Consecución de contactos Schottky de alta calidad es imprescindible para lograr la modulación eficiente puerta en transistores de efecto de campo de heteroestructura (HFETs). Presentamos la metodología de fabricación y características de los diodos de Schottky en heteroestructuras de Zn-polar BeMgZnO/ZnO con alta densidad gas dos de dimensiones del electrón (2DEG), crecidos por epitaxy de viga molecular asistida por plasma en plantillas de GaN.
Heteroestructura transistores de efecto de campo (HFETs) utilizando un canal de dos dimensiones del electrón (2DEG) de gas tienen un gran potencial para aplicaciones de dispositivos de alta velocidad. Óxido de zinc (ZnO), un semiconductor con banda prohibida ancha (3,4 eV) y velocidad de saturación alta electrónica ha ganado mucha atención como un material atractivo para dispositivos de alta velocidad. Modulación de puerta eficiente, sin embargo, requiere de contactos Schottky de alta calidad en la capa de barrera. En este artículo, presentamos nuestro procedimiento de fabricación del diodo Schottky en Zn-polar BeMgZnO/ZnO heteroestructura con 2DEG de alta densidad que se logra a través de la modulación de la tensión y la incorporación de unos pocos por ciento estar en la barrera de MgZnO durante el crecimiento por epitaxy de viga molecular (MBE). Para lograr alta calidad cristalina, casi comparable a enrejado alta resistividad GaN plantillas crecidas por deposición química metal-orgánica de vapor (MOCVD) se utilizan como sustrato para el posterior crecimiento MBE de las capas de óxido. Para obtener el requisito Zn-polaridad, cuidado tratamiento superficial de GaN se utilizan plantillas y control sobre la relación VI/II durante el crecimiento de la capa de ZnO nucleación de baja temperatura. Electrodos de ti/Au sirven como contactos óhmicos y electrodos de Ag en el plasma de2 O pretratados BeMgZnO de superficie se utilizan para contactos Schottky.
Heteroestructura transistores de efecto de campo (HFETs) basados en dos gas de dimensiones del electrón (2DEG) tienen un potencial prometedor de las aplicaciones en dispositivos electrónicos de alta velocidad1,2,3. Óxido de zinc (ZnO) como un semiconductor de banda prohibida ancha (3,4 eV) con velocidad de saturación alta electrónica ha ganado considerable atención como una plataforma para HFETs4,5. Barrera convencionalmente usado material MgZnO ternario requieren un muy alto contenido de Mg (> 40%) cultivadas en sustrato baja temperatura (300 ° C o inferior)6,7y como tal estas estructuras pueden degradar bajo operaciones de alta potencia y durante los tratamientos térmicos, aunque la densidad de carga no deseada en la barrera es lo suficientemente baja como para modulación de la puerta. Para sortear este obstáculo, hemos propuesto y adoptado BeMgZnO como la barrera, en que la señal de tensión en la barrera puede ser cambiada de compresión a tracción a través de la incorporación de berilio (sea), hacer la espontánea y piezoelectricpolarizations a ser aditiva. Como resultado, 2DEG alta concentración se logra con relativamente moderado contenido de Mg. Utilizando este enfoque, 2DEG altas densidades se observa cerca del plasmon-LO resonancia phonon (~ 7 × 1012 cm-2) en heteroestructuras de ZnO/BeMgZnO mientras que el contenido de Mg a continuación es del 30% y el ser contenido está sólo a 2 ~ 3%8.
Debido a su simetría de cristal similares, UV y visible transparencia ligera, robustas propiedades físicas y químicas y bajo costo, plano de c zafiro se emplea extensamente para epitaxy de GaN y ZnO. Gracias a los notables avances en la tecnología de crecimiento de GaN electrónica y dispositivos optoelectrónicos en saphhire, GaN plantillas de alta calidad pueden fácilmente producir sobre sustratos de zafiro con AlN o buffer de baja temperatura (LT) GaN, a pesar de su desajuste grande enrejado de 16% con zafiro9. Crecimiento epitaxial de ZnO, que tiene un desajuste aún mayor de enrejado en el plano del 18% con zafiro, se entiende relativamente bien para variedad O polares, mientras que el crecimiento de material polar de Zn en modo bidimensional no está bien establecido. Debido el desajuste moderado enrejado de 1,8%, epitaxy de ZnO en GaN es una alternativa atractiva.
MOCVD y MBE son las más exitosas técnicas de deposición de semiconductores para la fabricación de películas delgadas de alta calidad y heteroestructuras con alta reproducibilidad. La razón principal que MBE es menos popular que MOCVD para epitaxy de GaN es el costo y la insuficiencia de la producción en masa. La tasa de crecimiento en GaN por MOCVD puede ser varios micrómetros por hora y decenas de obleas de 2 pulgadas (50 mm) de diámetro o tan grandes como 6-8″ se puede cultivar en una ejecución9. Aquí, también adoptamos MOCVD para el crecimiento de GaN en nuestro estudio. Para el desarrollo de heteroestructuras basadas en ZnO, sin embargo, informes más en la formación de 2DEG se realizan mediante la MBE en la actualidad antes de la comercialización de los potenciales usos10,11,12. Recientemente, hemos desarrollado crecimiento MBE de heteroestructuras de ZnO de alta calidad con un control preciso de la polaridad superficial GaN Ga polar plantillas13. Se encontró que con el tratamiento de pre-exposición de Zn, ZnO capas tan crecida expuesta Zn-polaridad cuando nucleadas con proporciones bajas de VI/II (< 1,5), mientras que aquellos nucleados con ratios de VI/II por encima de 1.5 exhibieron O polaridad. Para evitar el canal de conducción paralela a través de plantillas de GaN, adoptamos carbono compensado parcialmente aislante MOCVD GaN cultivadas bajo condiciones de baja presión en buffer de AlN para el posterior crecimiento de estructuras basadas en ZnO HFET.
Antes nuestro trabajo14, no ha habido informes en la investigación de los diodos de Schottky en heteroestructuras de BeMgZnO/ZnO. Sólo varios estudios han informado de contactos Schottky MgZnO15,16, e.g., con un factor de idealidad de 2.37, una altura de 0,73 eV y una relación de rectificación de sólo 103 15. Varios metales de Schottky se han utilizado para ZnO17, y entre ellos, plata (Ag) ha sido ampliamente adoptado, debido a una relativamente alta Schottky barrera altura de 1,11 eV grueso ZnO con un factor de idealidad de 1.08 18.
En este trabajo, nuestro objetivo es fabricar diodos Schottky de alta calidad para las aplicaciones en dispositivos HFET alta velocidad basadas en ZnO. El siguiente protocolo se aplica específicamente a la fabricación de diodos de Schottky Ag/BeMgZnO/ZnO por evaporación e-beam del Ag en las heteroestructuras de ZnO/BeMgZnO crecido por MBE asistida por plasma en plantillas de MOCVD depositado GaN.
Incorporación de BeO MgZnO para formar el BeMgZnO cuaternario proporciona la viabilidad para ajustar la magnitud y signo de tensión en el cuaternario, por lo tanto, aumenta significativamente la densidad 2DEG del8. Los resultados representativos muestran que el ser0.02Mg0.26ZnO/ZnO heteroestructura resulta en una densidad de 2DEG cerca plasmon deseada-LO phonon resonancia electrón densidad (~ 7 × 1012 cm-2)24. Aunque la movilidad de electrón de la heteroestructura depende fuertemente de los parámetros de crecimiento de la MBE tales como la temperatura del substrato y relación VI/II HT-ZnO y la capa de barrera de BeMgZnO, la densidad de 2DEG es débil depende de las condiciones de crecimiento y determinado principalmente por el ser y el contenido de Mg en la barrera.
Una plantilla de GaN se utiliza para el crecimiento de BeMgZnO/ZnO heteroestructuras con alta calidad cristalina debido el desajuste moderado enrejado de 1,8% entre el GaN y ZnO, en comparación con un desajuste grande enrejado de 18% entre zafiro y ZnO. Para evitar cualquier conductora canal paralelo, es crítico contar con una alta resistencia en el rango MΩ/Plaza de la plantilla de GaN. En nuestro caso, esto se logra por el aumento en una presión en la cámara baja de 76 Torr para mejorar la compensación de carbono. Para asegurar el control de la polaridad en las heteroestructuras BeMgZnO/ZnO (Zn-polaridad), cuidado de tratamiento superficial de plantilla de GaN es indispensable. Cualquier oxidación o contaminación durante la preparación de la superficie de GaN induciría Zn-O-mezcla-polaridad y en heteroestructuras incluso la determinante relación VI/II < 1,5 se ha cumplido.
Cualquier reacción química entre el metal y el semiconductor, la presencia de contaminantes de la superficie, Estados, defectos en las proximidades de la superficie y la difusión del metal en el semiconductor son problemas comunes en el campo de la fabricación de Schottky contactos. Una variedad de métodos se ha divulgado en la literatura para la preparación de la superficie del ZnO para la fabricación contacto Schottky. Entre ellos se encuentran grabado grabado en ácido clorhídrico (u otros ácidos), física con Ar+, limpieza, tratamiento en H2O2y O2 plasma (o mezcla con él) de UV ozono25,26,27, 28. los procedimientos de grabado apuntar para la remoción de una capa superficial con el grueso de una que van desde unos pocos nanómetros a micras y por lo tanto no se puede aplicar para dispositivos HFET. La UV-ozono limpieza o procedimiento de plasma2 O elimina sólo la capa superficial. Por lo tanto, es idóneo para la preparación de la superficie de nuestra BeMgZnO/ZnO heteroestructuras.
Contactos Schottky se logran depositando un metal de alta función de trabajo tales como Pd, Pt, Ir, etcetera. Por el contrario, Ag tiene una función de trabajo baja de 4,26 eV. A pesar de eso, dispositivos utilizando electrodos de Ag pueden mostrar comportamiento de rectificación debido a la formación de una capa de óxido de plata de interfaz causada por la oxidación de Ag con oxígeno de matriz de ZnO. La capa de óxido así formada es transparente para los electrones y tiene la más alta función de trabajo en comparación con Ag. Raju et al. han reportado funciones de trabajo alrededor de 5,5 eV para hace crecido por deposición de láser pulsado (PLD), que es mayor que 1,3 eV de Ag y cerca de la característica de Ir, Pd y Pt29. Nuestros resultados indican que ese electrodo de Ag (con O2 plasma tratamiento previo en la superficie del ZnO heteroestructura) es un prometedor contacto metal para la formación de los diodos de Schottky.
Hemos demostrado un método para la fabricación de contactos Schottky de alta calidad para HFETs basadas en ZnO. Plantilla de GaN MOCVD crecido con cuidadosa preparación de la superficie justo antes de crecimiento MBE y una proporción baja de VI/II < 1.5 durante la nucleación de ZnO garantizar la orientación Zn-polar de las heteroestructuras basadas en ZnO con alta calidad. MOCVD es una técnica madura utilizado por epitaxia de GaN para diversas aplicaciones. El procedimiento MBE que se describe en este trabajo indica la compatibilidad de técnicas MOCVD y MBE y semiconductores GaN y óxido para los dispositivos electrónicos. Incorporación de una pequeña cantidad de estar en los resultados de capa barrera BeMgZnO en HFETs 2DEG alta densidad, movilidad de electrón alto y alta estabilidad térmica, para mejorar funcionamiento de alta velocidad.
The authors have nothing to disclose.
Este trabajo fue apoyado por fuerza aérea oficina de científicos investigación (AFOSR) bajo concesión FA9550-12-1-0094.
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 |