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Engineering

Zn-ध्रुवीय BeMgZnO पर Schottky डायोड के निर्माण/प्लाज्मा द्वारा उगाई Heterostructure आणविक बीम सहायता 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

heterostructure क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर (HFETs) में कुशल गेट मॉडुलन प्राप्त करने के लिए उच्च गुणवत्ता वाले Schottky संपर्कों की प्राप्ति आवश्यक है. हम निर्माण पद्धति और Zn-ध्रुवीय BeMgZnO पर Schottky डायोड के लक्षण वर्तमान के साथ उच्च घनत्व दो आयामी इलेक्ट्रॉन गैस (2DEG), प्लाज्मा द्वारा उगाई-आणविक बीम epitaxy पर सहायता प्रदान टेंपलेट्स ।

Abstract

Heterostructure फील्ड प्रभाव ट्रांजिस्टर (HFETs) एक दो आयामी इलेक्ट्रॉन गैस (2DEG) चैनल का उपयोग उच्च गति डिवाइस अनुप्रयोगों के लिए एक महान क्षमता है. जिंक ऑक्साइड (जिंग), एक व्यापक bandgap (३.४ eV) और उच्च इलेक्ट्रॉन संतृप्ति वेग के साथ एक अर्धचालक उच्च गति उपकरणों के लिए एक आकर्षक सामग्री के रूप में ध्यान का एक बड़ा सौदा प्राप्त की है । कुशल गेट मॉडुलन, हालांकि, बैरियर परत पर उच्च गुणवत्ता वाले Schottky संपर्कों की आवश्यकता है । इस अनुच्छेद में, हम Zn पर हमारे Schottky डायोड निर्माण प्रक्रिया वर्तमान उच्च घनत्व 2DEG जो तनाव मॉडुलन के माध्यम से हासिल की है और कुछ प्रतिशत की निगमन के साथ विकास के दौरान MgZnO आधारित बाधा में हो रहा है के साथ BeMgZnO/ आणविक बीम epitaxy (MBE) । उच्च क्रिस्टलीय गुणवत्ता को प्राप्त करने के लिए, लगभग जाली-मिलान उच्च-प्रतिरोधकता गण-रासायनिक धातु द्वारा उगाई टेम्पलेट्स कार्बनिक रसायन वाष्प जमाव (MOCVD) ऑक्साइड परतों के बाद MBE वृद्धि के लिए सब्सट्रेट के रूप में उपयोग किया जाता है. अपेक्षित Zn-ध्रुवता प्राप्त करने के लिए, ध्यान की सतह के उपचार के लिए और छठी/द्वितीय अनुपात पर नियंत्रण कम तापमान जिंग nucleation परत के विकास के दौरान उपयोग किया जाता है । Ti/Au इलेक्ट्रोड Ohmic संपर्क के रूप में सेवा, और ओ2 प्लाज्मा अनुपचारित BeMgZnO सतह पर जमा एजी इलेक्ट्रोड Schottky संपर्कों के लिए उपयोग किया जाता है ।

Introduction

Heterostructure फील्ड प्रभाव ट्रांजिस्टर (HFETs) पर आधारित दो आयामी इलेक्ट्रॉन गैस (2DEG) उच्च गति इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में आवेदनों के लिए एक होनहार क्षमता है1,2,3. जिंक ऑक्साइड (जिंग) के रूप में एक व्यापक bandgap (३.४ eV) अर्धचालक उच्च इलेक्ट्रॉन संतृप्ति वेग के साथ HFETs के लिए एक मंच के रूप में काफी ध्यान प्राप्त किया है4,5. पारंपरिक इस्तेमाल किया बाधा सामग्री MgZnO त्रिगुट जरूरत एक बहुत उच्च मिलीग्राम सामग्री (> 40%) कम सब्सट्रेट तापमान पर उगाया (३०० ° c या कम)6,7, और इस तरह के रूप में इन संरचनाओं उच्च शक्ति आपरेशनों के तहत नीचा करने के लिए उपयुक्त हैं और थर्मल उपचार के दौरान, भले ही बैरियर में अवांछित चार्ज घनत्व गेट मॉडुलन के लिए काफी कम है । इस बाधा को दरकिनार करने के लिए, हमने BeMgZnO को बाधा के रूप में प्रस्तावित किया है और अपनाया है, जिसमें बैरियर में तनाव के संकेत को बेरिलियम (be) के माध्यम से तन्यता के लिए compression से स्विच किया जा सकता है, जिससे सहज और piezoelectricpolarizations additive हो । नतीजतन, उच्च 2DEG एकाग्रता अपेक्षाकृत मध्यम मिलीग्राम की सामग्री के साथ प्राप्त किया जा सकता है । इस दृष्टिकोण का उपयोग, उच्च 2DEG घनत्व plasmon-LO फ़ोनॉन अनुनाद के पास मनाया जाता है (~ 7 × 1012 cm-2) BeMgZnO/जबकि नीचे मिलीग्राम सामग्री 30% है और सामग्री होना केवल 2 ~ 3%8पर है ।

इसके समान क्रिस्टल समरूपता, यूवी और दृश्य प्रकाश पारदर्शिता, मजबूत शारीरिक और रासायनिक गुणों के कारण, और कम लागत, सी विमान नीलमणि व्यापक रूप से दोनों के epitaxy के लिए कार्यरत है और जिंग । saphhire पर आधारित इलेक्ट्रॉनिक और optoelectronic उपकरणों के विकास प्रौद्योगिकी में प्राप्त उल्लेखनीय प्रगति के लिए धन्यवाद, उच्च गुणवत्ता वाले कार्य टेम्पलेट्स आसानी से नीलम सब्सट्रेट पर AlN या कम तापमान (लेफ्टिनेंट) का उपयोग करके उत्पादन किया जा सकता है के बावजूद नीलम9के साथ 16% की अपनी बड़ी जाली बेमेल । Epitaxial की वृद्धि, जो एक भी बड़ा में विमान जाली बेमेल है नीलमणि के साथ 18% की, अपेक्षाकृत अच्छी तरह से ओ के लिए समझा-ध्रुवीय किस्म है, जबकि दो में Zn-ध्रुवीय सामग्री की वृद्धि आयामी मोड अच्छी तरह से स्थापित नहीं है । १.८% की मध्यम जाली बेमेल के कारण, epitaxy पर जिंग की एक आकर्षक विकल्प है ।

दोनों MOCVD और MBE उच्च गुणवत्ता वाले पतली फिल्मों और उच्च reproducibility के साथ बिषम के निर्माण के लिए सबसे सफल अर्धचालक जमाव तकनीक हैं । मुख्य कारण है कि MBE epitaxy के लिए MOCVD से कम लोकप्रिय है लागत और बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए अपर्याप्तता है । MOCVD द्वारा गण में विकास दर प्रति घंटे कई micrometers हो सकता है, और दसियों के 2 इंच (५० मिमी) व्यास वेफर्स या 6-8 के रूप में बड़े के रूप में उन "एक रन9में उगाया जा सकता है. यहाँ हम अपने अध्ययन में भी MOCVD को अपनाते हैं । जिंग-आधारित बिषम के विकास के लिए, तथापि, 2DEG के गठन पर और अधिक रिपोर्ट वर्तमान समय में MBE द्वारा संभावित अनुप्रयोगों के व्यावसायीकरण से पहले महसूस कर रहे हैं10,11,12. हाल ही में, हम Ga-ध्रुवीय गण13टेम्पलेट्स पर सतह के ध्रुवीकरण का एक सटीक नियंत्रण के साथ उच्च गुणवत्ता जिंग बिषम के MBE विकास को विकसित किया है । यह पाया गया कि Zn पूर्व के साथ जोखिम उपचार, जिंग परतों इतना प्रदर्शन किया Zn-ध्रुवीयता जब कम vi के साथ nucleated/द्वितीय अनुपात (< 1.5), जबकि १.५ के ऊपर छठी/द्वितीय अनुपात के साथ उन nucleated का प्रदर्शन ओ-ध्रुवीयता । को गण के माध्यम से समानांतर आचरण चैनल से बचने के लिए टेंपलेट्स, हम अपनाया कार्बन भरपाई अर्द्ध-अछूता MOCVD AlN बफर पर जिंग-HFET संरचनाओं के बाद के विकास के लिए कम दबाव की स्थिति के तहत हो गए ।

हमारे14काम करने से पहले, वहां BeMgZnO/जिंग बिषम पर Schottky डायोड की जांच पर कोई रिपोर्ट नहीं किया गया है । केवल कई अध्ययनों से15,16MgZnO करने के लिए Schottky संपर्कों पर रिपोर्ट किया है, उदाहरणके लिए, २.३७, ०.७३ eV के एक बाधा ऊंचाई, और केवल 103 15के एक सुधार अनुपात के एक आदर्श कारक के साथ । विभिन्न Schottky धातुओं जिंग17के लिए इस्तेमाल किया गया है, और उनमें से, चांदी (एजी) व्यापक रूप से अपनाया गया है, १.०८ 18के एक आदर्श कारक के साथ थोक जिंग पर १.११ eV के एक अपेक्षाकृत उच्च Schottky बाधा ऊंचाई की वजह से ।

इस काम में, हम जिंग-आधारित उच्च गति HFET उपकरणों में अनुप्रयोगों के लिए उच्च गुणवत्ता वाले Schottky डायोड बनाना लक्ष्य । निंनलिखित प्रोटोकॉल ई द्वारा एजी/BeMgZnO/जिंग Schottky डायोड के निर्माण के लिए विशेष रूप से लागू होता है BeMgZnO पर एजी के बीम वाष्पीकरण/MBE पर असिस्टेड MOCVD-जमा कर दिया बिषम

Protocol

1. विकास और MBE विकास के लिए गण खाका की तैयारी

  1. MOCVD द्वारा अर्द्ध-अछूताता टेंपलेट का विकास
    1. सुनिश्चित करें कि रिएक्टर से लोड लॉक चैंबर अलग गेट वाल्व बंद कर दिया है । लोड-N2 के साथ वायुमंडलीय दबाव को ताला वेंट । सब्सट्रेट धारक बाहर ले जाने के लिए लोड लॉक खोलें ।
    2. धारक पर 2 इंच नीलमणि सब्सट्रेट लोड और फिर धारक लोड लॉक में वापस जगह है । नीचे लोड अप पंप 2.5 × 10 के लिए नीचे ताला दबाव-2 Torr एक यांत्रिक शुष्क पंप द्वारा ।
    3. N2 के साथ लोड-लॉक वेंट करने के लिए कि रिएक्टर चैंबर में (15 Torr) के साथ अपने दबाव बराबर ।
    4. लोड ताला आइसोलेशन गेट वाल्व खोलें और रिएक्टर में नमूना धारक विधानसभा में धारक लोड । रोटेशन मोटर चालू करें और १०० rpm के सब्सट्रेट-धारक रोटेशन की गति निर्धारित करते हैं । इसके बाद गेट का वाल्व बंद कर ।
    5. सुनिश्चित करें कि ठंडा पानी चल रहा है, दोनों एच2 और एनएच3 की आपूर्ति पर्याप्त है, जन प्रवाह नियंत्रक (MFC) और दबाव नियंत्रक (पीसी) रीडिंग setpoints के रूप में ही कर रहे हैं, और सब्सट्रेट धारक घूर्णन है ।
    6. एन2 से एच2के लिए प्रणाली गैस स्विच । में सीटू ऑप्टिकल चिंतनशील मॉनीटर पर चालू करें ।
    7. नुस्खा फ़ाइल, जो सब्सट्रेट तापमान, गैस प्रवाह दर, और रिएक्टर दबाव के रैंप सहित सभी विकास मापदंडों प्रीइंस्टॉल्स शुरू करके विकास आरंभ करें, और वाल्व के स्विचन ।
    8. ऊपर रिएक्टर दबाव 3 मिनट में 30 Torr के लिए और १०५५ ° c करने के लिए सब्सट्रेट तापमान एच2 वातावरण में 3 मिनट के लिए सब्सट्रेट सतह से अवशिष्ट संदूषण desorb करने के लिए रैंप ।
    9. nucleation और कम तापमान (लेफ्टिनेंट) AlN बफर परत के विकास के लिए ९४१ ° c करने के लिए सब्सट्रेट तापमान नीचे रैंप ।
    10. स्थिर trimethylaluminum (TMAl) के रूप में 12 मानक घन सेंटीमीटर प्रति मिनट (sccm) और अमोनिया (NH3) प्रवाह के रूप में 7 sccm और 3 मिनट के लिए सब्सट्रेट तापमान ।
    11. रन लाइन के लिए वेंट से TMAl स्विचन द्वारा लेफ्टिनेंट-AlN परत की वृद्धि शुरू करो ।
    12. एक कस्टम निर्मित भावना माप प्रणाली है, जो एक ६३७ एनएम लेजर डायोड, एक पी-i-n Si photodetector, और एक Labview-आधारित सॉफ्टवेयर भी शामिल है का उपयोग करके LT-AlN परत की मोटाई को नियंत्रित करें । भावना दोलनों की अवधि से वृद्धि दर का निर्धारण19,20. चयनित नमूनों में, सीटू की निगरानी में सटीकता की पुष्टि करने के लिए क्रॉस-सेक्शनल स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी और ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी छवियों का उपयोग करें.
    13. 6 मिनट के लिए वृद्धि रखने के लिए ~ 20 एनएम की एक मोटाई तक पहुंचने के लिए, तो एक विकास रुकावट के बिना 3 मिनट में ११०० ° c को सब्सट्रेट तापमान रैंप और ३०० एनएम की मोटाई के लिए AlN परत की वृद्धि जारी, के रूप में के दोलन के विकास द्वारा निगरानी में एस आईटीयू ऑप्टिकल चिंतनशील ।
    14. TMAl रन से वेंट करने के लिए और फिर निष्क्रिय लाइन AlN वृद्धि को रोकने के लिए स्विच । १५.५ sccm पर trimethylgallium (TMGa) प्रवाह को स्थिर, ७००० sccm के लिए एनएच3 प्रवाह रैंप और 1 मिनट में ७६ Torr के लिए रिएक्टर दबाव ऊपर रैंप के लिए स्थिर. 1 मिनट में ११०७ ° c करने के लिए सब्सट्रेट तापमान ऊपर रैंप.
    15. Nucleate और ~ ४०० एनएम की मोटाई के साथ एक गण वसूली परत बढ़ता है, जबकि भावना विकास की निगरानी । शुरू में भावना एक तेज जब गण द्वीप AlN सतह पर nucleate कमी प्रदर्शित करता है और फिर मूल एक परमाणु सपाट सतह जब द्वीपों में शामिल होने के लिए इसी स्तर को तीव्रता ठीक हो ।
    16. 2 मिनट में ११२४ ° c करने के लिए रैंप अप करें ~ २.५ mm की मोटाई के साथ उच्च तापमान अर्द्ध-अछूतान गण परत बढ़ाएँ । TMGa चलाने से वेंट करने के लिए स्विच और फिर निष्क्रिय लाइन के द्वारा विकास रोकें ।
    17. एक ४० मिनट की अवधि से अधिक कमरे के तापमान को सब्सट्रेट शांत हो जाओ ।
    18. एक १.५ मिनट की अवधि में 15 Torr के लिए रिएक्टर दबाव नीचे रैंप ।
    19. 1.1.1-1.1.4 कदम की रिवर्स प्रक्रिया का पालन करके रिएक्टर से सब्सट्रेट अनलोड ।
  2. गण MBE रिएक्टर के लिए तैयारी और लोडिंग टेम्पलेट
    1. कट 2-इंच एक हीरे की scriber का उपयोग करके 6 बराबर पाई के आकार का टुकड़ों में खाका खाके ।
    2. नाइट्रिक एसिड (िनॉ3, 68.0-70.0 w/w%, ५० एमएल) से हाइड्रोक्लोरिक एसिड (HCl, 36.5-38.0 w/w%, १५० ml) को जोड़कर एसिड धुएं के अंदर एक्वा regia एसिड सॉल्यूशन तैयार करें धीरे से एक क्वार्ट्ज यूरिन में ।
    3. एक्वा regia यूरिन को २२० डिग्री सेल्सियस के तापमान के साथ एक हॉट प्लेट पर रखें ।
    4. एक नारंगी/लाल रंग और गैस बुलबुले की उपस्थिति के बाद, समाधान में एक पाई के आकार का-एक विचार को सोख और 10 मिनट के लिए फोड़ा ।
    5. de-(DI) 3 मिनट के लिए पानी में चल रहा में गण टेंपलेट कुल्ला ।
    6. (36.5-38.0 w/w%): एच2ओ समाधान (1:1) के लिए 3 मिनट Ga ऑक्साइड को दूर करने के लिए
    7. 5 मिनट के लिए DI पानी चलाने में गण खाका कुल्ला ।
    8. N2 गैस के साथ टेंपलेट सूखी ।
    9. एक एमओ धारक पर जरुर विचार टेंपलेट रखो और यह MBE लोड लॉक चैंबर में तुरंत लोड ।
    10. एक यांत्रिक शुष्क पंप द्वारा लोड-लॉक नीचे पम्पिंग शुरू करें ।

2. BeMgZnO/जिंग बिषम की MBE ग्रोथ

  1. बहाव कोशिकाओं की तैयारी
    1. 1 घंटे के लिए लोड-ताला नीचे पंप के बाद, Zn, एमजी, बहाव कोशिकाओं की तैयारी शुरू करते हैं । 17 डिग्री सेल्सियस/मिनट के एक रैंप दर के साथ ५२५ डिग्री सेल्सियस के लिए डबल जोन Zn सेल के ऊपरी क्षेत्र के तापमान सेट करें, 5 मिनट के लिए रुको तो ५१५ डिग्री सेल्सियस के लिए नीचे रैंप 5 डिग्री सेल्सियस के एक रैंप दर के साथ/15 ° c/मिनट की एक रैंप दर के साथ ५७० डिग्री सेल्सियस के लिए एमजी सेल तापमान सेट , सेट बिंदु तक पहुंचने के बाद, 10 मिनट के लिए प्रतीक्षा करें तो ३०० ° c के लिए नीचे एमजी सेल रैंप । सेट बिंदु तक पहुंचने के बाद, 10 डिग्री सेल्सियस/मिनट के एक रैंप दर के साथ ९०० डिग्री सेल्सियस के लिए सेल तापमान सेट, 3 मिनट के लिए प्रतीक्षा करें तो सेल नीचे ६५० डिग्री सेल्सियस के लिए रैंप ।
    2. 30 मिनट के बाद, डबल जोन Zn सेल के निचले क्षेत्र के तापमान 10 डिग्री सेल्सियस के एक रैंप दर के साथ ३६० डिग्री सेल्सियस के लिए सेट/
    3. नीचे लोड पंप 2 एच के लिए ताला ~ 5 × 10-7 Torr के दबाव तक पहुंचने के बाद, प्रतिबिंब उच्च ऊर्जा इलेक्ट्रॉन विवर्तन (RHEED) प्रणाली पर बारी है, और लोड MBE चैंबर में खाका खाके ।
    4. धुन RHEED पैटर्न विकास के साथ [1-100] azimuthal दिशा पर नजर रखने के लिए जोड़तोड़ घूर्णन द्वारा गण खाका टेंपलेट के कोण ।
    5. 10 डिग्री सेल्सियस के एक रैंप दर के साथ ३५५ डिग्री सेल्सियस के लिए डबल जोन Zn सेल के निचले क्षेत्र के तापमान सेट/
  2. ध्रुवीयता और लेफ्टिनेंट-जिंग बफर के विकास पर एक जिंग के नियंत्रण
    1. 15 मिनट के लिए सब्सट्रेट सतह से अवशिष्ट संदूषण desorb करने के लिए १३.६ डिग्री सेल्सियस/मिनट की एक रैंप दर के साथ ६१५ ° c करने के लिए सब्सट्रेट तापमान रैंप.
    2. LT-जिंग के विकास के लिए १३.६ ° c/मिनट की एक रैंप दर के साथ ६१५ से २८० डिग्री सेल्सियस सब्सट्रेट तापमान नीचे रैंप । जब तापमान ५५० डिग्री सेल्सियस तक पहुंच जाता है, Zn सेल शटर खोलने के लिए Zn फ्लक्स के साथ गण खाका सतह बेनकाब । o2 प्लाज्मा विद्युत आपूर्ति चालू करें, १०० W के रूप में पावर सेट करें, और सत्यापित करें कि o2 गैस लाइन बंद है करने के लिए जाँच करें ।
    3. जब तापमान २८० डिग्री सेल्सियस तक पहुंच जाता है, ४०० डब्ल्यू के लिए ओ2 प्लाज्मा शक्ति सेट, ०.३ sccm को ओ2 प्रवाह दर सेट करने के लिए प्लाज्मा प्रज्वलित तो ओ2 प्रवाह दर ०.२५ sccm को कम ।
    4. 1 मिनट के लिए रुको, तो लेफ्टिनेंट-जिंग बफर परत की वृद्धि शुरू करने के लिए ओ2 शटर खोलें ।
    5. रिकॉर्ड एक RHEED पैटर्न हर 5 मिनट । लगभग 15 के लिए इसी के एक बफर मोटाई के संगत मिनट के बाद बढ़ ~ 20 एनएम, जब धारियों से RHEED पैटर्न परिवर्तन (2d मोड) अंडाकार स्पॉट (3 डी मोड) के लिए, बंद दोनों Zn और ओ2 शटर विकास को रोकने के लिए ।
    6. ०.४ sccm के लिए ओ2 प्रवाह दर सेट करें, और १३.६ डिग्री सेल्सियस के एक रैंप दर के साथ ७३० ° c करने के लिए सब्सट्रेट तापमान सेट/ एचटी-जिंग परत के विकास के लिए 10 डिग्री सेल्सियस के एक रैंप दर के साथ ३४५ डिग्री सेल्सियस के लिए डबल जोन Zn सेल के निचले क्षेत्र के तापमान सेट करें ।
    7. जब सब्सट्रेट तापमान ७३० ° c के सेट बिंदु तक पहुँच जाता है, 5 मिनट के लिए प्रतीक्षा करें और RHEED द्वारा जिंग सतह की जाँच. जब RHEED पैटर्न 3d से 2d करने के लिए पारगमन, ७०० डिग्री सेल्सियस के लिए नीचे सब्सट्रेट तापमान रैंप द्वारा एनीलिंग बंद करो ।
  3. उच्च तापमान जिंग परत की वृद्धि
    1. जब सब्सट्रेट तापमान ७०० डिग्री सेल्सियस तक पहुँच जाता है और स्थिर, ओ2 प्रवाह की दर को बढ़ाने के लिए ३.२ sccm.
    2. दोनों Zn और हे2 शटर समवर्ती खोलने के द्वारा एचटी-जिंग परत की वृद्धि शुरू करो ।
    3. ~ ३०० एनएम की एक मोटाई तक पहुंचने के लिए ~ १४० मिनट के लिए एचटी-जिंग परत हो जाना । 2 डी विकास मोड की पुष्टि करने के लिए विकास के दौरान RHEED पैटर्न कई बार रिकॉर्ड.
    4. दोनों Zn और हे2 शटर समवर्ती बंद करके एचटी-जिंग परत की वृद्धि बंद करो ।
  4. BeMgZnO बैरियर का विकास
    1. सेट ओ2 प्रवाह दर को ०.३ sccm, 10 डिग्री सेल्सियस/मिनट की एक रैंप दर के साथ ८२० डिग्री सेल्सियस के लिए हो सेल तापमान सेट, 15 डिग्री सेल्सियस के एक रैंप दर के साथ ५१० डिग्री सेल्सियस के लिए एमजी सेल तापमान सेट, और १३.६ ° के एक रैंप दर के साथ ३२५ ° c करने के लिए सब्सट्रेट तापमान सेट BeMgZnO बाधा के विकास के लिए सी/
    2. जब सब्सट्रेट तापमान स्थिर, १.२५ sccm के लिए ओ2 प्रवाह दर में वृद्धि, और समवर्ती खोलने के द्वारा विकास शुरू Zn, एमजी, हो, और ओ2 शटर.
    3. ~ 30 एनएम की एक मोटाई तक पहुंचने के लिए ~ 12 मिनट के लिए BeMgZnO बैरियर परत बढ़ाएँ । विकास मोड विकास पर नजर रखने के लिए वृद्धि के दौरान कई बार RHEED पैटर्न रिकॉर्ड.
    4. एमजी बंद करके BeMgZnO परत के विकास को रोकने और शटर हो, जबकि Zn और हे2 शटर खुला रखने के लिए 1 मिनट के लिए एक ~ 2 एनएम मोटी जिंग कैप परत है ।
    5. दोनों Zn और हे2 शटर बंद करके वृद्धि समाप्त ।
    6. अपने अतिरिक्त तापमान १५० ° c के लिए सब्सट्रेट तापमान नीचे रैंप । कमी हे२ प्रवाह दर ते ०.२५ sccm.
    7. जब सब्सट्रेट तापमान २५० डिग्री सेल्सियस से नीचे है, ओ 2 प्लाज्मा शक्ति कम करने के लिए १०० डब्ल्यू, ओ 2 प्लाज्मा बिजली की आपूर्ति बंद कर देते हैं, हे 2 प्रवाह दर में कमी 0, ओ2 गैस लाइन बंद करें, और स्टैंडबाय के लिए सेल तापमान शांत शर्तों.
    8. सब्सट्रेट तापमान के लिए प्रतीक्षा करें अतिरिक्त तापमान १५० डिग्री सेल्सियस तक पहुंचने के लिए, विकास चैंबर गेट वाल्व खोलने के लिए और लोड लॉक चैंबर के लिए वेफर धारक अनलोड ।
    9. N2 गैस के साथ लोड लॉक चैंबर वेंट और नमूना बाहर ले ।

3. Characterizations

  1. मोटे तौर पर नमूना की मोटाई के नमूने के किनारे पर कवर क्षेत्र के माध्यम से एक कदम-profiler, का उपयोग करके उपाय ।
  2. उच्च संकल्प एक्स-रे विवर्तन (HRXRD) (2q-w स्कैन (0002) प्रतिबिंब) का उपयोग करके मोटाई, तनाव और heterostructure की संरचनात्मक गुणवत्ता का मूल्यांकन करें ।
  3. एक हीरे की scriber का उपयोग करके 5 × 5 मिमी2 वर्ग टुकड़ा में नमूना काट । वान डेर Pauw ज्यामिति में तापमान पर निर्भर हॉल प्रभाव माप का उपयोग करके नमूने के इलेक्ट्रॉनिक गुणों की जांच, इंडियम के साथ (में) डॉट्स संपर्क इलेक्ट्रोड के रूप में ।
  4. परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (AFM) का उपयोग करके भूतल आकृति विज्ञान की जाँच करें ।

4. Schottky डायोड का निर्माण

  1. BeMgZnO/जिंग बिषम पर Ohmic संपर्कों का निर्माण
    1. नमूना (~ 20 × 20 मिमी2 आकार में) एसीटोन के साथ एक अल्ट्रासोनिक क्लीनर में 5 मिनट के लिए, 5 मिनट के लिए अल्ट्रासोनिक क्लीनर में मेथनॉल के साथ सफाई, 5 मिनट के लिए DI पानी में धोने, और N2के साथ सूखी उड़ाने के बाद ।
    2. १००० rpm के साथ स्पिन कोट photoresist 3 एस के लिए और फिर ३००० rpm के लिए 30 एस ।
    3. नरम १०० ° c पर photoresist सेंकना १४० एस के लिए ।
    4. photolithography मुखौटा संरेखण पर २.३८ मिनट के लिए ६.५ मेगावाट यूवी लैंप पावर पर Ohmic संपर्क मुखौटा के माध्यम से यूवी प्रकाश के साथ बेनकाब ।
    5. पोस्ट ११० ° c पर photoresist सेंकना ८० एस के लिए ।
    6. 1/एस के एक मिलाते हुए आवृत्ति के साथ ६० एस के लिए एक डेवलपर में विकसित करना ।
    7. 3 मिनट के लिए DI पानी में कुल्ला, और N2के साथ सूखी झटका ।
    8. इलेक्ट्रॉन बीम वाष्पीकरण में नमूना लोड ।
    9. नमूना हीटिंग के बिना, जमा तिवारी/30/50 एनएम की मोटाई के साथ, के रूप में क्वार्ट्ज क्रिस्टल मोटाई मॉनिटर द्वारा मापा ।
    10. एसीटोन में लिफ्ट बंद, 5 मिनट के लिए मेथनॉल में सफाई के बाद, 5 मिनट के लिए DI पानी में धोने, और N2के साथ सूखी उड़ाने ।
    11. 30 एस के लिए ३०० ° c पर रैपिड थर्मल annealer (आरटीए) द्वारा संपर्क एनएन
    12. संक्रमण लाइन मॉडल (TLM) माप21के माध्यम से संपर्क प्रतिरोध की जांच करें ।
  2. BeMgZnO/जिंग बिषम पर Schottky संपर्कों का निर्माण
    1. चरणों का पालन शुू-4.1.7 के photolithography के Schottky संप के लिए ।
    2. ३५ sccm के एक ओ2 प्रवाह और ५० डब्ल्यू के एक आरएफ शक्ति के साथ 5 मिनट के लिए रिमोट ओ2 प्लाज्मा के साथ नमूना सतह समझो
    3. ५० एनएम की मोटाई के साथ एजी के जमाव के लिए कदम 4.1.8-4.1.10 का पालन करें ।
    4. Schottky डायोड17के लिए I-V माप द्वारा प्राप्त संरचना विशेषताएं ।

Representative Results

1 चित्रा के बाएं कॉलम से पता चलता है RHEED पैटर्न के विकास के साथ दर्ज [1-100] एक हो०.०२मिलीग्राम०.२६जिंग/जिंग heterostructure एक ३०० एनएम मोटी एचटी-जिंग परत और एक 30 एनएम मोटी हो ०.०२ के साथ MBE वृद्धि के दौरान azimuthal दिशा मिलीग्राम०.२६जिंग बैरियर । दायां स्तंभ विभिंन विकास चरणों में प्रतिनिधि सरफ़ेस morphologies दिखाता है (समान नमूने से नहीं) । एक धब्बेदार RHEED पैटर्न की उपस्थिति से सबूत के रूप में, लेफ्टिनेंट-जिंग बफर परत तीन आयामी (3 डी) द्वीप विकास मोड प्रकृति का है । इसकी सतह आकृति विज्ञान ७०० डिग्री सेल्सियस से ऊपर एक तापमान पर थर्मल एनीलिंग उपचार द्वारा सुधार किया गया था । यह स्पष्ट रूप से देखा है कि सतह 3d से 2d आकृति में तब्दील हो । बाद में एचटी-जिंग परत एक 2d मोड में विकसित करने के लिए जारी है, एक दूसरे चरण के गठन के बिना०.०२मिलीग्राम०.२६जिंग परत की 2 डी वृद्धि के बाद । AFM माप से पता चला है कि एक जड़ टेंपलेट 5 × 5 माइक्रोन2 स्कैन के लिए ०.२८ एनएम के एक मूल मतलब वर्ग (RMS) है । ०.३५ एनएम के एक rms असभ्यता के साथ एक चिकनी सतह के लिए ओ-अमीर हालत और ०.४५ एनएम के एक rms किसी न किसी के तहत बढ़ती द्वारा एक बाधा के बिना BeMgZnO बाधा के विकास के बाद मनाया जाता है एचटी-जिंग परत के लिए प्राप्त की है ।

HRXRD ट्रिपल-अक्ष 2θ-ω एक ठेठ Zn के लिए स्कैन-ध्रुवीय be०.०२मिलीग्राम०.२६जिंग/जिंग heterostructure एक ३०० एनएम मोटी एचटी-जिंग परत के साथ, और एक ५० एनएम मोटी हो०.०२मिलीग्राम०.२६जिंग बैरियर परत चित्रा 2में दिखाया गया है । ३४.४६ हे, ३४.५४ हे, और ३४.७५ o पर प्रतिबिंब ( 0002) जिंग, गण के प्रतिबिंब के साथ संगत कर रहे हैं, और०.०२मिलीग्राम०.२६जिंग, क्रमशः हो । ध्यान दें कि से प्रतिबिंब का विस्तार हो०.०२मिलीग्राम०.२६जिंग इसकी ओट के कारण है । जिंग परत में तंयता द्विअक्षीय तनाव Zn-ध्रुवीय heterostructure का एक संकेत है, के रूप में हमारे पिछले अध्ययन13में जांच की । बनो और BeMgZnO चतुर्धातुक में मिलीग्राम सामग्री अपनी XRD (0002) प्रतिबिंब के डींग मारने का कोण और एलटी में उत्सर्जन फोटॉन ऊर्जा से गणना की गई-photoluminescence (लेफ्टिनेंट-PL) स्पेक्ट्रम 13 K में मापा (नहीं दिखाया गया है) ।

चित्रा 3 एक हो०.०२मिलीग्राम०.२६जिंग/heterostructure के लिए तापमान पर निर्भर हॉल प्रभाव माप के परिणाम से पता चलता है । शीट वाहक एकाग्रता 8.8 × 10 से घटाकर12 सेमी-2 से 6.4 × 1012 सेमी-2 जब नमूना कमरे के तापमान से नीचे ठंडा था (२९३ k) लगभग १०० k. आगे 13 K को ठंडा करने के साथ, शीट वाहक एकाग्रता 6.2 × 1012 सेमी-2पर संतृप्त । इस खोज प्रकट होता है कि इलेक्ट्रॉन एकाग्रता में कमी मनाया समानांतर आचरण चैनलों जो दोषपूर्ण nucleation परत और एचटी-जिंग परत शामिल है के रूप में अच्छी तरह के रूप में हो०.०२मिलीग्राम०.२६जिंग से योगदान से उत्पंन होता है बैरियर, यदि कोई हो । MgZnO/जिंग बिषम10,22के लिए भी यह ट्रेंड बताया गया है । में इलेक्ट्रॉन गतिशीलता०.०२मिलीग्राम०.२६जिंग/कम तापमान के साथ heterostructure मोनोटोनिक बढ़ जाती है; दोनों २०६ सेमी2/Vs के २९३ k गतिशीलता और १५५० सेमी2/Vs के 13 k गतिशीलता साहित्य में मूल्यों के लिए तुलनीय हैं22,23. तापमान के एक समारोह के रूप में इलेक्ट्रॉनिक गुणों का विकास स्पष्ट रूप से०.०२मिलीग्राम०.२६जिंग/heterointerface पर 2DEG की उपस्थिति को इंगित करता है ।

चित्रा 4 वर्तमान वोल्टेज से पता चलता है(I-V) चार प्रतिनिधि एजी के लिए कमरे के तापमान पर मापा घटता०.०२मिलीग्राम०.२६जिंग/एक वेफर के भीतर 1.1 × 10-4 सेमी2 के एक Schottky क्षेत्र के साथ Schottky डायोड । आगे धाराओं लागू वोल्टेज के साथ तेजी से वृद्धि ०.२५ वी तक, जो परे वोल्टेज श्रृंखला प्रतिरोध में बूंदें स्पष्ट हो जाते हैं । १.०७ eV के Φएपी के उच्चतम Schottky बैरियर ऊंचाई १.२२ के एक आदर्श कारक n के साथ प्राप्त किया गया था । सुधार अनुपात के बारे में 1 × 108 वर्तमान में मापा मूल्यों का उपयोग करके प्राप्त कर रहे हैं v= ± 2 v.

Figure 1
चित्र 1. सतह लक्षण वर्णन । बाएँ स्तंभ के साथ लिया RHEED पैटर्न से पता चलता है [1-100] azimuthal दिशा की MBE वृद्धि के दौरान०.०२मिलीग्राम०.२६जिंग/जिंग heterostructure, और दाएँ स्तंभ प्रस्तुत करता है की सतह morphologies के साथ, एचटी-जिंग परत, और ०.०२मिलीग्राम०.२६जिंग परत AFM द्वारा मापा । लेफ्टिनेंट-जिंग बफर प्रौद्योगिकी कम जाली-बेमेल गण पर उच्च गुणवत्ता जिंग बिषम के 2d मोड विकास सक्षम बनाता है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्र 2. HRXRD का heterostructure । HRXRD ट्रिपल-अक्ष 2θ-ω स्कैन एक ठेठ Zn-ध्रुवीय be०.०२मिलीग्राम०.२६जिंग/जिंग heterostructure एक ५० एनएम मोटी be०.०२मिलीग्राम०.२६जिंग बैरियर परत के साथ । ३४.४६ हे, ३४.५४ हे, और ३४.७५ o पर प्रतिबिंब ( 0002) जिंग, गण के प्रतिबिंब के साथ संगत कर रहे हैं, और०.०२मिलीग्राम०.२६जिंग, क्रमशः हो । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्र 3. heterostructure के इलेक्ट्रॉनिक गुण । शीट वाहक घनत्व और एक Zn के इलेक्ट्रॉन गतिशीलता के तापमान निर्भरता-ध्रुवीय हो०.०२मिलीग्राम०.२६जिंग/ कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 4
चित्र 4. Schottky डायोड । ठेठ I-V चार प्रतिनिधि एजी के लक्षण/०.०२मिलीग्राम०.२६जिंग/जिंग Schottky डायोड कमरे-तापमान पर मापा जाता है । चार I-V curves की समानता नमूना के उच्च वेफर एकरूपता को इंगित करता है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Discussion

MgZnO में BeO का शामिल करने के लिए चतुर्धातुक BeMgZnO फार्म व्यवहार्यता धुन प्रदान करता है और चतुर्धातुक में तनाव का संकेत है और इसलिए काफी 2DEG घनत्व बढ़ जाती है8। प्रतिनिधि परिणाम बताते है कि Be०.०२मिलीग्राम०.२६जिंग/heterostructure परिणाम एक 2DEG घनत्व में वांछित plasmon के करीब-LO फ़ोनॉन अनुनाद इलेक्ट्रॉन घनत्व (~ 7 × 1012 cm-2)24। हालांकि heterostructure की इलेक्ट्रॉन गतिशीलता दृढ़ता से इस तरह के सब्सट्रेट तापमान और दोनों एचटी-जिंग और BeMgZnO बाधा परत की छठी/द्वितीय अनुपात के रूप में MBE वृद्धि मानकों पर निर्भर करता है, 2DEG घनत्व कमजोर वृद्धि की स्थिति पर निर्भर है और मुख्य रूप से निर्धारित हो और बैरियर में मिलीग्राम सामग्री ।

एक BeMgZnO/जिंग बिषम के विकास के लिए उच्च क्रिस्टलीय की गुणवत्ता के साथ के लिए उपयोग किया जाता है १.८% के बीच की मध्यम जाली बेमेल के बीच, नीलमणि और जिंग के बीच 18% की एक बड़ी जाली बेमेल के साथ तुलना । किसी भी प्रवाहकीय समानांतर चैनल से बचने के लिए, यह MΩ/वर्ग श्रेणी में एक उच्च प्रतिरोध के लिए महत्वपूर्ण है । हमारे मामले में, यह ७६ Torr के एक कम चैंबर दबाव कार्बन क्षतिपूर्ति बढ़ाने के लिए बढ़ द्वारा प्राप्त की है । BeMgZnO/जिंग बिषम में ध्रुवीयता नियंत्रण सुनिश्चित करने के लिए (Zn-ध्रुवता), ध्यान की सतह के उपचार टेम्पलेट अपरिहार्य है । किसी भी ऑक्सीकरण या संदूषण की सतह पर तैयारी के दौरान शुरू Zn प्रेरित होगा-और ओ-मिश्रण-बिषम में भी निर्धारक छठी/द्वितीय अनुपात < 1.5 पूरा हो गया है ।

धातु और अर्धचालक के बीच किसी भी रासायनिक प्रतिक्रिया, सतह दूषित पदार्थों की उपस्थिति, राज्यों, सतह के आसपास के क्षेत्र में दोष, और अर्धचालक में धातु के प्रसार Schottky के निर्माण के मैदान में आम समस्याएं हैं संपर्क. तरीकों की एक किस्म Schottky संपर्क निर्माण के लिए जिंग की सतह की तैयारी के लिए साहित्य में सूचित किया गया है । उनमें एचसीएल (या अन्य एसिड) में नक़्क़ाशी कर रहे हैं, एआर के साथ शारीरिक नक़्क़ाशी+, यूवी ओजोन सफाई, एच2ओ2में उपचार, और ओ2 प्लाज्मा (या मिश्रण के साथ वह)25,26,27, 28. नक़्क़ाशी प्रक्रियाओं मोटाई के साथ एक सतह परत के हटाने के लिए उद्देश्य माइक्रोन के लिए कुछ nanometers से लेकर और इसलिए HFET उपकरणों के लिए लागू नहीं किया जा सकता है । यूवी-ओजोन सफाई या हे2 प्लाज्मा प्रक्रिया केवल सतह परत को हटा । इसलिए, यह हमारे BeMgZnO की सतह की तैयारी के लिए अच्छी तरह से अनुकूल है/

आमतौर पर Schottky संपर्क एक उच्च कार्य समारोह धातु जैसे पीडी, पीटी, आईआर, आदिजमा करके प्राप्त कर रहे हैं । इसके विपरीत, एजी ४.२६ eV के एक कम काम समारोह है । बावजूद इसके कि, उपकरणों एजी इलेक्ट्रोड का उपयोग सुधार एक अंतरफलक चांदी ऑक्साइड जिंग मैट्रिक्स से ऑक्सीजन के साथ एजी के आंशिक ऑक्सीकरण की वजह से परत के गठन के कारण व्यवहार दिखा सकते हैं । इतना गठन ऑक्साइड परत इलेक्ट्रॉनों के लिए पारदर्शी है और एजी की तुलना में उच्च कार्य समारोह है । राजू एट अल. पहले स्पंदित लेजर जमाव (PLD) है, जो १.३ ev एजी की तुलना में अधिक है, और पीडी, पीटी, और Ir29की विशेषता के करीब है द्वारा उगाया के लिए ५.५ eV के आसपास काम कार्यों की सूचना दी है । हमारे परिणाम संकेत मिलता है कि एजी इलेक्ट्रोड (ओ जिंग heterostructure की सतह पर2 प्लाज्मा उपचार के साथ) Schottky डायोड के गठन के लिए एक आशाजनक संपर्क धातु है.

हम जिंग-आधारित HFETs के लिए उच्च गुणवत्ता Schottky संपर्कों के निर्माण के लिए एक विधि का प्रदर्शन किया है । MOCVD हो सावधान सतह तैयार करने के साथ बस MBE विकास से पहले और एक कम VI/द्वितीय अनुपात < 1.5 जिंग nucleation के दौरान के साथ बड़ा हो गया है Zn के ध्रुवीय अभिविन्यास के उच्च गुणवत्ता के साथ बिषम-आधारित के अभिविंयास सुनिश्चित करते हैं । MOCVD विभिंन अनुप्रयोगों के लिए epitaxy के लिए एक व्यापक रूप से इस्तेमाल किया परिपक्व तकनीक है । इस काम में वर्णित MBE प्रक्रिया MOCVD और MBE तकनीक, और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए combinability और ऑक्साइड अर्धचालकों का संकेत है । उच्च 2DEG घनत्व, उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता, और उच्च तापीय स्थिरता के साथ HFETs में BeMgZnO बाधा परत परिणामों में होना की एक छोटी राशि का निगमन बढ़ाया उच्च गति प्रदर्शन के लिए ।

Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

इस काम को एयर फोर्स ऑफिस ऑफ साइंटिफिक रिसर्च (AFOSR) ने ग्रांट FA9550-12-1-0094 के तहत सपोर्ट किया था ।

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

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References

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इंजीनियरिंग अंक १४० आणविक बीम epitaxy (MBE) जिंग BeMgZnO दो आयामी इलेक्ट्रॉन गैस (2DEG) heterostructure फील्ड प्रभाव ट्रांजिस्टर (HFETs) एजी Schottky डायोड
Zn-ध्रुवीय BeMgZnO पर Schottky डायोड के निर्माण/प्लाज्मा द्वारा उगाई Heterostructure आणविक बीम सहायता Epitaxy
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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).

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