assistido por plasma Molecular Beam Epitaxy de N-polar InAlN barreiras Transistores de alta electron-mobility

Summary

epitaxia de feixe molecular é usado para crescer N-polares transistores InAlN barreiras high-elétron-de mobilidade (HEMTs). Controle da preparação wafer, condições de crescimento camada e estrutura epitaxial resulta em camadas, InAlN de composição homogênea suaves e HEMTs com mobilidade tão alto quanto 1.750 ^cm2 / V ∙ sec.

Abstract

epitaxia de feixe molecular assistido por plasma é bem adequado para o crescimento epitaxial de III-nitreto de filmes finos e heteroestruturas com interfaces lisas, abruptas necessários para de alta qualidade transistores high-elétron-de mobilidade (HEMTs). Um procedimento é apresentado para o crescimento de HEMTs InAlN N-polares, incluindo a preparação da bolacha e do crescimento de camadas de tampão, a camada de barreira InAlN, AlN e GaN intercamadas e o canal de GaN. As questões críticas em cada passo do processo são identificados, tais como evitar a acumulação de Ga no tampão de GaN, o papel da temperatura sobre InAlN homogeneidade de composição, e o uso de Ga de fluxo durante o intercalar AlN e o crescimento do canal de interrupção antes de GaN. De composição homogênea N-polar InAlN filmes finos são demonstradas com rugosidade da superfície-root-mean squared tão baixo quanto 0,19 nm e InAlN baseada em estruturas HEMT são relatados ter mobilidade tão alto quanto 1.750 ^cm2 / V ∙ seg para dispositivos com uma densidade de carga folha de 1,7 x 1013 ^cm-2.

Introduction

Epitaxia de feixe molecular (MBE) é uma técnica versátil crescimento epitaxial de película fina que emprega um ambiente de vácuo ultra-alto com pressões de bases tão baixas quanto 10 ^-11 torr para garantir a baixa incorporação de impureza na película de adulto. A taxa de crescimento e a composição das camadas epitaxialmente cultivadas são determinadas pelo controlo da temperatura de cada célula de efusão, e, assim, o fluxo evaporado dos vários materiais de base. No caso de epitaxia III-nitreto, o grupo III-elementos (In, Al, Ga) são tipicamente fornecidas por células de efusão de azoto enquanto o activo (N *) de fluxo é fornecido por quer um plasma de ^1,2 (de plasma de RF _N2 MBE -assisted:. PAMBE ou RFMBE) ou amônia (NH ₃ -MBE) ^3,4 crescimento MBE é caracterizada por temperaturas de crescimento mais baixas e mais nítida abruptness interfacial do que outras técnicas de crescimento epitaxial, como deposição de vapor químico metalorgânico ⁵ Um esquema é mostrado. na Figura 1.

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Figura 1:.. Sistema MBE esquema esquemático, mostrando a câmara de bloqueio de carga, sistema de transferência, a estação de liberação de gases e crescimento Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

III-nitretos podem ser cultivadas em substratos que possuem uma variedade de orientações cristalinas. A orientação mais utilizada é a C -Plane Ga-polar, o que permite a formação de um gás de electrões bidimensional sem dopagem, utilizando a diferença de polarização entre a camada de barreira, tipicamente AlGaN, e canal de GaN. Vários não-polar e semi-polares orientações de GaN têm recebido atenção significativa para optoeletrônica devido a efeitos de polarização reduzidas nos poços quânticos, ^6,7, que também faz com que essas orientações menos desejável para aplicação HEMTns. Dispositivos N-polares orientados são atraentes para a operação HEMT de alta frequência da próxima geração, devido a várias vantagens intrínsecas mais dispositivos Ga-polares convencionais. ⁸ A camada de barreira em dispositivos N-polares é cultivado por baixo do canal de GaN, como mostrado na Figura 2, resultando em uma barreira de volta natural que auxilia o controle eletrostática do canal e reduz os efeitos de canal curto, permitindo o acesso atual mais fácil para o canal de GaN e reduzir a resistência de contato. A barreira também pode ser controlada separadamente a partir do canal, de modo que, como a espessura do canal é dimensionada para baixo para dispositivos de alta frequência, o desenho de barreira pode ser modificado para compensar a carga de canal perdido para fixar nível de Fermi efeitos.

Figura 2:. Camada epitaxial esquemática a estrutura da camada de (a) um HEMT N-polar e (b) um HEMT Ga-polar para comparIson. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

HEMTs utilizado em alta velocidade, amplificadores de alta potência são normalmente cultivadas em substratos de SiC para tirar vantagem da alta condutividade térmica do SiC. Substratos de baixa densidade rosqueamento deslocamento independente GaN pode ser empregue para melhorar a mobilidade dos electrões, ^9, melhorando assim o desempenho de alta frequência. Após o crescimento de uma camada de nitreto de alumínio a nucleação, um tampão de GaN espessura é cultivado para separar espacialmente as impurezas na interface recrescimento do canal HEMT e melhorar o isolamento eléctrico. Ao contrário de outros materiais III-V, GaN crescido por PAMBE tipicamente necessita de condições de crescimento com uma proporção grupo-III / V maior do que 1, isto é, condições ricos em metais, ^10,11, a fim de alcançar uma morfologia de superfície lisa. Em _x Al _{1- x} N é um altermaterial de barreira nativo para HEMTs III-nitreto, e recebeu recentemente uma atenção significativa porque pode ser cultivada treliça combinados para GaN para x ≈ 0,18 e pode gerar mais de duas vezes a carga de canal em relação ao barreiras AlGaN devido sua alta polarização espontânea. ^12-15 Ao contrário barreiras AlGaN, Ga irá incorporar preferencialmente para In em camadas InAlN, ^16, portanto, cuidados devem ser tomados para garantir que a superfície está livre de Ga excesso após o crescimento da camada buffer de GaN Ga-ricos e prévia para o crescimento InAlN.

Controlo de GA na superfície pode ser conseguido por um fluxo suppling Ga ligeiramente menor do que o fluxo requerido para a formação de Ga-gota. No entanto, esta janela de crescimento é pequena, e insuficiente cobertura de superfície Ga fará com que a morfologia superficial de degradar em morfologia planalto / vala enquanto o excesso de fluxo Ga irá resultar na acumulação de Ga e a formação de gotículas macroscópica. ¹⁷ Reflexo de alta energia de difracção de electrões (RHEED) intens dade pode ser usada para monitorizar a acumulação de Ga e de dessorção. Ga cobertura da superfície é indicada por uma redução na intensidade RHEED, e qualquer intervalo de tempo entre o fechamento Ga (e N *) persianas e o aumento inicial da intensidade RHEED indica acumulação de Ga, como mostrado na Figura 3.

Figura 3: Monitorando a cobertura Ga com intensidade de sinal RHEED intensidade RHEED medido a partir padrão RHEED adquiridos ao abrigo de rotação usando aquisição desencadeada.. Ga fluxo insuficiente é indicado por um aumento imediato na intensidade depois de fechar os obturadores (não mostrado). cobertura Ga saturada / ideal é indicado por um atraso entre o fechamento do obturador e abrupta brilho RHEED e excesso de cobertura Ga em vista tanto como um atraso no brilho inicial RHEED, bem como um aumento da intensidade mais gradual, resultando em recuperação plena intensidade demorando mais do que 60 s.com / files / ftp_upload / 54775 54775fig3large.jpg "target =" / _ blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A realização de alta qualidade InAlN por PAMBE é complicado pela presença de flutuações de composição laterais, resultando em uma microestrutura "favo de mel" que consiste dos domínios Al-ricas rodeadas por fronteiras Em ricas. ¹⁸ Eliminação da microestrutura é conseguido usando uma temperatura do substrato de cerca de 50 ° C acima do início da na dessorção, ^15,19,20 ou cerca de 630 ° C durante InAlN N-polar. Neste regime de crescimento de alta temperatura, o in _x Al _{x 1-} composição N é uma forte função da temperatura do substrato, com temperaturas mais elevadas resultando em menor Na incorporação. O fluxo de Na pode ser aumentada para compensar Em perdida por evaporação, apesar de na prática, o máximo em fluxo é limitado por uma redução da eficiência de incorporação com o aumento no fluxo. ²¹ Para além de reduzir a temperatura do substrato ou do aumento no fluxo, aumentando a taxa de crescimento, também pode aumentar a composição No devido ao "efeito em enterrar", onde recebida Al átomos armadilha em e impedi-lo de evaporação. ^21,22 Superior as taxas de crescimento pode ser conseguido através do aumento do fluxo na e Al proporcionalmente. Para manter as condições de crescimento N-rico, o N * teria de ser aumentado, bem como, o que pode ser conseguido aumentando a potência de plasma de RF, aumentando a taxa de fluxo de _N2, a melhoria da concepção da câmara de plasma, ou o aumento do orifício da placa de abertura densidade.

camadas epitaxiais adicionais em HEMTs baseados em InAlN incluem GaN e AlN intercalares (ILS) e um canal de GaN. Um AlN IL inserido entre a barreira e o canal pode aumentar μ mobilidade assim como a folha do canal densidade de carga n _s. O aumento da mobilidade é atribuído à redução da onda de electrões função de sobreposição com a InAlN barrier e subsequente espalhamento liga. ⁹ para assegurar o crescimento do AlN de IL-alta qualidade, um excesso de Ga de fluxo é fornecido durante o crescimento para actuar como um agente tensioactivo. Um GaN IL pode ser utilizado entre o AlN e IL barreira para melhorar ainda mais a mobilidade, reduzindo o custo do canal. O canal de GaN pode ser cultivada na mesma temperatura que a barreira InAlN, permitindo o crescimento contínuo da barreira embora ILS e canal. mobilidade aperfeiçoado foi obtido por meio da interrupção de crescimento após o AlN IL e aumentando a temperatura de crescimento, antes crescendo o canal de GaN. Neste caso, uma cobertura de superfície Ga de protecção tem de ser mantida durante a interrupção para evitar a degradação da mobilidade.

O protocolo a seguir se aplica especificamente para HEMTs InAlN barreiras cultivadas em substratos de GaN N-polares. Ele pode ser directamente estendido para crescimento em substratos C-polar ou 4H- 6H-SiC, incluindo uma camada de nitreto de alumínio de 50 nm de espessura N-rico.

Protocol

1. efusão celular Ramp e Flux Calibração Confirmar N2 líquido está fluindo para os crio painéis e que a câmara de crescimento atingiu pressão base. Rampa até as células de efusão para a sua medição de fluxo de feixe de temperatura (MAB) a uma taxa de rampa de 1 ° C / segundo para Ga e nas células, e 10 ° C / min para o Al. Aguarde 1 hora para as células se estabilize termicamente. Abrir o obturador de cada célula para 30-60 segundos e, em seguida, fechar o obtu…

Representative Results

Difracção de raios-X (DRX) varreduras de InAlN mostrados filmes finos cultivadas em substratos de GaN N-polares na Figura 4 (a) são um pico único, tanto para películas 50 e 200 nm de espessura. A varredura DRX do filme InAlN nm de espessura 50 exibe Pendellösung franjas até 15 th ordem, indicando alta qualidade interfacial. O mapa de espaço recíproca assimétrica na Figura 4 (b) mostra que a camada InAlN nm de espessura 200 tem o mesm…

Discussion

Crescimento de uma camada tampão GaN de alta qualidade é fundamental para alcançar uma alta mobilidade de elétrons em qualquer HEMT III-nitreto. No caso de um N-polar InAlN HEMT, o crescimento da camada tampão é complicado devido à exigência de que todo o Ga ser removido da superfície antes de crescimento InAlN. Há uma variedade de técnicas para realizar isto, para além do processo descrito aqui, tal como metal modulado epitaxia, ^27, utilizando condições de crescimento na borda da cobertura Ga i…

Materials

Freestanding N-polar GaN wafer	Kyma		10 mm x 10 mm
C-polar SiC wafer	Cree	W4TRE0R-L600	3 inch diameter
Microelectronics grade acetone	Fischer Scientific	A18-4
Microelectronics grade isoproponal	J.T. Baker	9079-05/JT9079-5
Al source material (6N5 pure)	UMC	ALR62060I
Ga source material (7N pure)	UMC	GA701
In source material (7N pure)	UMC	IN750
ULSI N2 source gas (6N pure)	Matheson Tri-gas	G2659906D
PRO-75 MBE system	OmicronScientia