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Engineering

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

doi: 10.3791/54775 Published: November 24, 2016

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

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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.


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
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
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.

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Protocol

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1. efusão celular Ramp e Flux Calibração

  1. Confirmar N2 líquido está fluindo para os crio painéis e que a câmara de crescimento atingiu pressão base.
  2. 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.
  3. Abrir o obturador de cada célula para 30-60 segundos e, em seguida, fechar o obturador para 1-2 min. Repetir três vezes para cada célula. Rejeitar a primeira medição de nível de iões de fluxo de feixe e, em média, o segundo dois. Ajustar a temperatura da célula para atingir o fluxo desejado de acordo com calibrações fluxo / temperatura anteriores.

2. Substrato Preparação e Carregamento

  1. Ex limpeza substrato situ
    1. Carga epi-ready N-polar GaN substratos diretamente, sem qualquer limpeza ex situ. Se a bolacha foi exposto ao ar durante maisdo que algumas horas, lavar com acetona (30 seg), isopropanol (30 seg) e desionizada (DI) de água (60 seg). A lavagem é preferida a imersão, quando possível, uma vez que tende a deixar menos partículas sobre a superfície da bolacha.
      NOTA:. Para Ga-polar GaN substratos uma superfície mais rigorosa limpa é recomendado 23
  2. carga wafer
    1. Feche a válvula de porta de isolamento lock-carga e ventilação com N2.
    2. Carregar a bolacha no suporte e voltar a cassete para o bloqueio de carga. Ligue a bomba de desbaste de bloqueio de carga e abrir a válvula da bomba de desbaste e válvula do colector.
    3. Quando a pressão de admissão caiu abaixo de 0,1 Torr, fechar as válvulas da bomba múltiplas e desbaste. Desligue a bomba de desbaste e abra a válvula de isolamento da bomba turbo carga-lock.
    4. Permitir o bloqueio de carga para bombear para baixo por 30-60 min. Idealmente, usar uma pressão de bloqueio de carga 10 -6 -7 -10 torr antes de transferir para a câmara de preparação.
    5. Abrir a fechadura de carga para a câmara de preparação, e transferir o wafer ao carro usando a vara oscilação. Em seguida, use o carro para transferir o wafer para a estação de liberação de gases na câmara de preparação. Mover o carrinho manualmente ao longo de um trilho usando um canal de alimentação rotativo na câmara de preparação.
  3. outgas wafer
    1. Rampa a temperatura do aquecedor estação de saída de gás a 700 ° C ao longo de 10 min.
    2. Após 30 min, rampa a temperatura de volta para baixo para 100 ° C. Quando a temperatura é ≤ 250 ° C, transferir a bolacha de volta para o carrinho com a vara de oscilação na estação de saída dos gases.
  4. Carga da bolacha para a câmara de crescimento
    1. Abaixe o manipulador substrato para a posição de carga, abrir a válvula de porta câmara de preparação / crescimento e transferir o titular da bolacha para o manipulador.
    2. Elevar o manipulador para a posição de crescimento, perto do aquecedor substrato.
    3. Remova o carrinho e close a válvula de portão.
    4. Abra a válvula de N 2 válvula de garrafa, válvula reguladora ea agulha isolamento. Defina o controlador de fluxo de massa (MFC) para 1,5 sccm (ou conforme necessário para obter uma pressão de câmara de 3-4 x 10 -5 Torr). A pressão ideal para a ignição do plasma é fortemente dependente do sistema. Note-se que o N2 deve ser ultra-elevada pureza (de um modo preferido melhor do que 6N) e um filtro adicional é usado em linha para reduzir ainda mais as impurezas.
    5. Com o N * e principais janelas fechadas, ligue a fonte de alimentação RF plasma e controlador da rede de auto-matching. Aumentar a potência de RF até que o plasma inflama.
    6. Definir a potência de RF e o fluxo de N2 para as condições do processo desejadas, neste caso, de 350 W e 2,0 sccm. O N * fluxo resultante de dadas condições de plasma é dependente do sistema, mas aqui, estas condições produzem uma taxa de crescimento de GaN de 5,0 nm / min, ou um N * fluxo de 1,8 nm -2 seg -1. Monitorar a estabilidade do plasma com um espectrómetro ligado aojanela traseira da câmara de plasma.
  5. Na preparação da superfície situ: deposição de Ga e dessorção
    1. Rampa até o aquecedor de substrato a 10 ° C acima da temperatura de crescimento de GaN desejado com uma taxa de rampa de ≤1 ° C / seg. Neste caso, usar uma temperatura da bolacha estimada de 730 ° C.
    2. Ligue o sistema RHEED prestar atenção para a degradação da superfície do wafer e monitorar a cobertura Ga. Ligue manualmente a rotação do substrato. Configurar o software de aquisição de RHEED acionado para recolher um padrão RHEED uma vez por rotação substrato para fornecer uma imagem estática enquanto o substrato está a rodar durante o crescimento.
    3. Abra o obturador do substrato e do obturador Ga durante 1 min. Assegurar a intensidade RHEED diminui, em seguida, atinge um patamar tão Ga acumula. Ga fluxo deve ser semelhante ao utilizado para o crescimento de GaN. Aqui, o fluxo Ga é de aproximadamente, 3,7 nm -2 seg -1.
    4. Feche o obturador por 2 min e garantir a RHEEDintensidade aumenta e atinge um patamar antes do final da 2 min, indicando dessorção Ga.
    5. Repita os passos 2.5.2-2.5.4 três vezes, 24 e, em seguida, a rampa do substrato para a temperatura de crescimento de GaN.

Crescimento 3. HEMT

  1. crescimento tampão
    1. Iniciar o crescimento através da abertura do obturador * N por um 1 min nitretação.
    2. Crescer uma camada de AlN nucleação fina 1-3 nm rico-N, abrindo o obturador Al. Esta camada de nitreto de alumínio pode ajudar a prevenir a geração de deslocamento de segmento, 25 no entanto, a camada de nitreto de alumínio complica medições de difracção (DRX) de raios X e não é recomendado para amostras de calibração baseada em XRD. Utilizar o mesmo fluxo de Al como para a camada InAlN, ou cerca de 0,36 nm -2 seg -1, dando uma taxa de crescimento de aproximadamente 1 nm / min.
    3. Fechar o obturador Al e N * e imediatamente abrir o obturador Ga durante 10 seg para permitir Ga para saturar a superfície, a intensidade RHEED deve diminuir rapidly. Abra o obturador N * (com o obturador Ga ainda em aberto) e crescer 5 min de GaN. Use Seja ou C doping, especialmente para autônomo substratos Gan, para evitar correntes de fuga elétricos no buffer.
    4. Fechar as persianas Ga e N * para uma interrupção de crescimento de 1 min. Monitorar a intensidade RHEED. Se a intensidade RHEED aumenta imediatamente, então o fluxo Ga não é suficientemente elevada. Se a intensidade RHEED aumenta após> 30 seg ou não atingir um patamar dentro de 1 min, em seguida, o fluxo de Ga for muito elevada. Veja a Figura 3.
    5. Aumentar a temperatura do substrato por poucos graus (ou reduzir a temperatura da célula de efusão Ga) para compensar o elevado fluxo Ga visto em 3.1.4. Se o fluxo Ga foi muito baixa, diminua a temperatura do substrato (ou aumentar a temperatura da célula de efusão Ga) para compensar.
      1. Repetir Passos 3.1.3-3.1.5 até que haja um atraso de 15-30 seg antes da intensidade RHEED aumenta e a intensidade RHEED atinge um patamar antes de 1 min.
      Continue repetindo Passos 3.1.4-3.1.5 até que a espessura de GaN desejado seja alcançado. Determinar a espessura multiplicando o tempo total de crescimento de a taxa de crescimento calibrado. Para o crescimento Ga-rico, determinar a taxa de crescimento por N * de fluxo, o que por sua vez pode ser calculada usando DRX para medir a espessura de um tempo de crescimento conhecido de uma amostra de calibração cultivadas separadamente.
  2. Crescimento barreira InAlN
    1. Esperar um adicional de 1 min após o passo de crescimento de GaN final para garantir que todos Ga tenha evaporado.
    2. aumentar rapidamente até a temperatura de crescimento para aproximadamente InAlN 630 ° C. Permitir que a temperatura do substrato a estabilizar durante cerca de 2 min.
    3. Abra o IN, Al, e N * persianas. A intensidade RHEED deve diminuir até atingir um limite dentro dos primeiros 3 min. redução contínua da intensidade RHEED pode indicar acúmulo de Na, que é prejudicial para o crescimento InAlN. O padrão RHEED deve permanecer entremeadas, indicando uma superfície lisa. a In e fluxos Al são cerca de 0,31 e 0,36 nm -2 seg -1, dando uma taxa de crescimento limitada grupo-III de 1,25 nm / min.
    4. Feche o In, Al, e N * obturadores após a espessura da barreira desejada tenha sido atingida. Para o crescimento de N-rico, determinar a taxa de crescimento por o fluxo total do grupo III. Medir a taxa de crescimento por DRX de uma amostra de calibração InAlN cultivadas separadamente. Para uma 15 nm InAlN barreira usando as condições dadas aqui, abrir as persianas durante 12 min 30 seg.
  3. Crescimento Interlayer e canal
    1. Primeiro, abra o obturador Ga por 5 segundos, em seguida, abrir o N * obturador e crescer o intercalar GaN. A temperatura do substrato deve ainda estar na temperatura de crescimento InAlN.
    2. Abra o obturador Al sem fechar a Ga ou N * persianas para crescer o intercalar AlN. O fluxo de Al para a camada intermédia deve ser o mesmo ou ligeiramente maior do que o fluxo N *, de preferência usando uma célula diferente derrame Al, em seguida, que é utilizado para a camada de barreira InAlN, tO evitar ter de alterar a temperatura da célula. Veja o passo 3.2.4.
    3. Feche a N * e estores Al mas deixar o obturador aberto Ga. Rampa de a temperatura do substrato para a temperatura do canal de GaN.
    4. Depois de 30 segundos a fechar o obturador Ga. Aguarde 30 segundos (ou logo que a intensidade RHEED começa a aumentar) e volte a abrir o obturador Ga. Continuar para o ciclo do obturador Ga até que o substrato tenha atingido a temperatura de crescimento de GaN canal. Isto protegerá a superfície, evitando a acumulação excessiva Ga.
    5. Abra o obturador Ga por 5 segundos, em seguida, abrir o N * obturador e crescer o canal de GaN.
    6. Feche a Ga, N * e principais persianas. Rampa a temperatura do substrato até 200 ° C, desligue a * plasma N e desligar o fluxo de gás N 2.
    7. Rampa as células para baixo para suas temperaturas de espera se acabado para o dia.
    8. Esperar por a temperatura do substrato para diminuir abaixo de 250 ° C e a pressão da câmara caia abaixo de 8 x 10 -7 Torr e, em seguidaabrir a válvula de porta câmara de crescimento e transferir o suporte da bolacha de volta para o carrinho.
    9. Seguir o inverso do passo 2.2 para transferir a bolacha de volta para o bloqueio da carga, ventilação com N2 e remover a bolacha. Verifique se a válvula de porta câmara de crescimento é fechada antes de abrir a fechadura de carga, e que a bomba turbo válvula de porta de bloqueio de carga está fechado antes de ventilação.
    10. Siga os passos 2.2.3-2.2.5 para voltar a fita e carga de bloqueio para alto vácuo.

4. Caracterização

  1. Caracterizar a qualidade do material usando microscopia óptica para verificar se há buracos, rachaduras ou Ga-gotas que podem ter se formado durante o crescimento do canal, DRX para verificar a qualidade interfacial e estrutura, e AFM para verificar a morfologia da superfície. 20,21
  2. Se Ga-gotas estão presentes, mergulhar a bolacha no ácido HF concentrado durante 5-10 min para remover as gotículas sem danificar a superfície polar N-quimicamente sensível.
  3. Meça res folhaistance usando Lehighton medições de resistência sem contato.
  4. Processar a amostra para permitir a caracterização elétrica, incluindo medidas Hall e CTLM e DC e RF caracterização transistor. 9,26

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Representative Results

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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 mesmo q ‖, e, portanto, a mesma estrutura em plano constante à medida que o substrato de GaN, indicando crescimento totalmente coerente para uma camada InAlN razoavelmente espessa. A largura total a metade do valor máximo (FWHM) na direcção q é muito perto do mesmo para a camada de substrato e InAlN GaN, sugerindo que não há deslocamentos adicionais ou outros defeitos estruturais foram introduzidas na camada InAlN. A ampliação da camada InAlN em q é causada por coerência limitada lenGTH ampliação na camada InAlN relativamente fina.

As imagens AFM mostrados na Figura 5 compara dois em 0,18 Al 0,82 N camadas com composição semelhante cultivadas a 500 ° C e 630 ° C. Para conseguir a mesma composição, a razão de fluxo no / do grupo III foi aumentada de 0,18 a 500 ° C a 0,47 a 630 ° C. À temperatura de crescimento mais baixa, a superfície indica um modo de crescimento quase-3D, enquanto passos são vistos na amostra de 630 ° C, sugerindo crescimento passo-fluxo 2D. Micrografias eletrônicas de transmissão de apresentar uma eliminação da morfologia do favo de mel para In 0,18 Al 0,82 N amostras crescidas em alta temperatura 19,20.

Medições de XRD de estruturas completas HEMT N-polares InAlN-barreira cultivadas em substratos de GaN N-polares mostrados na Figura 6 (a) está em boa concordância com as simulações de DRX. As simulações são sensíveis a todosas diversas camadas, e tal acordo indica tanto de boa qualidade interfacial e um elevado grau de controlo sobre as espessuras das camadas individuais. As espessuras de AlN e GaN IL foram de 1,4 e 1,5 nm, respectivamente. Salão medições efeito resultar em μ medido = 1400 centímetros 2 / V ∙ seg, n s = 2,2 x 10 13 cm 2 e R s = 200 Ω / □.

N-polaridade para camadas epitaxiais cultivadas em substratos de GaN C-polares de SiC e N-polares foi confirmada por comparação da resistência de folha de estruturas de teste e estruturas HEMT completos. As amostras que têm somente uma camada InAlN cultivadas em GaN ou camada tampão de GaN / AlN foram altamente resistivo, indicando a ausência de um gás de electrões bidimensional. As amostras com um canal de GaN no topo da camada de InAlN mostram uma baixa resistência de folha 170-300 Ω / □ e evidências de um gás de electrões bidimensional em medidas Hall, confirmando orie N-polarntation.

Com base na caracterização de materiais iniciais, as amostras podem ser transformados em dispositivos HEMT. A primeira fase do processamento envolve o depósito de Ti / Al / Ni / Au (20/100/10/50 nm) contactos óhmicos por evaporação por feixe electrónico e tratamento térmico a 750 ° C durante 30 seg ambiente sob N2, seguido por isolamento dispositivo usando um Cl 2 / BCl 3 / Ar etch de plasma indutivamente acoplado. O espaçamento de dreno-fonte para os dispositivos discutidos aqui é de 5 uM. Neste ponto, estruturas de monitorização vários processos podem ser eletricamente testado, incluindo padrões de medição do comprimento de transferência lineares e circulares para os padrões da folha e de resistência de contato e efeito Hall para densidade de carga do canal e mobilidade. amostras selecionadas são então processadas para estruturas HEMT completos mediante depósito de 1 mm de comprimento, 150 mm de largura Pt / Au portões. HEMTs com a estrutura descrita acima epitaxial cultivados num substrato de GaN N-polar e fabricado com Pt / Au Portões Schottky mostra excelentes características de corrente contínua, com uma corrente máxima de 1,5 A / mm (para um espaçamento de fonte-dreno 5 uM e os contactos não optimizadas) e uma tensão de limiar de -1,6 V, conforme mostrado na Figura 6.

Figura 4
Figura 4:. DRX de filmes finos InAlN (a) 2θ / ω varreduras de XRD de difracção de 50 nm e 200 InAlN espessura filmes finos nm cultivadas em autoportante substratos N-polares e (b) um mapa de espaço recíproco DRX sobre a reflexão, mostrando o 200 camada InAlN nm de espessura tem o mesmo q coordenar e é, portanto, coerente com o substrato de GaN. por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 5:. AFM de filmes finos InAlN micrografias de AFM de In 0,18 Al 0,82 N amostras crescidas em (a) 500 ° C com uma proporção de In / grupo-III de 0,18 e (b) 630 ° C, com um in / grupo III rácio de 0,47. por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6
Figura. 6: XRD e de dispositivo resulta de uma HEMT InAlN (a) ω DRX / 2θ digitalizar sobre o 0002 reflexão de uma estrutura InAlN HEMT N-polar completo cultivadas em um substrato de GaN N-polar com espessuras de camada de inserção utilizados para gerar a simulação de XRD. . (B) curva de transferência HEMT e (c) IV curvas para o mesmo dispositivo, em (A) processed com um portão Pt / Au Schottky. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

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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 intermediário e regime de acumulação de gotículas Ga, 28 ou permitindo uma N contínuo * - fluxo para incorporar o excesso de Ga Ga quando o obturador é periodicamente fechada. 24

Uma interrupção de crescimento (para permitir Ga evaporação) é utilizada, neste caso, uma vez que reduz o desgaste dos obturadores implícitos em epitaxia modulado em metal, é tolerante a temperatura da bolacha não uniformidade, 29 e evita a ambiguidade no tempo de crescimento real (e espessura da camada ) tambéml como impede potencial de incorporação de impurezas, como resultado do uso de N * fluxo de incorporar a camada de Ga-molhamento. 24 Esta técnica resulta em entremeadas RHEED e superfícies lisas / interfaces com rms rugosidade <1 nm se o Ga-fluxo e crescimento correto / interromper vezes são utilizados. Além dos transientes RHEED descritos na Figura 3, insuficiente Ga-fluxo pode ser indicado por padrões RHEED irregular e uma superfície áspera (para as condições de N-ricos) ou entremeadas RHEED com uma morfologia de superfície áspera planalto / trincheira (por intermédio Ga-rico condições). 28

O tempo máximo de crescimento entre as interrupções é um pouco flexíveis, mas é limitado pela formação Ga-gota macroscópica. Uma vez gotículas coalescem e forma, eles são muito difíceis de evaporar completamente e RHEED brilho ainda pode ocorrer na presença de gotas de Ga, sugerindo uma superfície de forma incorrecta Ga-livre. tempos de crescimento de GaN de até 20 min entre as interrupções foram usadas para reduce desgaste do obturador. 29 Ga-gotas encontradas na superfície da bolacha após o crescimento pode ser proveniente de gotículas formadas durante o crescimento da camada de buffer (embora eles também podem formar sem consequências negativas significativas durante o crescimento do canal GaN). Macroscópicas Ga-gotas que se formaram durante o tampão pode causar Ga incorporação e / ou deslocamento de Na na camada de barreira InAlN, originando concentrações portadoras reduzida e / ou fissuras da camada de barreira, devido à tensão, o que é mais grave, em regiões de baixa temperatura da pastilha.

Crescimento interrompe no ou perto do canal pode causar degradação severa dispositivo para HEMTs. No entanto, se Ga-fluxo é periodicamente fornecidos e deixou-se dessorver durante a interrupção, a degradação em mobilidade pode ser evitada e a interrupção pode ser usado para elevar o substrato a uma temperatura de crescimento superior mais favorável para GaN crescimento. 15 Usando esta técnica, a mobilidade foi aumentado em cerca de 150 centímetros

Nós demonstramos um método para crescer polar-N HEMTs InAlN barreiras de alta qualidade. Em situ deposição Ga e dessorção é utilizado para preparar uma superfície limpa para o crescimento epitaxial. A estrutura de camadas epitaxiais HEMT incorpora uma camada InAlN-barreira com composição homogênea, AlN e GaN intercalares para controlar canal de densidade de carga e mobilidade, e um procedimento de crescimento do canal GaN com uma rampa de temperatura que podem otimizar ainda mais a mobilidade. PAMBE e os procedimentos aqui descritos são amplamente aplicável a epitaxia III-nitreto, incluindo RF e de alta potência eletrônica e optoeletrônica visível-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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assistido por plasma Molecular Beam Epitaxy de N-polar InAlN barreiras Transistores de alta electron-mobility
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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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