Opnåelse af høj kvalitet Schottky kontakter er afgørende for at opnå effektiv gate graduering i heterostructure field effect transistorer (HFETs). Vi præsenterer fabrikationsanlæg metode og karakteristika af Schottky Dioder på Zn-polar BeMgZnO/ZnO heterostructures med high-density to dimensionelle elektron gas (2DEG), dyrket af plasma-assisteret molekylære stråle epitaxy på GaN skabeloner.
Heterostructure felt effekt transistorer (HFETs) bruger en to-dimensionelle elektron gas (2DEG) kanal har et stort potentiale for høj hastighed enhed applikationer. Zink oxid (ZnO), en halvleder med en bred bandgap (3,4 eV) og high electron mætning hastighed har fået stor opmærksomhed som et attraktivt materiale til høj hastighed enheder. Effektiv gate graduering, men kræver høj kvalitet Schottky kontakter på laget barriere. I denne artikel, vi præsenterer vores Schottky diode fabrikation procedure på Zn-polar BeMgZnO/ZnO heterostructure med høj tæthed 2DEG, som er opnået gennem stamme graduering og indarbejdelse af et par procent være i de MgZnO-baserede barriere under væksten af Molekylær stråle epitaxy (MBE). For at opnå høj krystallinske kvalitet, anvendes næsten gitter-matchede high-resistivitet GaN skabeloner vokset med metal-organisk kemisk dampudfældning (MOCVD) som substrat for den efterfølgende MBE vækst af oxid lag. For at opnå fornødne Zn-polaritet, omhyggelig overfladebehandling af GaN skabeloner, og kontrol over VI/II forholdet under væksten af lav temperatur ZnO Nukleering lag er udnyttet. Ti/Au elektroder tjene som ohmske kontakter og Ag elektroder deponeret på O2 plasma massiv BeMgZnO overflade anvendes til Schottky kontakter.
Heterostructure field effect transistorer (HFETs) baseret på to-dimensionelle elektron gas (2DEG) har et lovende potentiale for programmerne i højhastigheds elektroniske enheder1,2,3. Zinkoxid (ZnO) som en halvleder, bred bandgap (3,4 eV) med høj elektron mætning hastighed har fået betydelig opmærksomhed som en platform for HFETs4,5. Konventionelt brugte barriere materielle MgZnO ternær nødvendiggøre et meget højt indhold af Mg (> 40%) dyrkes på lav substrat temperaturer (300 ° C eller lavere)6,7, og som sådan disse strukturer er tilbøjelig til at forringe under høj effekt operationer og i løbet af termiske behandlinger, selv om den uønskede afgift tæthed i barrieren er lav nok til gate graduering. For at omgå denne hindring, har vi foreslået og vedtaget BeMgZnO som barriere, hvor tegnet stamme i barrieren kan skiftes fra trykstyrke til trækstyrke via inddragelsen af beryllium (være), at gøre den spontane og piezoelectricpolarizations til være additiv. Som et resultat, kan høj 2DEG koncentration opnås med forholdsvis moderat Mg indhold. Udnytte denne fremgangsmåde, høj 2DEG tætheder er observeret i nærheden af plasmon-LO phonon resonans (~ 7 × 1012 cm-2) i BeMgZnO/ZnO heterostructures mens Mg indhold nedenfor er 30% og de være indhold er kun på 2 ~ 3%8.
På grund af dens lignende crystal symmetry, UV og synligt lys gennemsigtighed, er robust fysiske og kemiske egenskaber og lav pris, c-plane sapphire bredt ansat til epitaxy af både GaN og ZnO. Takket være den bemærkelsesværdige fremskridt i vækst teknologi af GaN-baseret elektronisk og optoelektroniske enheder på saphhire kan høj kvalitet GaN skabeloner nemt fremstilles på safir substrater ved hjælp af AlN eller lav temperatur (LT) GaN buffer, trods dens store gitter misforhold af 16% med safir9. Epitaxial vækst af ZnO, som har en endnu større i flyet gitter misforhold af 18% med safir, er relativt godt forstået for O-polar sort, mens væksten i Zn-polar materiale i to-dimensionelle tilstand ikke er godt etableret. På grund af uoverensstemmelse mellem moderate gitter på 1,8% er epitaxy af ZnO på GaN et attraktivt alternativ.
Både MOCVD og MBE er de mest succesfulde semiconductor deposition teknikker for at fabrikere høj kvalitet tynd film og heterostructures med høj reproducerbarhed. Hovedårsagen til, at MBE er mindre populære end MOCVD for epitaxy af GaN er omkostninger og utilstrækkelige for masseproduktion. Vækstrate i GaN af MOCVD kan være flere mikrometer i timen, og snesevis af 2 tommer (50 mm) diameter vafler eller dem så store som 6-8″ kan dyrkes i én køre9. Her, vedtage vi også MOCVD for væksten af GaN i vores undersøgelse. For væksten af ZnO-baseret heterostructures, men er flere rapporter om dannelse af 2DEG realiseret af MBE på nuværende tidspunkt forud for markedsføringen af de potentielle applikationer10,11,12. For nylig, har vi udviklet MBE vækst af høj kvalitet ZnO heterostructures med en nøjagtig kontrol af overflade polaritet på Ga-polar GaN skabeloner13. Det blev konstateret, at med Zn pre-eksponering behandling, ZnO lag så dyrkes udstillede Zn-polaritet når nukleeret med lav VI/II nøgletal (< 1,5), mens de nukleeret med VI/II nøgletal over 1,5 udstillet O-polaritet. For at undgå parallelle overledning kanal gennem GaN skabeloner, vi vedtog CO2 kompenseret semi-isolerende GaN MOCVD vokset lavtryks betingelser på AlN buffer for den efterfølgende vækst af ZnO-baserede HFET strukturer.
Før vores arbejde14, er der ingen rapporter om undersøgelsen af Schottky Dioder på BeMgZnO/ZnO heterostructures. Kun flere undersøgelser har rapporteret om Schottky kontakter til MgZnO15,16, fx., med en Idealitet faktor på 2,37, barriere højde 0,73 eV, og forholdet berigtigelse af kun 103 15. Forskellige Schottky metaller har været brugt til ZnO17, og blandt dem, sølv (Ag) er blevet bredt vedtaget, på grund af en relativt høj Schottky barriere højde af 1.11 eV på bulk ZnO med en Idealitet faktor 1.08 18.
I dette arbejde, vi sigter mod at fremstille høj kvalitet Schottky Dioder til applikationer i ZnO-baserede enheder med høj hastighed HFET. Følgende protokol gælder specifikt for fabrikation af Ag/BeMgZnO/ZnO Schottky Dioder af e-beam fordampning af Ag på BeMgZnO/ZnO heterostructures dyrkes af plasma-assisteret MBE på MOCVD-deponeret GaN skabeloner.
Integreringen af BeO i MgZnO til at danne de Kvartære BeMgZnO giver muligheden for at tune omfang og tegn på stamme i kvaternære og dermed øger 2DEG massefylde8. De repræsentative resultater viser, at den være0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostructure resulterer i en 2DEG massefylde tæt på den ønskede plasmon-LO phonon resonans electron density (~ 7 × 1012 cm-2)24. Selv om elektron mobilitet af heterostructure afhænger kraftigt MBE vækst parametre som substrat temperatur og VI/II forholdet mellem både HT-ZnO og BeMgZnO barriere lag, 2DEG tætheden er svagt afhængig af vækstbetingelser og først og fremmest bestemmes af den være og Mg indhold i barrieren.
En GaN skabelon bruges til væksten i BeMgZnO/ZnO heterostructures med høj krystallinske kvalitet på grund af moderate gitter mismatch på 1,8% mellem GaN og ZnO, sammenlignet med et stort gitter misforhold på 18% mellem sapphire og ZnO. For at undgå enhver ledende parallelle kanal, er det afgørende at have en høj modstand i området MΩ-pladsen til skabelonen GaN. I vores tilfælde opnås dette ved at dyrke ved et lavt kammer Tryk på 76 Torr at øge kulstof erstatning. For at sikre polaritet kontrol i BeMgZnO/ZnO heterostructures (Zn-polaritet), er omhyggelig overfladebehandling af GaN skabelon uundværlig. Enhver oxidation eller forurening indført under forberedelse på GaN overflade ville fremkalde Zn – og O-mix-polaritet i heterostructures selv determinant VI/II forholdet < 1.5 er opfyldt.
Enhver kemisk reaktion mellem metal og halvleder, tilstedeværelsen af overflade forureninger, hedder, defekter ved overfladen og diffusion af metal i en halvleder er fælles problemer inden for fabrikation af Schottky kontakter. En række forskellige metoder er blevet rapporteret i litteraturen for at forberede Schottky kontakt fabrikation overfladen af ZnO. Blandt dem er ætsning i HCl (eller andre syrer), fysisk ætsning med Ar+, UV-ozon rengøring, behandling i H2O2, og O2 plasma (eller blanding med han)25,26,27, 28. ætsning procedurer sigte til fjernelse af en overflade lag med tykkelse en lige fra et par nanometer til mikron og derfor ikke kan anvendes af HFET enheder. UV-ozon rengøring eller O2 plasma procedure fjerner kun overflade lag. Derfor er det velegnet til forbehandling af vores BeMgZnO/ZnO heterostructures.
Normalt er Schottky kontakter opnået ved at deponere en høj arbejde funktion metal såsom Pd, Pt, Ir, osv. Derimod har Ag en lav arbejde funktion af 4.26 eV. På trods af at, kan enheder udnytter Ag elektrode vise berigtigende adfærd på grund af dannelsen af en grænseflade sølv oxidlag skyldes delvis oxidation af Ag med ilt fra ZnO matrix. Det så dannede oxidlag er gennemsigtig for elektroner og har højere arbejde funktion i forhold til Ag. Raju mfl. har rapporteret arbejdsfunktioner omkring 5,5 eV for siden vokset med pulserende laser deposition (PLD), som er 1,3 eV højere end af Ag, og karakteristisk for Pd, Pt og Ir29. Vores resultater viser, at Ag elektrode (med O2 plasma forbehandling på overfladen af ZnO heterostructure) er en lovende kontakt metal for dannelsen af Schottky Dioder.
Vi har demonstreret en metode for at fabrikere høj kvalitet Schottky kontakter for ZnO-baseret HFETs. MOCVD vokset GaN skabelon med omhyggelig forberedelse af overfladen lige før MBE vækst og en lav VI/II forholdet < 1,5 under ZnO Nukleering sikre Zn-polar orientering af ZnO-baseret heterostructures med høj kvalitet. MOCVD er en meget udbredt modne teknik for epitaxy af GaN til forskellige applikationer. MBE fremgangsmà ¥ den i dette arbejde viser combinability af MOCVD og MBE teknikker og GaN og oxid halvledere til elektroniske enheder. Inkorporering af en lille mængde af være i BeMgZnO barriere lag resultater i HFETs med høj 2DEG tæthed, høj elektron mobilitet og høj termisk stabilitet, forbedret høj hastighed ydeevne.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af Air Force Office af videnskabelig forskning (AFOSR) under Grant 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 |