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Engineering

N極性のInAlNバリア高電子移動度トランジスタのプラズマ支援分子線エピタキシ

doi: 10.3791/54775 Published: November 24, 2016

Summary

分子線エピタキシーは、N極性のInAlNバリア高電子移動度トランジスタ(HEMTの)を成長させるために使用されます。 1,750 cm 2の/ V∙秒という高い移動度を有する滑らかな、組成的に均質のInAlN層とのHEMTのウエハ製剤の制御、層の成長条件とエピタキシャル構造をもたらします。

Abstract

プラズマ支援分子線エピタキシーは、高品質の高電子移動度トランジスタ(HEMTの)ために必要な滑らかな、急峻界面でIII族窒化物薄膜とヘテロ構造のエピタキシャル成長に適しています。手順は、ウェハ製造と緩衝層、InAlNを障壁層はAlNとGaNの中間層とGaNチャネルの成長を含むN極性のInAlNのHEMTの成長のために提示されています。プロセスの各ステップでの重要な問題は、このようなのGa GaNバッファへの蓄積、InAlNを組成均一性に及ぼす温度の役割、とAlN中間層と前GaNチャネル成長への割り込み中のGaフラックスの使用を避けるように、識別されます。組成的均質N極性のInAlN薄膜は0.19 nmと低表面二乗平均平方根粗さで実証され、のInAlN系HEMT構造は、シート電荷密度を有するデバイスのために1,750 cm 2の/ V∙秒という高い移動度を有すると報告されています1.7×10の13センチメートル-2。

Introduction

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分子線エピタキシー(MBE)が成長膜中の低不純物混入を確実にするために10 -11トルという低いベース圧力に超高真空環境を使用する多用途のエピタキシャル薄膜成長技術です。エピタキシャル成長層の組成及び成長速度は、各噴散セルの温度、および様々な原料の、従って蒸発フラックスを制御することによって決定されます。活性窒素(N *)フラックスのいずれかN 2プラズマ1,2-(RFプラズマによって設けられているIII族窒化物のエピタキシャル成長の場合には、III族元素(で、AlやGaを)は、典型的には流出セルによって提供されます-assisted MBE:PAMBEまたはRFMBE)又はアンモニア(NH 3 -MBE)-3,4- MBE成長は、より低い成長温度や、有機金属化学気相堆積のような他のエピタキシャル成長手法、よりシャープな界面急峻性によって特徴付けられる5概略図が示されています。 図1インチ


図1:MBEシステムの概略的なロードロック、搬送システム、ガス放出ステーションと成長室を模式的に示す。この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

III族窒化物結晶方位の多様を有する基板上に成長させることができます。最も一般的に使用される方向は、バリア層、典型的にはAlGaNから、及びGaNチャネル間の偏光の差を利用してドーピングすることなく、二次元電子ガスを形成することができるGa極性のC -planeあります。 GaNの非極性様々なおよび半極性の向きが原因また、HEMTのアプリケーション情報のために、これらの向きはあまり望ましくなり6,7量子井戸、で減少偏光効果にオプトエレクトロニクスのための重要な注目を集めていますナノ秒。 N極性配向デバイス起因従来のGa極性デバイスに比べていくつかの固有の利点を次世代の高周波HEMTの動作のために魅力的である。 図2に示すように8 N極デバイスでのバリア層が得られ、GaNチャネルの下に成長させますチャネルの静電制御を補助し、GaNチャネルに簡単に現在のアクセスを可能にし、接触抵抗を低減しつつ、短チャネル効果を減少させる天然の背面障壁です。チャネルの厚さが、高周波デバイス用縮小されるバリア設計はフェルミレベルピニング効果により失われたチャネル電荷を補償するように修正することができるように、バリアはまた、チャンネルとは別に制御することができます。

図2
図2:比較例のための(a)は N極HEMT及び(b)は Ga極性HEMTのエピタキシャル層の概略的な層構造ISON。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

高速で使用したHEMTは、高電力増幅器は、通常、SiCの高い熱伝導性を利用するためにSiC基板上に成長させます。低貫通転位密度のGaN自立基板9従って、高周波性能を向上させる、電子移動度を向上させるために使用することができます。 AlN核生成層の成長に続いて、厚いGaNバッファは、空間的にHEMTのチャネルから再成長界面の不純物を分離し、電気的分離を改善するために成長させます。他のIII-V材料とは異なり、PAMBEによって成長させたGaNは、典型的には、平滑な表面形態を達成するために、1よりも大きなグループIII / V比、 即ち 、金属リッチな条件、10,11と成長条件を必要とします。 xはアル1- X Nは、ALTERですネイティブバリアIII族窒化物HEMTのための材料、およびそれが格子は、x≈0.18のためのGaNに整合し、その高い自発分極によるのAlGaN障壁に2倍以上のチャネル電荷の相対を生成することができます成長させることができるため、最近大きな注目を受けている。12月15日とは異なり、 AlGaN障壁は、Gaが16は、このよう表面がGaリッチGaNバッファ層の成長前のInAlNの成長の後に過剰のGaの自由であることを確認するために注意しなければなりません、のInAlN層にInに優先的に組み込む予定。

表面上のGaの制御は、Gaを液滴形成のために必要な磁束よりもわずかに小さいGaフラックスを補給することによって達成することができます。しかし、この成長窓が小さく、不十分なGaの表面被覆率は、過剰のGaフラックスはジョージア蓄積および巨視的な液滴の形成をもたらすであろうしながら表面モフォロジーがプラトー/トレンチ形態に低下します。17、反射高エネルギー電子回折(RHEED)INTENS性は、Gaの蓄積および脱着を監視するために使用することができます。 GAの表面被覆率は、RHEED強度の減少、及びGaを閉じるとの間の遅れによって示され(かつN *)シャッターおよび図3に示すようにRHEED強度の最初の増加は、GAの蓄積を示しています。

図3
図3:トリガ取込みを用いて回転下で取得されRHEEDパターンから測定したRHEED強度 RHEED強度信号とGaのカバレッジを監視します 。不十分Gaフラックスはシャッター(図示せず)を閉じた後に強度の即時の増加によって示されます。飽和/理想的なGaのカバレッジがシャッターの閉鎖と突然のRHEED増白と初期のRHEED光沢の遅れだけでなく、より長い60秒を取って最大強度の回復が得られ、より緩やかな強度増加の両方として見に過剰のGaカバレッジ間の遅延によって示されています。コム/ファイル/ ftp_upload / 54775 / 54775fig3large.jpg "ターゲット=" _空白 ">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

PAMBEによってInAlNを実現高品質で豊富な境界によって囲まれたAlリッチドメインからなる「ハニカム」微細構造が得られ、横組成変動の存在によって複雑になる。この微細構造の18除去は、約50の基板温度を使用することによって達成されますN極性のInAlNのために脱着の発症、15,19,20または約630℃以上のC°。この高温成長レジームでは、中のXのAl 1-×N個の組成物は、取り込みに低い結果として、より高い温度で、基板温度の強い関数です。フラックスは、実際には、磁束の最大フラックスが増加して取り込み効率の低下によって制限されるが、蒸発によって失わに補償するために増加させることができます基板温度を低下させるか、フラックスの増加、成長速度も起因」効果を埋め込むには、「にIn組成を増加させることができる増大に加えて21、着信Al原子トラップ内と蒸発を防ぐ。21,22高いです成長率は比例で及びAlフラックスを増加させることによって達成することができます。 Nリッチ成長条件を維持するために、N *は、N 2の流量を増加させるプラズマチャンバの設計を改善する、または開口プレート穴を増やす、RFプラズマ電力を増加させることによって達成することができるだけでなく大きくする必要があります密度。

InAlNベースのHEMTで追加のエピタキシャル層は、GaNとAlN中間層(ILS)とGaNチャネルが含まれます。バリアとチャネルとの間に挿入されたAlN ILは、移動度μだけでなく、チャネルシート電荷密度のn 秒を増やすことができます 。移動度の増加は、InAlNをBの電子波動関数の重なりを低減することに起因しますarrierとその後の合金散乱。9のAlN ILの高品質な成長を確保するためには、Gaフラックスの過剰な界面活性剤として機能するように成長中に供給されています。 GaN系ILは、チャネル電荷を低減しつつ、さらに移動度を向上させるためのAlN ILとバリアの間で使用することができます。 GaNチャネルは、イオン液体と、チャネルしかしバリアの継続的な成長を可能にするのInAlNバリアと同じ温度で成長させることができます。改善された移動度は、AlN IL後に成長を中断し、GaNチャネルを成長する前に成長温度を増加させることにより得られました。この場合、保護のGa表面被覆率は、移動度の低下を防ぐために、割り込みの間、維持されなければなりません。

以下のプロトコルは、N極性GaN基板上に成長させたのInAlNバリアのHEMTに特異的に適用されます。これは、直接に50nm厚NリッチAlN層を含むことにより、C-極性4H-または6H-SiCの基板上での成長に拡張することができます。

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Protocol

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1.エフュージョンセルランプとフラックスキャリブレーション

  1. 液体N 2は、クライオパネル及び成長チャンバをベース圧力に達したことを流れているか確認してください。
  2. Gaのための細胞で1℃/秒のランプ速度で彼らのビームフラックス測定(BFM)の温度にエフュージョンセルを立ち上げ、及びAlのための10℃/分。熱的に安定させるための細胞のために1時間を待ちます。
  3. 30-60秒のための各セルのシャッターを開き、1-2分間シャッターを閉じます。各セルについて3回繰り返します。第1のビームフラックスイオンゲージ測定を破棄し、第2の平均。前のフラックス/温度校正に応じた所望のフラックスを達成するために、セルの温度を調整します。

2.基板の準備と読み込み

  1. 現場外の基板洗浄
    1. ロードエピレディN極性GaNは任意の現場外洗浄せずに、直接基質。ウェハは、より空気にさらされた場合数時間以上、アセトン(30秒)、イソプロパノール(30秒)と脱イオン(DI)水(60秒)の下ですすぎます。それがウエハ表面に小さい粒子を残す傾向があるように、可能な場合すすぎ、浸漬に好適です。
      注:Ga極性GaNが基板のためのきれいな、より厳密な表面が推奨される23
  2. ロードウェハ
    1. ロードロック分離ゲートバルブを閉じ、そしてN 2でベント。
    2. ホルダー上のウエハをロードし、ロードロックにカセットを返します。ロードロック粗引きポンプの電源を入れ、粗引きポンプバルブとマニホールドバルブを開きます。
    3. マニホールド圧力が0.1トル以下に低下した場合には、マニホールドと粗引きポンプのバルブを閉じます。粗引きポンプの電源をオフにして、ロードロックターボポンプの隔離弁を開きます。
    4. ロードロックは、30〜60分間ポンプダウンすることができます。理想的には、準備室に転送する前に、10 -6〜10 -7 Torrのロードロックの圧力を使用しています。
    5. 準備室にロードロックを開き、ウォブルスティックを使用して、トロリーにウェハを移します。そして、準備室にガス放出ステーションにウェハを転送するためにトロリーを使用しています。準備室に回転フィードスルーを使用して、レールに沿って手動でトロリーを移動します。
  3. アウトガスウェハ
    1. 10分かけて700℃までガス放出ステーションヒーター温度をランプアップします。
    2. 30分後、戻ってダウンして100℃まで温度をランプアップします。温度は≤250°Cである場合には、ガス放出駅でウォブルスティックを使用してバックトロリーにウェハを転送します。
  4. 成長チャンバにロードウェハ
    1. ロード位置に基板マニピュレータを下げ、準備/成長チャンバのゲートバルブを開き、マニピュレータにウェーハホルダを転送します。
    2. 基板ヒーターの近くに、成長位置にマニピュレータを上げます。
    3. トロリとCLを削除しますゲートバルブOSE。
    4. N 2ボトルのバルブ、レギュレータバルブと遮断ニードルバルブを開きます。 1.5 SCCMにマスフローコントローラ(MFC)を設定(または3~4×10 -5トルのチャンバ圧力を得るために必要に応じて)。プラズマ点火のための最適圧力は強く、システムに依存します。 N 2は、超高純度(6Nより好ましくは良い)、さらに不純物を低減するためのラインで使用されている追加のフィルタでなければならないことに注意してください。
    5. N *メインシャッターを有するプラズマRF電源と自動マッチングネットワークコントローラの電源を入れ、閉じ。プラズマが点火するまで、RF電力を増加させます。
    6. この場合には、所望のプロセス条件を350 Wと2.0 SCCMのRF電力とN 2の流れを設定します。与えられたプラズマ条件に起因するN個の*フラックスはシステムに依存しますが、ここでは、これらの条件は5.0 nmで/分のGaN成長率、または1.8nmで-2秒のN個の*フラックスを得-1。に取り付けられた分光器とプラズマの安定性を監視しますプラズマ室の後部窓。
  5. Gaの堆積及び脱着: インサイチュ表面処理
    1. ≤1゜C /秒のランプ速度で所望のGaNの成長温度より10°Cまで基板ヒータをランプ。この場合には、730℃の推定ウエハ温度を使用します。
    2. ウェハ表面の劣化を監視し、Gaのカバレッジを監視するために、RHEEDシステムの電源を入れます。手動で基板回転をオンにします。基板は、成長中に回転している間に静止画像を提供するために、基板回転ごとに一度RHEEDパターンを収集するようにトリガRHEED取得ソフトウェアをセットアップします。
    3. 1分間基板シャッターとGaのシャッターを開きます。 RHEED強度がその後減少Gaを蓄積するようにプラトーに達したことを確認します。 Gaフラックスは、GaN成長のために使用されるものと同様であるべきです。ここで、Gaフラックスは、約3.7 nmである-2-1。
    4. 2分間シャッターを閉じ、RHEED確保強度が増加するとGaの脱離を示し、2分の終了前にプラトーに達しました。
    5. 階段を2.5.2-2.5.4 3回、24を繰り返し、その後、GaN成長温度に基板をランプアップします。

3. HEMT成長

  1. バッファの成長
    1. 1分間窒化用のN *シャッターを開くことによって、成長を開始します。
    2. アルシャッターを開くことにより、豊富なN-1-3薄いnmのAlN核生成層を成長させます。このAlN層は、25しかし 、AlN層は、X線回折(XRD)測定を複雑にし、XRDベースのキャリブレーションサンプルのために推奨されていない、貫通転位の発生を防ぐことができます。 InAlN層、または約0.36ナノメートル-2-1、約1ナノメートル/分の成長速度を与えるのと同じのAlフラックスを使用してください。
    3. AlとNの*シャッターを閉じ、すぐにGaが表面を飽和することを可能にするために10秒間のGaシャッターを開け、RHEED強度は、RAを減らす必要がありますpidly。 (まだオープンのGaシャッター付き)のN *のシャッターを開き、GaNの5分を育てます。使用は、緩衝液中の漏電電流を防止するために、特にGaN基板を自立するため、またはCドーピングう。
    4. 1分間の成長中断のためのGaとN *シャッターを閉じます。 RHEED強度を監視します。 RHEED強度はすぐに増加した場合、Gaフラックスが十分に高くありません。 RHEED強度が> 30秒後に増加または1分以内にプラトーに達していない場合には、Gaフラックスは高すぎます。 図3を参照てください。
    5. 3.1.4で見られる高Gaフラックスを補償するために、数度の基板温度を上昇させる(またはGaでエフュージョンセルの温度を低下させます)。 Gaフラックスが低すぎた場合、補償するために基板温度を低下させる(またはGaのエフュージョンセル温度を上昇させます)。
      1. 手順を繰り返し3.1.3-3.1.5 RHEED強度が増加し、RHEED強度が1分前にプラトーに到達する前に、15から30秒の遅延があるまで。
      手順を繰り返し続ける3.1.4-3.1.5所望のGaNの厚さに達するまで。較正された成長率により、総成長時間を掛けて厚さを決定します。 Gaリッチ成長のために、順番に別々に増殖させたキャリブレーションサンプル中の既知の成長時間のために厚さを測定するためのXRDを用いて算出することができるのN *フラックスによる成長速度を決定します。
  2. InAlNバリア成長
    1. すべてのGaが蒸発して確保するために、最終的なGaN成長工程の後に追加の1分を待ちます。
    2. 迅速に約630℃までのInAlN成長温度まで上昇します。基板温度を約2分間安定させます。
    3. で、AlおよびN *シャッターを開きます。 RHEED強度が減少し、最初の3分以内にプラトーに達する必要があります。 RHEED強度の継続的な減少は、のInAlN成長に有害である、での蓄積を示すことができます。 RHEEDパターンは、滑らかな表面を示し、筋状のままであるべきです。私nおよびアルフラックスは、約0.31と0.36 nmである-2-1、/分1.25 nmでのIII族限られた成長率を与えます。
    4. 希望の障壁の厚さに達した後では、AlおよびN *シャッターを閉じます。 N-豊かな成長のため、合計III族フラックスによって成長率を決定します。別々に成長したのInAlNキャリブレーションサンプルのXRDを使用して、成長速度を測定します。ここに与えられた条件を用いて、15nmでのInAlNバリアについては、12分30秒のシャッターを開きます。
  3. 中間層とチャネル成長
    1. まず、5秒間のGaシャッターを開け、N個の*のシャッターを開き、GaN系中間層を成長させます。基板温度はまだのInAlNの成長温度であるべきです。
    2. AlN中間層を成長させるのGaまたはN *シャッターを閉じずにアルシャッターを開きます。層間のAlフラックスは、理想的にInAlNをバリア層に使用し、別のAl噴散セルを使用して、T同じまたはNの*フラックスよりもわずかに高くなければなりませんOセル温度を変更することは避けてください。ステップ3.2.4を参照してください。
    3. N *とAlのシャッターを閉じますが、オープンのGaシャッターを残します。 GaNチャネル温度に基板温度を上昇。
    4. 30秒後のGaシャッターを閉じます。再オープンのGaシャッターを(RHEED強度が増加し始めるとすぐまたは)30秒を待ちます。基板は、GaNチャネル成長温度に達するまでのGaシャッターサイクルに進みます。過剰なGaの蓄積を防止しながら、これは表面を保護します。
    5. その後、5秒間のGaシャッターを開き、N個の*のシャッターを開き、GaNチャネルを成長させます。
    6. GaとN *とメインシャッターを閉じます。 N個の*プラズマをオフにして、N 2ガスの流れを遮断し、200°Cまで基板温度をランプアップします。
    7. その日のために終了した場合、そのスタンバイ温度に細胞をランプダウン。
    8. その後、250℃未満に減少させ、チャンバ圧力は8×10 -7トル以下に低下するために基板温度を待ち成長室のゲートバルブを開き、バックトロリーにウェーハホルダを転送します。
    9. 、バックロードロックにウェハを転送するN 2でベントとウエハを除去するためのステップ2.2の逆に従ってください。成長室のゲートバルブは、ロードロックを開く前に閉鎖されていることを確認し、ロードロックターボポンプのゲートバルブは通気の前に閉じていること。
    10. 手順に従ってください2.2.3-2.2.5高真空にカセットとロードロックを返すように。

4.キャラクタリゼーション

  1. 表面形態を確認するために、界面構造の品質をチェックするために、チャネルの成長の間に形成されたかもしれないピット、クラックやGaの液滴をチェックするためにXRDを、光学顕微鏡を用いて、AFM材料の品質を特徴付ける。20,21
  2. Ga液滴が存在する場合、化学的に敏感なN極性表面に損傷を与えることなく、液滴を除去するために5〜10分間濃縮HF酸中にウェハを浸します。
  3. シートの解像度を測定しますレイトン非接触抵抗の測定値を使用してistance。
  4. ホールとCTLM測定とDCとRFトランジスタの特性評価を含む電気特性評価を、可能にするためにサンプルを処理します。9,26

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Representative Results

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X線回折(XRD) 図4のN極性GaN基板上に成長させた図示のInAlN薄膜のスキャンは、(a)は、シングル50と200nmの厚さのフィルムの両方にピークに達しています。厚さ50nmのInAlN膜のXRDスキャンはPendellösungが非常に高い界面品質を示す、順序 15までの縞示します。 図4の非対称逆格子空間マップ(b)は、厚さ200nmのInAlN層が適度に厚いのInAlN層の完全コヒーレントな成長を示し、同一のQ‖、およびGaN基板としてこのように同一の面内格子定数を有することを示しています。 Qの‖方向の半値全幅(FWHM)は、追加の転位または他の構造的欠陥がのInAlN層に導入されていないことを示唆し、のInAlN層とGaN基板についても同様に非常に近いです。 Q⊥でのInAlN層の広がりは限定されたコヒーレンスlenで引き起こされます比較的薄いのInAlN層に広がりGTH。

図5に示すAFM像は、同様の組成を有するN層は、500℃、630℃で成長したAl 0.82 0.18で2を比較します。同一の組成を達成するために、イン/ III族のフラックス比は、630℃で0.47に500℃で0.18に増加しました。ステップは、2Dステップフロー成長を示唆し、630℃のサンプルで見ている間に低い成長温度では、表面は、準3D成長モードを示しています。透過型電子顕微鏡写真は、高温で成長において0.18のAl 0.82 Nサンプルについてハニカム形態の除去を示す。19,20

図6(A)に示されるN極性GaN基板上に成長させた完全なN極性のInAlNバリアHEMT構造のXRD測定は、XRDシミュレーションとよく一致します。シミュレーションはすべてに敏感です様々な層、及びそのような合意は良い界面特性および個々の層の厚さの制御の高度の両方を示しています。 AlNとGaN IL厚さは、それぞれ、1.4および1.5 nmでした。ホール効果測定は= 1400センチメートル2 / V測定μ∙秒になり、nはS = 2.2×10 13 cm 2であり、R S = 200Ω/□。

C極性SiC及びN極性GaN基板上に成長したエピタキシャル層のためのN極は、テスト構造と完全なHEMT構造のシート抵抗を比較することにより確認しました。 GaN又はGaN / AlNバッファ層上に成長させただけのInAlN層を有する試料は、二次元電子ガスが存在しないことを示し、高抵抗でした。 InAlN層の上にGaNチャネルを有するサンプルは、N極性オリエを確認し、ホール測定において170から300Ω/□と、二次元電子ガスの証拠から、低シート抵抗を示しますntation。

初期材料の特性評価に基づいて、サンプルはHEMTデバイスに加工することができます。処理の最初の段階は、素子分離に続いてN 2雰囲気下30秒間750℃で電子ビーム蒸着およびアニーリングによりTi / Al / Ni / Auから(20/100/10/50 nm)のオーミックコンタクトを付着させることを含みますCl 2 / BCl 3を/ AR誘導結合プラズマエッチングを使用して。ここで説明する装置のためのソース・ドレインの間隔は5μmです。この時点で、いくつかのプロセス監視構造は、電気チャネル電荷密度および移動性のためのシートと接触抵抗とホールパターンのための線形および円形の転送長測定パターンを含む、試験することができます。選択されたサンプルは、その後、長い1ミクロン、幅150μmのPt / Auのゲートを堆積させることにより、完全なHEMT構造のために処理されます。 N極性GaN基板上に成長させたPt / Auを用いて製造された上述のエピタキシャル構造とのHEMT 図6に示すように、ショットキーゲートは、1.5(5ミクロンソース-ドレイン間隔および最適化されていない連絡先の)A / mmであり、-1.6 Vのしきい値電圧の最大電流で、優れたDC特性を示しています。

図4
図4:InAlNを薄膜のXRD 50 nmおよびN極性自立基板上に成長させた厚さ200nmのInAlN薄膜および反射について(b)の XRD逆格子空間マップの(a)の 2θ/ωXRD回折スキャン、示します厚さ200nmのInAlN層は同じQを持って座標ため、GaN基板にコヒーレントである。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

ftp_upload / 54775 / 54775fig5.jpg "/>
図5:InAlNを薄膜のAFM 0.18のIn / III族比で(a)は 500℃で成長させた0.18のAl 0.82 NサンプルとIn / III族と(b)は 630°CでのAFM顕微鏡写真 0.47の比率。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図6
図。 6:InAlNをHEMTのXRDおよび装置の結果は、(a) は、XRDのω/ XRDシミュレーションを生成するために使用されるインセットの層の厚さを有するN極性GaN基板上に成長させたフルN極性のInAlNのHEMT構造の0002反射についてスキャン2θ。(b)は、HEMTの伝達曲線および(c)(a)プロセスへにおける同じデバイスのIV曲線sedのPt / Auからショットキーゲートで。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

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Discussion

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高品質のGaNバッファ層の成長は、任意のIII族窒化物HEMTに高い電子移動度を達成するために重要です。 N極性のInAlN HEMTの場合には、バッファ層の成長は、全てのGa前のInAlNの成長表面から除去することが必要条件によって複雑になります。金属変調エピタキシー、27は中間のGaカバレッジとGa液滴蓄積レジーム、28の縁部に成長条件を使用して、または連続的なN *を可能にするように、ここで記述した手順に加えて、これを達成するための様々な技術が存在します- Gaのシャッターを周期的に閉じられたとき、過剰のGaを組み込むフラックス24

それは、金属変調エピタキシーで暗黙シャッターの摩耗低減ウェーハ温度の不均一性に寛容であり、29と実際の成長時間(及び層の厚さのあいまいさを回避するために成長中断は、(Gaの蒸発を可能にするために)、この場合に使用されています)WELとしてGaを湿潤層を組み込むためのN *フラックスを使用した結果として潜在的な不純物の混入を防ぐように。1 nmの<粗さRMSと筋状のRHEEDと滑らかな表面/界面24この技術の結果が正しいのGaフラックスと成長/割り込み場合リットル時間が使用されています。 図3で説明したRHEED過渡現象に加えて、不十分のGaフラックスはプラトー/トレンチ粗表面形態を有するむらRHEEDパターンと粗い表面(N-リッチ状態の場合)または筋状のRHEEDによって示すことができる(Gaリッチ中間体用条件)。28

割り込みの間の最大成長時間は幾分柔軟であるが、肉眼のGa液滴形成によって制限されます。一度フォーム滴と合体し、彼らが完全に蒸発するとRHEED増白はまだ間違ってのGaのない表面を示唆している、のGa液滴の存在下で発生する可能性が非常に困難です。割り込みの間に最大20分間のGaN成長時間は、rに使用されていますシャッターの摩耗を引き出す。(彼らはまた、GaNチャネル成長中の有意な負の影響なしに形成することができますが)成長後のウエハ表面に見つかった29のGa液滴がバッファ層の成長の間に形成された液滴から発信することができます。バッファ中に形成された巨視的のGa液滴が低減キャリア濃度をもたらす、および/またはより低い温度領域でより厳しい歪みに起因する障壁層の割れ、InAlNをバリア層中のGaの取り込み及び/又はInの変位を引き起こすことができますウェハの。

成長はHEMTのための深刻な機器の劣化を引き起こす可能性があるチャネルまたはその近くで中断します。 Gaフラックスは、周期的に供給されると、割り込み時脱着させた場合には、移動度の低下を回避することができ、割り込みは、GaN成長のためのより有利なより高い成長温度に基板を上昇するために使用することができる。15この手法を用いて、移動度は約150 CMで増加しています

我々は、高品質のN極性のInAlNバリアのHEMTを成長させる方法を示した。 その場でのGa堆積及び脱着は、エピタキシャル成長のための清浄な表面を調製するために利用されます。 HEMTエピタキシャル層構造は、チャネル電荷密度および移動度、さらに移動度を最適化することができる温度傾斜を有するGaNチャネルの成長過程を制御するために、均質な組成物はAlNとGaNの中間層とのInAlNバリア層を組み込んでいます。 PAMBEここで説明する手順は、RF及び高パワーエレクトロニクス可視スルーUVのオプトエレクトロニクスを含む、III族窒化物のエピタキシャル成長に広く適用可能です。

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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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N極性のInAlNバリア高電子移動度トランジスタのプラズマ支援分子線エピタキシ
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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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