Uppnående av hög kvalitet Schottky kontakter är absolut nödvändigt för att uppnå effektiv gate modulering i heterostrukturfotoniska field-effecttransistorer (HFETs). Vi presenterar fabrication metodik och egenskaper av Schottky dioder på Zn-polar BeMgZnO/ZnO Halvledareheterostructures med hög densitet två dimensionell Elektronen gasar (2DEG), odlas av plasma-assisted molekylärt stråla epitaxyen på GaN mallar.
Heterostrukturfotoniska field effecttransistorer (HFETs) använder en kanal med två dimensionell elektron i gas (2DEG) har en stor potential för hög hastighet enhet applikationer. Zinkoxid (ZnO), en halvledare med stort bandgap (3,4 eV) och hög elektron mättnad hastighet har vunnit en hel del uppmärksamhet som ett attraktivt material för hög hastighet enheter. Effektiv gate modulering, men kräver hög kvalitet Schottky kontakter barriär i lagret. I denna artikel, vi presenterar vårt Schottky diod fabrication förfarande på Zn-polar BeMgZnO/ZnO heterostrukturfotoniska med hög densitet 2DEG som uppnås genom stam modulering och införlivandet av några få procent vara i MgZnO-baserade barriären under tillväxt av molekylärt stråla epitaxyen (MBE). För att uppnå hög kristallina kvalitet, används nästan galler-matchade hög-resistivitet GaN mallar vuxit med metall-organiska kemisk förångningsdeposition (MOCVD) som substrat för efterföljande MBE tillväxten av oxid lager. För att erhålla erforderligt Zn-polaritet, försiktig ytbehandling av GaN mallar och kontroll över II/VI förhållandet under tillväxten av låg temperatur ZnO kärnbildning lager utnyttjas. TI/Au elektroder fungera som ohmsk kontakter och Ag elektroder deponeras på O2 plasma förbehandlade BeMgZnO yta används för Schottky kontakter.
Heterostrukturfotoniska field effecttransistorer (HFETs) baserat på två dimensionell Elektronen gasar (2DEG) har en lovande potential för tillämpningar i hög hastighet elektroniska enheter1,2,3. Zinkoxid (ZnO) som en halvledare som brett bandgap (3,4 eV) med hög elektron mättnad hastighet har fått stor uppmärksamhet som en plattform för HFETs4,5. Konventionellt används barriär materiella MgZnO ternära kräver en mycket hög Mg-halt (> 40%) odlas på låg substrat temperaturer (300 ° C eller lägre)6,7, och som sådan dessa strukturer är apt att försämra under hög effekt verksamhet och under termiska behandlingar, även om oönskade laddningstätheten i barriären är tillräckligt låg för gate modulering. För att kringgå detta hinder, har vi föreslagit och antog BeMgZnO som barriär, där tecknet stam i barriären kan kopplas från tryckkraft till brottgräns via införlivandet av beryllium (Be), att göra spontana och piezoelectricpolarizations till vara additiv. Som ett resultat, uppnås hög 2DEG koncentration med relativt måttliga Mg innehåll. Utnyttja denna strategi, hög 2DEG tätheter observeras nära plasmon-LO phonon resonans (~ 7 × 1012 cm-2) i BeMgZnO/ZnO Halvledareheterostructures medan Mg innehållet nedan är 30% och vara innehåll är bara på 2 ~ 3%8.
På grund av dess liknande crystal symmetry, UV och synligt ljus öppenhet används robust fysikaliska och kemiska egenskaper och låg kostnad, c-plan sapphire allmänt för epitaxyen både GaN och ZnO. Tack vare anmärkningsvärda framsteg i tillväxt teknik av GaN-baserade elektroniska och optoelektroniska enheter på saphhire, kan högkvalitativa GaN mallar enkelt skapas på safir substrat med AlN eller låg temperatur (LT) GaN buffert, trots dess stora galler matchningsfel för 16% med safir9. Epitaxiell tillväxt av ZnO, som har en ännu större i-plane galler obalans på 18% med safir, är relativt väl förstådda för O-polar variation, medan tillväxten av Zn-polar material i tvådimensionellt läge inte är väl etablerad. På grund av en måttlig galler felmatchning av 1,8% är epitaxy av ZnO på GaN ett attraktivt alternativ.
Både MOCVD och MBE är de mest framgångsrika semiconductor nedfall teknikerna för att tillverka högkvalitativa tunna filmer och Halvledareheterostructures med hög reproducerbarhet. Den främsta orsaken som MBE är mindre populär än MOCVD för epitaxyen av GaN är kostnaden och otillräcklighet för massproduktion. Tillväxttakten i GaN av MOCVD kan vara flera mikrometer per timme och tior 2 tum (50 mm) diameter (wafers) eller de som är lika stor som 6-8 ”kan odlas i en kör9. Här, anta vi också MOCVD för tillväxten av GaN i vår studie. För tillväxten av ZnO-baserade Halvledareheterostructures, dock realiseras mer rapporter om bildandet av 2DEG av MBE närvarande före kommersialiseringen av de potentiella tillämpningar10,11,12. Nyligen har vi utvecklat MBE tillväxt av hög kvalitet ZnO Halvledareheterostructures med en korrekt kontroll av surface polaritet på Ga-polar GaN mallar13. Det konstaterades att med Zn före exponeringen behandling, ZnO lager så odlade utställda Zn-polaritet när nucleated med låg VI/II nyckeltal (< 1,5), medan de nucleated med VI/II nyckeltal över 1,5 uppvisade O-polaritet. För att undvika parallella överledning kanal genom GaN mallar, antog vi kol kompenseras delvis isolerande GaN MOCVD odlas under lågtryck förhållanden på AlN buffert för efterföljande tillväxten av ZnO-baserade HFET strukturer.
Före vårt arbete14, har det förekommit några rapporter om utredningen av Schottky dioder på BeMgZnO/ZnO Halvledareheterostructures. Bara flera studier har rapporterat på Schottky kontakter till MgZnO15,16, t.ex., med en idealitet faktor av 2,37, en barriär höjd av 0,73 eV och förhållandet rättelse endast 103 15. Olika Schottky metaller har använts för ZnO17, och bland dem, silver (Ag) har allmänt antagits, på grund av en relativt hög Schottky barriär höjd av 1.11 eV på bulk ZnO med en idealitet faktorn 1,08 18.
I detta arbete, vi strävar efter att tillverka högkvalitativa Schottky dioder för programmen i ZnO-baserade enheter med hög hastighet HFET. Följande protokoll gäller specifikt för tillverkning av Ag/BeMgZnO/ZnO Schottky dioder av e-beam avdunstning av Ag på den BeMgZnO/ZnO Halvledareheterostructures odlas av plasma-assisted MBE på MOCVD-deponeras GaN mallar.
Införlivandet av BeO i MgZnO att bilda de Kvartära BeMgZnO ger möjligheten att finjustera omfattning och tecken på stam i Kvartär och därmed avsevärt ökar den 2DEG density8. Representativa resultaten visar att den vara0,02Mg0,26ZnO/ZnO heterostrukturfotoniska resultat i en 2DEG täthet nära den önskade plasmon-LO phonon resonans elektronen täthet (~ 7 × 1012 cm-2)24. Även om elektron rörlighet heterostrukturfotoniska beror starkt på MBE tillväxt parametrar som substrat temperatur och II/VI förhållandet mellan både den HT-ZnO och BeMgZnO barriär lagret, 2DEG tätheten är svagt beroende på tillväxten villkorar och huvudsakligen bestäms av den vara och Mg innehåll i barriären.
En GaN-mall används för tillväxten av BeMgZnO/ZnO Halvledareheterostructures med kristallin hög kvalitet på grund av en måttlig galler felmatchning av 1,8% mellan GaN och ZnO, jämfört med ett stort galler matchningsfel för 18% mellan sapphire och ZnO. För att undvika alla ledande parallella kanaler, är det viktigt att ha ett högt motstånd i intervallet MΩ/kvadrat för mallen GaN. I vårt fall uppnås detta genom att odla låga kammare trycket 76 Torr att förbättra kol ersättning. För att säkerställa kontrollen polaritet i den BeMgZnO/ZnO-Halvledareheterostructures (Zn-polaritet), är försiktig ytbehandling av GaN mall oumbärlig. Någon oxidation eller kontaminering infördes under förberedelsen på GaN ytan skulle framkalla Zn – och O-mix-polaritet i Halvledareheterostructures även avgörande II/VI förhållandet < 1,5 är uppfyllt.
Någon kemisk reaktion mellan metallen och halvledaren, förekomsten av surface föroreningar, stater, defekter i närheten av ytan och diffusion av metall i halvledaren är vanliga problem i området för tillverkning av Schottky kontakter. Olika metoder har rapporterats i litteraturen för att förbereda ytan av ZnO Schottky kontakt fabrication. Bland dem finns etsning i HCl (eller andra syror), fysisk etsning med Ar+, UV-ozon rengöring, behandling i H2O2, och O2 plasma (eller blandning med han)25,26,27, 28. etsning förfarandena sikta för avlägsnande av ett ytskikt med tjocklek en alltifrån några nanometer till µm och därför inte kan tillämpas för HFET enheter. Den UV-ozon rengöring eller O2 plasma procedur tar bort endast ytskiktet. Det är därför väl lämpad för surface beredning av våra BeMgZnO/ZnO-Halvledareheterostructures.
Schottky kontakter är vanligtvis uppnås genom att deponera en hög arbete funktion metall såsom Pd, Pt, Ir, etc. Ag har däremot en låg arbete funktion av 4,26 eV. Trots detta kan enheter som använder Ag elektrod Visa tillrättaläggande beteende på grund av bildandet av ett gränssnitt silver oxid lagret orsakas av partiell oxidation av Ag med syre från ZnO matris. Så bildade oxidskiktet är transparent för elektroner och har högre arbete funktion jämfört med Ag. Raju et al. har rapporterat arbetsfunktioner omkring 5,5 eV för sedan vuxit med pulsad laser nedfall (PLD), vilket är 1,3 eV högre än Ag, och nära kännetecken av Pd, Pt och IR-29. Våra resultat visar att den Ag elektroden (med O2 plasma förbehandling på ytan av ZnO heterostrukturfotoniska) är en lovande kontakt metall för bildandet av Schottky dioder.
Vi har visat en metod för att tillverka högkvalitativa Schottky kontakter för ZnO-baserade HFETs. MOCVD vuxit GaN mall med noggrann förbehandling strax före MBE tillväxt och en låg VI/II baserat < 1,5 under ZnO kärnbildning säkerställa Zn-polar orienteringen för den ZnO-baserade Halvledareheterostructures med hög kvalitet. MOCVD är en allmänt använd mogen teknik för epitaxyen av GaN för olika applikationer. MBE proceduren som beskrivs i detta arbete visar kombinabilitet MOCVD och MBE tekniker och GaN och oxid halvledare för elektroniska enheter. Införlivandet av en liten mängd vara in i BeMgZnO barrier layer resultaten i HFETs med hög 2DEG densitet, hög elektron rörlighet och hög termisk stabilitet, för förbättrad prestanda vid hög hastighet.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöds av Air Force Office av vetenskaplig 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 |