JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
עברית

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

ייצור של דיודות Schottky על Heterostructure BeMgZnO/ZnO Zn-הקוטב גדלה פלזמה בסיוע קרן מולקולרית Epitaxy

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

Summary

הפרי באיכות גבוהה Schottky אנשי קשר הכרחי להשגת שער יעיל אפנון ב heterostructure השדה אפקט טרנזיסטורים (HFETs). אנו מציגים את מתודולוגיית ייצור ומאפיינים של דיודות Schottky על heterostructures BeMgZnO Zn-הקוטב/ZnO בגז בצפיפות גבוהה שני אלקטרונים תלת-ממדי (2DEG), מיוצרת על ידי פלזמה בסיוע קרן מולקולרית epitaxy על גן תבניות.

Abstract

Heterostructure שדה אפקט טרנזיסטורים (HFETs) ניצול ערוץ גז (2DEG) שני אלקטרונים תלת-ממדי יש פוטנציאל גדול עבור יישומי המכשיר במהירות גבוהה. תחמוצת אבץ (ZnO), מוליך למחצה עם רחב bandgap (3.4 eV), מהירות רוויה גבוהה אלקטרון צברה הרבה מאוד תשומת לב חומר אטרקטיבי עבור התקנים במהירות גבוהה. אפנון שער יעיל, עם זאת, דורשת באיכות גבוהה Schottky אנשי קשר על השכבה מכשול. במאמר זה, אנו מציגים שלנו הליך ייצור דיודה Schottky heterostructure BeMgZnO Zn-הקוטב/ZnO עם צפיפות גבוהה 2DEG אשר מושגת באמצעות התאגדות של כמה אחוזים ןכותו זן להתעניין המכשול מבוססי MgZnO במהלך הצמיחה על ידי קרן מולקולרית epitaxy (בין). כדי להשיג גבישי באיכות גבוהה, כמעט מתאימים סריג גבוהה-resistivity גן תבניות מיוצרת על ידי בתצהיר אדים כימיים מתכת-אורגנית (MOCVD) משמשים את המצע לצמיחה בין עוקבות של הרבדים תחמוצת. כדי להשיג המתחייב Zn-קוטביות, טיפולי שטח למתכות זהיר של גן תבניות ושליטה על היחס השישי/II במהלך הצמיחה של טמפרטורה נמוכה ZnO התגרענות שכבה מנוצלים. Ti/Au אלקטרודות לשמש Ohmic אנשי אלקטרודות Ag שהופקדו על פלזמה2 O משטח BeMgZnO pretreated משמשים עבור אנשי קשר Schottky.

Introduction

Heterostructure שדה אפקט טרנזיסטורים (HFETs) המבוסס על שני אלקטרונים ממדי גז (2DEG) יש פוטנציאל מבטיח עבור היישומים במהירות גבוהה מכשירים אלקטרוניים1,2,3. תחמוצת אבץ (ZnO) בתור מוליך למחצה רחב bandgap (3.4 eV) עם מהירות רוויה גבוהה אלקטרון צבר תשומת לב רבה כפלטפורמה עבור4,HFETs5. מחסום כמקובל בשימוש חומרים MgZnO טרנארי מחייבים תוכן מ”ג גבוהה מאוד (> 40%) גדל ב המצע נמוך טמפרטורות (300 ° C או פחות)6,7וככאלה מבנים אלה נוטים לבזות תחת פעולות מתח גבוה במהלך טיפולים תרמיים, אפילו אם צפיפות מטען לא רצויים במכשול נמוכה מספיק עבור אפנון שער. כדי לעקוף את המכשול הזה, לנו יש הציע, אימצה BeMgZnO מכשול, שבו השלט זן במכשול יכולים לפעול מתוך compressive מתיחה באמצעות שילוב של בריליום (Be), שהופך את ספונטנית ו- piezoelectricpolarizations כדי להיות מוספים. כתוצאה מכך, ניתן להשיג ריכוז גבוהה 2DEG עם תוכן מ”ג מתון יחסית. ניצול הגישה הזאת, צפיפות גבוהה 2DEG הוא ציין ליד פלזמון-הלאו פונון תהודה (~ 7 × 1012 ס מ-2) ב- heterostructures BeMgZnO/ZnO בזמן התוכן מ ג שלהלן הוא 30% ו להיות תוכן נתון רק 2 ~ 3%8.

בשל שלה דומה קריסטל סימטריה, UV שקיפות אור גלוי, חזקים הפיסיקליות והכימיות, וספיר עלות נמוכה, מטוס ה-c הוא מועסק נרחב עבור epitaxy של גן וגם ZnO. בזכות ההתקדמות המדהימה בתאריך את הטכנולוגיה צמיחה של מבוסס-גן אלקטרוניים ומכשירים מעגל saphhire, תבניות גן באיכות גבוהה יכול להיות בקלות מיוצר על מצעים ספיר באמצעות AlN או בטמפרטורה נמוכה (LT) גן מאגר, למרות אי התאמה שלה סריג גדול של 16% עם ספיר9. Epitaxial צמיחת ZnO, הכולל של אי-התאמה בתוך המטוס סריג גדול עוד יותר של 18% עם ספיר, הוא הבין היטב יחסית למגוון O-קוטבי, בעוד הגידול של חומר Zn-הקוטב במצב דו מימדי לא מבוססת היטב. בגלל חוסר התאמה של סריג מתונה כ- 1.8%, epitaxy של ZnO-גן הוא חלופה אטרקטיבית.

הן MOCVD והן בין הן טכניקות התצהיר מוליכים למחצה המוצלח ביותר עבור בדיית סרטים באיכות גבוהה רזה ואת heterostructures עם הפארמצבטית גבוהה. הסיבה העיקרית לכך בין הוא פחות פופולרי מאשר MOCVD על epitaxy של גן הוא עלות בקומדיה לייצור המוני. קצב הגידול גן מאת MOCVD יכול להיות מספר מיקרומטר לשעה, עשרות מוצרי קונדיטוריה בקוטר 2 אינץ ‘ (50 מ מ) או אלה כל כך גדולים כמו 6-8″ ניתן לגדל אחד ריצה9. כאן, אנו גם לאמץ MOCVD לצמיחה של גן במחקר שלנו. צמיחה של heterostructures מבוססי ZnO, עם זאת, עוד דיווחים על היווצרות של 2DEG הם הבינו מאת בין בזמן הנוכחי לפני המסחור של פוטנציאל יישומי10,11,12. לאחרונה פיתחנו בין צמיחת heterostructures ZnO באיכות גבוהה עם שליטה מדויקת של קוטביות משטח על גן Ga-קוטבי תבניות13. נמצא כי עם טיפול טרום חשיפה Zn, ZnO שכבות כל-כך בוגרת הייצוגיים Zn-קוטביות כאשר nucleated עם יחס נמוך השישי/II (< 1.5), בעוד אלה nucleated עם יחס השישי/II מעל 1.5 הציג O-קוטביות. כדי להימנע ערוץ הולכה מקבילים באמצעות תבניות גן, אימצנו פחמן מפוצה חצי בידוד MOCVD גן גדל בתנאים בלחץ נמוך על מאגר AlN לצמיחה עוקבות של HFET מבוססי ZnO מבנים.

לפני העבודה שלנו14, יש כבר אין דיווחים על החקירה של דיודות Schottky על BeMgZnO/ZnO heterostructures. רק מספר מחקרים דיווחו על הקשר Schottky15,MgZnO16, למשל., עם גורם ideality של 2.37, גובה מכשול 0.73 eV, יחס תיקון של3 רק 10- 15. Schottky מתכות מסוגים שונים שימשו עבור ZnO17, ביניהם, כסף (Ag) אומצה באופן נרחב, עקב גבוה יחסית Schottky מכשול בגובה של 1.11 eV מצרפי ZnO עם גורם ideality 1.08 18.

בעבודה זו, אנו שואפים לפברק דיודות Schottky באיכות גבוהה עבור יישומים מבוססי ZnO מכשירים HFET במהירות גבוהה. הפרוטוקול הבא חל במיוחד הזיוף של דיודות Ag/BeMgZnO/ZnO Schottky על ידי אידוי e-קרן של Ag-heterostructures BeMgZnO/ZnO גדלה בין בסיוע פלזמה על גן הפקיד MOCVD תבניות.

Protocol

1. צמיחה והכנה של תבנית גן בין צמיחה צמיחה של תבנית חצי בידוד גן על ידי MOCVD ודא כי השסתום לבודד את תא המטען-lock מן הכור סגורה. לפרוק את נעל-העומס עם N2 הלחץ האטמוספרי. פתח את המנעול לטעון כדי להוציא את מחזיק המצע. לטעון את המצע ספיר 2 אינץ את המחזיק ולאחר מכן מקם המחזיק בחזרה לתוך המנעול עומס. משאבת למטה מנעול עומס הלחץ עד 2.5 × 10-2 טנדר של גוה של ידי משאבה יבשה מכני. לפרוק את נעל-העומס עם N2 על מנת להשוות את הלחץ עם זה בבית הבליעה כור (15 טנדר של גוה של). פתח את השסתום עומס-lock בידוד וטען בעל לתוך מכלול בעל מדגם לכור. הפעל את המנוע הסיבוב ולאחר לקבוע את מהירות הסיבוב המצע-מחזיק 100 סל”ד. לאחר מכן סגור את השסתום. ודא קירור המים פועל, שתי H2 , NH3 אספקת מספיקה, המוני לזרום בקר (MFC) ואת קריאות בקר (PC) לחץ הם זהים לאלה setpoints, המחזיק המצע מסתובב. לעבור את מערכת הגז N2 H2. כבה את המסך השתקפות אופטית בחיי עיר . ליזום את הצמיחה על-ידי הפעלת הקובץ מתכון, אשר התקין מראש כל הפרמטרים הצמיחה כולל ramping את המצע טמפרטורות, המחירים זרימת גז ו כור הלחץ, ומעבר של שסתומים. הגדלת הלחץ בכור טנדר של גוה של 30 דקות 3 ואת הטמפרטורה המצע 1055 ° C עד מפסידה מציג שיורית משטח המצע למשך 3 דקות בסביבה2 H. כבש את הטמפרטורה המצע 941 ° C כדי להפוך את התגרענות צמיחת בטמפרטורה נמוכה (LT) AlN מאגר שכבה. ייצוב הזרם trimethylaluminum (TMAl) כמו 12 סנטימטר מעוקב סטנדרטי לדקה (sccm), אמוניה (NH3) זרימת כמו 7 sccm ואת הטמפרטורה המצע למשך 3 דקות. ליזום את הצמיחה של השכבה LT-AlN מאת מתמיכת TMAl בפיזור לקו לרוץ. בקרת העובי של השכבה LT-AlN באמצעות מערכת מדידה השתקפות לפי הזמנה, אשר כוללת של דיודת לייזר 637-nm, photodetector סי p–i n תוכנה מבוססת-Labview. לקבוע את שיעור הצמיחה מהתקופה של השתקפות תנודות19,20. הדגימות שנבחרו, השתמש חתך הרוחב סריקה מיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים מיקרוסקופ אלקטרונים ותמונות כדי לאשר את הדיוק של בחיי עיר ניטור. להמשיך את הצמיחה במשך 6 דקות להגיע לעובי ~ 20 ננומטר, ואז מהמאמר לטמפרטורה המצע 1100 מעלות צלזיוס ב 3 דקות ללא הפרעה לצמיחה, להמשיך את הצמיחה של AlN שכבה בעובי של 300 ננומטר, כפי בפיקוח על התפתחות תנודה של ב- s itu השתקפות אופטית. מעבר TMAl בניהול פתח ולאחר מכן קו לא פעיל כדי לעצור את הצמיחה AlN. לייצב את הזרימה trimethylgallium (TMGa) ב- 15.5 sccm, הגדלת זרימת3 NH 7000 sccm ולייצב את 1 מינימלית כבש את הלחץ בכור טנדר של גוה של 76 ב 1 מינימלית כבש את הטמפרטורה המצע 1107 ° C ב- 1 דקות. Nucleate ולגדול גן שחזור שכבה עם עובי של ~ 400 ננומטר, תוך מעקב אחר ההתפתחות השתקפות. בתחילה השתקפות תערוכות ירידה חדה כאשר גן איי nucleate במשטח AlN ולאחר מכן משחזרת את העוצמה לרמה המקורית המקביל מאגרי משטח כאשר מזג את האיים. מהמאמר המצע 1124 מעלות ב 2 דק לגדול השכבה גן חצי בידוד תרמי גבוה עם עובי של ~2.5 מ”מ. לעצור את הצמיחה על ידי מתמיכת TMGa בניהול פתח ולאחר מכן קו לא פעיל. לקרר את המצע לטמפרטורת החדר במשך 40 דקות. כבש את הלחץ בכור טנדר של גוה של 15 על פני תקופה 1.5 דקות. לפרוק את המצע של הכור באמצעות ההליך ההפוך של שלבים 1.1.1-1.1.4. הכנת תבנית גן וטעינה בין הכור לחתוך את תבנית גן 2 אינץ 6 חלקים שווים בצורת פאי באמצעות גם יהלום. הכן תמיסה חומצית aqua regia בתוך המנוע fume חומצה על ידי הוספת חומצה חנקתית (עב ס3, 68.0-70.0 w/w%, 50 מ ל) חומצת מימן כלורי (HCl, 36.5-38.0 w/w%, 150 מ ל) לאט לאט לתוך גביע קוורץ. לשים את הספל aqua regia על פלטה חמה לטמפרטורה של 220 מעלות צלזיוס. לאחר הופעת צבע כתום/אדום, בועות גז, להשרות תבנית גן בצורת עוגה אחת הפתרון והרתיחו אותו למשך 10 דקות. יש לשטוף את תבנית גן במים מיוננים (DI) למשך 3 דקות. להשרות את תבנית גן HCl (36.5-38.0 w/w%):H2O פתרון (1:1) למשך 3 דקות להסיר תחמוצת Ga. יש לשטוף את תבנית גן פועל די מים במשך 5 דקות. יבש את התבנית עם גז2 N. לשים את התבנית גן נקי בעל מו, לטעון אותו לתא המטען-lock בין מיד. התחל שאיבה למטה. המנעול העומס על ידי משאבה יבשה מכני. 2. בין צמיחת BeMgZnO/ZnO Heterostructures הכנה של התאים תפליט לאחר שאיבה למטה העומס-lock עבור 1 h, להתחיל את ההכנות של Zn, Mg, להיות אפוזיה תאים. להגדיר את הטמפרטורה באזור העליון של התא Zn כפול-אזור 525 ° C עם קצב ramping של 17 ° C/min, מחכה 5 דקות ואז הרמפה עד 515 ° C עם קצב ramping של 5 ° C/מינימלית קבע טמפרטורת תא מ ג 570 מעלות עם קצב ramping של 15 ° C/min , כשמגיעים לנקודה סט, לחכות 10 דקות ואז כבש את התא מ”ג עד 300 ° C. הגדר טמפרטורת התא עד 900 ° C עם קצב ramping של 10 ° C/min, כשמגיעים לנקודה סט, להמתין 3 דקות אז כבש את התא עד 650 מעלות צלזיוס. לאחר 30 דקות, הגדר את הטמפרטורה באזור התחתון של התא Zn כפול-אזור 360 ° C עם קצב ramping של 10 ° C/min. לאחר שאיבה למטה המנעול טען כבר שעתיים להגיע בלחץ של ~ 5 × 10-7 טנדר של גוה של, להפעיל מערכת עקיפה (RHEED) השתקפות אלקטרון בעל אנרגיה גבוהה, וטען את תבנית גן אל החדר בין. לכוון את הזווית של תבנית גן על ידי סיבוב manipulator לעקוב אחר ההתפתחות דפוס RHEED לאורך כיוון azimuthal [1-100]. הגדר את הטמפרטורה באזור התחתון של התא Zn כפול-אזור 355 ° C עם קצב ramping של 10 ° C/min. השליטה קוטביות ZnO על גן וצמיחה LT-ZnO המאגר הגדלת הטמפרטורה המצע 615 מעלות עם קצב ramping של 13.6 ° C/דקה כדי מפסידה את מציג שיורית משטח המצע למשך 15 דקות. כבש את הטמפרטורה המצע מתוך 615 עד 280 מעלות צלזיוס עם קצב ramping של 13.6 ° C/min לצמיחה של LT-ZnO. כאשר הטמפרטורה מגיעה 550 ° C, פתח את התריס תא Zn לחשוף את המשטח תבנית גן Zn השטף. להפעיל את אספקת החשמל של פלזמה2 O, להגדיר את הכוח כמו 100 W, בדוק כדי לוודא כי קו גז2 O סגורה. כאשר הטמפרטורה מגיעה 280 º C, להגדיר את הכוח פלזמה2 O 400 W, קצב הזרימה סט O2 0.3 sccm כדי להצית הפלזמה אז להקטין את קצב הזרימה של2 O כדי 0.25 sccm. לחכות 1 דקות, ולאחר מכן לפתוח את התריס2 O להתחיל את הצמיחה של LT-ZnO מאגר שכבה. שיא דפוס RHEED כל 5 דקות. לאחר גידול למשך כ 15 דקות המתאים עובי מאגר של ~ 20 ננומטר, כאשר התבנית RHEED משתנה מפסים (מצב 2D) למקומות אליפטית (מצב תלת-ממד), סגירת תריסים2 Zn והן O לעצור את הצמיחה. להגדיר את קצב הזרימה של2 O 0.4 sccm, ולהגדיר את הטמפרטורה המצע 730 ° C עם קצב ramping של 13.6 ° C/דקה כדי anneal את השכבה מאגר LT-ZnO. הגדר את הטמפרטורה באזור התחתון של התא Zn כפול-אזור 345 ° C עם קצב ramping של 10 ° C/min לצמיחה של HT-ZnO שכבה. כאשר הטמפרטורה המצע מגיע נקודת-הסט של 730 ° C, להמתין 5 דקות ולבדוק השטח ZnO על-ידי RHEED. כאשר התבנית RHEED טרנזיטים תלת-ממד כדי 2D, להפסיק חישול מאת ramping את הטמפרטורה המצע עד 700 מעלות צלזיוס. הצמיחה של טמפרטורה גבוהה ZnO שכבה כאשר הטמפרטורה המצע מגיע ל- 700 מעלות צלזיוס, מייצבת, להגדיל את קצב הזרימה של2 O כדי 3.2 sccm. התחל את הצמיחה של HT-ZnO שכבה על-ידי פתיחת התריסים2 Zn והן O במקביל. לגדול השכבה HT-ZnO ~ 140 דקות להגיע לעובי ~ 300 ננומטר. להקליט את דפוסי RHEED מספר פעמים במהלך הגידול כדי לאשר את מצב צמיחה דו-מימדית. לעצור את הצמיחה של HT-ZnO שכבה על-ידי סגירת תריסים2 Zn והן O במקביל. הצמיחה של מכשול ההפרדה BeMgZnO להגדיר את קצב הזרימה של2 O 0.3 sccm, להגדיר להיות טמפרטורת תא 820 מעלות עם קצב ramping של 10 ° C/min, להגדיר את טמפרטורת תא מ”ג עד 510 ° C עם קצב ramping של 15 ° C/min, לקבוע את הטמפרטורה המצע 325 ° C עם קצב ramping של 13.6 ° C/min לצמיחה של המכשול BeMgZnO. כאשר הטמפרטורה המצע מייצבת, להגביר את קצב הזרימה של2 O ל 1.25 sccm, להתחיל את הצמיחה על ידי בו-זמניות פתיחת Zn, Mg, להיות, O2 תריסים. לגדול השכבה מכשול BeMgZnO ~ 12 דקות להגיע לעובי ~ 30 ננומטר. RHEED שיא תבניות מספר פעמים במהלך הגידול לעקוב אחר ההתפתחות במצב צמיחה. לעצור את הצמיחה של שכבה BeMgZnO על-ידי סגירת הרוסים, להיות תריס, ולהשאיר את Zn ו- O2 הצמצם פתוח עבור 1 דקות יש ~ 2 ננומטר ZnO קאפ שכבה עבה. לסיים את הצמיחה על ידי סגירת תריסים2 Zn ו- O. כבש את הטמפרטורה המצע שלה טמפרטורה המתנה 150 ° C. להקטין את קצב הזרימה של2 O כדי 0.25 sccm. כאשר הטמפרטורה המצע מתחת 250 מעלות צלזיוס, להקטין את הכוח פלזמה2 O 100 W לבטל את אספקת החשמל של פלזמה2 O, להקטין את קצב הזרימה של2 O ל- 0, לסגור את הגז2 O, לקרר את הטמפרטורות תא למצב המתנה תנאים. המתן עד לטמפרטורה המצע להגיע הטמפרטורה המתנה 150 ° C, פתח את השסתום צמיחה קאמרית ולפרוק המחזיק וופל לתא המטען-lock. לפרוק את תא המטען-lock בגז2 N, להוציא את הדגימה. 3. אפיוני בערך למדוד את העובי של המדגם באמצעות פרופיילר-שלב, דרך אזור מקורה בקצה של המדגם. הערכת איכות heterostructure עובי, זן מבניים על-ידי שימוש ברזולוציה גבוהה רנטגן עקיפה (HRXRD) (2q-w סריקות של השתקפות (0002)). חותכים את הדגימה 5 × 5 מ מ2 חתיכת ריבוע באמצעות גם יהלום. לחקור את מאפייני המדגם אלקטרונית באמצעות מדידות אפקט הול תלויה בטמפרטורה של הגיאומטריה Pauw ואן דר, עם אינדיום (ב) נקודות כמו קשר אלקטרודות. לבדוק המורפולוגיה השטח באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM). 4. ייצור של דיודה Schottky ייצור של אנשי הקשר Ohmic heterostructures BeMgZnO/ZnO Degrease המדגם (~ 20 × 20 מ מ2 בגודל) עם אצטון ב אולטראסאונד 5 דקות, ואחריו ניקוי עם מתנול ב אולטראסאונד 5 דקות, שטיפה במים DI למשך 5 דקות ולאחר פיצוץ יבש עם N2. לסובב את המעיל photoresist עם סל”ד 1000 עבור 3 s, ואז 3000 סל ד ל 30 s. רכות אופים את photoresist ב 100 מעלות צלזיוס ב-140 s. חשיפה עם אור דרך הקשר Ohmic UV מסכת בעוצמה המנורה mW UV 6.5 דקות 2.38 על פוטוליתוגרפיה מסכת aligner. פוסט לאפות את photoresist ב 110 מעלות צלזיוס 80 s. לפתח אצל מפתח 60 s עם תדירות חזק של 1/s. יש לשטוף במים DI למשך 3 דקות, ולפוצץ יבש עם N2. לטעון את הדגימה אל תוך המאייד קרן אלקטרונים. ללא חימום הדגימה, להפקיד Ti/Au עם עובי של 30/50 ננומטר, כפי שנמדד על-ידי צג עובי גביש הקוורץ. ההמראה ב אצטון, ואחריו ניקוי בצפון מתנול עבור 5 דקות, שטיפה במים DI למשך 5 דקות ולאחר פיצוץ יבש עם N2. Anneal איש הקשר על-ידי annealer תרמית מהירה (RTA) ב 300 ° C ל 30 s. בדוק עמידות קשר דרך מעבר קו מדידה מודל (טים)21. ייצור של אנשי הקשר Schottky heterostructures BeMgZnO/ZnO בצע את השלבים 4.1.1-4.1.7 עבור פוטוליתוגרפיה של קשר Schottky. מתייחסים השטח מדגם עם פלזמה2 O מרחוק עבור 5 דקות עם תזרים2 O של 35 sccm, כוח RF של 50 W. בצע את השלבים 4.1.8-4.1.10 לתצהיר של Ag עם עובי של 50 ננומטר. לאפיין את מבנה שהושג על ידי מידות-V עבור דיודות Schottky17.

Representative Results

בעמודה השמאלית של איור 1 מציג את האבולוציה של דפוס RHEED הקליט לאורך הכיוון azimuthal [1-100] במהלך בין צמיחת להיות0.02מ”ג0.26ZnO/ZnO heterostructure עם 300 ננומטר HT-ZnO שכבה עבה, בן 30 + ננומטר בעובי להיות0.02 מ ג0.26ZnO מכשול. העמודה השמאלית מראה מורפולוגיות משטח נציג בשלבי גדילה שונים (לא מתוך המדגם אותו). כעדות מהמראה החיצוני של דפוס RHEED מחוצ’קנת, השכבה מאגר LT-ZnO היא תלת-מימדי (3D) אי צמיחה מצב הטבע. מורפולוגיה של פני השטח שלו היה משופר על ידי טיפול מחזק חום בטמפרטורה מעל 700 מעלות צלזיוס. זה נראה בבירור כי השטח הפך תלת-ממד כדי מורפולוגיה 2D. השכבה HT-ZnO עוקבות ממשיך לגדול במצב 2D, ואחריו את הצמיחה 2D של להיות0.02מ”ג0.26ZnO שכבה ללא היווצרות של שלב שני. AFM מדידות הראו כי התבנית גן יש את החספוס שורש ממוצע הריבועים (RMS) של 0.28 nm עבור 5 × 5 μm2 סריקה. משטח חלק עם החספוס RMS של 0.35 ננומטר, מתקבל לשכבה HT-ZnO ללא מחסום על ידי הגדלה תחת תנאי O-עשיר של חספוס RMS של 0.45 nm נצפית לאחר הצמיחה של מכשול BeMgZnO. HRXRD טריפל-ציר 2θ-ω סריקה לאיתור טיפוסי Zn-הקוטב להיות0.02מ”ג0.26ZnO/ZnO heterostructure עם 300 ננומטר HT-ZnO שכבה עבה, 50 ננומטר בעובי להיות0.02מ”ג0.26ZnO מכשול שכבה מוצגת באיור2. ההשתקפויות-34.46 o34.54, o, 34.75 o עקביים עם השתקפויות (0002) של ZnO, גן, ולהיות0.02מ”ג0.26ZnO, בהתאמה. שימו הרחבת בהשתקפות. להיות0.02מ”ג0.26ZnO נובע הרזון שלה. המתח biaxial מתיחה לשכבת ZnO הוא אינדיקציה heterostructure Zn-הקוטב, חקרו את המחקר הקודם שלנו13. תכנים מ ג BeMgZnO רביעון חושבו לפי הזווית בראג האנרגיה שלה XRD (0002) השתקפות של פליטת פוטון ב ספקטרום LT-פוטולומיניסנציה (LT-PL) נמדד ב- K 13 (לא מוצג). איור 3 מראה את התוצאות של מדידות אפקט הול תלוית טמפרטורה בשביל להיות0.02מ”ג0.26ZnO/ZnO heterostructure. ריכוז נושא הגיליון ירד מ- 8.8 × 1012 ס מ-2 עד 6.4 × 1012 ס מ-2 כאשר המדגם היה מקורר מן בטמפרטורת החדר (293 K) עד כ 100 ק’ עם קירור נוסף ל 13 K, ריכוז נושא גיליון הרוויות 6.2 × 1012 ס מ-2. ממצא זה בא לידי ביטוי כי ההפחתה שנצפה בריכוז אלקטרון שמקורם את התרומה ערוצים מקבילים הולכה הכוללים שכבה התגרענות פגום ו שכבה HT-ZnO כמו גם להיות0.02מ”ג0.26ZnO מכשול, אם בכלל. מגמה זו דווחה גם MgZnO/ZnO heterostructures10,22. ניידות אלקטרונים ב להיות0.02מ”ג0.26ZnO/ZnO heterostructure מונוטוני מגדיל עם הפחתת הטמפרטורה; ניידות 293 K של 206 ס מ2/Vs והן את הניידות 13 K של /Vs2ס מ 1550 דומים לערכים של ספרות22,23. האבולוציה של תכונות אלקטרוניות כפונקציה של הטמפרטורה עולה בבירור את הנוכחות של 2DEG-להיות0.02מ”ג0.26ZnO/ZnO heterointerface. איור 4 מציג הזרם-המתח (-V) עקומות נמדד בטמפרטורת החדר במשך ארבע נציג Ag / להיות0.02מ”ג0.26דיודות ZnO/ZnO Schottky עם אזור Schottky של 1.1 × 10-4 ס מ2 בתוך וופל אחד. הזרמים קדימה להגדיל אקספוננציאלית עם מתח יישומית עד 0.25 V, שמעבר יורד על פני ההתנגדות סדרת ומצביעים. הגובה הגבוה ביותר של מכשול Schottky של באופן כלליap של 1.07 eV הושג עם נ’ גורם ideality של 1.22. תיקון יחסי גודל של 1 × 108 מושגות באמצעות הערכים הנוכחיים נמדד- V= ± 2 V. איור 1. אפיון על פני השטח. העמודה השמאלית מראה את דפוסי RHEED שצולמו לאורך הכיוון azimuthal [1-100] במהלך בין צמיחת להיות0.02מ”ג0.26ZnO/ZnO heterostructure, העמודה השנייה מציגה את מורפולוגיות משטח של תבנית גן, HT-ZnO שכבה, ולהיות 0.02מ”ג0.26ZnO שכבה נמדדת AFM. LT-ZnO מאגר הטכנולוגיה מאפשרת צמיחה 2D-מצב באיכות גבוהה heterostructures ZnO על תבניות גן תואמים-סריג נמוכה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. באיור 2. HRXRD של heterostructure. HRXRD טריפל-ציר 2θ-ω סריקה של טיפוסי Zn-הקוטב להיות0.02מ”ג0.26ZnO/ZnO heterostructure עם 50 ננומטר בעובי להיות0.02מ”ג0.26ZnO מכשול שכבה. ההשתקפויות-34.46 o34.54, o, 34.75 o עקביים עם השתקפויות (0002) של ZnO, גן, ולהיות0.02מ”ג0.26ZnO, בהתאמה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. איור 3. תכונות אלקטרוניות של heterostructure. Dependences טמפרטורה של גיליון צפיפות, אלקטרון הניידות הספק של Zn-הקוטב להיות0.02מ”ג0.26ZnO/ZnO heterostructure. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. באיור 4. דיודה Schottky. טיפוסי -V מאפייני ארבעת נציג Ag /0.02מ”ג0.26ZnO/ZnO Schottky דיודות נמדד בטמפרטורת החדר. הדמיון של ארבעת העקומות-V מציין גבוהה בוופל אחידות המדגם. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Discussion

תיאגוד BeO לתוך MgZnO כדי ליצור את BeMgZnO רבעוני מספק את הכדאיות לכוון במידה ואת סימן זן ב רביעון, ומכאן מגביר באופן משמעותי את צפיפות 2DEG8. התוצאות נציג מראים להיות0.02מ”ג0.26ZnO/ZnO תוצאות heterostructure ב צפיפות 2DEG קרוב פלזמון הרצוי-הלאו פונון תהודה אלקטרון צפיפות (~ 7 × 1012 ס מ-2)24. למרות ניידות אלקטרונים של heterostructure בחוזקה תלוי בין צמיחה הפרמטרים כגון טמפרטורה המצע, יחס השישי/II של HT-ZnO והן השכבה מכשול BeMgZnO, צפיפות 2DEG הוא חלש תלוי על תנאי גידול, נקבע בעיקר על ידי להיות ותוכן Mg במכשול.

תבנית גן משמש לצמיחה של BeMgZnO/ZnO heterostructures עם איכות גבוהה גבישי בשל ההתאמה סריג מתונה כ- 1.8% בין גן ZnO, לעומת חוסר התאמה סריג גדול של 18% בין ZnO וספיר. כדי להימנע בכל ערוץ מקביל מוליך, חיוני שתהיה התנגדות גבוהה בטווח MΩ/מרובע עבור התבנית גן. במקרה שלנו, זו מושגת על ידי הגדלה, בלחץ נמוך הקאמרית של טנדר של גוה של 76 כדי לשפר את הפיצוי פחמן. כדי להבטיח את בקרת קוטביות heterostructures BeMgZnO/ZnO (Zn-קוטביות), טיפולי שטח למתכות זהיר של תבנית גן הוא חיוני. כל חמצון או זיהום הציג במהלך הכנת על פני גן זירוז Zn -, O-לערבב-קוטביות heterostructures אפילו היחס השישי/II הקובע < 1.5 מתגשמת.

כל תגובה כימית בין המתכת של מוליכים למחצה, הנוכחות של מזהמים משטח, מדינות, פגמים בקרבת פני השטח, ו פעפוע של מתכת לתוך מוליכים למחצה הן בעיות נפוצות בתחום של הזיוף של Schottky אנשי קשר. מגוון שיטות דווח בספרות להכנת השטח של ZnO ייצור קשר Schottky. ביניהם יש איכול תצריב HCl (או חומצות אחרות), פיזית עם Ar+, UV האוזון ניקוי, טיפול H2O2, ו- O פלזמה2 (או תערובת עם הוא)25,26,27, 28. ההליכים איכול המטרה עבור הסרת שכבת פני השטח עם עובי של ועד לרמה נאנו מטרית מיקרון, ולכן לא יכול להיות מיושם עבור מכשירים HFET. UV-האוזון ניקוי או הליך פלזמה2 O מסיר רק את שכבת פני השטח. לכן, זה גם מתאים להכנת השטח heterostructures BeMgZnO/ZnO שלנו.

בדרך כלל אנשי קשר Schottky מושגות על ידי הפקדת מתכת פונקציית העבודה גבוהה כגון Pd, Pt, Ir, וכו ‘. לעומת זאת, Ag יש פונקציה עבודה נמוכה של 4.26 eV. . למרות זאת, התקנים ניצול Ag אלקטרודה יכול להראות התנהגות מתקנתנ עקב היווצרות שכבת תחמוצת ממשק כסף הנגרמת על ידי חמצון חלקי של Ag עם חמצן מן ZnO מטריקס. בשכבת תחמוצת בנוי כל כך שקוף עבור אלקטרונים ויש לו פונקציית העבודה גבוהה יותר בהשוואה ל- Ag. Raju ואח. דיווחו על פונקציות העבודה בסביבות 5.5 eV עבור לפני מיוצרת על ידי לייזר פעמו התצהיר (לחמש נשקים), אשר eV 1.3 גבוה מזה של Ag, וקרוב המאפיין של המשטרה, Pt ו- Ir29. התוצאות שלנו מציינים כי את האלקטרודה Ag (עם O2 רעלני פלזמה על פני השטח של ZnO heterostructure) היא מתכת קשר מבטיח להיווצרות דיודות Schottky.

הראו לנו שיטה בדיית באיכות גבוהה Schottky אנשי קשר עבור ZnO מבוסס HFETs. MOCVD גדל תבנית גן עם הכנת המשטח זהיר בדיוק לפני בין הצמיחה, יחס נמוך של השישי/II < 1.5 במהלך ZnO התגרענות להבטיח את כיוון Zn-הקוטב heterostructures מבוססי ZnO עם איכות גבוהה. MOCVD היא טכניקה בוגר נפוץ עבור epitaxy של גן ליישומים שונים. המהלך בין המתואר בעבודה זו מציינת את combinability של MOCVD בין טכניקות, גן ו תחמוצת מוליכים למחצה עבור מכשירים אלקטרוניים. התאגדות של כמות קטנה של להתעניין BeMgZnO מכשול שכבה בתוצאות HFETs עם צפיפות גבוהה 2DEG, ניידות גבוהה יציבות תרמית גבוהה, משופרת ביצועים במהירות גבוהה.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה על ידי חיל האוויר Office של מדעי מחקר (AFOSR) תחת גרנט FA9550-12-1-0094.

Materials

MOCVD Emcore customer build
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, &. #. 2. 2. 0. ;., 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, &. #. 2. 2. 0. ;., 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

Schottky DiodesZn-polar BeMgZnO/ZnO HeterostructurePlasma-assisted Molecular Beam EpitaxyZinc OxideHeterojunction Field Effect TransistorsTwo-dimensional Electron GasHigh-frequencyHigh-power Field Effect TransistorsElectron SaturationSchottky Contact StabilitySolar Plant DetectorsChemical SensorsBiosensorsSapphire SubstrateMetal Organic CVDAluminum NitrideGallium Nitride

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image