Waiting
Login processing...

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

Engineering

Fabrikasjon av Schottky dioder på Zn-polar BeMgZnO/ZnO Heterostructure vokst med Plasma-assistert krystallets strålen Epitaxy

Published: October 23, 2018 doi: 10.3791/58113
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1
1Department of Electrical and Computer Engineering, Virginia Commonwealth University

Summary

Oppnåelse av høy kvalitet Schottky kontakter er viktig for å oppnå effektiv gate moduleringshjul i heterostructure feltet effekt transistorer (HFETs). Vi presenterer fabrikasjon metoder og egenskaper Schottky dioder på Zn-polar BeMgZnO/ZnO heterostructures med høy tetthet to dimensjonale elektron gass (2DEG), vokst med plasma-assistert krystallets strålen epitaxy på GaN maler.

Abstract

Heterostructure feltet effekt transistorer (HFETs) bruker en to-dimensjonale elektron gass (2DEG) kanal har et stort potensial for høy hastighet enhet søknader. Sink oksid (ZnO), en halvleder med bred bandgap (3,4 eV) og høy elektron metning hastighet har fått stor oppmerksomhet som en attraktiv materiale for høyhastighets enheter. Effektiv gate modulasjon, men krever høy kvalitet Schottky kontakter på barriere laget. I denne artikkelen vi presenterer vår Schottky diode fabrikasjon prosedyre på Zn-polar BeMgZnO/ZnO heterostructure med høy tetthet 2DEG som oppnås gjennom belastning modulering og innlemmelse av noen få prosent være i den MgZnO-baserte barrieren under vekst av molekylær strålen epitaxy (MBE). For å oppnå høy krystallinsk kvalitet, brukes nesten gitter-matchet høy-resistivitet GaN maler vokst med metall-organisk kjemiske damp avsetning (MOCVD) som underlaget for påfølgende MBE veksten av oksid lagene. For å få nødvendige Zn-polaritet, forsiktig overflatebehandling av GaN maler og kontroll over VI/II forholdet under veksten av lav temperatur ZnO nucleation lag er utnyttet. Ti/Au elektroder tjene som ohmsk kontakter og Ag elektroder avsatt på O2 plasma forbehandlet BeMgZnO overflaten brukes for Schottky kontakter.

Introduction

Heterostructure feltet effekt transistorer (HFETs) basert på to dimensjonale elektron gass (2DEG) har en lovende potensial for programmene i høy hastighet elektroniske enheter1,2,3. Sink oksid (ZnO) som en bred bandgap (3,4 eV) halvleder med høy elektron metning hastighet har fått stor oppmerksomhet som en plattform for HFETs4,5. Konvensjonelt brukte barriere materiale MgZnO Ternær nødvendiggjøre en svært høy Mg-innhold (> 40%) vokst på lav substrat temperaturer (300 ° C eller lavere)6,7, og slik disse strukturene er tilbøyelig til å svekke under høy effekt operasjoner under termiske behandlinger, selv om uønskede kostnad tettheten i barrieren er lav nok for gate modulering. For å omgå dette problemet, har vi foreslått og vedtatt BeMgZnO barriere, der belastningen påloggingsprogrammet barrieren kan slås fra kompresjons å strekk via inkorporering av beryllium (Be), gjør den spontane og piezoelectricpolarizations til være additiv. Som et resultat, oppnås høy 2DEG konsentrasjon med relativt moderat Mg-innhold. Bruker denne tilnærmingen, høy 2DEG tettheter er observert i plasmon-LO phonon resonans (~ 7 × 1012 cm-2) i BeMgZnO/ZnO heterostructures mens Mg innholdet nedenfor er 30% og være innhold er bare 2 ~ 3%8.

Dens lignende krystall symmetri, UV og synlig lys åpenhet, er robust fysiske og kjemiske egenskaper og rimelig, c-plane sapphire viden ansatt for epitaxy GaN og ZnO. Takket være den bemerkelsesverdig fremgangen i vekst teknologi av GaN-baserte elektroniske og Optoelektronisk enheter på saphhire, kan høy kvalitet GaN maler lett produseres på safir underlag med AlN eller lav temperatur (LT) GaN buffer, til tross for dens store gitteret mellom 16% med safir9. Epitaxial vekst av ZnO, som har en enda større i flyet gitter mellom 18% med safir, er relativt godt forstått for O-polar variasjon, mens veksten av Zn-polar materiale i todimensjonale modus ikke er godt etablert. På grunn av moderat gitter misforholdet på 1,8% er epitaxy av ZnO på GaN et attraktivt alternativ.

Både MOCVD og MBE er de mest vellykkede semiconductor deponering teknikkene for fabrikasjon høykvalitets tynne filmer og heterostructures med høy reproduserbarhet. Hovedgrunnen til at MBE er mindre populært enn MOCVD for epitaxy av GaN er kostnad og utilstrekkelighet for masseproduksjon. Veksten i GaN av MOCVD kan være flere micrometers per time, og flere titalls 2 tommers (50 mm) diameter wafere eller de så stort som 6-8" kan dyrkes i en kjøre9. Her, vedta vi også MOCVD for veksten av GaN i vår undersøkelse. For veksten av ZnO-baserte heterostructures, men realisert flere rapporter om dannelsen av 2DEG av MBE for tiden før kommersialisering av potensielle programmer10,11,12. Vi har nylig utviklet MBE veksten av høy kvalitet ZnO heterostructures med en nøyaktig kontroll av overflaten polaritet på Ga-polar GaN maler13. Det ble funnet at med Zn pre-eksponering behandling, ZnO lag så vokst utstilt Zn-polaritet når nucleated med lav VI/II prosenter (< 1.5), mens de nucleated med VI/II forhold over 1,5 utstilt O-polaritet. For å unngå parallelle ledningsforstyrrelser kanal gjennom GaN maler, vi adoptert karbon kompensert semi isolerende GaN MOCVD vokst under lavt trykk forhold på AlN buffer for påfølgende veksten av ZnO-baserte HFET strukturer.

Før våre arbeidet14, har det vært noen rapporter på etterforskning av Schottky dioder på BeMgZnO/ZnO heterostructures. Flere studier har rapportert på Schottky kontakter til MgZnO15,16, f.eks., med en ideality faktor av 2.37, en barriere høyde på 0.73 eV og korrigering forholdet bare 103 15. Ulike Schottky metaller er brukt for ZnO17, og blant dem, sølv (Ag) er allment vedtatt, på grunn av en relativt høy Schottky barriere høyde på 1.11 eV på bulk ZnO med en ideality faktor 1,08 18.

I dette arbeidet, har vi som mål å utvikle høy kvalitet Schottky dioder for applikasjoner i ZnO-baserte høyhastighets HFET enheter. Følgende protokollen gjelder spesielt fabrikasjon av Ag/BeMgZnO/ZnO Schottky dioder av e-beam fordampning av Ag på BeMgZnO/ZnO heterostructures vokst med plasma-assistert MBE på MOCVD avsatt GaN maler.

Protocol

1. vekst og utarbeidelsen av GaN mal for MBE vekst

  1. Veksten av semi isolerende GaN mal ved MOCVD
    1. Kontroller at sluseventil isolere belastning-lock kammeret fra reaktoren er stengt. Vent belastning-låsen med N2 til lufttrykk. Åpne belastning-låsen å ta ut holderen substrat.
    2. Laste 2-tommers safir underlaget på holderen og Plasser holderen inn Last låsen. Pumpen ned belaste-lock trykket ned 2,5 × 10-2 Torr av en mekanisk tørr pumpe.
    3. Vent belastning-låsen med N2 å utjevne trykket med det i reaktoren chamber (15 Torr).
    4. Åpne belastning-lock Avstengningsventil-gate og laste holderen inn prøven holderen samlingen i reaktoren. Slå på rotasjon motoren og sett substrat-holderen rotasjonshastigheten på 100 rpm. Lukk sluseventil.
    5. Kontroller at kjølevann kjører, begge H2 og NH3 tilbudet er tilstrekkelig, masse flow kontrolleren (MFC) og kontroller (PC) målingene er de samme som i setpoints, og underlaget holderen roterer.
    6. Bytte system gassen fra N2 H2. Slå på i situ optisk refleksjon skjermen.
    7. Starte veksten ved å starte filen oppskrift, som forhåndsinstallerer alle vekst parametere inkludert en gradvis substrat temperaturer, gass flyt priser og reaktoren press og bytte av ventiler.
    8. Rampe opp reaktoren presset til 30 Torr i 3 minutter og underlaget temperaturen 1055 ° c til desorb gjenværende forurensing fra substrat overflate for 3 min i H2 miljø.
    9. Senke substrat temperaturen 941 ° c for nucleation og vekst av lav temperatur (LT) AlN buffer laget.
    10. Stabilisere trimethylaluminum (TMAl) flyten som 12 standard kubikkcentimeter per minutt (sccm) og ammoniakk (NH3) flyt som 7 sccm, og underlaget temperaturen i 3 minutter.
    11. Starte veksten av LT-AlN laget ved å bytte TMAl fra vent å kjøre linjen.
    12. Kontroller tykkelsen på LT-AlN laget ved hjelp av en spesialbygd Reflektivitet målesystem, som inneholder en laserdiode av 637-nm, en p-Jeg-n Si photodetector og en Labview-basert programvare. Bestemme veksten fra perioden Reflektivitet svingninger19,20. I valgte prøver, bruke cross-sectional skanning elektronmikroskop og overføring elektronmikroskop bilder for å bekrefte nøyaktigheten av i situ overvåking.
    13. Holde vekst for 6 min å nå en tykkelse på ~ 20 nm, så rampen opp substrat temperaturen til 1100 ° C i 3 minutter uten en vekst avbrudd og fortsette veksten av AlN lag til en tykkelse på 300 nm, som overvåkes av utviklingen av oscillation av i s ITU optisk refleksjon.
    14. Bytter TMAl fra løpe til ventilen og deretter til inaktiv linje å stoppe AlN veksten. Stabilisere strømningen trimethylgallium (TMGa) på 15.5 sccm, oppstart NH3 tilflyte 7000 sccm og stabilisere seg 1 min. rampen opp reaktoren presset til 76 Torr i 1 min. rampen opp substrat temperaturen 1107 ° c i 1 min.
    15. Nucleate og vokse et GaN utvinning lag med en tykkelse på ~ 400 nm, mens overvåking Reflektivitet utviklingen. Utgangspunktet utstillinger Reflektivitet en skarp nedgang når GaN øyene nucleate på AlN overflaten og deretter gjenoppretter intensiteten til det opprinnelige nivået tilsvarer en atomically flat overflate når øyene koaliserer.
    16. Rampe opp underlaget 1124 ° C i 2 min. vokse høy temperatur semi isolerende GaN lag med en tykkelse på ~2.5 mm. stoppe veksten ved å bytte TMGa fra løpe til ventilen og deretter til inaktiv linje.
    17. Avkjøl underlaget romtemperatur over en 40 min periode.
    18. Senke reaktoren presset til 15 Torr løpet 1,5 min.
    19. Fjern underlaget fra reaktoren ved å følge den motsatte prosedyren i trinn 1.1.1-1.1.4.
  2. GaN mal forberedelse og lasting til MBE reaktor
    1. Klipp 2-tommers GaN malen i 6 like pie-formede biter ved hjelp av en diamant scriber.
    2. Forberede Kongevann syre løsning innenfor den syre avtrekksvifte legger til salpetersyre (HNO3, 68.0-70.0 w/w%, 50 mL) i saltsyre (HCl, 36,5-38.0 w/w%, 150 mL) sakte i en kvarts kanne.
    3. Kongevann begeret oppføre en kokeplate med en temperatur på 220 ° C.
    4. Etter en oransje/og gassboblene, nyt en pai-formet GaN mal i løsningen og koke den for 10 min.
    5. Skyll GaN malen i kjører de-ionisert (DI) vann i 3 minutter.
    6. Suge GaN malen i HCl (36,5-38.0 w/w%):H2O løsning (1:1) i 3 min fjerne Ga oksid.
    7. Skyll GaN malen i rennende DI vann i 5 min.
    8. Tørr malen med N2 gass.
    9. Satte renset GaN malen på en Mo og laste det inn MBE belastning-lock kammeret umiddelbart.
    10. Begynne å pumpe ned belaste-låsen av en mekanisk tørr pumpe.

2. MBE veksten av BeMgZnO/ZnO Heterostructures

  1. Utarbeidelse av effusjon cellene
    1. Etter pumping ned belaste-låsen 1t, starte utarbeidelse av Zn, Mg, være effusjon celler. Angi øverst sonen temperaturen på dobbel-sonen Zn cellen 525 ° c med en gradvis rate på 17 ° C/min, vent 5 min deretter rampe ned 515 ° C med en gradvis rate på 5 ° C/min. sett Mg celle temperaturen 570 ° c med en gradvis rate på 15 ° C/min , etter å ha nådd settpunkt, vente på 10 min så rampen Mg cellen til 300 grader C. Angi den være celle temperatur 900 ° c med en gradvis rate på 10 ° C/min, etter å ha nådd settpunkt, vente på 3 min så rampen cellen til 650 ° C.
    2. Etter 30 min, angi lavere sonen temperaturen på dobbel-sonen Zn cellen 360 ° c med en gradvis rate på 10 ° C/min.
    3. Etter pumping ned belaste-låsen for 2t å nå et trykk på ~ 5 × 10-7 Torr, slå på refleksjon strømkrevende elektron Diffraksjon (RHEED) systemet, og laste GaN malen i MBE kammeret.
    4. Justere vinkelen på malen GaN ved roterende manipulatoren for å overvåke RHEED mønster utviklingen langs [1-100] asimut retningen.
    5. Angi lavere sonen temperaturen på dobbel-sonen Zn cellen 355 ° c med en gradvis rate på 10 ° C/min.
  2. Polaritet kontroll av ZnO GaN og vekst av LT-ZnO buffer
    1. Rampe opp substrat temperaturen 615 ° c med en gradvis rate på 13.6 ° C/min å desorb de gjenværende forurensing fra substrat overflate i 15 min.
    2. Senke substrat temperaturen fra 615 280 ° c med en gradvis rate på 13.6 ° C/min for veksten av LT-ZnO. Når temperaturen når 550 ° C, åpne lukkeren til cellen Zn å utsette GaN mal overflaten med Zn flux. Slå på O2 plasma strømforsyning, sette makt som 100 W, og kontroller for å kontrollere at O2 gassledning er stengt.
    3. Når temperaturen når 280 ° C, satt O2 plasma kraften til 400 W, sett O2 strømningshastighet til 0,3 sccm antennes plasma deretter redusere O2 infusjonshastigheten til 0,25 sccm.
    4. Vente 1 min og åpne O2 skodde for å starte veksten av LT-ZnO buffer lag.
    5. Registrere et RHEED mønster hver 5 min. Etter å ha vokst i ca 15 min tilsvarer buffer tykkelse på ~ 20 nm, når RHEED mønsteret endres fra striper (2D-modus) til elliptiske flekker (3D-modus), nær både Zn og O2 skodder å stoppe veksten.
    6. Angi O2 flow rate til 0,4 sccm, og angi substrat temperaturen 730 ° c med en gradvis rate på 13.6 ° C/min å anneal LT-ZnO buffer laget. Angi lavere sonen temperaturen på dobbel-sonen Zn cellen 345 ° c med en gradvis rate på 10 ° C/min for vekst i HT-ZnO lag.
    7. Når substrat temperaturen når set-punkt på 730 ° C, vent 5 min og kontrollere ZnO overflaten av RHEED. Når RHEED mønsteret transporter fra 3D til 2D, stoppe annealing av gradvis ned substrat temperaturen til 700 ° C.
  3. Veksten av høy temperatur ZnO lag
    1. Når substrat temperaturen når 700 ° C og stabiliserer, øke O2 infusjonshastigheten til 3,2 sccm.
    2. Starte veksten av HT-ZnO lag ved å åpne både Zn og O2 skodder samtidig.
    3. Vokse HT-ZnO laget i ~ 140 min å nå en tykkelse på ~ 300 nm. Registrere RHEED mønstre flere ganger under veksten å bekrefte 2D vekst modus.
    4. Stoppe veksten av HT-ZnO lag ved å lukke både Zn og O2 skodder samtidig.
  4. Veksten av BeMgZnO barriere
    1. Sett O2 flow rate til 0,3 sccm, sette den cellen temperatur 820 ° c med en gradvis rate på 10 ° C/min, settes Mg celle temperaturen 510 ° c med en gradvis hastighet på 15 ° C/min, og angi substrat temperaturen 325 ° c med en gradvis rate 13.6 ° C/min for veksten av BeMgZnO barrieren.
    2. Når substrat temperaturen stabiliserer, øke O2 infusjonshastigheten til 1,25 sccm, og starte veksten av samtidige åpne Zn, Mg, være, og O2 skodder.
    3. Vokse BeMgZnO barriere laget i ~ 12 min å nå en tykkelse på ~ 30 nm. Posten RHEED mønstre flere ganger under veksten å overvåke vekst modus utviklingen.
    4. Stoppe veksten av BeMgZnO lag ved å lukke Mg og være nedleggelse, samtidig Zn og O2 lukkeren åpen for 1 min å ha en ~ 2 nm tykt ZnO cap lag.
    5. Fullføre veksten ved å lukke både Zn og O2 skodder.
    6. Senke substrat temperaturen til sin standby temperatur 150 ° C. Redusere O2 infusjonshastigheten til 0,25 sccm.
    7. Når substrat temperaturen er under 250 ° C, redusere O2 plasma kraften til 100 W, slå av O2 plasma strømforsyning, redusere infusjonshastigheten O2 0, lukke O2 gassledningen og kjøle ned celle temperaturen til standby forhold.
    8. Vent til underlaget temperaturen å nå standby temperaturen 150 ° C, åpne vekst kammer gate ventilen og losse wafer abonnenten til belastning-lock kammeret.
    9. Vent til belastning-lock kammeret N2 gass og ta ut utvalget.

3. karakteristikk

  1. Omtrent måle tykkelsen på prøven ved hjelp av et trinn-profiler, gjennom dekket området på kanten av prøven.
  2. Evaluere tykkelse, belastning og strukturelle kvaliteten på heterostructure ved hjelp av høy oppløsning X-Ray Diffraksjon (HRXRD) (2q-w skanner (0002) refleksjon).
  3. Kutt prøven i 5 × 5 mm2 kvadrat ved hjelp av en diamant scriber. Undersøke egenskapene elektronisk prøven ved hjelp av temperaturmålinger avhengige Hall effekten i van der Pauw geometri, med indium (i) prikker som kontakt elektroder.
  4. Kontrollere overflaten morfologi ved hjelp atomic force mikroskopi (AFM).

4. fabrikasjon Schottky dioder

  1. Fabrikasjon av ohmsk kontakter på BeMgZnO/ZnO heterostructures
    1. Avfette prøven (~ 20 × 20 mm2 i størrelse) med aceton i en ultrasonisk renere i 5 min, etterfulgt av rengjøring med metanol i ultrasonisk renere i 5 min skylling i DI vann i 5 min og blåse tørt med N2.
    2. Spin pels photoresist med 1000 rpm 3 r og deretter 3000 rpm for 30 s.
    3. Myk bake photoresist ved 100 ° C for 140 s.
    4. Utsett med UV lys gjennom ohmsk kontakten maske på 6,5 mW UV lampen strøm 2,38 min på klima og jordsmonn maske aligner.
    5. Innlegget bake photoresist på 110 ° C for 80 s.
    6. Utvikle en utvikler for 60 s med risting frekvens på 1/s.
    7. Skyll i DI vann i 3 minutter, og blåse tørt med N2.
    8. Belaste prøven i elektron strålen fordamperen.
    9. Uten oppvarming prøven, innskudd Ti/Au med en tykkelse på 30/50 nm, målt kvartskrystall tykkelse Monitor.
    10. Lift-off i aceton, etterfulgt av rengjøring i metanol i 5 min, skylling i DI vann i 5 min og blåse tørr med N2.
    11. Anneal kontakten av rask termisk annealer (RTA) ved 300 ° C for 30 s.
    12. Sjekk kontakten motstand gjennom overgangen linje modell (TLM) måler21.
  2. Fabrikasjon av Schottky kontakter på BeMgZnO/ZnO heterostructures
    1. Følg trinn 4.1.1-4.1.7 for klima og jordsmonn Schottky kontakt.
    2. Behandle eksempel overflaten med ekstern O2 plasma i 5 min med en O2 flyt av 35 sccm og en RF power 50 W.
    3. Følg trinn 4.1.8-4.1.10 ham AG med en tykkelse på 50 nm.
    4. Karakterisere innhentet strukturen av IV mål for Schottky dioder17.

Representative Results

Venstre kolonne på figur 1 viser utviklingen av RHEED mønster registrert langs [1-100] asimut retningen under MBE veksten av en være0,02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure med et 300 nm tykt HT-ZnO lag og 30 nm tykk være0,02 Mg0.26ZnO barriere. Den høyre kolonnen viser representant overflate morphologies i ulike vekst stadier (ikke fra samme utvalget). Som dokumentert fra utseendet på en flekkete RHEED mønster, er LT-ZnO buffer laget tredimensjonale (3D) øya vekst modus natur. Dens overflate morfologi ble forbedret ved annealing termalbehandling ved en temperatur over 700 ° C. Det er tydelig at overflaten forvandlet fra 3D til 2D morfologi. Etterfølgende HT-ZnO laget fortsetter å vokse i et 2D-modus, etterfulgt av 2D veksten av være0,02Mg0.26ZnO laget uten dannelsen av en fase. AFM målinger vist at malen GaN har en root-betyr-torget (RMS) råhet av 0.28 nm 5 × 5 μm2 skanning. En glatt overflate med en RMS grovheten på 0,35 nm oppnås for HT-ZnO laget uten en barriere ved vokser under O-rik tilstand og en RMS råhet 0.45 nm er observert etter veksten av BeMgZnO barriere.

HRXRD trippel-akse 2θ-ω søke etter en typisk Zn-polar være0,02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure med et 300 nm tykt HT-ZnO lag, og en 50 nm tykk være0,02Mg0.26ZnO barriere lag er vist i figur 2. Refleksjoner på 34.46 o, 34.54 oog 34.75 o samsvarer med (0002) refleksjoner av ZnO, GaN, og være0,02Mg0.26ZnO, henholdsvis. Merk at utvidelse av refleksjon fra være0,02Mg0.26ZnO skyldes sin tykkelse. Strekk biaxial belastningen i ZnO laget er en indikasjon på den Zn-polar heterostructure, som undersøkte i våre tidligere studie13. Være Mg innholdet i BeMgZnO Kvaternær ble beregnet fra Bragg vinkelen på XRD (0002) refleksjon og utslipp Foton energi i LT-photoluminescence (LT-PL) spektrum målt på 13 K (vises ikke).

Figur 3 viser resultatene av temperaturen-avhengige Hall effekten mål for en være0,02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure. Ark carrier konsentrasjonen redusert fra 8,8 × 1012 cm-2 6.4 × 1012 cm-2 når prøven var avkjølt fra rom temperatur (293 K) til ca 100 K. Med videre nedkjøling til 13 K, ark carrier konsentrasjonen saturates 6.2 × 1012 cm-2. Dette funnet manifesterer at den observerte reduksjonen i elektron konsentrasjon er opprinnelig fra bidrag fra parallell ledning kanaler som inkluderer defekt nucleation lag og HT-ZnO lag samt være0,02Mg0.26ZnO barriere, eventuell. Denne trenden er også rapportert for MgZnO/ZnO heterostructures10,22. Elektron mobilitet i den være0,02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure monotonically øker med minkende temperatur; både 293 K mobilitet i 206 cm2/Vs og 13 K mobiliteten i 1550 cm2/Vs er sammenlignbare med verdiene i litteratur22,23. Utviklingen av elektronisk egenskapene som en funksjon av temperatur klart indikerer tilstedeværelse av 2DEG på det være0,02Mg0.26ZnO/ZnO heterointerface.

Figur 4 viser nåværende-spenning (IV) kurver målt ved romtemperatur for fire representant Ag / være0,02Mg0.26ZnO/ZnO Schottky dioder med en Schottky område av 1.1 × 10-4 cm2 i en wafer. Fremover strøm øker eksponentielt med anvendt spenning til 0,25 V, utover som spenningen faller serien motstand bli tydelig. Det høyeste Schottky barriere høyden av Φap av 1,07 eV ble oppnådd med et ideality faktor n av 1,22. Retting prosenter av ca 1 × 108 oppnås ved å bruke gjeldende målt på V= ± 2 V.

Figure 1
Figur 1. Overflaten karakterisering. Venstre kolonne viser RHEED mønstre tatt langs [1-100] asimut retningen under MBE veksten av en0.02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure, og høyre kolonne presenterer de overflaten morphologies av malen GaN, HT-ZnO laget, og være 0.02Mg0.26ZnO lag målt ved AFM. LT-ZnO buffer teknologi gjør 2D-modus vekst av høy kvalitet ZnO heterostructures på lav gitter-Feilkoblede GaN maler. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2. HRXRD av heterostructure. HRXRD trippel-akse 2θ-ω skanning av en typisk Zn-polar være0,02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure med en 50 nm tykk være0,02Mg0.26ZnO barriere lag. Refleksjoner på 34.46 o, 34.54 oog 34.75 o samsvarer med (0002) refleksjoner av ZnO, GaN, og være0,02Mg0.26ZnO, henholdsvis. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3. Elektronisk egenskapene til heterostructure. Temperatur avhengigheter ark carrier tetthet og electron mobiliteten av en Zn-polar være0,02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4. Schottky dioder. Typisk IV kjennetegner fire representant Ag / måles0,02Mg0.26ZnO/ZnO Schottky dioder ved romtemperatur. Likheten av fire IV kurver viser høy i wafer ensartetheten i utvalget. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Inkorporering av BeO MgZnO til kvartær BeMgZnO gir muligheten for å justere omfanget og tegn på belastninger i Kvaternær og dermed øker 2DEG tetthet8. Representant resultatene viser at den være0,02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure resulterer i en 2DEG tetthet nær den ønskede plasmon-LO phonon resonans elektron tetthet (~ 7 × 1012 cm-2)24. Selv om elektron mobilitet av heterostructure er sterkt avhengig av parameterne MBE vekst som substrat temperatur og VI/II forholdet mellom både HT-ZnO og BeMgZnO barriere laget, 2DEG tetthet er svakt avhengig vekst betingelsene og i hovedsak bestemt av det være og Mg-innhold i barrieren.

GaN mal brukes for veksten av BeMgZnO/ZnO heterostructures med krystallinsk kvaliteten på grunn av manglende samsvar moderat gitteret på 1,8% mellom GaN og ZnO, sammenlignet med store gitteret mellom 18% mellom safir og ZnO. For å unngå noen ledende parallelle kanaler, er det avgjørende å ha høy motstand i MΩ/square området for malen GaN. I vårt tilfelle oppnås dette ved vokser til et lite kammer trykk 76 Torr å forbedre karbon erstatning. For å sikre kontrollen polaritet i BeMgZnO/ZnO heterostructures (Zn-polaritet), er forsiktig overflatebehandling av GaN malen uunnværlig. Noen oksidasjon eller forurensning introdusert under utarbeidelsen på GaN overflaten vil indusere Zn - og O-mix-polaritet i heterostructures selv determinant VI/II forholdet < 1.5 er oppfylt.

Noen kjemisk reaksjon mellom metall og halvleder, tilstedeværelse av overflaten forurensning, stater, defekter i overflaten, og spredningen av metall i halvleder er vanlige problemer innen fabrikasjon av Schottky kontakter. En rekke metoder er rapportert i litteraturen for å utarbeide overflaten av ZnO Schottky kontakt fabrikasjon. Blant dem er etsing i HCl (eller andre syrer), fysisk etsing med Ar+, UV-ozon rengjøring, behandling i H2O2, og O2 plasma (eller blanding med han)25,26,27, 28. etsing prosedyrene mål for fjerning av en overflate laget med tykkelse et alt fra et par nanometers til mikron og derfor kan ikke brukes for HFET enheter. UV-ozon rengjøring eller O2 plasma prosedyren fjerner bare overflatelag. Derfor er det godt egnet for forbehandling av våre BeMgZnO/ZnO heterostructures.

Schottky kontakter er vanligvis oppnås ved å sette inn en høy funksjon metall som Pd, Pt, Ir, etc. Derimot har Ag en lav funksjon av 4.26 eV. Likevel kan enheter bruker Ag elektrode vise rette opp problemet på grunn av dannelsen av et grensesnitt sølv oksid lag skyldes delvis oksidasjon av Ag med oksygen fra ZnO matrisen. Så dannet og laget er gjennomsiktig for elektroner og har høyere funksjon i forhold til Ag. Raju et al. har rapportert arbeid funksjoner rundt 5,5 eV siden vokst med pulsed laser avsetning (PLD), som er 1,3 eV høyere enn Ag, og karakteristisk for Pd, Pt og Ir29. Våre resultater viser at den Ag elektroden (med O2 plasma forbehandling på overflaten av ZnO heterostructure) er et lovende kontakt metall for dannelsen av Schottky dioder.

Vi har vist en metode for å fabrikere høykvalitets Schottky kontakter ZnO-baserte HFETs. MOCVD vokst GaN mal med forsiktig forbehandling like før MBE vekst og en lav VI/II < 1.5 under ZnO nucleation sikre Zn-polar retningen på ZnO-basert heterostructures med høy kvalitet. MOCVD er en brukte modne teknikk for epitaxy av GaN til forskjellige søknadene. MBE fremgangsmåten som er beskrevet i dette arbeidet angir combinability MOCVD og MBE teknikker og GaN og oksid halvledere til elektroniske enheter. Innlemmelse av en liten mengde være i BeMgZnO barriere lag resultatene i HFETs med høy 2DEG tetthet, høy elektron mobilitet og høy temperaturstabilitet, for forbedret høyhastighets ytelse.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av Air Force Office av vitenskapelig forskning (AFOSR) under Grant FA9550-12-1-0094.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
MOCVD Emcore custom-built
MBE SVT Associates
TMAl SAFC CAS: 75-24-1
TMGa SAFC CAS: 1445-79-0
NH3 The Linde group CAS: 7664-41-7
H2 National Welders Supply Co. supplier part no. 335-041 Grade 5.0
O2 National Welders Supply Co. supplier part no. OX 300 Industrial Grade Oxygen, Size 300 Cylinder, CGA-540
Mg Sigma-Aldrich Product No.: 474754-25G MAGNESIUM, DISTILLED, DENDRITIC PIECES, 99.998% METALS BASIS
Be ESPI Metals Stock No. K646b Beryllium pieces, 3N
Zn Alfa Aesar, Thermo Fisher Scientific Chemicals Inc. Product No.: 10760-30 Zinc shot, 1-6mm (0.04-0.24in), Puratronic, 99.9999%
Au Kurt J. Lesker part no. EVMAUXX40G Gold Pellets, 99.99%
Ag Kurt J. Lesker part no. EVMAG40QXQ Silver Pellets, 99.99%
Ti Kurt J. Lesker part no. EVMTI45QXQ Titanium Pellets, 99.995%
Developer Rohm and Haas electronic Materials LLC MF-CD-26 Material number 10018050
Photoresist Rohm and Haas electronic Materials LLC SPR 955 Material number 10018283

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Morkoc, H., Solomon, P. M. The hemt: A superfast transistor: An experimental GaAs-AlGoAs device switches in picoseconds and generates little heat. This is just what supercomputers need. IEEE spectrum. 21 (2), 28-35 (1984).
  2. Aktas, O., et al. Microwave performance of AlGaN/GaN inverted MODFET's. IEEE Electron Device Letters. 18 (6), 293-295 (1997).
  3. Leach, J. H., et al. Effect of hot phonon lifetime on electron velocity in InAlN/AlN/GaN heterostructure field effect transistors on bulk GaN substrates. Applied Physics Letters. 96 (13), 133505 (2010).
  4. Sasa, S., et al. Microwave performance of ZnO/ZnMgO heterostructure field effect transistors. Physica status solidi (a). 208 (2), 449-452 (2011).
  5. Ye, D., et al. Enhancement-mode ZnO/Mg0.5Zn0.5O HFET on Si. Journal of Physics D: Applied Physics. 47 (25), 255101 (2014).
  6. Koike, K., et al. Molecular beam epitaxial growth of wide bandgap ZnMgO alloy films on (111)-oriented Si substrate toward UV-detector applications. Journal of Crystal Growth. 278 (1-4), 288-292 (2005).
  7. Du, X., et al. Controlled Growth of High-Quality ZnO-Based Films and Fabrication of Visible-Blind and Solar-Blind Ultra-Violet Detectors. Advanced Materials. 21 (45), 4625-4630 (2009).
  8. Ding, K., Ullah, M., Avrutin, V., Özgür, Ü, Morkoç, H. Investigation of high density two-dimensional electron gas in Zn-polar BeMgZnO/ZnO heterostructures. Applied Physics Letters. 111 (18), 182101 (2017).
  9. Ding, K., Avrutin, V., Özgür, Ü, Morkoç, H. III-Nitride Light-Emitting Diodes. Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering. , 1-21 (2017).
  10. Tsukazaki, A., et al. Quantum Hall effect in polar oxide heterostructures. Science. 315 (5817), 1388-1391 (2007).
  11. Tsukazaki, A., et al. Observation of the fractional quantum Hall effect in an oxide. Nat Mater. 9 (11), 889-893 (2010).
  12. Falson, J., et al. MgZnO/ZnO heterostructures with electron mobility exceeding 1 x 10(6) cm(2)/Vs. Sci Rep. 6, 26598 (2016).
  13. Ullah, M. B., et al. Polarity control and residual strain in ZnO epilayers grown by molecular beam epitaxy on (0001) GaN/sapphire. physica status solidi (RRL) Rapid Research Letters. 10 (9), 682-686 (2016).
  14. Ullah, M. B., et al. Characterization of Ag Schottky Barriers on Be0.02Mg0.26ZnO/ZnO Heterostructures. physica status solidi (RRL) - Rapid Research Letters. , (2017).
  15. Lee, J. H., et al. Schottky diodes prepared with Ag, Au, or Pd contacts on a MgZnO/ZnO heterostructure. Japanese Journal of Applied Physics. 51 (9S2), 09MF07 (2012).
  16. Singh, R., et al. Investigation of barrier inhomogeneities and interface state density in Au/MgZnO: Ga Schottky contact. Journal of Physics D: Applied Physics. 49 (44), 445303 (2016).
  17. Brillson, L. J., Lu, Y. ZnO Schottky barriers and Ohmic contacts. Journal of Applied Physics. 109 (12), 121301 (2011).
  18. Müller, S., et al. Method of choice for fabrication of high-quality ZnO-based Schottky diodes. Journal of Applied Physics. 116 (19), 194506 (1945).
  19. Figge, S., Böttcher, T., Einfeldt, S., Hommel, D. In situ and ex situ evaluation of the film coalescence for GaN growth on GaN nucleation layers. Journal of Crystal Growth. 221 (1-4), 262-266 (2000).
  20. Han, J., Ng, T. -B., Biefeld, R., Crawford, M., Follstaedt, D. The effect of H 2 on morphology evolution during GaN metalorganic chemical vapor deposition. Applied Physics Letters. 71 (21), 3114-3116 (1997).
  21. Berger, H. Models for contacts to planar devices. Solid-State Electronics. 15 (2), 145-158 (1972).
  22. Tampo, H., et al. Polarization-induced two-dimensional electron gases in ZnMgO/ZnO heterostructures. Applied Physics Letters. 93 (20), 202104 (2008).
  23. Ye, J. D., et al. Two-dimensional electron gas in Zn-polar ZnMgO/ZnO heterostructure grown by metal-organic vapor phase epitaxy. Applied Physics Letters. 97 (11), 111908 (2010).
  24. Šermukšnis, E., et al. Hot-electron energy relaxation time in Ga-doped ZnO films. Journal of Applied Physics. 117 (6), 065704 (2015).
  25. Singh, C., Agarwal, G., Rao, G. D., Chaudhary, S., Singh, R. Effect of hydrogen peroxide treatment on the electrical characteristics of Au/ZnO epitaxial Schottky diode. Materials Science in Semiconductor Processing. 14 (1), 1-4 (2011).
  26. Mohanta, S., et al. Electrical characterization of Schottky contacts to n-MgZnO films. Thin Solid Films. 548, 539-545 (2013).
  27. Schifano, R., Monakhov, E., Grossner, U., Svensson, B. Electrical characteristics of palladium Schottky contacts to hydrogen peroxide treated hydrothermally grown ZnO. Applied Physics Letters. 91 (19), 193507 (2007).
  28. Ip, K., et al. Improved Pt/Au and W/Pt/Au Schottky contacts on n-type ZnO using ozone cleaning. Applied Physics Letters. 84 (25), 5133-5135 (2004).
  29. Raju, N. R. C., Kumar, K. J., Subrahmanyam, A. Physical properties of silver oxide thin films by pulsed laser deposition: effect of oxygen pressure during growth. Journal of Physics D: Applied Physics. 42 (13), 135411 (2009).

Tags

Engineering problemet 140 molekylær strålen epitaxy (MBE) ZnO BeMgZnO todimensjonal elektron gass (2DEG) heterostructure-feltet effekt transistorer (HFETs) Ag Schottky dioder
Fabrikasjon av Schottky dioder på Zn-polar BeMgZnO/ZnO Heterostructure vokst med Plasma-assistert krystallets strålen Epitaxy
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ding, K., Avrutin, V., Izioumskaia,… More

Ding, K., Avrutin, V., Izioumskaia, N., Ullah, M. B., Özgür, Ü., Morkoç, H. Fabrication of Schottky Diodes on Zn-polar BeMgZnO/ZnO Heterostructure Grown by Plasma-assisted Molecular Beam Epitaxy. J. Vis. Exp. (140), e58113, doi:10.3791/58113 (2018).

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