С помощью плазмы молекулярно-лучевой эпитаксии N-полярная InAlN-барьерные Транзисторы высокого электронно-мобильности

Молекулярно – лучевой эпитаксии (MBE) является универсальным эпитаксиальных тонкопленочных метод роста , который использует сверхвысокого вакуумной среде с базовым давлением ниже 10 ^-11 мм рт.ст. , чтобы обеспечить включение с низким содержанием примесей в выращенной пленки. Состав и скорость роста из эпитаксиально выращенных слоев определяются путем регулирования температуры каждой Эффузионным клетки, и, таким образом Испарившаяся поток различных исходных материалов. В случае III-нитридного эпитаксии группы III-элементы (In, Al, Ga) , как правило , представленной эффузионных клетками в то время как активный азот (N *) поток обеспечивается либо с N ₂ в плазме ^1,2 (RF плазмы -поддерживаемая MBE:. PAMBE или RFMBE) или аммиака (NH ₃ -MBE) ^3,4 рост MBE характеризуется более низкими температурами роста и более резкой границе раздела фаз резкостью по сравнению с другими методами эпитаксиального роста, таких как МОС химического осаждения из паровой фазы ⁵ Схема показана. на рисунке 1.

III-нитриды могут быть выращены на подложках, имеющих различные ориентации кристалла. Чаще всего используется ориентация Ga-полярный с -плоскость, что позволяет формирование двумерного электронного газа без легирования за счет использования разницы в поляризации между барьерным слоем, обычно AlGaN и канала GaN. Различные неполярный и полуполярные ориентации GaN получили значительное внимание для оптоэлектроники из – за уменьшения поляризационных эффектов в квантовых ямах, ^6,7 , который также делает эти ориентации менее желательным для HEMT аппликацийнс. N-полярные ориентированные устройства являются привлекательными для высокочастотной работы HEMT следующего поколения из – за нескольких собственных преимуществ по сравнению с обычными Ga-полярными устройств. ⁸ Барьерный слой в N-полярными устройств выращивают под каналом GaN , как показано на рисунке 2, в результате чего в естественной задней барьер, который помогает электростатический контроль канала и уменьшает эффекты коротких каналов, позволяя при этом более легкий текущий доступ к каналу GaN и снижения сопротивления контакта. Барьер также можно управлять отдельно от канала, так что, как толщина канала масштабируется вниз для высокочастотных устройств конструкция барьера может быть изменен, чтобы компенсировать канала заряда потерянной к Ферми уровня эффектов пиннинга.

Рис . 2: эпитаксиальный слой схематичное слой структура (а) N-полярную HEMT и (б) Ga-полярной HEMT для COMPARисоном. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

HEMTs, используемые в высокоскоростных, высокой усилители мощности, как правило, выращивают на SiC-подложках, чтобы воспользоваться преимуществами высокой теплопроводности SiC. Низкие плотности пронизывающих дислокаций Freestanding GaN подложки могут быть использованы для улучшения подвижности электронов, ⁹ тем самым улучшая производительность высокой частоты. После роста в AlN зародышевого слоя, толстый буфер GaN выращивают пространственное разделение примесей на границе раздела подроста из канала HEMT и улучшить электрическую изоляцию. В отличие от других III-V материалов, GaN , выращенных с помощью PAMBE обычно требует условий роста при соотношении III группы / V больше 1, т.е. богатых металлами условиях, ^10,11 , с тем , чтобы достичь гладкой морфологией поверхности. В _х Al _{1- х} N является альтернативный барьерный материал для III-нитридных HEMTs, и получила значительное внимание в последнее время, так как оно может быть выращено решетка согласована с GaN при х ≈ 0,18 и может генерировать более чем вдвое превышает заряда канала относительно AlGaN барьеров из – за его высокой спонтанной поляризации. В отличие от ^12-15 AlGaN барьеры, Ga будет включать в себя преимущественно с In в InAlN слоях, ¹⁶ , таким образом , необходимо позаботиться , чтобы обеспечить поверхность свободна от избытка Ga после Ga-богатого роста слоя GaN буфера и до роста InAlN.

Контроль Ga на поверхности может быть достигнуто с помощью питающих поток Ga немного меньше потока, необходимого для образования Ga-капельным. Тем не менее, это окно роста мал, и недостаточный охват поверхности Ga вызывает морфологию поверхности деградировать в плато / позиционной морфологии в то время как избыточный поток Ga приводит к накоплению Ga и образованию макроскопического капельным. ¹⁷ Отражение высоких энергий электронов дифракции (ДБЭО) INTENS ности могут быть использованы для мониторинга накопления Ga и десорбцию. Покрытие поверхности Ga обозначено уменьшением интенсивности ДБЭО, и любой лага между закрытием Ga (и N *) жалюзи и начальное увеличение интенсивности ДБЭО указывает на накопление Ga, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3: Мониторинг покрытия Ga с интенсивности сигнала ДБЭО интенсивности ДБЭО , измеренная от ДБЭО приобретенного при повороте с помощью сработавшей приобретения.. Недостаточный поток Ga обозначается немедленным увеличением интенсивности после закрытия дверцы (не показана). Насыщенный / идеальное покрытие Ga указывается задержка между закрытием затвора и резким ДБЭО осветления и избыточного покрытия Ga в рассматривалось и как задержки в начальной ДБЭО осветления, а также более постепенным увеличением интенсивности, что приводит к полному восстановлению интенсивности занимает больше времени, чем 60 сек.COM / файлы / ftp_upload / 54775 / 54775fig3large.jpg "целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Достижение высокого качества InAlN путем PAMBE осложняется наличием боковых колебаний состава, в результате чего "сотами" микроструктуры , состоящей из Al-богатых областей , окруженных В богатых границах. ¹⁸ Устранение этой микроструктуры достигается за счет использования температуры подложки около 50 ° C выше начала десорбции, ^15,19,20 или приблизительно 630 ° C для N-полярных InAlN. В этом режиме роста при высоких температурах, то в _х Al _{1- х} N композиция сильно зависит от температуры подложки, при более высоких температурах приводит к ниже инкорпорации. Поток В может быть увеличена, чтобы компенсировать в потерянной испарению, хотя на практике максимальный Флюсом ограничивается снижением эффективности инкорпорации первую очередь с увеличением потока. ²¹ В дополнение к снижению температуры подложки или увеличение в потоке, увеличивая скорость роста может также увеличить состав в связи с "В похоронив эффект", где входящие Al захватывать атомы В и не допустить его испарения. ^21,22 Высшее темпы роста могут быть достигнуты за счет увеличения потока в Al и пропорционально. Для того, чтобы сохранить условия роста N-богатых, N * должны были бы быть увеличена , а также, что может быть достигнуто за счет увеличения мощности ВЧ плазмы, увеличивая скорость потока N _2, совершенствование конструкции плазменной камеры, или увеличение диафрагмы отверстие пластины плотность.

Дополнительные слои эпитаксиальных в HEMTs InAlN основе включают GaN и AlN прослоек (ILS) и канал GaN. AlN IL вставляется между барьером и каналом может увеличить подвижность ц, а также канал листа плотности заряда н _с. Увеличение подвижности приписывается к уменьшению электронной волновой функции перекрытия с InAlN Ьarrier и последующего рассеяния сплава. ⁹ Для обеспечения высококачественного роста из AlN IL, избыток потока Ga подается во время роста , чтобы действовать в качестве поверхностно -активного вещества. GaN IL может быть использован между AlN IL и барьером для дальнейшего повышения мобильности при одновременном снижении заряда канала. Канал GaN может быть выращен при той же температуре, что и барьер InAlN, позволяя непрерывный рост от барьера хотя ИЛС и канала. Улучшение подвижности была получена путем прерывания роста после AlN IL и повышение температуры роста перед выращиванием канала GaN. В этом случае защитное покрытие поверхности Ga должна поддерживаться во время прерывания для предотвращения ухудшения подвижности.

Следующий протокол применяется специально для InAlN барьера HEMTs, выращенных на N-полярных GaN субстратов. Он может быть непосредственно продлен до роста на С-полярная 4Н- или 6H-SiC подложках, включая толщиной 50 нм N-богатый AlN слой.