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Engineering

Plasma-assistita Molecular Beam Epitaxy di N-polare InAlN-barriera transistori ad alta mobilità di elettroni

doi: 10.3791/54775 Published: November 24, 2016

Summary

epitassia a fascio molecolare viene utilizzato per far crescere i transistor InAlN barriere ad alta elettrone-mobilità N-polari (HEMT). Controllo della preparazione di wafer, condizioni di crescita di livello e di struttura epitassiale risultati in lisce, strati InAlN compositivo omogenei e HEMT con mobilità più in alto 1.750 centimetri 2 / V ∙ sec.

Abstract

epitassia a fascio molecolare del plasma-assistita è adatto per la crescita epitassiale di III-nitruro di film sottili e eterostrutture con interfacce bruschi lisce richiesti per transistori ad alta elettrone-mobilità di alta qualità (HEMT). Una procedura è presentato per la crescita di HEMT InAlN N-polari, compresa la preparazione e la crescita di strati tampone, lo strato barriera InAlN, AlN e GaN interstrati e il canale GaN wafer. Criticità in ogni fase del processo sono identificati, ad esempio evitando l'accumulo Ga nel buffer GaN, il ruolo della temperatura sulla InAlN omogeneità compositiva, e l'uso di flusso Ga durante l'intercalare AlN e l'interruzione della crescita del canale prima GaN. Film sottili della composizione omogenea InAlN N-polare sono dimostrati con superficie di root-mean-squared rugosità a partire da 0,19 nm e InAlN basati su strutture HEMT sono riferito di aver avuto la mobilità più in alto 1.750 centimetri 2 / V ∙ sec per dispositivi con una densità di carica scheda 1,7 x 1013 cm -2.

Introduction

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Epitassia a fascio molecolare (MBE) è una tecnica di crescita epitassiale versatile sottile pellicola che si avvale di un ambiente ultra-alto vuoto con pressioni di base a partire da 10 -11 Torr per garantire bassa incorporazione di impurità nel film cresciuto. Il tasso di composizione e di crescita degli strati cresciuti epitassialmente sono determinati controllando la temperatura di ogni cella di effusione, e quindi il flusso evaporato dei vari materiali di base. Nel caso di III-nitruro epitassia, il gruppo III-elementi (A, Al, Ga) sono tipicamente forniti da celle di effusione mentre l'azoto attivo (N *) flusso è fornita attraverso un N 2 plasma 1,2 (plasma RF MBE-assistita:. PAMBE o RFMBE) o ammoniaca (NH 3 -MBE) 3,4 crescita MBE è caratterizzato da temperature di crescita più basse e più tagliente repentinità interfacciale rispetto ad altre tecniche di crescita epitassiale, come la deposizione di vapore chimico metallorganica 5 è indicata una schematica. in figura 1.


Figura 1:.. Sistema di MBE schematico schematica che mostra la camera di bloccaggio del carico, sistema di trasferimento, la stazione di degassamento e la crescita Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

III-nitruri possono essere coltivate su substrati aventi una varietà di orientamenti cristallo. L'orientamento più comunemente usato è il Ga-polare c -Plane, che permette la formazione di un gas di elettroni bidimensionale senza doping utilizzando la differenza di polarizzazione fra lo strato di barriera, tipicamente AlGaN, e il canale GaN. Vari non polare e semi-polari orientamenti di Gan hanno ricevuto notevole attenzione per l'optoelettronica a causa di effetti di polarizzazione ridotte nelle pozzi quantici, 6,7 che rende questi orientamenti meno desiderabile anche per HEMT applications. Dispositivi orientati N-polari sono attraenti per il funzionamento HEMT alta frequenza prossima generazione a causa di diversi vantaggi intrinseci rispetto ai dispositivi Ga-polari convenzionali. 8 Lo strato di barriera nei dispositivi N-polari viene coltivato sotto il canale GaN come mostrato in figura 2, risulta in una barriera posteriore naturale che aiuta il controllo elettrostatico del canale e riduce gli effetti di canale corto, pur consentendo un più facile accesso corrente al canale di GaN e ridurre la resistenza di contatto. La barriera può anche essere controllato separatamente dal canale, in modo che lo spessore canale viene ridotta per dispositivi ad alta frequenza progettazione barriera può essere modificato per compensare la carica canale perso Fermi livello pinning effetti.

figura 2
Figura 2:. Epitassiale livello schematico la struttura di strato di (a) un HEMT N-polare e (b) un HEMT Ga-polare comparIson. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

HEMT utilizzati in alta velocità, amplificatori ad alta potenza sono normalmente coltivate su substrati di SiC per sfruttare l'elevata conducibilità termica del SiC. Filettatura dislocazione substrati a bassa densità autoportante GaN possono essere impiegati per migliorare la mobilità degli elettroni, 9 migliorando così le prestazioni ad alta frequenza. Dopo la crescita di uno strato di AlN nucleazione, un buffer GaN spessore viene coltivato per separare spazialmente le impurità all'interfaccia ricrescita dal canale HEMT e migliorare l'isolamento elettrico. A differenza di altri materiali III-V, GaN cresciuti PAMBE genere necessita condizioni di crescita con un rapporto gruppo-III / V maggiore di 1, cioè condizioni ricche di metalli, 10,11 per ottenere una morfologia superficie liscia. In x Al 1- x N è un altermateriale barriera nativo per HEMT III-nitruro, ed ha ricevuto notevole attenzione da poco, perché può essere coltivata reticolo abbinato al GaN per x ≈ 0,18 e in grado di generare oltre due volte la carica di canale relativo alle barriere AlGaN grazie alla sua elevata polarizzazione spontanea. 12-15 differenza barriere AlGaN, Ga incorporeranno preferenzialmente a in a strati InAlN, 16 cura quindi devono essere prese per assicurare la superficie sia priva di eccessi Ga dopo il Ga-ricchi crescita dello strato tampone GaN e prima la crescita InAlN.

Controllo di Ga sulla superficie può essere realizzato se fornirà un flusso Ga leggermente minore del flusso necessario per la formazione Ga-goccia. Tuttavia, questa finestra di crescita è piccolo, e insufficiente copertura della superficie Ga farà sì che la morfologia di superficie di degradare in plateau / trincea morfologia mentre Ga flusso in eccesso si tradurrà in accumulo Ga e la formazione di goccioline macroscopica. 17 Riflessione diffrazione elettronica ad alta energia (RHEED) intens lità può essere utilizzato per monitorare l'accumulo Ga e desorbimento. Riempimento di superficie Ga è indicata da una riduzione dell'intensità RHEED e ogni ritardo tra la chiusura del Ga (e N *) persiane e l'aumento iniziale di intensità RHEED indica accumulo di Ga, come mostrato in figura 3.

Figura 3
Figura 3: Monitoraggio copertura Ga con il segnale di intensità RHEED intensità RHEED misurata dal modello RHEED acquisite in rotazione mediante acquisizione innescata.. flusso Ga insufficiente è indicata da un immediato aumento di intensità dopo chiusura delle tapparelle (non mostrato). Saturo copertura Ga / ideale è indicato da un ritardo tra la chiusura dell'otturatore e brusco brillantatura RHEED e la copertura Ga eccesso considerato sia un ritardo iniziale di luminosità RHEED nonché un aumento di intensità più graduale conseguente ripresa piena intensità più tempo di 60 s.com / file / ftp_upload / 54775 / 54775fig3large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Il raggiungimento di alta qualità InAlN da PAMBE è complicata dalla presenza di fluttuazioni composizione laterali, con un conseguente microstruttura "nido d'ape" costituito da domini Al-ricchi circondate da confini In-rich. 18 Eliminazione della microstruttura è ottenuto utilizzando una temperatura del substrato di circa 50 ° C sopra la comparsa di In desorbimento, 15,19,20 o circa 630 ° C per InAlN N-polare. In questo regime di crescita ad alta temperatura, l'in X Al 1- composizione x N è una forte funzione di temperatura del substrato, con temperature più elevate con conseguente minore In incorporazione. Il flusso In può essere aumentata per compensare In persa per evaporazione, anche se in pratica la massima In flusso è limitato da una riduzione dell'efficienza di incorporazione all'aumentare In flux. 21 Oltre a ridurre la temperatura del substrato o aumentando la in movimento, aumentando il tasso di crescita può anche aumentare la composizione Nella causa trappola "In effetti seppellire", dove in entrata Al atomi e impedirgli di evaporazione. 21,22 Higher tassi di crescita possono essere realizzati aumentando la In e al flusso proporzionalmente. Per mantenere le condizioni di crescita N-ricca, la N * dovrebbe essere aumentata come pure, che può essere ottenuto aumentando la potenza RF al plasma, aumentando la velocità di flusso di N 2, migliorare la progettazione camera plasma, o aumentando il foro della piastra di apertura densità.

Ulteriori strati epitassiali in HEMT InAlN basati includono Gan e AlN intercalari (ILS) e un canale GaN. Un AlN IL inserito tra la barriera e il canale può aumentare μ mobilità così come foglio canale densità di carica n s. L'aumento della mobilità è attribuito alla riduzione della funzione d'onda dell'elettrone sovrapposizione con la InAlN BArrier e successiva dispersione in lega. 9 Per garantire la crescita di alta qualità del AlN IL, un eccesso di flusso Ga è fornito durante la crescita di agire come un tensioattivo. Un GaN IL può essere utilizzato tra il AlN IL e barriera per migliorare ulteriormente la mobilità riducendo carica canale. Il canale GaN può coltivare alla stessa temperatura come la barriera InAlN, permettendo la crescita continua dalla barriera se ILS e canale. mobilità migliorato è stato ottenuto interrompendo crescita dopo l'AlN IL e aumentando la temperatura di crescita prima di crescere canale GaN. In questo caso una copertura protettiva superficiale Ga deve essere mantenuto durante l'interrupt per evitare la degradazione della mobilità.

Il seguente protocollo vale in particolare per HEMT InAlN di barriere architettoniche e cresciuti su substrati GaN N-polari. Può essere esteso direttamente alla crescita su substrati C-polare 4H- o 6H-SiC, includendo un nm strato di nitruro di alluminio N-ricchi di spessore 50.

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Protocol

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1. effusione cellulare rampa e Flux calibrazione

  1. Conferma liquido N 2 scorre per le crio-pannelli e che la camera di crescita ha raggiunto la pressione di base.
  2. Rampa le celle di effusione per la loro misurazione flusso fascio (BFM) temperatura ad una velocità di rampa di 1 ° C / sec per Ga e Nelle cellule, e 10 ° C / min per Al. Attendere 1 ora per le cellule di stabilizzazione termica.
  3. Aprire l'otturatore di ogni cella per 30-60 secondi, e quindi chiudere l'otturatore per 1-2 min. Ripetere tre volte per ogni cella. Scartare la prima misura misuratore di ioni flusso del fascio e la seconda media due. Regolare la temperatura della cella per ottenere il flusso desiderato secondo precedenti calibrazioni flusso / temperatura.

2. Preparazione del supporto e caricamento

  1. Ex pulizia substrato situ
    1. Carico epi-ready N-polare GaN substrati direttamente, senza alcuna pulizia ex situ. Se il wafer è stato esposto all'aria per piùdi alcune ore, sciacquarlo con acetone (30 sec), isopropanolo (30 sec) e acqua deionizzata (DI) (60 sec). Il risciacquo è preferito all'immersione quando possibile in quanto tende a lasciare meno particelle sulla superficie del wafer.
      NOTA:. Per Ga-polare GaN substrati si consiglia una superficie più rigorosa pulita 23
  2. carico di wafer
    1. Chiudere la saracinesca di isolamento del carico-lock, e vent con N 2.
    2. Caricare il wafer sul supporto e restituire la cassetta alla serratura carico. Accendere la pompa di diffusione di blocco del carico e aprire la valvola della pompa di sgrossatura e valvola del collettore.
    3. Quando la pressione del collettore è sceso sotto 0,1 Torr, chiudere le valvole della pompa del collettore e sgrossatura. Spegnere la pompa di diffusione e aprire la valvola di isolamento turbo-pompa di carico-lock.
    4. Lasciare che il blocco del carico di pompare verso il basso per 30-60 minuti. Idealmente, utilizzare una pressione di blocco carico di 10 -6 -10 -7 Torr prima del trasferimento alla camera di preparazione.
    5. Aprire la serratura di carico nella camera di preparazione, e trasferire la cialda sul carrello con stelo oscillante. Quindi utilizzare il carrello per trasferire il wafer alla stazione degassamento nella camera di preparazione. Spostare il carrello manualmente lungo un binario utilizzando un passante rotante sulla camera di preparazione.
  3. outgas wafer
    1. Rampa la temperatura del riscaldatore stazione degassamento a 700 ° C per 10 min.
    2. Dopo 30 minuti, la temperatura rampa giù a 100 ° C. Quando la temperatura è ≤ 250 ° C, trasferire la cialda indietro il carrello utilizzando il stelo oscillante alla stazione degassamento.
  4. Carico cialda nella camera di crescita
    1. Abbassare il manipolatore substrato alla posizione di carico, aprire la saracinesca camera di preparazione / crescita e trasferire il supporto wafer al manipolatore.
    2. Sollevare il manipolatore di posizione di crescita, nei pressi del riscaldatore del substrato.
    3. Rimuovere il carrello e close la saracinesca.
    4. Aprire la valvola di N 2 valvola della bombola, valvola di regolazione e l'ago isolamento. Impostare il controllore di flusso di massa (MFC) per 1,5 SCCM (o come necessario per ottenere una pressione della camera di 3-4 x 10 -5 Torr). La pressione ottimale per l'accensione del plasma è fortemente dipendente dal sistema. Si noti che la N 2 deve essere ultra-elevata purezza (preferibilmente meglio 6N) e un ulteriore filtro è usato in linea per ridurre ulteriormente le impurità.
    5. Con la N * e principali persiane chiuse, accendere l'alimentazione del plasma RF e controller di rete auto-matching. Aumentare la potenza RF fino a quando il plasma si accende.
    6. Impostare la potenza RF e il flusso N 2 alle condizioni di processo desiderate, in questo caso 350 W e 2,0 sccm. La N * flusso risultanti da determinate condizioni plasma dipende dal sistema, ma qui, queste condizioni produrre un tasso di crescita GaN di 5,0 nm / min, o N * flusso di 1,8 nm -2 sec -1. Monitorare la stabilità plasma con uno spettrometro attaccato allunotto posteriore della camera di plasma.
  5. In situ preparazione della superficie: la deposizione di Ga e desorbimento
    1. Rampa il riscaldamento del substrato di 10 ° C al di sopra della temperatura di crescita GaN desiderata con una velocità di rampa di ≤1 ° C / sec. In questo caso, utilizzare una temperatura wafer stimato di 730 ° C.
    2. Accendere il sistema RHEED a guardare per il degrado della superficie del wafer e monitorare la copertura Ga. accendere manualmente la rotazione del substrato. Impostare il software di acquisizione RHEED innescato per raccogliere un modello RHEED volta per la rotazione del substrato per fornire un'immagine statica mentre il substrato è in rotazione durante la crescita.
    3. Aprire l'otturatore substrato e otturatore Ga per 1 min. Assicurarsi che l'intensità RHEED decresce poi raggiunge un plateau come si accumula Ga. flux Ga dovrebbe essere simile a quello utilizzato per la crescita GaN. Qui, il flusso Ga è di circa 3,7 nm -2 sec -1.
    4. Chiudere l'otturatore per 2 minuti e garantire la RHEEDintensità aumenta e raggiunge un plateau prima della fine del 2 min, indicando Ga desorbimento.
    5. Ripetere i punti 2.5.2-2.5.4 tre volte, 24 e quindi ad accelerare il substrato alla temperatura di crescita GaN.

3. HEMT crescita

  1. la crescita Buffer
    1. Avviare la crescita aprendo l'otturatore N * per un 1 min nitridation.
    2. Crescere un sottile ricca di N strato di nitruro di alluminio nucleazione 1-3 nm aprendo l'otturatore Al. Questo strato nitruro di alluminio può aiutare a prevenire la generazione dislocazione filettatura, 25 tuttavia, lo strato di nitruro di alluminio complica diffrazione misure di raggi X (XRD) e non è raccomandato per campioni di calibrazione XRD-based. Utilizzare lo stesso Al di flusso come per lo strato InAlN, o circa 0,36 nm -2 sec -1, con un tasso di crescita di circa 1 nm / min.
    3. Chiudere la Al e N * dell'otturatore e immediatamente aprire l'otturatore Ga per 10 sec per consentire Ga per saturare la superficie, l'intensità RHEED dovrebbe diminuire rapidly. Aprire l'otturatore N * (con l'otturatore Ga ancora aperto) e crescere 5 min di GaN. Utilizzare Essere o C doping, in particolare per freestanding substrati GaN, per evitare correnti di dispersione elettrica nel buffer.
    4. Chiudere le imposte GA e N * per un'interruzione di crescita 1 min. Monitorare l'intensità RHEED. Se l'intensità RHEED aumenta immediatamente, allora il flusso Ga non è sufficientemente elevato. Se l'intensità RHEED aumenta dopo> 30 sec o non raggiunge un plateau entro 1 min poi il flusso Ga è troppo alta. Vedi Figura 3.
    5. Aumentare la temperatura del substrato di qualche grado (o ridurre la temperatura di cella di effusione Ga) per compensare flusso alta Ga visto in 3.1.4. Se il flusso Ga era troppo basso, diminuire la temperatura del substrato (o aumentare la temperatura cella di effusione Ga) per compensare.
      1. Ripetere i passaggi 3.1.3-3.1.5 finché non ci sarà un ritardo di 15-30 secondi prima che i RHEED intensità aumenta e l'intensità RHEED raggiunge un plateau prima del 1 min.
      Continuare a ripetere passaggi 3.1.4-3.1.5 fino a raggiungere lo spessore desiderato GaN. Determinare lo spessore moltiplicando il tempo di crescita totale dal tasso di crescita calibrata. Per la crescita Ga-ricca, determinare il tasso di crescita dal N * flusso, che può a sua volta essere calcolata utilizzando XRD per misurare lo spessore per un tempo di crescita noto in un campione di calibrazione cresciuto separatamente.
  2. La crescita barriera InAlN
    1. Attendere un ulteriore 1 minuto dopo la fase di crescita GaN finale per garantire che tutti Ga è evaporato.
    2. rampa rapidamente fino alla temperatura di crescita InAlN a circa 630 ° C. Lasciare che la temperatura del substrato si stabilizzi per circa 2 minuti.
    3. Aprire le A, Al, e N * persiane. L'intensità RHEED dovrebbe diminuire e raggiungere un plateau entro i primi 3 min. Continua diminuzione dell'intensità RHEED può indicare accumulo di A, che è dannoso per la crescita InAlN. Il modello RHEED dovrebbe rimanere striato, indicando una superficie liscia. l'hon e Al flussi sono circa 0,31 e 0,36 nm -2 sec -1, dando un tasso di crescita limitata gruppo-III di 1,25 nm / min.
    4. Chiudere il In, Al, e N * persiane dopo lo spessore barriera desiderata è stata raggiunta. Per N-ricchi di crescita, di determinare il tasso di crescita per il totale del flusso di gruppo III. Misurare il tasso di crescita mediante XRD su un campione di calibrazione InAlN cresciuti separatamente. Per un 15 nm InAlN barriera utilizzando le condizioni qui riportati, aprire le imposte per 12 min 30 sec.
  3. Intercalare e il canale di crescita
    1. Per prima cosa aprire l'otturatore Ga per 5 secondi, quindi aprire il N * di scatto e far crescere l'intercalare GaN. La temperatura del substrato dovrebbe essere ancora alla temperatura di crescita InAlN.
    2. Aprire l'otturatore Al senza chiudere il Ga o N * persiane per far crescere l'intercalare nitruro di alluminio. L'Al flusso per l'interstrato deve essere uguale o leggermente superiore al N * flusso, preferibilmente utilizzando una diversa cella di effusione Al poi quello utilizzato per lo strato barriera InAlN, to evitare di dover modificare la temperatura della cella. Vedere il punto 3.2.4.
    3. Chiudere il N * e Al persiane ma lasciare l'otturatore aperto Ga. Rampa la temperatura del substrato alla temperatura del canale GaN.
    4. Dopo 30 sec chiudere l'otturatore Ga. Attendere 30 sec (o non appena l'intensità RHEED inizia ad aumentare) e riaprire l'otturatore Ga. Continuare a ciclo l'otturatore Ga fino a quando il substrato ha raggiunto la temperatura di crescita del canale GaN. Questo proteggerà la superficie, evitando un eccessivo accumulo di Ga.
    5. Aprire l'otturatore Ga per 5 secondi, quindi aprire il N * di scatto e far crescere il canale GaN.
    6. Chiudere il Ga, N * e principali persiane. Rampa la temperatura del substrato fino a 200 ° C, spegnere l'N * plasma e interrompere il flusso di gas N 2.
    7. Rampa le cellule verso il basso per la loro temperatura di standby se finito per la giornata.
    8. Attendere che la temperatura del substrato a diminuire al di sotto di 250 ° C e la pressione della camera a scendere sotto 8 x 10 -7 Torr, alloraaprire la saracinesca camera di crescita e trasferire il supporto wafer indietro del carrello.
    9. Seguire l'inverso del passaggio 2.2 per trasferire il wafer di nuovo al blocco di carico, vent con N 2 e rimuovere il wafer. Assicurarsi che la saracinesca camera di crescita viene chiuso prima di aprire la serratura carico, e che la saracinesca pompa turbo serratura carico viene chiuso prima sfiato.
    10. Seguire i punti 2.2.3-2.2.5 per restituire la cassetta e carico di blocco per alto vuoto.

4. Caratterizzazione

  1. Caratterizzare la qualità del materiale usando la microscopia ottica per verificare la presenza di pozzi, crepe o GA-goccioline che possono formarsi durante la crescita del canale, XRD per controllare la qualità e la struttura interfacciale, e AFM di controllare la morfologia superficiale. 20,21
  2. Se GA-gocce sono presenti, immergere il wafer in acido HF concentrato per 5-10 minuti per rimuovere le goccioline senza danneggiare la superficie N-polare chimicamente sensibile.
  3. Misurare res foglioistance utilizzando misure di resistenza contatto Lehighton.
  4. Elaborare il campione per consentire la caratterizzazione elettrica, comprese le misure di Hall e CTLM e CC e transistor RF caratterizzazione. 9,26

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Representative Results

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Diffrazione di raggi X (XRD) scansioni di InAlN film sottili visualizzati cresciuti su substrati GaN N-polari in Figura 4 (a) sono singolo picco sia per 50 e pellicole 200 nm di spessore. La scansione XRD del nm pellicola InAlN spessore 50 presenta Pendellösung frange fino al 15 ° ordine, con l'indicazione di altissima qualità interfacciale. La mappa spazio reciproco asimmetrica in figura 4 (b) mostra che il nm strato InAlN spessa 200 ha la stessa q ‖, e quindi lo stesso lattice in piano costante come substrato GaN, indicando crescita pienamente coerente per uno strato InAlN ragionevolmente spessa. La larghezza a metà altezza (FWHM) nella direzione q è molto vicino allo stesso per lo strato InAlN e substrato GaN, suggerendo che non dislocazioni aggiuntivi o altri difetti strutturali sono stati introdotti nello strato InAlN. L'ampliamento dello strato InAlN in q è causato dalla coerenza limitata length ampliando nello strato InAlN relativamente sottile.

Le immagini AFM mostrato in figura 5 confrontano due in 0.18 Al 0.82 N strati con composizione simile coltivate a 500 ° C e 630 ° C. Per ottenere la stessa composizione, il rapporto del flusso In / gruppo III è stata aumentata da 0,18 a 500 ° C a 0,47 a 630 ° C. Alla temperatura di crescita inferiore, la superficie indica una modalità di crescita quasi-3D, mentre passi sono visti sul campione 630 ° C, suggerendo una crescita step-flow 2D. Microscopio elettronico a trasmissione mostrano eliminazione della morfologia nido d'ape per In 0,18 Al 0,82 N campioni cresciuti ad alta temperatura. 19,20

Misure XRD di pieni strutture HEMT InAlN-barriera N-polari cresciuti su substrati GaN N-polari mostrate in figura 6 (a) concordano bene con simulazioni XRD. Le simulazioni sono sensibili a tuttii vari strati, e tale accordo indica sia buona qualità interfacciale e un alto grado di controllo sui singoli spessori. Gli spessori AlN e GaN IL erano 1.4 e 1.5 nm, rispettivamente. Misurazioni effetto Hall provocano μ misurata = 1400 centimetri 2 / V ∙ sec, n s = 2,2 x 10 13 cm 2, e R s = 200 Ω / □.

N-polarità strati epitassiali cresciuti su C-SiC polari e N-polari substrati GaN è stata confermata confrontando la resistenza dello strato di strutture di test e strutture complete HEMT. I campioni con solo uno strato InAlN cresciuto su GaN o GaN / strato tampone AlN erano altamente resistivo, che indica l'assenza di un gas di elettroni bidimensionale. I campioni con un canale GaN sopra dello strato InAlN mostrano una bassa resistenza foglio dal 170-300 Ω / □ e l'evidenza di un gas bidimensionale di elettroni nelle misure di Hall, confermando orie N-polarentazione.

Sulla base di materiali iniziali di caratterizzazione, i campioni possono essere trattati in dispositivi HEMT. La prima fase di trattamento comporta depositare il Ti / Al / Ni / Au (20/100/10/50 nm) contatti ohmici per evaporazione a fascio elettronico e ricottura a 750 ° C per 30 sec sotto N 2 ambiente, seguito da isolamento del dispositivo utilizzando un Cl 2 / BCl 3 / Ar attacco al plasma ad accoppiamento induttivo. La spaziatura source-drain per i dispositivi discusse qui è di 5 micron. A questo punto le strutture di monitoraggio diversi processi possono essere testati elettricamente, tra cui lunghezza di trasferimento modelli di misura lineari e circolari per lamiera e resistenza di contatto e effetto Hall modelli per densità di carica del canale e della mobilità. campioni selezionati vengono poi elaborati per le strutture piene HEMT depositando 1 micron lungo, di 150 micron di larghezza Pt / Au cancelli. HEMT con la struttura sopra descritta epitassiale coltivate su un substrato GaN N-polare e fabbricati con Pt / Au Cancelli Schottky mostrano eccellenti caratteristiche dc, con una corrente massima di 1,5 A / mm (per una distanza source-drain 5 micron e contatti non ottimizzate) e una tensione di soglia di -1.6 V, come mostrato in Figura 6.

Figura 4
Figura 4:. XRD di film sottili InAlN (a) 2θ / ω scansioni XRD diffrazione di 50 nm e 200 film sottili di spessore InAlN nm cresciuti su freestanding substrati N-polari e (b) una mappa spazio reciproco XRD sulla riflessione, che mostra il 200 nm strato InAlN spessore ha la stessa q coordinare ed è quindi coerente al substrato GaN. cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 5:. AFM di film sottili InAlN micrografie AFM di In 0,18 Al 0,82 N campioni coltivati in (a) 500 ° C con un rapporto A / gruppo-III di 0,18 e (b) 630 ° C con un In / gruppo III il rapporto di 0,47. cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 6
Figura. 6: XRD e dispositivi risultati di un HEMT InAlN (a) XRD ω / 2θ eseguire la scansione sulla 0002 riflessione di una struttura completa InAlN HEMT N-polare cresciuto su un substrato GaN N-polare con spessori inserto utilizzati per generare la simulazione XRD. . (B) curva di trasferimento HEMT e (c) curve IV per lo stesso dispositivo in (a) processed con un cancello Pt / Au Schottky. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Discussion

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Crescita di uno strato tampone GaN alta qualità è fondamentale per ottenere elevata mobilità elettronica in qualsiasi HEMT III-nitruro. Nel caso di un N-polare InAlN HEMT, la crescita dello strato tampone è complicata dal requisito che tutti Ga essere rimosso dalla superficie prima crescita InAlN. Ci sono una varietà di tecniche per ottenere questo in aggiunta al procedimento qui descritti, come metallo modulato epitassia, 27 utilizzando condizioni di crescita sul bordo della copertura intermedia Ga e Ga gocciolina regime di accumulazione, 28 o permettendo una continua N * - flusso di incorporare l'eccesso Ga quando l'otturatore Ga viene periodicamente chiusa. 24

Un'interruzione di crescita (per consentire Ga evaporazione) è usato in questo caso perché riduce l'usura delle serrande implicite in epitassia metal-modulato, è tollerante alla temperatura wafer disuniformità, 29 ed evita ambiguità nel tempo crescita reale (e spessore ) come well come impedisce potenziale incorporazione impurità come conseguenza dell'utilizzo di N * flusso di incorporare lo strato di Ga-bagnante. 24 Questa tecnica si traduce in superfici RHEED e lisce / interfacce striato con RMS rugosità <1 nm se il corretto Ga-flusso e la crescita / interrompono volte vengono utilizzati. Oltre ai transitori RHEED descritti in figura 3, insufficiente Ga-flusso può essere indicata da modelli RHEED spotty e una superficie ruvida (per condizioni di N-ricchi) o striature RHEED con un plateau / trench ruvida morfologia superficiale (per Ga-ricchi intermedio condizioni). 28

Il tempo massimo di crescita tra interrupt è alquanto flessibile, ma è limitata dal macroscopica formazione Ga-goccia. Una volta goccioline forma e unite, dove sono molto difficili da far evaporare completamente e RHEED illuminante può ancora verificarsi in presenza di goccioline Ga, suggerendo in modo non corretto una superficie Ga-libera. tempi di crescita GaN fino a 20 min tra interrupt sono stati utilizzati per restrarre usura dell'otturatore. 29 GA-gocce presenti sulla superficie del wafer dopo la crescita può provenire da goccioline che si formano durante la crescita dello strato di buffer (anche se possono anche formarsi senza significative conseguenze negative durante la crescita del canale GaN). Macroscopiche Ga-goccioline che formano durante il buffer possono causare Ga incorporazione e / o spostamento di In nello strato di barriera InAlN, portando a concentrazioni dei portatori ridotti e / o screpolature dello strato barriera dovuto alla deformazione, che è più grave nelle regioni di temperatura inferiori del wafer.

Crescita interrompe in corrispondenza o in prossimità del canale possono causare degrado dispositivo severo per HEMT. Tuttavia, se Ga-flusso è fornito periodicamente e lasciata desorbire durante l'interruzione, il degrado in mobilità può essere evitato e l'allarme può essere utilizzato per rampa il substrato ad una temperatura maggiore crescita più favorevole per GaN crescita. 15 Utilizzando questa tecnica, la mobilità è stata aumentata di 150 cm circa

Abbiamo dimostrato un metodo per crescere di alta qualità HEMT InAlN-barriera N-polare. In situ deposizione di Ga e desorbimento viene utilizzato per preparare una superficie pulita per la crescita epitassiale. La struttura dei livelli HEMT epitassiale incorpora uno strato InAlN barriere con composizione omogenea, AlN e GaN interstrati per il controllo del canale densità di carica e la mobilità, e una procedura di crescita del canale GaN con una rampa di temperatura che può ottimizzare ulteriormente la mobilità. PAMBE e le procedure qui descritte sono ampiamente applicabili a III-nitruro epitassia, tra cui l'elettronica RF e alta potenza e optoelettronica visibile-through-UV.

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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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Plasma-assistita Molecular Beam Epitaxy di N-polare InAlN-barriera transistori ad alta mobilità di elettroni
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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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