InAlN bariyer Yüksek elektron-mobilite Transistörler N-polar Plazma destekli Moleküler Işın Epitaksi
Summary
Moleküler ışın epitaksi N-polar InAlN bariyer yüksek elektron-mobilite transistörleri (HEMT) büyümek için kullanılır. 1750 cm 2 / V ∙ sn gibi yüksek hareket kabiliyeti ile pürüzsüz, bileşim açısından homojen InAlN katmanları ve HEMT gofret hazırlık kontrolü, kat büyüme koşulları ve epitaksiyel yapısı sonuçları.
Abstract
Plazma destekli moleküler ışın epitaksi yüksek kaliteli, yüksek elektron-mobilite transistörler (HEMT) için gerekli pürüzsüz, ani arayüzleri ile III-nitrür ince filmlerin ve heteroyapıların epitaksiyel büyüme için uygundur. Bir prosedür pul hazırlanması ve tampon katmanları, InAlN engelleyici tabaka, AIN ve GaN ara katmanlar ve GaN kanalı büyümesi dahil olmak üzere N polar InAlN HEMT büyümesi için sunulmuştur. sürecin her adımında kritik konular gibi Ga GaN tampon içinde birikimi, InAlN kompozisyon homojenliği üzerine sıcaklığın rolü ve AlN ara tabakanın sırasında Ga akı kullanımı ve kesme öncesinde GaN kanal büyümesini engelleyen olarak tanımlanır. Kompozisyon homojen N-polar InAlN ince filmlerin 0.19 nm ve gibi düşük yüzey kök ortalama kare pürüzlülüğü ile gösterilmiştir HEMT yapıları bir yaprak yük yoğunluğuna sahip cihazlar için 1,750 cm2 / V ∙ sn gibi yüksek hareketlilik sahip bildirildi InAlN tabanlı 1.7 x 1013 cm -2.
Introduction
Moleküler ışın epitaksi (MBE) yetiştirilen filmde düşük kirlilik birleşmesini sağlamak için 10 -11 Torr gibi düşük taban basınçları ile ultra-yüksek vakum ortamı kullanan bir çok yönlü epitaksiyel ince film büyütme tekniğidir. epitaxially yetiştirilen tabakaların oluşumu ve büyüme oranı, her efüzyon bir hücrenin sıcaklığı, ve çeşitli başlangıç maddelerinin böylece buharlaşan akı kontrol edilerek belirlenir. III-nitrür epitaksi aktif azot (N *) bir akı ya bir N2 plazma 1,2 (RF plazma tarafından sağlanır ise III-elementler (in, Al, Ga), tipik olarak efüzyon hücreleri tarafından sağlanan grubu olması halinde -assisted MBE.:. PAMBE ya RFMBE) ya da amonyak (NH3 -MBE) 3,4 MBE büyümesi 5 düşük büyüme sıcaklıklarında ve metalorganik kimyasal buhar çökeltme gibi diğer epitaksiyel geliştirme teknikleri, daha keskin ara yüzey abruptness ile karakterize edilen bir şematik gösterilmiştir Şekil 1 'de.
<pclass = "jove_content">
Şekil 1:.. MBE sistemi şematik yük kilidi, transfer sistemi, gaz çıkışının istasyonu ve büyüme odasını gösteren şematik bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
III-nitrür kristal yönlendirilmelerinde çeşitli sahip substratlar üzerinde yetiştirilir. En yaygın olarak kullanılan yönlendirme bariyer tabakası, tipik olarak AlGaN ve GaN kanal arasındaki polarizasyon farkı kullanarak doping olmayan iki boyutlu elektron gaz oluşumunu sağlar Ga polar Cı -plane vardır. GaN polar olmayan çeşitli ve yarı polar yönelimler nedeniyle, aynı zamanda HEMT aplikasyon bu yönelimleri daha az istenilir yapan 6,7 kuantum kuyu, azaltılmış polarizasyon etkileri için optoelektronik önemli ilgi görmüştürns. N polar yönelik aygıtlar nedeniyle alışılmış Ga polar cihazlar üzerinde çok sayıda doğal avantajlarından için yeni nesil yüksek frekanslı HEMT işlemi için caziptir. Şekil 2'de gösterildiği gibi, 8 N-polar cihazlarda bariyer tabakası sonuçlanan GaN kanal altında yetiştirilir doğal arka bariyer o kanalın elektrostatik kontrolünü yardımcıları ve GaN kanalına kolay geçerli erişim sağlayan ve temas direnci azaltırken, kısa kanal etkilerini azaltır. kanal kalınlığı yüksek frekans cihazlar için küçültülmüş olarak engelleyici tasarım Fermi düzeyi sabitleme etkileri kayıp kanal sorumlu telafi etmek için modifiye edilebilir, böylece bariyer aynı zamanda kanal ayrı olarak kontrol edilebilir.
Şekil 2:. Karş (a) bir N-polar HEMT ve (b) bir Ga polar HEMT bir epitaksiyel tabaka şematik bir tabaka yapısıison. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
yüksek hızda kullanılan HEMT, yüksek güç yükselteçleri normalde SiC yüksek termal iletkenlik yararlanmak için SiC yüzeylerde yetiştirilmektedir. Düşük diş çıkığı yoğunluğu müstakil GaN yüzeyler elektron hareketliliği, 9 ve böylece yüksek frekanslı performansını artırmak artırmak için kullanılabilir. Bir AlN çekirdeklenme tabakasının büyümesinin ardından, kalın bir GaN tampon mekansal HEMT kanalından büyütme arayüzünde kirleri ayırmak ve elektrik izolasyonu artırmak için yetiştirilir. Diğer III-V malzemelerin aksine, PAMBE yetiştirilen GaN tipik olarak 1, örneğin, metal açısından zengin koşullarda, düzgün bir yüzey morfolojisi elde etmek için 10,11 daha büyük olan bir grup III / V oranına sahip büyüme koşulları gerektirir. X Al 1- x N bir alter olduğunuo büyüdü kafes x ≈ 0.18 için GaN eşleştirilmiş olabilir ve üzerinde Algan engelleri iki kez kanal şarj göreli yüksek olması nedeniyle kendiliğinden polarizasyon üretebilirsiniz çünkü yerli bariyer III-nitrür HEMT malzeme ve son zamanlarda büyük ilgi aldı. Aksine 12-15 Algan bariyerler, Ga 16 böylece yüzey Ga zengin GaN tampon tabaka büyümesi ve öncesinde InAlN büyüme sonrasında aşırı Ga ücretsiz sağlamak için alınması gereken bakım, InAlN tabakalarında in tercihen dahil edecektir.
yüzeye Ga Kontrol GA-damlacık oluşumu için gerekli akı az daha düşük bir Ga akı suppling ile gerçekleştirilebilir. Ancak, bu büyüme pencere küçük ve aşırı Ga Ga akı birikimi ve makroskopik damlacık oluşumuna neden olurken yüzey morfolojisi neden olacaktır yetersiz Ga yüzey kaplama plato / hendek morfolojisi içine düşmesine. 17 Yansıma yüksek enerjili elektron kırınımı (RHEED) keskinliği Sığ Ga birikmesi ve geri çekilmesine izlemek için de kullanılabilir. Ga yüzey kaplama RHEED yoğunluğunda bir azalma ve Ga kapatma arasında bir gecikme ile gösterilir (N *) kapıları ve Şekil 3'te gösterildiği gibi, RHEED yoğunluğu ilk artışın, Ga birikmesi göstermektedir.
Şekil 3:. Tetiklenen edinimi kullanarak, döndürme kapsamında edinilen RHEED desen ölçülen RHEED yoğunluğu RHEED yoğunluğu sinyali ile Ga kapsama İzleme. Yetersiz Ga akı kepenkleri kapattıktan sonra yoğunluğunda ani bir artış olarak ifade edilir (gösterilmemiştir). Doymuş / İdeal Ga kapsama deklanşör kapanması ve ani RHEED beyazlatma ve ilk RHEED parlatma bir gecikme yanı sıra daha uzun 60 s alarak tam yoğunluk iyileşme ile sonuçlanan bir daha kademeli yoğunluk artışı hem de görülen aşırı Ga kapsama arasında bir gecikme ile gösterilir.com / files / ftp_upload / 54775 / 54775fig3large.jpg "target =" _ blank "> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
PAMBE tarafından InAlN sağlanması yüksek kaliteli olarak zengin sınırları ile çevrili, Al-zengin bölgelerinden oluşan bir "bal peteği" mikro sonuçlanan yanal kompozisyon dalgalanmaların varlığı ile karmaşıklaşır. Bu mikro 18 Eliminasyon 50 hakkında bir alt tabaka sıcaklığı kullanılarak elde edilir Gelen desorpsiyonu, N-polar InAlN için 15,19,20 ya da yaklaşık olarak 630 ° C başlangıç ° C üzerinde. Bu yüksek sıcaklık artış rejiminde üzere Al 1 x N bileşim olup, daha yüksek sıcaklıklar dahil, alt ile sonuçlanan alt-tabaka sıcaklığında güçlü bir fonksiyonu olduğu, x. Akı uygulamada akı maksimum akı artan dahil verimliliği bir azalma ile sınırlı olsa da, buharlaştırma kayıp telafi etmek için arttırılabilir. 21 nedeniyle de içinde "etkisi gömme olarak", gelen Al atomları tuzak olarak kompozisyon artırmak ve buharlaşan önleyebilirsiniz büyüme hızını artırarak, alt tabaka sıcaklığı düşürmek veya akı olarak artan ek olarak. 21,22 Yüksek büyüme oranları orantılı olarak ve Al akı artırarak elde edilebilir. N açısından zengin bir büyüme koşullarını korumak için, K *, N2 akımı hızı artan plazma odası tasarımı geliştirmek ya da diyafram levhası delik, artan RF plazma gücü arttırarak elde edilebilir, hem de yüksek olması gerekir yoğunluk.
InAlN tabanlı HEMT Ek epitaksiyel tabakalar Gan ve AIN arakatmanlarının (ILS) ve GaN kanalı bulunmaktadır. Bir AlN IL hareketlilik u yanı sıra kanal levha yük yoğunluğu n s artırabilir bariyer ve kanal arasına yerleştirilen. hareketlilik artış InAlN b elektron dalga fonksiyonu örtüşme azaltılması atfedilirarrier ve daha sonra metal saçılma. 9 AIN IL yüksek kaliteli bir büyüme sağlamak için, Ga akı aşırı bir yüzey aktif olarak hareket büyüme sırasında sağlanır. Bir GaN IL kanal ücreti azaltırken daha hareketliliği artırmak için AlN IL ve bariyer arasında kullanılabilir. GaN kanal IL'lerin ve kanal olsa bariyerden sürekli büyüme sağlayarak, InAlN bariyer olarak aynı sıcaklıkta yetiştirilebilir. Geliştirilmiş hareketlilik AIN IL sonra büyümeyi engellemeden ve GaN kanalı büyüyen önce büyüme sıcaklığının artırılması ile elde edilmiştir. Bu durumda, koruyucu Ga yüzey kaplama hareket bozulmasını önlemek için kesme esnasında muhafaza edilmesi gerekmektedir.
Aşağıdaki protokol, N-polar GaN substratlar üzerinde yetiştirilen InAlN bariyer HEMT özellikle geçerlidir. Doğrudan bir 50 nm kalınlığında bir N zengin AIN katmanı içerecek Cı polar 4H ya 6H-SiC substratlar üzerinde büyümeye uzatılabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Yüksek kaliteli bir GaN tampon tabaka büyümesi bir III-nitrür HEMT yüksek elektron hareketliliği sağlamak için çok önemlidir. N polar InAlN HEMT halinde, tampon tabakası bir büyüme Tüm GA önce InAlN büyüme yüzeyinden temizlenmelidir gereği ile karmaşıklaşır. Bu tür metal modüle epitaksi, 27 orta Ga kapsamı ve Ga damlacık birikim rejiminin, 28 kenarında büyüme koşulları kullanılarak ya da sürekli bir N * izin olarak burada anlatılan prosedüre ek olarak …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank Mr. Neil Green for assistance with sample preparation. This work was supported by the Office of Naval Research under funding from Dr. P. Maki. MTH was supported by a National Research Council Postdoctoral Fellowship.
Materials
| 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 |
References
- Hughes, W. C., et al. Molecular beam epitaxy growth and properties of GaN films on GaN/SiC substrates. J. Vac. Sci. Technol., B. 13 (4), 1571-1577 (1995).
- McSkimming, B. M., Wu, F., Huault, T., Chaix, C., Speck, J. S. Plasma assisted molecular beam epitaxy of GaN with growth rates 2.6 µm/hr. J. Cryst. Growth. 386, 168-174 (2014).
- Grandjean, N., Massies, J., Leroux, M. Nitridation of sapphire. Effect on the optical properties of GaN epitaxial overlayers. Appl. Phys. Lett. 69 (14), 2071-2073 (1996).
- Corrion, A. L., Wu, F., Speck, J. S. Growth regimes during homoepitaxial growth of GaN by ammonia molecular beam epitaxy. J. Appl. Phys. 112 (5), 054903 (2012).
- Mazumder, B., et al. Atom probe analysis of AlN interlayers in AlGaN/AlN/GaN heterostructures. Appl. Phys. Lett. 102 (11), 111603 (2013).
- Feezell, D. F., Speck, J. S., DenBaars, S. P., Nakamura, S. Semipolar (2021) InGaN/GaN Light-Emitting Diodes for High-Efficiency Solid State Lighting. J. Disp. Technol. 9 (4), (2013).
- Hardy, M. T., et al. True Green Semipolar InGaN-Based Laser Diodes Beyond Critical Thickness Limits Using Limited Area Epitaxy. J. Appl. Phys. 114 (18), 183101 (2013).
- Wong, M. H., et al. N-polar GaN epitaxy and high electron mobility transistors. Semicond. Sci. Technol. 28 (7), 074009 (2013).
- Hardy, M. T., et al. Charge control in N-polar InAlN high-electron-mobility transistors grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy. J. Vac. Sci. Technol., B. 33 (6), 061207 (2015).
- Piquette, E. C., Bridger, P. M., Beach, R. A., McGill, T. C. Effect of Buffer Layer and III/V Ratio on the Surface Morphology of GaN Grown by MBE. Symposium G ‘-‘ GaN and Related Alloys. , (1998).
- Tarsa, E. J., et al. Homoepitaxial growth of GaN under Ga-stable and N-stable conditions by plasma-assisted molecular beam epitaxy. J. Appl. Phys. 82 (11), 5472-5479 (1997).
- Kuzmik, J. Power electronics on InAlN/(In)GaN: Prospect for a record performance. IEEE Electron Device Lett. 22 (11), 510-512 (2001).
- Fernández-Garrido, S., Gačević, &. #. 3. 8. 1. ;., Calleja, E. A comprehensive diagram to grow InAlN alloys by plasma-assisted molecular beam epitaxy. Appl. Phys. Lett. 93 (19), 191907 (2008).
- Katzer, D. S., et al. Molecular beam epitaxy of InAlN∕GaN heterostructures for high electron mobility transistors. J. Vac. Sci. Technol., B. 23 (3), 1204-1208 (2005).
- Kaun, S. W., et al. GaN-based high-electron-mobility transistor structures with homogeneous lattice-matched InAlN barriers grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy. Semicond. Sci. Technol. 29 (4), 045011 (2014).
- Hoke, W. E., Torabi, A., Mosca, J. J., Kennedy, T. D. Thermodynamic analysis of cation incorporation during molecular beam epitaxy of nitride films using metal-rich growth conditions. J. Vac. Sci. Technol., B. 25 (3), 978-982 (2007).
- Koblmüller, G., Reurings, F., Tuomisto, F., Speck, J. S. Influence of Ga/N ratio on morphology, vacancies, and electrical transport in GaN grown by molecular beam epitaxy at high temperature. Appl. Phys. Lett. 97 (19), 191915 (2010).
- Zhou, L., Smith, D. J., McCartney, M. R., Katzer, D. S., Storm, D. F. Observation of vertical honeycomb structure in InAlN∕GaN heterostructures due to lateral phase separation. Appl. Phys. Lett. 90 (8), 081917 (2007).
- Ahmadi, E., et al. Elimination of columnar microstructure in N-face InAlN, lattice-matched to GaN, grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy in the N-rich regime. Appl. Phys. Lett. 104 (7), 072107 (2014).
- Hardy, M. T., et al. Morphological and microstructural stability of N-polar InAlN thin films grown on free-standing GaN substrates by molecular beam epitaxy. J. Vac. Sci. Technol., A. 34 (2), 021512 (2016).
- Hardy, M. T., et al. Indium incorporation dynamics in N-polar InAlN thin films grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy on freestanding GaN substrates. J. Cryst. Growth. 245, (2015).
- Leszczynski, M., et al. Indium incorporation into InGaN and InAlN layers grown by metalorganic vapor phase epitaxy. J. Cryst. Growth. 318 (1), 496-499 (2011).
- Storm, D. F., et al. Ultrathin-barrier AlN/GaN heterostructures grown by rf plasma-assisted molecular beam epitaxy on freestanding GaN substrates. J. Cryst. Growth. 380, 14-17 (2013).
- Storm, D. F., Katzer, D. S., Meyer, D. J., Binari, S. C. Oxygen incorporation in homoepitaxial N-polar GaN grown by radio frequency-plasma assisted molecular beam epitaxy: Mitigation and modeling. J. Appl. Phys. 112 (1), 013507 (2012).
- Storm, D. F., et al. Effect of interfacial oxygen on the microstructure of MBE-grown homoepitaxial N-polar. J. Cryst. Growth. 409, 14 (2014).
- Meyer, D. J., et al. High Electron Velocity Submicrometer AlN/GaN MOS-HEMTs on Freestanding GaN Substrates. IEEE Electron Device Lett. 34, 199 (2013).
- Moseley, M., Billingsley, D., Henderson, W., Trybus, E., Doolittle, W. A. Transient atomic behavior and surface kinetics of GaN. J. Appl. Phys. 106 (1), 014905 (2009).
- Koblmüller, G., et al. Ga Adlayer Governed Surface Defect Evolution of (0001)GaN Films Grown by Plasma-Assisted Molecular Beam Epitaxy. Jpn. J. Appl. Phys. 44 (28), L906-L908 (2005).
- Poblenz, C., Waltereit, P., Speck, J. S. Uniformity and control of surface morphology during growth of GaN by molecular beam epitaxy. J. Vac. Sci. Technol., B. 23 (4), 1379-1385 (2005).
