Summary
높은-품질 쇼트 키 접촉의 달성은 heterostructure 필드 효과 트랜지스터 (HFETs)에서 효율적인 게이트 변조를 달성 하기 위한 필수적입니다. 우리는 제조 방법론 및 GaN 템플릿에 플라즈마를 이용한 분자 빔 피 여 성장 고밀도 2 차원 전자 가스 (2DEG)와 Zn-폴라 BeMgZnO/ZnO heterostructures에 쇼트 키 다이오드 특성을 제시.
Abstract
Heterostructure 필드 효과 트랜지스터 (HFETs) 2 차원 전자 가스 (2DEG) 채널을 활용 하 여 고속 장치 응용 프로그램에 대 한 큰 잠재력이 있다. 산화 아연 (ZnO), 높은 전자 채도 속도와 넓은 갭 (3.4 eV) 반도체 고속 장치를 위한 매력적인 소재로 관심의 큰 거래를 얻고 있다. 그러나 효율적인 게이트 변조,, 방 벽 층에 높은-품질 쇼트 키 접촉을 요구 한다. 이 문서에서는, 현재 우리 긴장 변조 및 몇 %의 설립을 통해 달성 되는 고밀도 2DEG와 Zn-폴라 BeMgZnO/ZnO heterostructure에 우리의 쇼트 키 다이오드 제작 절차 수 MgZnO 기반 장벽으로 성장 하는 동안 분자 빔 피 (MBE) 높은 결정 질을 달성 하기 위해 거의 격자 일치 하는 높은 저항력 GaN 템플릿은 금속 유기 화학 기상 증 착 (MOCVD) 성장 산화물 층의 후속 MBE 성장에 대 한 기질으로 사용 됩니다. 필요한 Zn 극성 GaN의 주의 표면 처리를 템플릿 및 낮은 온도 ZnO nucleation 계층의 성장 동안 VI/II 비율 제어 활용 됩니다. Ti/Au 전극 저항 연락처 및 청소용된 BeMgZnO 표면 쇼트 키 접촉을 위해 사용 되는 O2 플라즈마에 Ag 전극으로 제공 합니다.
Introduction
Heterostructure 필드 효과 트랜지스터 (HFETs) 2 차원 전자 가스 (2DEG)에 따라 고속 전자 장치1,2,3응용 프로그램에 대 한 유망한 잠재력을 있다. 높은 전자 채도 속도와 넓은 갭 (3.4 eV) 반도체로 산화 아연 (ZnO) HFETs4,5에 대 한 플랫폼으로 상당한 관심을 얻고 있다. 통상 사용된 배리어 소재 MgZnO 삼항 필요로 매우 높은 Mg 함량 (> 40%) 낮은 기판 온도 (300 ° C 이하로)6,7, 그리고 같은 성장 이러한 구조는 높은 전력 작업에서 저하 하는 경향이 열 치료, 장벽에 원치 않는 충전 밀도 게이트 변조에 대 한 충분히 낮은 경우에 중. 이 장애물을 회피, 우리 제안 하 고 있는 장벽에 스트레인 로그인 전환 될 수 있다 압축에서 베릴륨 (수)의 설립을 통해 인장 하는 자발적인 만드는 방 벽 및 piezoelectricpolarizations에 BeMgZnO를 채택 수 첨가제. 그 결과, 상대적으로 온건한 Mg 콘텐츠로 높은 2DEG 농도 얻을 수 있습니다. 근처는 플라스몬 관찰은이 접근, 높은 2DEG 밀도 활용 하 여-LO phonon 공명 (~ 7 × 1012 cm-2) BeMgZnO/ZnO heterostructures Mg 콘텐츠 아래 동안에 30%와 될 콘텐츠는만 2 ~ 38.
유사한 크리스탈 대칭, UV 및 보이는 가벼운 투명도, 강력한 물리적, 화학적 속성 및 저렴 한 비용, c-면 사파이어는 널리 GaN 및 ZnO의 피에 대 한 사용 됩니다. 전자의 GaN 기반 성장 기술, 광전자 장치 saphhire에 달성 놀라운 진행 덕분에 고품질 GaN 템플릿 제작 하실 수 있습니다 쉽게 사파이어 기판에도 불구 하 고 낮은 온도 (LT) GaN 버퍼 또는 AlN을 사용 하 여 사파이어9와 16%의 그것의 큰 격자 불일치. 사파이어와 18%의 더 큰 비행기에 격자 불일치는, ZnO의 코피 성장 2 차원 모드에서 Zn 극 지 물자의 성장을 잘 설립 하지 동안 O-폴라 다양 한 비교적 잘 이해 된다. 1.8%의 적당 한 격자 일치 하지 않아 GaN, ZnO의 택시는 매력적인 대안 이다.
MOCVD 및 MBE 높은 재현성 높은-품질 박막 및 heterostructures를 날조를 위한 가장 성공적인 반도체 증 착 기술이 있습니다. MBE는 MOCVD GaN의 피에 대 한 보다 덜 인기 있는 주된 이유는 비용 및 대량 생산을 위한 무 능력입니다. Gan MOCVD로 성장 속도 시간당 몇 마이크로미터 및 2 인치 (50 밀리미터) 직경 웨이퍼 또는 큰 6-8"성장 될 수 있다 한 실행된9에 그의 수만 될 수 있습니다. 여기, 우리 또한 채택 MOCVD GaN의 성장에 대 한 우리의 연구에. 그러나 ZnO 기반 heterostructures의 성장에 대 한, 2DEG의 형성에 더 많은 보고서는 실현 MBE 잠재적인 응용 프로그램10,,1112의 상용화에 앞서 현 시점에서. 최근, 조지아-폴라 GaN 템플릿13에 표면 극성의 정확한 제어와 높은 품질 산화 아연 heterostructures의 MBE 성장을 개발 했습니다. 그것은 Zn 사전 노출 치료, ZnO 레이어 그래서 재배 전시 Zn-극성 낮은 6/II 비율 nucleated 때 발견 (< 1.5), VI/II 비율 1.5 위의 nucleated 그 O 극성을 전시 하는 동안. GaN 템플릿을 통해 병렬 전도 채널을 피하기 위해, 우리는 탄소를 채택 ZnO 기반 HFET 구조의 연속적인 성장 위한 AlN 버퍼에 저압 조건 하에서 성장 하는 세미 보 온 GaN MOCVD을 보상.
이전에 우리의 일14, 쇼트 키 다이오드 BeMgZnO/ZnO heterostructures에 조사 보고 되었습니다 합니다. 쇼트 키 MgZnO15,16, 예를 들어연락처에만 여러 연구 보고., 2.37의 한 관념 요소, 0.73 eV의 장벽 높이, 103 15의 정류 비율. 다양 한 쇼트 키 금속 ZnO17, 사용 되 고 있다 그리고 그들 가운데,은 (Ag) 널리 채택 되었습니다, 상대적으로 높은 쇼트 키 장벽 높이 1.11 eV의 대량 ZnO에 1.08 18求 인자 때문.
이 작품에서 우리는 ZnO 기반 고속 HFET 장치에 응용 프로그램에 대 한 높은-품질 쇼트 키 다이오드 제작을 목표로 합니다. 다음 프로토콜에 GaN MOCVD 입금 템플릿에 플라즈마 기반 MBE 성장 BeMgZnO/ZnO heterostructures Ag의 전자 빔 증발에 의해 Ag/BeMgZnO/ZnO 쇼트 키 다이오드 제조에 특히 적용 됩니다.
Protocol
1. 성장과 MBE 성장 위한 GaN 서식 파일의 준비
- MOCVD에 의해 반 격리 GaN 템플릿의 성장
- 원자로에서 잠금 로드 챔버 격리 밸브는 닫을 확인 하십시오. N2 대기 압력 부하 잠금 환기. 로드 잠금 기판 홀더를 엽니다.
- 2 인치 사파이어 기판 소유자를 로드 하 고 다시 로드 잠금에 홀더를 배치. 로드 잠금 압력 2.5 × 10 아래로 내려 펌프 기계 건조 펌프-2 Torr.
- N2 반응 기 챔버 (15 Torr)에서 그의 압력을 맞춰야 부하 잠금 환기.
- 로드 잠금 절연 게이트 밸브 열고 원자로에서 샘플 홀더 어셈블리에 홀더를 로드 합니다. 회전 모터를 켜고 100 rpm의 기판 홀더 회전 속도 설정. 다음 게이트 밸브를 닫습니다.
- 냉각수, 두 H2 실행 및 컨트롤러 (MFC) 흐름 대량 NH3 공급이 충분 한, 및 압력 컨트롤러 (PC) 수치와 같습니다 설정값, 고 기판 홀더 회전 확인 하십시오.
- H2N2 에서 시스템 가스를 전환 합니다. 현장에서 광 반사율 모니터를 켭니다.
- 기판 온도, 가스 유량, 및 반응 기 압력, 램프 및 밸브의 전환 등 모든 성장 매개 변수를 사전 설치한 조리법 파일을 시작 하 여 성장을 시작 합니다.
- 3 분 30 Torr에 원자로 압력 및 기판 온도 1055 ° C H2 환경에서 3 분 기판 표면에서 잔여 오염 desorb ~를 진입로가
- 941 ° c nucleation 낮은 온도 (LT) AlN 버퍼 층의 성장을 위한 기판 온도 램프.
- 12 표준 입방 센티미터 (sccm) 분당으로 trimethylaluminum (TMAl) 흐름 및 암모니아 (NH3) 7 sccm으로 흐름과 3 분 기판 온도 안정화 합니다.
- 실행된 라인에 환 풍에서 TMAl를 전환 하 여 LT AlN 층의 성장을 시작 합니다.
- 637 nm 레이저 다이오드, p i n 시 매칭 및 Labview 기반 소프트웨어를 포함 하는 사용자 정의 반사도 측정 시스템을 사용 하 여 LT AlN 층의 두께 제어 합니다. 반사율 진동19,20의 기간에서 성장 속도 결정 합니다. 선택한 샘플에서 횡단면 스캐닝 전자 현미경 검사 법 그리고 전송 전자 현미경 이미지를 사용 하 여 현장에서 모니터링의 정확성을 확인 하.
- 6 분 ~ 20 nm, 다음 성장 중단 없이 3 분에 1100 ° C에 기판 온도 램프의 두께 도달 하 고 300의 두께에 AlN 층의 성장을 계속 성장을 계속 nm, s에는 의 진동의 진화에 의해 모니터링으로 itu 광 반사율.
- 환기 그리고 AlN 성장을 중지 유휴 라인 실행에서 TMAl를 전환 합니다. 15.5 sccm, NH3 흐름 7000 sccm 최대 진입로에서 trimethylgallium (TMGa) 유량을 안정화 하 고 1 분 1 분 1 분에 1107 ° C에 기판 온도를 램프에에서 76 하루를 원자로 압력을 램프에 대 한 안정.
- ~ 400의 두께와 GaN 복구 레이어 성장과 nucleate nm, 반사도 진화를 모니터링 하는 동안. 처음에 반사도 GaN AlN 표면에 핵 제도 섬 합체 하는 때에 해당 하는 원자적 평평한 표면 원래 단계로 강도 다음 복구 때 날카로운 감소를 전시 한다.
- 진입로가 2 분 성장 높은 온도 반 격리 GaN 층 두께가 ~2.5 m m.에서 1124 ° C에 기판 환기 그리고 유휴 라인 TMGa 실행에서 전환 하 여 성장을 중지 합니다.
- 40 분 동안 실내 온도에 기판 아래로 냉각 하십시오.
- 1.5 분 동안 15 하루에 원자로 압력 아래로 램프.
- 단계 1.1.1-1.1.4의 역방향 절차에 따라 원자로에서 기판을 언로 드.
- GaN 템플릿 준비 및 부하 MBE 반응 기를
- 다이아몬드 선 침을 사용 하 여 2 인치 GaN 템플릿 6 동등한 원형 조각으로 잘라.
- 석 영 비 커에 천천히 질소 산 (HNO3, 68.0 70.0 w/w%, 50 mL) 염 산 (HCl, 36.5-38.0 w/w%, 150 mL)에 추가 하 여 산 성 증기 두건 안쪽 아쿠아 레 지아 산 성 솔루션을 준비 합니다.
- 아쿠아 레 지아 비 커 220 ° c.의 온도 가진 뜨거운 접시에 넣어
- 오렌지/레드 색상과 가스 거품의 모양, 후 한 파이 모양의 GaN 템플릿 솔루션에 적시 게 하 고 10 분 동안 삶아.
- 3 분 드 이온된 (DI) 수를 실행에 GaN 템플릿 린스.
- 담가 GaN 템플릿 HCl (36.5-38.0 w/w%):H2O 솔루션 (1:1)가 산화 제거 3 분.
- GaN 템플릿을 실행 5 분 디 물에 헹 구 십시오.
- N2 가스 서식 파일 드라이.
- 모 홀더에 청소 GaN 템플릿을 넣고 즉시 MBE 잠금 로드 챔버에 로드.
- 기계 건조 펌프에 의해 부하 잠금 다운 펌핑 시작 합니다.
2. BeMgZnO/ZnO Heterostructures의 MBE 성장
- 토로 셀의 준비
- Zn, Mg, 준비 시작 후 1 시간에 대 한 부하 잠금 아래로 양수 유출 셀 수. 더블-존 Zn 셀의 위쪽 영역 온도 17 ° C/min의 램프 속도 525 ° C를 설정, 5 분 후 15 ° C/min의 램프 속도 세트 570 ° c 마그네슘 셀 온도 5 ° C/분의 램프 속도 515 ° c 램프에 대 한 대기 세트 포인트에 도달, 후 10 분 동안 기다린 후 300 ° c.까지 Mg 셀 진입로 설정 된 셀 온도 10 ° C/min의 램프 속도와 900 ° C에, 세트 포인트 도달 후 3 분 대기 후 650 ° c.까지 셀 진입로
- 30 분 후 10 ° C/min의 램프 속도와 360 ° c 더블 영역 Zn 세포의 저온 영역을 설정 합니다.
- ~ 5 × 10-7 Torr의 압력을 도달 하는 2 시간에 대 한 부하 잠금 내려 펌핑 후 반영 고 에너지 전자 회절 (RHEED) 시스템에 설정 하 고 MBE 챔버로 GaN 서식 파일을 로드.
- [1-100] 방위 방향 따라 RHEED 패턴 진화를 모니터링 조작 회전 하 여 GaN 템플릿의 각도 조정.
- 355 ° c에 10 ° C/min의 램프 속도와 더블 영역 Zn 세포의 낮은 영역 온도 설정 합니다.
- GaN와 LT ZnO 버퍼의 성장에 ZnO의 극성 제어
- 기판 온도 615 ° C 15 분 동안 기판 표면에서 잔여 오염 desorb를 13.6 ° C/min의 램프 속도 최대 진입로.
- 615에서 LT ZnO의 성장에 대 한 13.6 ° C/min의 램프 속도 280 ° C는 기판 온도 램프. 때 온도 550 ° C에 도달 하면, Zn 플럭스와 GaN 템플릿 표면 노출 Zn 셀 셔터를 엽니다. O2 플라즈마 전원 공급, 100 W, 그리고 O2 가스 라인 닫혔는지 확인 하는 검사로는 전원 설정.
- 온도 280 ° C에 도달 하면, 플라즈마 점화 후 0.25 sccm에 O2 유량을 줄일 0.3 sccm에 400 W, 유량 설정 O2 O2 플라즈마 전원 설정.
- 1 분 기다립니다 다음 LT ZnO 버퍼 층의 성장을 시작을 O2 셔터를 엽니다.
- RHEED 패턴 5 분 마다 기록 합니다. 약 15 분 ~ 20의 버퍼 두께 대 한 성장 후 nm, RHEED 패턴 타원형 반점 (3D 모드), 줄무늬 (2D 모드)에서 변경 될 때 성장을 중지 Zn과 O2 셔터를 닫습니다.
- 0.4 sccm에 O2 유량을 설정 하 고 기판 온도 13.6 ℃/분 anneal LT ZnO 버퍼 층의 램프 속도 730 ° C를 설정. HT-ZnO 층의 성장 위한 10 ° C/min의 램프 속도 345 ° c 더블 영역 Zn 세포의 낮은 영역 온도 설정 합니다.
- 기판 온도는 730 ° C의 세트 포인트에 도달 하면, 5 분 대기 하 고 RHEED에 의해 ZnO 표면 확인 합니다. RHEED 본 3D에서 2d를 전송 하는 경우 중지 700 ° c는 기판 온도 램프에 의해 어 닐 링
- 높은-온도 ZnO 층의 성장
- 기판 온도 700 ° C를 도달 하 고 안정화 때 3.2 sccm에 O2 유량 증가.
- Zn과 O2 셔터를 동시에 열어서 HT ZnO 층의 성장을 시작 합니다.
- HT-ZnO 레이어 ~ 140 분 ~ 300의 두께 도달 성장 nm. 2D 성장 모드를 확인 하려면 성장 동안 RHEED 패턴 여러 번을 기록 합니다.
- 동시에 Zn과 O2 셔터를 닫는 여 HT ZnO 층의 성장을 중지 합니다.
- BeMgZnO 방 벽의 성장
- 0.3 sccm O2 유량, 설정 된 셀 온도 10 ° C/min의 램프 속도 820 ℃, Mg 셀 온도 15 ° C/min의 램프 속도 510 ° C를 설정 되며 기판 온도 13.6 °의 램프 속도 325 ° C를 설정 C/BeMgZnO 방 벽의 성장에 대 한 민.
- 기판 온도 안정화, 1.25 sccm에 O2 유량을 증가 하 고 동시 Zn, Mg, 개방 하 여 성장을 시작 될, 및 O2 셔터.
- BeMgZnO 방 벽 층 ~ 12 분 ~ 30의 두께 도달 성장 nm. 레코드 RHEED 패턴 성장 성장 모드 진화를 모니터링 하는 동안 여러 번.
- Mg 여 BeMgZnO 층의 성장을 중지 하 고 셔터 수 Zn과 O2 를 유지 하면서 셔터 1 분 ~ 2 nm 두꺼운 ZnO 모자 레이어 오픈.
- Zn과 O2 셔터를 폐쇄 하 여 성장을 마칩니다.
- 기판 온도 대기 온도를 아래로 램프 150 ° c. 0.25 sccm에 O2 흐름 속도 감소.
- 기판 온도 250 ° C 미만이 면 100 W O2 플라즈마 전력 감소, O2 플라즈마 전원 공급 장치 해제, 0 O2 유량 감소, O2 가스 라인 닫고 대기로 셀 온도 아래로 냉각 조건입니다.
- 기판 온도 150 ° C의 대기 온도 도달, 성장 챔버 게이트 밸브를 열고 부하 자물쇠 약 실에 웨이퍼 홀더를 언로 드를 기다립니다.
- N2 가스 잠금 로드 챔버를 환기 하 고 샘플을 꺼내.
3입니다. characterizations
- 대략 샘플의 가장자리에 적용된 영역을 통해 단계 프로파일러를 사용 하 여 샘플의 두께 측정 합니다.
- 고해상도 x 선 회절 (HRXRD) ((0002) 반사의 2 분기 w 검사)를 사용 하 여 두께, 스트레인 및 구조는 heterostructure의 품질을 평가 합니다.
- 5 × 5 m m로 샘플을 절단2 정사각형 조각을 다이아몬드 선 침을 사용 하 여. 밴 der Pauw 형상을, (에서) 점 접촉 전극으로 인듐에 온도 종속 홀 효과 측정을 사용 하 여 샘플의 전자 속성을 조사 합니다.
- 원자 힘 현미경 (AFM)을 사용 하 여 표면 형태를 확인 합니다.
4입니다. 쇼트 키 다이오드 제작
- BeMgZnO/ZnO heterostructures에 저항 접촉의 제조
- 5 분, 5 분 동안 초음파 청소기에 메탄올과 청소, 5 분 디 물에 헹 구 고 건조 N2부 다음 초음파 청소기에 아세톤으로 샘플을 (~ 20 × 20 m m2 크기에서)를 탈지 하십시오.
- 3 s 1000 rpm와 30에 대 한 후 3000 rpm 코트 감광 스핀 s.
- 부드러운 빵을 140 대 100 ° C에서 감광 제 s.
- UV 저항 접촉을 통해 빛과 노출에 포토 리소 그래피 마스크 aligner 2.38 분 6.5 mW UV 램프 전력에서 마스크.
- 게시물 80 110 ° C에서 감광 제를 구워 s.
- 60에 대 한 개발자에서 개발 s 1/s의 진동 주파수와 함께.
- 3 분 및 타격 건조 N2와 디 물에 린스.
- 전자 빔 증발 기에는 샘플을 로드 합니다.
- 30/50의 두께가 Ti/Au 샘플, 난방 없이 입금 nm, 크리스털 두께 모니터에 의해 측정 된.
- 아세톤, 메탄올 5 분에 청소 뒤에 이륙 5 분 디 물에 헹 구 고 불고 N2와 함께 건조.
- 30 300 ° C에 급속 한 열 annealer (RTA)에 의해 접촉 anneal s.
- 전환 선 모델 (TLM) 측정21을 통해 접촉 저항을 확인 하십시오.
- Heterostructures BeMgZnO/ZnO에 쇼트 키 접촉의 제조
- 쇼트 키 접촉의 포토 리소 그래피에 대 한 단계 4.1.1-4.1.7을 따릅니다.
- 원격 O2 플라즈마는 O2 35 sccm의 흐름과 RF 전력 50 w.의 5 분에 대 한 샘플 표면 처리
- Ag의 증 착에 대 한 단계 4.1.8-4.1.10 50의 두께 따라 nm.
- 쇼트 키 다이오드17-V 측정에 의해 획득된 구조를 특징.
Representative Results
그림 1 의 왼쪽된 열에 표시의 MBE 성장 하는 동안 [1-100] 방위 방향을 따라 기록 RHEED 본의 진화는0.02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure 300 nm 두꺼운 HT-ZnO 층과 30 수 nm 두께 수0.02 Mg0.26장벽을 ZnO. 오른쪽 열 (동일한 샘플)에서 다른 성장 단계에서 대표적인 표면 형태학을 보여줍니다. 드문드문 RHEED 본의 모습에서 입증, LT ZnO 버퍼 층의 3 차원 (3D) 섬 성장 모드 자연입니다. 그것의 표면 형태는 700 ° c.의 위 온도에 어 닐 링 열 처리에 의해 향상 되었습니다. 그것은 명확 하 게 표면 변형 3D에서 2D 형태를 볼 수 있다. 후속 HT-ZnO 레이어는 2D 모드에서 성장을 계속 하 고 두 번째 단계 형성 없이0.02Mg0.26ZnO 레이어 수의 2D 성장 뒤. AFM 측정 GaN 템플릿 0.28의 평균 제곱근 (RMS) 거칠기가 나타났습니다 5 × 5 μ m2 스캔에 대 한 nm. 0.35 nm 장벽 없이 HT-ZnO 레이어 O 풍부한 상태 및 0.45 nm BeMgZnO 방 벽의 성장 후 관찰의 RMS 거칠기에서 성장 하 여 획득은의 RMS 거칠기와 매끄러운 표면.
HRXRD 트리플-축 2θ-ω 검색 전형적인 Zn-극 수는 50와 300 nm 두꺼운 HT-ZnO 층,0.02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure nm 두꺼운 수0.02Mg0.26ZnO 배리어 층 그림 2에 표시 됩니다. 34.46 o, 34.54 o, 그리고 34.75 o 반사는 ZnO, GaN의 (0002) 반사와 일치 되며0.02Mg0.26ZnO, 각각. 유의 하십시오 그것의 얇음은0.02Mg0.26ZnO 수에서 반사의 확대. 우리의 이전 연구13조사 ZnO 레이어에서 biaxial 인장 스트레인 Zn 극 heterostructure의 표시입니다. 되며 BeMgZnO 비밀이에 Mg 내용을 13 K (표시 되지 않음)에서 측정 하는 LT photoluminescence (LT-PL) 스펙트럼에서의 XRD (0002) 반사와 방출 광자 에너지의 브래그 각도에서 계산 했다.
그림 3 은 온도 따른 홀 효과 측정에 대 한 결과0.02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure 수. 8.8 × 10에서 시트 캐리어 농도 감소 6.4 × 1012 cm-2 12 cm-2 때 샘플은 실내 온도 (293 K)에서 약 100 K.에 냉각 했다 추가 13 K로 냉각, 시트 캐리어 농도 포화 6.2 × 1012 cm-2. 이 매니페스트 전자 농도 있는 관찰 된 감소 결함 nucleation 레이어 및 HT-ZnO 레이어를 포함 하는 병렬 전도 채널에서 기부금에서 유래로0.02Mg0.26ZnO를 수 장벽, 있는 경우 했다입니다. 이 추세는 또한 MgZnO/ZnO heterostructures10,22에 대 한 보고 되었다. 전자 이동성에는 감소 하는 온도;0.02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure 일정 하 게 증가 될 모두는 293 K 206 cm2/Vs의 이동 성과 1550 cm2/Vs의 13 K 이동성 문학22,23에 값을 비교할 수 있습니다. 온도의 함수로 서 전자 속성의 진화는 명확 하 게에서 2DEG의 존재를 표시는0.02Mg0.26ZnO/ZnO heterointerface 수.
그림 4 는 전류-전압 (i-v) 곡선 4 명의 대표 Ag에 대 한 실 온에서 측정 /0.02Mg0.261.1 × 10의 쇼트 키 면적 ZnO/ZnO 쇼트 키 다이오드-4 cm2 한 웨이퍼 내. 순방향 전류 있는 전압 직렬 저항 명백 하 게 될 전체 상품 적용된 전압 0.25 V, 최대 기 하 급수적으로 증가. 가장 높은 쇼트 키 장벽 높이 Φ의ap 1.07 eV의 1.22의 관념 요소 n 달성 했다. 약 1 × 108 의 정류 비율 V에서 측정 하는 현재 값을 사용 하 여 달성 된다 = ± 2 V.
그림 1입니다. 표면 특성. 왼쪽된 열에 RHEED 본의 MBE 성장 하는 동안 [1-100] 방위 방향 따라 표시는0.02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure, 수 그리고 오른쪽 열 GaN 템플릿, HT-ZnO 층의 표면 형태학을 선물 하 고 0.02Mg0.26ZnO 레이어 AFM으로 측정. LT-ZnO 버퍼 기술 낮은 격자 불일치 GaN 템플릿에 높은-품질 산화 아연 heterostructures의 2D 모드 성장 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 2입니다. heterostructure의 HRXRD. HRXRD 트리플-축 2θ-ω 전형적인 Zn-북극의 스캔0.02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure는 50 수 nm 두께0.02Mg0.26ZnO 배리어 층 수. 34.46 o, 34.54 o, 그리고 34.75 o 반사는 ZnO, GaN의 (0002) 반사와 일치 되며0.02Mg0.26ZnO, 각각. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 3입니다. 전자는 heterostructure의 속성입니다. Zn 극의 시트 캐리어 밀도 전자 이동성의 온도 의존0.02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure 수. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 4입니다. 쇼트 키 다이오드. 4 대표 Ag의 전형적인 i-v 특성 상 온에서0.02Mg0.26ZnO/ZnO 쇼트 키 다이오드 측정 /. 4-V 곡선의 샘플의 높은-웨이퍼 균일성을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
Discussion
제 사기 BeMgZnO를 MgZnO로 BeO의 설립 타당성 범위와는 비밀이에 긴장의 표시를 조정 하며 따라서 크게 2DEG 밀도8증가. 대표 결과 표시는 수0.02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure 결과 원하는 플라스몬 가까이 2DEG 밀도-LO phonon 공명 전자 밀도 (~ 7 × 1012 cm-2)24. heterostructure의 전자 이동성 강하게 MBE 성장 매개 변수 기판 온도 등 6/II HT-ZnO 및 BeMgZnO 배리어 층의 비율에 따라, 비록 2DEG 밀도 약하게 성장 조건에 의존 하는 고 에 의해 주로 결정은 수 및 장벽에 Mg 콘텐츠.
GaN 템플릿이 GaN 및 ZnO, 사파이어와 ZnO 간의 18%의 큰 격자 불일치에 비해 1.8%의 적당 한 격자 불일치 때문 높은 결정 질 BeMgZnO/ZnO heterostructures의 성장을 위해 사용 됩니다. 모든 전도성 병렬 채널을 피하기 위해, 그것이 GaN 서식 파일에 대 한 m ω/광장 범위에 높은 저항을가지고 중요 합니다. 우리의 경우,이 탄소 보상을 향상 시키기 위해 76 Torr의 낮은 약 실 압력에 성장 하 여 이루어집니다. BeMgZnO/ZnO heterostructures (Zn-극성)에 극성 제어를 보장 하기 위해, GaN 템플릿의 주의 표면 처리 없어서는 아니다. 어떤 산화 또는 오염의 GaN 표면에 준비 하는 동안 도입 heterostructures 결정 6/II 비율에서에서의 Zn과 O 믹스 극성을 유도 것 < 1.5 성취 된다.
금속, 반도체, 표면 오염 물질의 존재 사이 어떤 화학 반응 상태, 표면, 그리고 반도체에 금속 확산 주변 결함은 쇼트 키 제조의 분야에서 일반적인 문제 연락처입니다. 방법의 다양 한 쇼트 키 접촉 제조 ZnO의 표면 준비 하기 위한 문학에서 보고 되었습니다. 그들 가운데는 아칸소+, UV 오존 청소, H2O2와 O2 플라즈마 (또는 그 혼합물)에 치료와 함께 물리 HCl (또는 기타 산), 에칭 에칭25,,2627, 28. 에칭 절차는 몇 나노미터에서 미크론까지 두께와 표면 층의 제거를 위해 조 준 하 고 HFET 장치에 적용할 수 없습니다. UV 오존 청소 또는 O2 플라즈마 절차만 표면 레이어를 제거합니다. 따라서, 그것은 우리의 BeMgZnO/ZnO heterostructures의 표면 처리에 대 한 적합 합니다.
일반적으로 쇼트 키 접촉 등, Ir, Pt, Pd 등 높은 일 함수 금속을 입금 하 여 달성 된다. 대조적으로, Ag는 4.26 eV의 낮은 작업 기능이 있다. 그럼에도 불구 하 고, Ag 전극 활용 장치 ZnO 매트릭스에서 산소와 Ag의 부분 산화로 인해 발생 하는 인터페이스 실버 산화물 층의 대형 때문에 정류 동작을 표시할 수 있습니다. 그래서 형성 된 산화물 층 전자에 대 한 투명 하 고 높은 작업 기능이 Ag에 비해. Raju 외. 전 1.3 eV 보다 높은 Ag의 그리고 가까이 Pd, Pt, 및 Ir29의 특성은 펄스 레이저 증 착 (PLD), 성장에 대 한 작업 함수 약 5.5 eV를 보고 있다. 우리의 결과 Ag 전극 (O2 플라즈마 전처리 표면에 산화 아연 heterostructure)와 쇼트 키 다이오드의 형성을 위한 유망한 연락처 금속 나타냅니다.
우리 HFETs ZnO 기반에 대 한 고품질 쇼트 키 연락처를 조작 하는 방법을 설명 했다. MBE 성장과 낮은 6/II 비율 직전 주의 표면 준비 MOCVD 성장 GaN 템플릿 < ZnO nucleation 동안 1.5 보장 고품질 ZnO 기반 heterostructures의 Zn 극 방향. MOCVD는 다양 한 응용 프로그램에 대 한 GaN의 택시는 널리 사용 되는 성숙한 기술. 이 작품에서 설명 하는 MBE 절차는 MOCVD 및 MBE 기술과 전자 장치용 GaN 및 산화물 반도체의 combinability를 나타냅니다. 작은 금액의 향상 된 고속 성능에 대 한 높은 2DEG 밀도, 높은 전자 이동성 및 높은 열 안정성, HFETs에 BeMgZnO 방 벽 레이어 결과에 수.
Disclosures
저자는 공개 없다.
Acknowledgments
이 작품에 의해 공군 사무실의 과학적 연구 (AFOSR) 그랜트 FA9550-12-1-0094에서 지원 되었다.
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 |
References
- 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).
- Aktas, O., et al. Microwave performance of AlGaN/GaN inverted MODFET's. IEEE Electron Device Letters. 18 (6), 293-295 (1997).
- 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).
- Sasa, S., et al. Microwave performance of ZnO/ZnMgO heterostructure field effect transistors. Physica status solidi (a). 208 (2), 449-452 (2011).
- Ye, D., et al. Enhancement-mode ZnO/Mg0.5Zn0.5O HFET on Si. Journal of Physics D: Applied Physics. 47 (25), 255101 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ding, K., Avrutin, V., Özgür, Ü, Morkoç, H. III-Nitride Light-Emitting Diodes. Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering. , 1-21 (2017).
- Tsukazaki, A., et al. Quantum Hall effect in polar oxide heterostructures. Science. 315 (5817), 1388-1391 (2007).
- Tsukazaki, A., et al. Observation of the fractional quantum Hall effect in an oxide. Nat Mater. 9 (11), 889-893 (2010).
- Falson, J., et al. MgZnO/ZnO heterostructures with electron mobility exceeding 1 x 10(6) cm(2)/Vs. Sci Rep. 6, 26598 (2016).
- 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).
- Ullah, M. B., et al. Characterization of Ag Schottky Barriers on Be0.02Mg0.26ZnO/ZnO Heterostructures. physica status solidi (RRL) - Rapid Research Letters. , (2017).
- 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).
- 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).
- Brillson, L. J., Lu, Y. ZnO Schottky barriers and Ohmic contacts. Journal of Applied Physics. 109 (12), 121301 (2011).
- Müller, S., et al. Method of choice for fabrication of high-quality ZnO-based Schottky diodes. Journal of Applied Physics. 116 (19), 194506 (1945).
- 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).
- 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).
- Berger, H. Models for contacts to planar devices. Solid-State Electronics. 15 (2), 145-158 (1972).
- Tampo, H., et al. Polarization-induced two-dimensional electron gases in ZnMgO/ZnO heterostructures. Applied Physics Letters. 93 (20), 202104 (2008).
- 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).
- Šermukšnis, E., et al. Hot-electron energy relaxation time in Ga-doped ZnO films. Journal of Applied Physics. 117 (6), 065704 (2015).
- 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).
- Mohanta, S., et al. Electrical characterization of Schottky contacts to n-MgZnO films. Thin Solid Films. 548, 539-545 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
