת.
    5. פתח את תריס Ga במשך 5 שניות, ולאחר מכן פתח את התריס * N ולגדול בערוץ הגן.
    6. סגור את Ga, N * ותריסים ראשיים. כבש את טמפרטורת המצע עד 200 מעלות צלזיוס, לכבות את הפלזמה * N ו- לכבות את זרימת גז N 2.
    7. כבשת את התאים לטמפרטורות המתנה שלהם אם סיימתי באותו היום.
    8. חכה טמפרטורת המצע כדי לרדת מתחת 250 ° C והלחץ הקאמרי לרדת מתחת ל -8 x 10 -7 Torr, אזלפתוח את שסתום השער קאמרי צמיחה ולהעביר את בעל הרקיק בחזרה אל העגלה.
    9. בצע את ההפך של שלב 2.2 להעביר את פרוסות בחזרה את המנעול עומס, לפרוק עם N 2 ולהסיר רקיק. ודא שסתום השער קאמרי צמיחה סגורה לפני פתיחת מנעול העומס, וכי שסתום שער המשאבה טורבו מנעול עומס סגור לפני שהפורק.
    10. בצע את שלבי 2.2.3-2.2.5 להחזיר את מנעול קלטת עומס ואקום גבוה.

אפיון 4.

  1. לאפיין את איכות החומר באמצעות מיקרוסקופ אופטי כדי לבדוק בורות, סדקים או Ga-טיפות שאולי נוצרו במהלך הצמיחה ערוץ, XRD לבדוק את איכות interfacial ומבנה, ו AFM כדי לבדוק את המורפולוגיה פני השטח. 20,21
  2. אם Ga-טיפות נוכחות, לטבול את הפרוסות בחומצת HF מרוכזת למשך 5-10 דקות כדי להסיר את הטיפין מבלי לפגוע משטח N-הקוטבי רגיש מבחינה כימי.
  3. מדוד מיל גיליוןistance באמצעות מדידות התנגדות מגע להינגטון.
  4. לעבד את המדגם כדי לאפשר אפיון חשמל, כולל מדידות הול CTLM ו- DC ואפיון טרנזיסטור RF. 9,26

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

רנטגן עקיפה (XRD) סריקות של סרטי InAlN דקים הראו גדלו על גן מצעי N-קוטביים באיור 4 (א) הם יחידה לשיא הוא 50 ו -200 ננומטר בעובי סרטים. סריקת XRD של 50 סרט InAlN העבה ננומטר מפגינה Pendellösung בשולים עד ה -15 כדי, המציין איכות interfacial מאוד גבוהה. מפת שטח הגומלין אסימטריים באיור 4 (ב) עולה כי 200 שכבת InAlN ננומטר העבה יש את אותו q, ולכן זהה-מטוס הסריג קבוע כמו מצע הגן, על צמיחה קוהרנטית לחלוטין עבור שכבת InAlN עבה למדי. רוחב חצי המקסימום (FWHM) בכיוון q קרוב מאוד את אותו הדבר עבור שכבת InAlN ואת מצע הגן, דבר המצביע על כך שום לנקעים נוספים או פגמים מבניים אחרים הוכנסו בשכבת InAlN. את התרחבותה של שכבת InAlN ב q נגרמת על ידי len קוהרנטיות המוגבלתGTH מרחבות בשכבה דקה יחסית InAlN.

תמונות AFM שמוצגות באיור 5 להשוות בין שתי ב 0.18 אל 0.82 N שכבות עם רכב דומה גדלו ב 500 ° C ו 630 מעלות צלזיוס. כדי להשיג את אותו הרכב, יחס השטף / קבוצה-III הוגדל מ 0.18 ב -500 ° C עד 0.47 ב 630 מעלות צלזיוס. בטמפרטורת הצמיחה הנמוכה, פני השטח מצביע על מצב צמיחה-3D מעין, ואילו צעדים נראים על מדגם C 630 °, דבר המצביע על צמיחת צעד-זרימת 2D. Micrographs אלקטרוני הילוכים להראות חיסול של המורפולוגיה הסלולרית עבור ב 0.18 אל 0.82 N דגימות גדלו בטמפרטורה גבוהה. 19,20

מדידות XRD של מבני HEMT מלאים N-קוטבי InAlN-מחסום גדלו על גן מצעי N-קוטביים שמוצגות באיור 6 (א) מסכימות גם עם סימולציות XRD. הסימולציות רגישות לכלהשכבות השונות, וההסכם כזה עולים הוא באיכות interfacial טובה ורמה גבוהה של שליטה על עובי השכבה הבודד. עובי AlN וגאן IL היו 1.4 ו -1.5 ננומטר, בהתאמה. מדידות אפקט הול לגרום μ נמדד = 1,400 ס"מ 2 / V ∙ שניות, n s = 2.2 x 10 13 ס"מ 2, ו- R s = 200 Ω / □.

N-קוטבי עבור שכבות epitaxial גדלו על C-קוטבי SiC ו- N-קוטבי גן המצעים אושר על ידי השוואת התנגדות הגיליון של מבני מבחן ומבני HEMT מלאים. דוגמאות שיש רק שכבה InAlN גדל על גן או גן / AlN שכבת חיץ היו resistive ביותר, המציין בהיעדר גז אלקטרונים דו-ממדי. דוגמאות עם ערוץ גן על גבי שכבת InAlN להראות התנגדות גיליון נמוכה מ 170-300 Ω / □ וראיות של גז אלקטרונים דו ממדים במדידות הול, המאשרת N-קוטבי orientation.

בהתבסס על אפיון חומרים ראשוניים, דגימות עשויות להיות מעובד לתוך מכשירי HEMT. השלב הראשון של עיבוד כרוך הפקדת אידוי Ti / אל / ניקל / Au (20/100/10/50 ננומטר) מגעי ohmic בדואר קורה חישול ב 750 מעלות צלזיוס למשך 30 שניות תחת N 2 סביבה, ואחריו בידוד המכשיר באמצעות לחרוט פלזמה Cl 2 / BCL 3 / Ar אינדוקטיבי מצמידים. מרווח המקור-ניקוז המכשירים דנו כאן הוא 5 מיקרומטר. בשלב זה כמה מבני ניטור תהליך יכולים להיבדק חשמלי, כוללים דפוסי מדידת אורך העברה לינארית חוזרים דפוסי גיליון ומגע התנגדות אפקט הול עבור צפיפות וניידות תשלום ערוץ. דגימות נבחרות מעובדים מכן למבני HEMT מלאים על ידי הפקדת 1 מיקרומטר ארוך, 150 מיקרומטר שערי Pt / Au רחבים. HEMTs עם מבנה epitaxial שתואר לעיל גדל על מצע גן N-קוטבי מפוברק עם Pt / Au שעיר שוטקי להראות מאפייני dc מעולים, עם זרם מרבי של 1.5 A / מ"מ (עבור מרווח 5 מיקרומטר מקור בריחה ואנשי קשר unoptimized) וכן מתח סף של -1.6 V, כפי שמוצגים באיור 6.

איור 4
איור 4:. XRD של סרטים דקים InAlN (א) 2θ / ω סריקות עקיפה XRD של 50 ננומטר ו -200 סרטים דקים ננומטר עבה InAlN גדל על בודד מצעים N-קוטבית (ב) מפת שטח גומלין XRD על השתקפות, מראה את 200 שכבת InAlN ננומטר עבה יש אותו q לתאם ולכן היא קוהרנטית למצע גן. נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

ftp_upload / 54,775 / 54775fig5.jpg "/>
איור 5:. AFM של סרטים דקים InAlN micrographs AFM של ב 0.18 אל 0.82 N דגימות גדלו ב (א) 500 ° C עם יחס אין / קבוצה-III של 0.18 ו- (ב) 630 ° C עם אין / קבוצה-III יחס של 0.47. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6
דמות. 6: תוצאות XRD והמכשיר של HEMT InAlN (א) XRD ω / 2θ לסרוק על השתקפות 0002 של מבנה HEMT מלא N-קוטבית InAlN גדל על מצע גן N-קוטבי עם עובי שכבת הבלעה השתמשו כדי ליצור את הסימולציה XRD. . (ב) עקומת העברת HEMT ו- (ג) IV עקומות עבור אותו מכשיר ב (א) למחזורSED עם שער שוטקי Pt / Au. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

צמיחתה של שכבת חיץ גן באיכות גבוהה היא קריטית להשגת ניידות אלקטרונים גבוהה בכל HEMT III-ניטריד. במקרה של HEMT InAlN N-קוטבי, צמיחת שכבת החיץ מסתבכת בשל הדרישה כי כל Ga להסירו מפני השטח לפני צמיחת InAlN. יש מגוון של טכניקות כדי להשיג תוספת זו כדי ההליך המתואר כאן, כגון epitaxy מתכת-מווסתת, 27 באמצעות תנאי הגידול בשולי הסיקור Ga ביניים ומשטר הצטברות אגל Ga, 28 או מתן אפשרות * N רציפה - שטף לשלב את Ga העודף כאשר תריס Ga סגור מעת לעת. 24

הפרעת צמיחה (כדי לאפשר אידוי Ga) משמש במקרה זה כי זה מקטין ללבוש על תריסים מהרומזים epitaxy מתכת-מווסת, הוא סובלני לבעלי זכויות שאינן מקנה אחיד טמפרטורת רקיק, 29 ונמנע עמימות בזמן הצמיחה בפועל (ועובי שכבה ) כמו well המונע התאגדות טומאת פוטנציאל כתוצאה באמצעות שטף * N לשלב את שכבת Ga-ההרטבה. 24 זה תוצאות טכניקת משטחי RHEED והחלק מפוספסים / ממשקים עם RMS החספוס <1 ננומטר אם Ga-השטף והצמיחה הנכונים / להפריע פעמים משמשות. בנוסף ארעי RHEED המתואר בתרשים 3, יכול להיות מצוין Ga-שטף מספיק ידי דפוסי RHEED יציבים ואת משטח מחוספס (תנאי N-עשירים) או RHEED המפוספס עם מורפולוגיה משטח רמה / יעלה מחוספסת (עבור Ga-עשיר ביניים תנאים). 28

שעת הצמיחה מקסימלית בין הפסיקות מעט גמישה, אך מוגבלת בגלל היווצרות מקרוסקופית Ga-טיפה. לאחר טיפות טופס ומתמזג, הם מאוד קשים להתאדות לחלוטין התבהרות RHEED עדיין יכולה להתרחש בנוכחות טיפות Ga, שגוי המצביעה על משטח Ga-חינם. פעמי צמיחת הגן של עד 20 דקות בין הפסיקות שמשו rלְהַסִיק תריס ללבוש. 29 Ga-טיפות נמצא על פני השטח רקיק לאחר צמיחה יכול מקורן טיפות נוצרו במהלך צמיחה שכבת חיץ (אם כי הם גם יכולים להיווצר ללא השלכות שליליות משמעותיות במהלך הצמיחה ערוץ גן). Ga-טיפות מקרוסקופית אשר נוצרו במהלך החיץ יכולות לגרום Ga התאגדות ו / או עקירה של ב בשכבת מחסום InAlN, מובילות לריכוזים מובילים צמצם ו / או פיצוח של שכבת המחסום בשל זן, וזה יותר חמור באזורי טמפרטורה נמוכים של פרוסות סיליקון.

צמיחה קוטעת ליד או הערוץ יכול לגרום שפלת מכשיר חמורה HEMTs. עם זאת, אם-שטף Ga מסופק מעת לעת ואפשר desorb במהלך הפסיקה, השפלה בניידות ניתן להימנע ואת הפסיקה שניתן להשתמש בם כדי להגביר את המצע לטמפרטורת צמיחה גבוהה יותר נוחה לצמיחת הגן. 15 באמצעות טכניקה זו, הניידות כבר עלתה בכ 150 סנטימטרים

אנחנו הוכחנו שיטה לגדול HEMTs N-קוטבי InAlN-מחסום באיכות גבוהה. בתצהיר באתרו Ga ו desorption מנוצל להכין משטח נקי לצמיחת epitaxial. מבנה שכבת epitaxial HEMT משלב שכבת InAlN-מחסום עם רכב הומוגני, interlayers AlN וגאן לשלוט צפיפות מטען ערוץ וניידות, ונוהלה צמיחת ערוץ גן עם רמפת טמפרטורה אשר יכול להמשיך לייעל את הניידות. PAMBE ואת ההליכים המתוארים כאן הם נרחב החלים על epitaxy III-ניטריד, כולל אלקטרוניקה RF והיי-כוח אופטו-דרך-UV לעין.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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, (0), 168-174 (2014).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Mazumder, B., et al. Atom probe analysis of AlN interlayers in AlGaN/AlN/GaN heterostructures. Appl. Phys. Lett. 102, (11), 111603 (2013).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Wong, M. H., et al. N-polar GaN epitaxy and high electron mobility transistors. Semicond. Sci. Technol. 28, (7), 074009 (2013).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Kuzmik, J. Power electronics on InAlN/(In)GaN: Prospect for a record performance. IEEE Electron Device Lett. 22, (11), 510-512 (2001).
  13. Fernández-Garrido, S., Gačević, Ž, Calleja, E. A comprehensive diagram to grow InAlN alloys by plasma-assisted molecular beam epitaxy. Appl. Phys. Lett. 93, (19), 191907 (2008).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Storm, D. F., et al. Effect of interfacial oxygen on the microstructure of MBE-grown homoepitaxial N-polar. J. Cryst. Growth. 409, (0), 14 (2014).
  26. Meyer, D. J., et al. High Electron Velocity Submicrometer AlN/GaN MOS-HEMTs on Freestanding GaN Substrates. IEEE Electron Device Lett. 34, 199 (2013).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
Beam Epitaxy המולקולרית בסיוע פלזמה של N-קוטבי InAlN-מחסום טרנזיסטורים-ניידות גבוהה-אלקטרון
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter