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

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

Производство диодов Шоттки на Zn Полярный BeMgZnO/ZnO гетероструктуры, выращенных при содействии плазмы Молекулярно-пучковая эпитаксия

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

Summary

Достижение высокого качества шотки контактов важно для достижения эффективной ворота модуляции в гетероструктуре полевых транзисторов (HFETs). Мы представляем изготовление методологии и характеристики диодов Шоттки на Zn Полярный BeMgZnO/ZnO гетероструктур с высокой плотности двух мерных электрона газа (2DEG), выросла при содействии плазмы Молекулярно-пучковая эпитаксия Ган шаблоны.

Abstract

Гетероструктуры полевых транзисторов (HFETs) использование двух мерных электрона газа (2DEG) канала имеют большой потенциал для высокой скорости приложений устройств. Оксид цинка (ZnO), полупроводниковые с широким bandgap (3,4 эВ) и скорости электронов высокой насыщенности приобрела большое внимание как привлекательный материал для высокой скорости устройств. Эффективное ворота модуляции, однако, требует высокого качества шотки контактов на слое барьер. В этой статье мы представляем наши процедуры изготовление диод Шоттки на гетероструктуре Zn Полярный BeMgZnO/ZnO с высокой плотностью 2DEG, которая достигается за счет модуляции напряжения и включение нескольких процентов быть в основе MgZnO барьер во время роста Эпитаксия молекулярного луча (MBE). Для достижения высокого качества кристаллический, почти решетки соответствует высоким удельным сопротивлением Ган шаблоны вырос на метал органического химического осаждения паров (MOCVD) используются в качестве субстрата для последующего роста MBE слоев оксида. Для получения необходимой Zn полярности, тщательной обработки поверхности Ган используются шаблоны и контроль над VI II отношение во время роста низкой температуры ZnO нуклеации слой. Ti/Au электродов служат омические контакты и Ag электродов на хранение на O2 плазмы, предварительно обработанные поверхности BeMgZnO используются для контактов шотки.

Introduction

Гетероструктуры полевых транзисторов (HFETs) на основе двух мерных электрона газа (2DEG) имеют многообещающий потенциал для приложений в высокой скорости электронных устройств1,2,3. Оксид цинка (ZnO) как широкий bandgap (3,4 эВ) полупроводник с скорости электронов высокой насыщенности получила значительное внимание как платформа для HFETs4,5. Традиционно используемых барьер материала MgZnO тройной требуют очень высокое содержание мг (> 40%) выросли на низких субстрата температура (300 ° C или ниже)6,7и как таковые эти структуры склонны деградируют под операции высокой мощности и во время тепловой обработки, даже если нежелательные плотность заряда в барьер является достаточно низким для ворот модуляции. Чтобы обойти это препятствие, мы предложили и приняли BeMgZnO как барьер, в которой знак деформации в барьер можно переключиться от компрессионных растяжение через включение бериллия (быть), делая спонтанных и piezoelectricpolarizations для быть добавки. В результате 2DEG высокой концентрации может быть достигнуто с относительно умеренным содержанием мг. Используя этот подход, высокая 2DEG плотность наблюдается вблизи плазмон-Ло Фонон резонанс (~ 7 × 1012 см-2) в BeMgZnO/ZnO гетероструктур пока ниже содержание мг составляет 30% и быть содержание является только в 2 ~ 3%8.

Благодаря своей аналогичные симметрии кристалла, УФ и видимой легкой прозрачности надежные физические и химические свойства и низкой стоимости, c самолет Сапфир широко используется для эпитаксия GaN и ZnO. Благодаря замечательный прогресс, достигнутый в роста технологии на основе Ган электронных и оптоэлектронных устройств на saphhire высокое качество Ган шаблоны могут быть легко изготовлены по сапфировые подложки с помощью AlN или низкой температуры (LT) Ган буфера, несмотря на его большой решетки несоответствие 16% с сапфировым9. Эпитаксиального роста ZnO, который имеет даже больше в плоскости решетки несоответствие 18% с сапфиром, относительно хорошо понимается для O-полярного круга, в то время как рост Zn Полярный материала в двумерный режим не прочно. Из-за несоответствия умеренной решетки на 1,8% эпитаксия ЗНО по Ган является привлекательной альтернативой.

MOCVD и MBE являются наиболее успешные методы осаждения полупроводниковой для изготовления высококачественных тонких пленок и гетероструктур с высокой воспроизводимостью. Главная причина, что MBE менее популярны, чем MOCVD эпитаксия Ган является стоимость и неадекватность для массового производства. Темпы роста в Гане, MOCVD может быть несколько микрометров в час и десятки пластин диаметром 2 дюйма (50 мм), или тех, как большой, как 6-8» может быть выращен в одном выполнения9. Здесь мы также принимаем MOCVD для роста Ган в нашем исследовании. Для роста на основе ZnO гетероструктур однако, больше докладов на формирование 2DEG осуществляются MBE в настоящее время до коммерциализации потенциального применения10,11,12. Недавно мы разработали MBE роста высокого качества ZnO гетероструктур с точный контроль поверхности полярности на Ga Полярный Ган шаблоны13. Было установлено, что с Zn до воздействия лечения, ZnO слоёв так вырос выставлены Zn полярности при тому с низким коэффициентом II и VI (< 1.5), в то время как те способы с соотношением II и VI выше 1,5 выставлены O-полярности. Чтобы избежать параллельного проводимости канала через Ган шаблонов, мы приняли углерода компенсируется полуизолирующего MOCVD GaN выращенных в условиях низкого давления на AlN буфер для последующего роста на основе ZnO HFET структур.

До нашей работы14было никаких сообщений о расследовании диоды Шоттки на BeMgZnO/ZnO гетероструктур. Только несколько исследований сообщили о контактах Шоттки MgZnO15,16, например., с фактором идеальность 2,37, барьер высота 0,73 эВ и ректификации отношение только 103 15. ZnO17были использованы различные металлы Шоттки, и среди них, серебра (Ag) была широко принята, из-за относительно высокой шотки барьер высотой 1.11 eV на массовых ZnO с фактором идеальность 1.08 18.

В этой работе мы стремимся изготовить диоды шотки высокого качества для приложений в ZnO-устройств на базе высокоскоростной HFET. Следующий протокол применяется специально для изготовления диоды шотки Ag/BeMgZnO/ZnO испарением электронным пучком Ag на BeMgZnO/ZnO гетероструктур, выросла при содействии плазмы MBE на хранение MOCVD Ган шаблоны.

Protocol

1. рост и подготовка GaN шаблон для роста MBE Рост полуизолирующего Ган шаблон MOCVD Убедитесь, что запорный клапан, изолируя нагрузки шлюзовой камеры из реактора закрыт. Вент нагрузки lock с N2 к атмосферному давлению. Откройте нагрузки замок вывезти держателя субстрата. Загрузите 2-дюймовый сапфира на держателе и затем поместите держатель обратно в замок нагрузки. Насос вниз нагрузки Замок давления до 2,5 × 10-2 Торр, механический насос сухой. Вент нагрузки lock с N2 для выравнивания его давление что в камеры реактора (15 мм.рт.ст.). Открыть заслонку изоляции нагрузки блокировки и загрузить держателя в сборку держателя образца в реакторе. Включите вращения двигателя и скорость вращения субстрат держатель 100 об/мин. Затем закройте запорный клапан. Убедитесь, что охлаждающей воды работает, оба H2 и NH3 питания достаточна, массы потока контроллер (MFC) и контроллер (PC) показания давления такие же, как уставок и вращающийся держатель субстрата. Выключатель системы газ из N2 H2. Включите монитор оптических отражения в situ . Инициировать рост, запустив файл рецепт, который выполняет предварительную установку всех параметров роста, включая ramping субстрата температура, скорости газового потока и давления реактора и переключения клапанов. Нагрейте до давления реактора до 30 мм.рт.ст в 3 мин и Температура подложки 1055 ° c для десорбции остаточных загрязнений с поверхности субстрата на 3 мин в среде2 H. Пандус вниз Температура подложки 941 ° c для зарождения и роста низкой температуры (LT) AlN буферного слоя. Стабилизировать trimethylaluminum (ВМДУ) потока как 12 стандартный кубический сантиметр в минуту (sccm) и аммиака (NH3) как 7 sccm и Температура подложки на 3 мин. Инициировать рост LT-AlN слоя путем переключения ВМДУ от дефлектора к строке запуска. Контроль толщины слоя LT-AlN с помощью заказных отражательной измерения системы, которая включает в себя 637 Нм Лазер диода, фотоприемник Si p-i-n и программного обеспечения на основе Labview. Определите темпы роста в период отражательной колебания19,20. В отдельных образцах используйте поперечные сканирования электронной микроскопии и передачи изображения электронной микроскопии для подтверждения точности в situ мониторинга. Держать рост на 6 минут, чтобы достичь толщиной ~ 20 Нм, а затем нарастить температура рабочеи жидкости до 1100 ° C 3 минут без перерыва роста и продолжить рост AlN слоя толщиной 300 Нм, как наблюдение за эволюцией колебания в s МСЭ оптических отражения. Переключатель ВМДУ от выполнения сброса, а затем простоя линии, чтобы остановить рост AlN. Стабилизации потока Триметилгаллий (TMGa) на 15,5 sccm, нарастить NH3 потока до 7000 sccm и стабилизировать на 1 мин Ramp вверх давления реактора до 76 Торр в 1 мин Ramp вверх Температура подложки 1107 ° c мин. Nucleate и расти Ган восстановления слой толщиной ~ 400 Нм, при мониторинге отражения эволюции. Первоначально отражательные экспонатов резкое снижение когда Ган острова nucleate на поверхности AlN и затем восстанавливает интенсивность исходный уровень, соответствующий атомарным образом плоской поверхности при острова сливаются. Нарастить субстрат для 1124 ° C в 2 мин расти высокой температуры полуизолирующего GaN слоя толщиной ~2.5 мм. остановить рост путем переключения TMGa от выполнения сброса, а затем простоя линии. Охладить субстрата до комнатной температуры в течение 40 мин. Пандус вниз давления реактора до 15 Торр в течение 1,5 мин. Выгрузите субстрат из реактора, в обратном порядке шаги 1.1.1-1.1.4. Подготовка шаблона Ган и погрузка MBE реактор Вырежьте 2-дюймовый Ган шаблон на 6 равных частей пирог форменный с помощью Чертилка алмаз. Подготовьте раствор кислоты aqua regia внутри кислоты Зонта путем добавления азотной кислоты (HNO3, w/w% 68.0-70,0, 50 мл) соляной кислоты (HCl, w/w%, 150 мл 36,5-38,0) медленно в стакан кварца. Поставьте стакан aqua regia на горячей плите при температуре 220 ° C. После появления оранжевый/красный цвет и пузырьки газа замочить в растворе один пирог форменный Ган шаблон и варить 10 мин. Промойте Ган шаблон в деионизированной водой (DI) 3 мин. Замочите Ган шаблон в HCl (36,5-38,0 w/w%):H2O раствор (1:1) 3 мин для удаления Ga оксид. Промойте Ган шаблон в проточной воде ди за 5 мин. Сухие шаблон с газом N2 . Поместить очищенный Ган шаблон на Mo держателя и загрузить его в MBE нагрузки шлюзовой камеры немедленно. Начинают накачки вниз нагрузки Замок механический насос сухой. 2. MBE рост BeMgZnO/ZnO гетероструктурах Подготовка клетки выпот После откачки вниз нагрузки замок для 1 h, начать подготовку Zn, мг, выпот клетки. Установите температуру верхней зоны ячейки Zn двойной зоны до 525 ° C с наращивает темпы 17 ° C/мин, подождите 5 минут, а затем рамп 515 ° c с наращивает темпы 5 ° C/мин устанавливать температуру клеток мг 570 ° C с наращивает темпы 15 ° C/мин , после достижения момента набора, подождите 10 минут, то рамп клеток мг до 300 ° C. Установка температуры клеток до 900 ° C с наращивает темпы 10 ° C/мин, после достижения уставки, подождать 3 минуты то рамп клеток вплоть до 650 ° C. После 30 мин задайте зоны температура нижней ячейки Zn двойной зоны до 360 ° C с наращивает темпы 10 ° C/мин. После откачки вниз нагрузки замок за 2 ч до достижения давления ~ 5 × 10-7 Торр, включите отражения системы электронов дифракции (RHEED) и загрузить шаблон Ган в камеру MBE. Настройте угол Ган шаблона путем поворота манипулятора следить за RHEED модель эволюции азимутальном направлении [1-100]. Установите температура нижней зоны ячейки Zn двойной зоны до 355 ° C с наращивает темпы 10 ° C/мин. Полярности контроль ZnO Ган и роста буфера LT-ZnO Нагрейте до температуры субстрата 615 ° c с наращивает темпы 13.6 ° C/мин для десорбции остаточных загрязнений с поверхности субстрата на 15 мин. Пандус вниз Температура подложки из 615 до 280 ° C с наращивает темпы 13.6 ° C/мин для роста LT-ЗНО. Когда температура достигает 550 ° C, откройте затвор клеток Zn подвергать поверхность Ган шаблон с Zn потока. Включите O2 плазмы питания, установить мощность 100 Вт, а также для проверки, что O2 газопровода будет закрыт. Когда температура достигает 280 ° C, установите O2 плазмы мощность 400 Вт, скорость потока комплект O2 до 0,3 sccm Воспламенение плазмы, а затем уменьшить скорость потока2 O до 0,25 sccm. Подождите 1 мин, а затем откройте затвор2 O для начала роста LT-ZnO буферного слоя. Запись шаблон RHEED каждые 5 мин. После роста для примерно 15 минут, соответствующий буфер толщиной ~ 20 Нм, когда RHEED шаблон изменяется от полосы (2D режим) на пятна эллиптические (3D режим), закрыть Zn и O2 ставни, чтобы остановить рост. Установите скорость потока2 O 0,4 sccm и установите температуру субстрата на 730 ° C с наращивает темпы 13.6 ° C/мин для отжига LT-ZnO Буферный слой. Установите температура нижней зоны ячейки Zn двойной зоны до 345 ° C с наращивает темпы 10 ° C/мин для роста HT-ZnO слоя. Когда температура рабочеи жидкости достигает точку установки 730 ° C, подождите 5 минут и проверьте поверхность ЗНО по RHEED. Когда шаблон RHEED транзит от 3D для 2D, остановите отжига, наращивает вниз температура рабочеи жидкости до 700 ° C. Рост-высокотемпературная ZnO слоя Когда температура рабочеи жидкости достигает 700 ° C и стабилизирует, увеличьте скорость потока2 O до 3.2 sccm. Начало роста HT-ZnO слоя, одновременно открыв Zn и O2 створки. Расти HT-ZnO слоя ~ 140 минут достичь толщиной ~ 300 Нм. Запись RHEED узоры несколько раз во время роста для подтверждения в режим 2D роста. Остановите рост HT-ZnO слоя, закрывая ставни Zn и O2 одновременно. Рост BeMgZnO барьера Установить скорость потока2 O до 0,3 sccm, установить быть температура камеры до 820 ° C с наращивает темпы 10 ° C/мин, установите температуру клеток Mg 510 ° c с наращивает темпы 15 ° C/мин и установите температуру субстрата на 325 ° C с наращивает темпы 13.6 ° C/мин для роста BeMgZnO барьера. Когда температура подложки стабилизируется, увеличить скорость потока2 O до 1,25 sccm, и запустить рост, одновременное открытие Zn, мг, быть и O2 жалюзи. Расти BeMgZnO слоя барьера для ~ 12 мин для достижения толщиной ~ 30 Нм. Запись RHEED узоры несколько раз во время роста для отслеживания эволюции режима роста. Остановить рост BeMgZnO слоя, закрыв мг и сохраняя Zn и O2 быть затвора, затвор открыт для 1 мин иметь слой толщиной Кап ZnO ~ 2 Нм. Закончите роста путем закрытия Zn и O2 створки. Пандус вниз температура рабочеи жидкости до его ожидания температуры 150 ° C. Уменьшение скорости потока2 O до 0,25 sccm. Когда температура рабочеи жидкости ниже 250 ° C, уменьшить мощность плазмы2 O до 100 Вт, выключить O2 плазмы питания, уменьшить скорость потока2 O 0, закройте O2 газопровода и остыть температуры ячейки в режим ожидания условий. Ждать для температуры субстрата достичь температуры режима ожидания 150 ° C, открыть заслонку рост палата и выгрузить держателя вафельные в камеру нагрузки lock. Вентиляционные камеры нагрузки замок с газом N2 и вывезти образца. 3. характеристики Приблизительно Измерьте толщину образца, используя шаг профилировщик, через площадь на краю образца. Оцените качество толщины, деформации и структурных гетероструктуры, используя высокого разрешения рентгеновской дифракции (порошковые) (2q-w сканирует (0002) отражения). Нарезать 5 × 5 мм образца2 квадратный кусок с помощью Чертилка алмазов. Исследовать электронные свойства образца с помощью измерения температуры зависит от эффекта Холла в Ван дер Pauw геометрии, с Индий (в) точек как контактные электроды. Проверка поверхности морфологии с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ). 4. Изготовление диоды шотки Изготовление омические контакты на BeMgZnO/ZnO гетероструктурах Обезжирьте ацетоном в ультразвуковой очиститель для 5 мин, после очистки с метанолом в ультразвуковой очистки за 5 мин, промывка в воде ди за 5 мин и дует сухой с N2образца (~ 20 × 20 mm2 размера). Спиновые фоторезиста пальто с 1000 rpm для 3 s и затем 3000 об/мин за 30 s. Мягкие выпекать фоторезиста на 100 ° C для 140 s. Разоблачение с УФ света через омического контакта маски на 6,5 МВт УФ лампа мощности 2,38 мин на фотолитографии маска каппу. Пост выпекать фоторезист при 110 ° C для 80 s. Развиваться в разработчика для 60 s с трястия частотой 1/s. Прополощите в воде ди 3 мин, и сушить с N2. Загрузите образец в испаритель пучка электронов. Без нагрева образца, депозит Ti/Au с толщиной 30/50 Нм, как измеряется толщина монитор кварцевый. Старт в ацетоне, следуют очистки в метаноле на 5 мин, промывка в воде ди за 5 мин и дует сухой с N2. Отжиг контакт быстрой тепловой отжига (RTA) при 300 ° C за 30 s. Проверьте сопротивление контакта через переход линии модель (TLM) измерение21. Изготовление шотки контактов на BeMgZnO/ZnO гетероструктурах Выполните шаги 4.1.1-4.1.7 для фотолитографии шотки контакта. Относиться к поверхности образца с удаленного O2 плазмы на 5 мин с O2 потока 35 sccm и мощности 50 Вт. Выполните шаги 4.1.8-4.1.10 для осаждения Ag с толщиной 50 Нм. Характеризуют полученные структуры измерениями-V для диоды шотки17.

Representative Results

В левом столбце Рисунок 1 показывает эволюцию структуры RHEED, записанная азимутальном направлении [1-100] во время роста MBE быть0,02мг0.26ZnO/ZnO гетероструктуры с толстым слоем HT-ZnO 300 Нм и 30 Нм толщиной быть0,02 Мг0.26ZnO барьер. В правом столбце отображаются представитель поверхности морфологии на различных этапах (не из того же образца). Как видно из внешний вид шаблона пятнистая RHEED, LT-ZnO Буферный слой имеет трехмерные (3D) остров роста режим характер. Ее поверхности морфологии была улучшена Термообработка Отжиг при температуре выше 700 ° C. Ясно видно, что поверхность преобразована из 3D 2D морфологии. Последующий слой HT-ZnO продолжает расти в 2D режиме, следуют 2D рост быть0,02мг0.26ZnO слой без формирования второго этапа. AFM измерения показали, что Ган шаблон имеет Среднее квадратическое (RMS) шероховатости 0.28 Нм для 5 × 5 мкм2 сканирования. Гладкая поверхность с RMS шероховатости 0.35 Нм получены для HT-ZnO слоя без барьера путем выращивания при условии O-богатые и RMS шероховатости 0,45 Нм наблюдается после роста BeMgZnO барьера. ПОРОШКОВЫЕ тройной оси 2θ-ω сканирования для типичной Zn полярных быть0,02мг0.26ZnO/ZnO гетероструктуры с толстым слоем HT-ZnO 300 Нм и 50 Нм толщиной быть0,02мг0.26ZnO, слой барьера показано на рисунке 2. Размышления на 34.46 o, 34.54 oи 34.75 o согласуются с (0002) размышления ZnO, Ган и быть0,02мг0.26ZnO, соответственно. Обратите внимание, что расширение отражения от быть0,02мг0.26ZnO благодаря своей худобе. Относительное удлинение биаксиальные оплетки в слое ZnO является свидетельством Zn Полярный гетероструктуры, как исследовал в наших предыдущих исследований13. Быть и содержание мг в четвертичных BeMgZnO были рассчитаны от угла Брэгг своей энергии фотона XRD (0002) отражение и выбросов в LT-фотолюминесценция LT-спектра измеряется на 13 K (не показан). Рисунок 3 показывает результаты измерений температур зависимая эффект Холла для быть0,02мг0.26ZnO/ZnO гетероструктурах. Концентрация несущей листа снижается с 8,8 × 1012 см-2 до 6,4 × 1012 см-2 при образец был охлаждается от комнатной температуры (293 K) до примерно 100 K. С дальнейшее охлаждение 13 K, концентрация несущей лист насыщает 6.2 × 1012 см-2. Этот вывод свидетельствует, что наблюдаемое снижение концентрации электронов возникается от взносов из параллельных проводимости каналов, которые включают дефектных нуклеации слой и слой HT-ZnO, а также быть0,02мг0.26ZnO барьер, если таковые имеются. Эта тенденция также сообщалось MgZnO/ZnO гетероструктур10,22. Подвижность электронов в быть0,02мг0.26ZnO/ZnO гетероструктуры монотонно увеличивается с уменьшением температуры; 293 K мобильность 206 см2/Vs и 13 K мобильность 1550 см2/Vs сопоставимы со значениями в литературе22,23. Эволюция электронных свойств как функция температуры ясно указывает на присутствие 2DEG на быть0,02мг0.26ZnO/ZnO heterointerface. Рисунок 4 показывает ток напряжение (-V) кривых измеряется при комнатной температуре за четыре представителя Ag / быть0,02мг0.26ZnO/ZnO Шоттки диоды шотки площадью 1.1 × 10-4 см2 в течение одной пластины. Форвард токи возрастать по экспоненте с приложенного напряжения до 0,25 V, за которым напряжение падает через сопротивление серии, становятся очевидными. Высокие высота барьера Шоттки Φap 1.07 eV была достигнута с идеальность фактор n 1.22. Выпрямление соотношения около 1 × 108 достигаются с помощью текущих значений, измеренных в V= ±2 V. Рисунок 1. Поверхности характеристика. В левом столбце отображаются шаблоны RHEED, принятых в [1-100] азимутальном направлении во время роста MBE быть0,02мг0.26ZnO/ZnO гетероструктуры, и правой колонке представлены поверхности морфологии Ган шаблона, HT-ZnO слой и быть 0.02мг0.26ZnO слой измеряется AFM. LT-ZnO буфера технология позволяет 2D-режиме роста высокого качества ZnO гетероструктуры на низких решетки несоответствие Ган шаблоны. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 2. ПОРОШКОВЫЕ гетероструктуры. ПОРОШКОВЫЕ тройной оси 2θ-ω скан типичной Zn полярных быть0,02мг0.26гетероструктуры ZnO/ZnO с 50 Нм толщиной быть0,02мг0.26ZnO слоя барьера. Размышления на 34.46 o, 34.54 oи 34.75 o согласуются с (0002) размышления ZnO, Ган и быть0,02мг0.26ZnO, соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 3. Электронные свойства гетероструктурах. Температурные зависимости лист перевозчик плотности и электронов мобильности Zn полярных быть0,02мг0.26ZnO/ZnO гетероструктурах. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 4. Диоды шотки. Типичные -V характеристики четыре представителя Ag /0,02мг0.26диоды шотки ZnO/ZnO измеряться при комнатной температуре. Схожесть четыре кривых-V указывает высокая однородность в вафельных образца. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Discussion

Включение ВЕО в MgZnO сформировать четвертичных BeMgZnO предоставляет возможность настройки степени и знак деформации в четвертичных и следовательно значительно увеличивает плотность 2DEG8. Представитель результаты показывают, что быть0,02мг0.26ZnO/ZnO гетероструктуры результаты в плотности 2DEG недалеко от желаемого плазмон-Ло Фонон резонанс электронной плотности (~ 7 × 1012 см-2)24. Хотя подвижность гетероструктуры сильно зависит от параметров роста MBE, таких как Температура подложки и VI II соотношение HT-ZnO и BeMgZnO слоя барьера, 2DEG плотность является слабо зависит от условий роста и главным образом определяется быть и содержание мг в барьер.

Для роста BeMgZnO/ZnO гетероструктур с высоким качеством кристаллический вследствие несоответствия умеренной решетки 1,8% между GaN и ZnO, по сравнению с большим решетки несоответствие 18% между сапфир и ZnO используется шаблон Ган. Чтобы избежать любой проводящий параллельный канал, важно иметь высокую устойчивость в диапазоне MΩ/площадь для шаблона Ган. В нашем случае это достигается путем выращивания и низкой палата давлении 76 торр для повышения компенсации углерода. Для обеспечения управления полярности в гетероструктурах BeMgZnO/ZnO (Zn полярность), тщательной обработки поверхности Ган шаблона является необходимым. Любое окисления или загрязнения, представил в ходе подготовки на поверхности Ган побудит Zn – и O-микс полярности в гетероструктурах даже определяющим соотношение VI II < 1.5 выполняется.

Любой химической реакции между металлов и полупроводников, наличие поверхностных загрязнений, государства, дефекты поверхности и диффузия металла в полупроводнике являются общими проблемами в области изготовления Шоттки Контакты. Разнообразные методы сообщалось в литературе для подготовки поверхности ЗНО для изготовления контактных шотки. Среди них-травления в HCl (или другие кислоты), физической травления с Ar+озон УФ, уборка, лечение в H2O2и O2 плазмы (или смесь с он)25,26,27, 28. травление процедуры направлены для удаления поверхностного слоя толщиной начиная от нескольких нанометров до мкм и поэтому не может применяться для HFET устройств. УФ-озон очистка или O2 плазмы процедура удаляет только поверхностный слой. Таким образом хорошо подходит для подготовки поверхности нашей BeMgZnO/ZnO гетероструктур.

Обычно шотки контакты достигаются путем напыления металла высокой рабочей функции как Pt, Pd, и т.д., ИК. В отличие от Ag имеет низкий функцию работы 4.26 eV. Несмотря на это устройств, использующих Ag электрод может показать выпрямляя поведение благодаря формированию слоя оксида интерфейс серебро, вызванные частичного окисления кислородом АГ с ZnO матрицы. Так сформированных слой оксида прозрачен для электронов и имеет выше работы функции по сравнению с Ag. Раджу и др. сообщили рабочие функции около 5,5 eV для назад, выросла импульсных лазерных осаждения (PLD), который выше, чем 1.3 eV Ag и близко к характеристике Pd и Pt, ИК-29. Наши результаты показывают, что электрод Ag (с O2 плазмы предварительной обработки на поверхности ZnO гетероструктуры) является перспективным контакта металла для формирования диоды шотки.

Мы продемонстрировали метод для изготовления высокое качество шотки контактов для HFETs на основе ЗНО. Шаблон Ган MOCVD вырос с тщательной подготовки поверхности перед MBE роста и низкое соотношение VI II < 1.5 во время зарождения ZnO обеспечить Zn полярной ориентации ZnO основе гетероструктур с высоким качеством. MOCVD методика широко используется зрелой для эпитаксия Ган для различных приложений. MBE процедура, описанная в этой работе указывает возможность MOCVD и MBE методов и Ган и оксидных полупроводников для электронных устройств. Включение небольшое количество быть в результаты слоя барьера BeMgZnO в HFETs с высоким 2DEG плотность, высокая подвижность и высокой термостойкостью, для повышения производительности высокой скорости.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа получила поддержку от ВВС управление из научных исследований (AFOSR) под Грант 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