InAlN 장벽 높은 전자 이동도 트랜지스터 N-극성 플라즈마를 이용한 분자 빔 에피 택시
Summary
분자 빔 에피 택시는 N 극성 InAlN 장벽이 높은 전자 이동도 트랜지스터 (HEMT들)을 성장하는 데 사용됩니다. 1,750cm 2 / V ∙ 초만큼 높은 이동성을 가진 부드러운 구조적으로 균질 InAlN 층 및 HEMT들에서 웨이퍼 제조 관리, 층 성장 조건 및 에피 택셜 구조의 결과.
Abstract
플라즈마를 이용한 분자선 고품질의 고 전자 이동도 트랜지스터 (HEMT들)에 필요한 매끄러운 급격한 인터페이스 III 족 질화물 박막과의 헤테로 에피 택셜 성장에 적합하다. 수순은, 웨이퍼 제조 및 완충층의 InAlN 배리어 층의 AlN 또는 GaN 중간층과 GaN으로 채널의 성장을 포함하여 N 극성 InAlN의 HEMT의 성장을 위해 제공된다. 프로세스의 각 단계에서의 중요한 문제는 이러한 조지아이 GaN 버퍼에 축적 InAlN 조성 동질성 온도의 역할을하고, AlN을 층간 동안 조지아 플럭스의 사용 인터럽트 종래의 GaN에 대한 채널의 성장을 방지로서 식별된다. 구조적으로 균일 한 N 극성 InAlN 박막 0.19 nm의 낮은 표면의 제곱 평균 제곱 거칠기 입증되는 HEMT 구조가 시트 전하 밀도 장치 1,750cm 2 / V ∙ 초만큼 높은 이동도를 갖는보고 InAlN 계 1.7 × 10의13cm -2.
Introduction
분자 빔 에피 택시 (MBE)이 성장 된 막의 저 불순물 혼입을 위해 10-11 토르 낮은베이스 압력으로 초고 진공 환경을 사용 다용도 에피 택셜 박막의 성장 기술이다. 에피 택셜 성장 층의 조성 및 성장 속도는 각각 분출 셀의 온도, 각종 원료의 이와 증발 된 플럭스를 제어함으로써 결정된다. III 족 질화물 에피 택시, 활성 질소 (N *) 플럭스의 어느 쪽 N이 플라즈마 1,2- (RF 플라즈마에 의해 제공되는 동안 III 요소 (에서는, 알루미늄 (Al), 조지아)은 일반적 삼출 세포에 의해 제공되는 그룹의 경우, -assisted MBE :.. PAMBE 또는 RFMBE) 또는 암모니아 (NH 3 -MBE)을 3,4- MBE 성장 5 낮은 성장 온도 및 금속 유기 화학 기상 증착 등의 다른 에피 택셜 성장 기술,보다 선명한 계면으로 갑작스런 특징으로 개략 도시된다 그림 1인치
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그림 1 :.. MBE 시스템의 개략적 인로드 록, 전송 시스템, 가스 방출 스테이션과 성장 챔버를 보여주는 도식 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
III-질화물 결정 방위의 다양성을 갖는 기판 상에 성장 될 수있다. 가장 일반적으로 사용되는 방향은 배리어 층, 전형적으로 AlGaN으로, 또는 GaN 채널 사이의 편광의 차이를 이용하여 도핑하지 않고 2 차원 전자 가스의 형성을 허용 조지아 – 극성의 C -plane이다. 질화 갈륨의 비극성 다양하고 반 극성 방향 인해 또한 HEMT의 응용 프로그램, 이러한 방향 덜 바람직하게 6,7 양자 우물에서 감소 편광 효과 광전자 상당한 관심을 받았다NS. N 극성 배향 장치 인해 종래의 Ga 극성 장치에 비해 여러 고유 이점 차세대 고주파 HEMT 동작 매력적이다.도 2에 도시 된 바와 같이 8 N 극성 장치에서 배리어 층은, 그 결과 GaN으로 채널 아래에 성장 천연 위로 배리어의 해당 채널의 정전 제어 에이즈와 GaN으로 채널 전류 쉽게 액세스 할 수 있도록하고, 접촉 저항을 저감하면서, 단 채널 효과를 감소시킨다. 상기 채널 두께는, 고주파 장치를위한 스케일 다운됨에 따라 배리어 설계는 페르미 레벨 피닝 효과 손실 채널 전하를 보상하도록 변형 될 수 있도록 배리어는 또한 상기 채널에서 개별적으로 제어 될 수있다.
그림 2. 비교 예에 대한 (a)는 N 극성의 HEMT 및 (b)의 Ga 극성 HEMT 에피 택셜 층 개략적 층 구조ISON은. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
고속 HEMT들에서 사용은 고전력 증폭기는 통상의 SiC의 높은 열전도율을 활용의 SiC 기판 상에 성장된다. 낮은 관통 전위 밀도 GaN 자립 기판은 전자 이동도 9는 이와 같이 높은 주파수 성능 향상을 개선시키기 위해 사용될 수있다. AlN으로 핵 생성 층의 성장에 따라, 두께의 GaN 버퍼 공간적 HEMT 채널에서 재성장 계면에서 불순물을 분리 및 전기 절연을 개선하기 위해 성장된다. 다른 III-V 재료 달리 PAMBE 의해 성장 된 GaN은 전형적으로 1, 즉 금속이 풍부한 조건, 매끄러운 표면 형상을 달성하기 위해 10, 11보다 큰 그룹 III / V 비로 성장 조건을 필요로한다. X의 알 1 X N은 ALTER이다그것이 성장 격자 X ≈ 0.18 위해 GaN으로 일치 할 수 있고, 이상을 AlGaN 장벽 번 채널 대전 상대 높아 자발 분극을 발생시킬 수 있기 때문에 기본 배리어 III 족 질화물 HEMT들 용 재료 및 최근에 상당한 관심을 받고있다. 달리 12-15 AlGaN으로 장벽, 조지아 16 따라서 표면이 조지아 풍부한 GaN 버퍼층 성장과 이전 InAlN 성장 후 초과 가인이 없도록주의해야합니다 관심, InAlN 층에에에 우선적으로 통합 할 예정이다.
표면에서의 Ga 제어 조지아 액적 형성에 필요한 유량보다 약간 작은 조지아 플럭스 납품함으로써 달성 될 수있다. 그러나, 이러한 성장 윈도우는 작고, 과잉의 Ga 플럭스 조지아 축적 육안 액적 형성을 초래할 것 인 동안 표면 모폴로지 발생할 부족의 Ga면 커버리지 고원 / 트렌치 형태로 저하. 17 반사 고 에너지 전자 회절 (RHEED) 한 세기 성만은 조지아 축적 탈착을 모니터링하는데 사용될 수있다. GA 흡착율은 RHEED 강도의 감소 및 GA 개폐 사이의 지연에 의해 지시되면 (N *) 셔터 및도 3에 도시 된 바와 같이 RHEED 강도의 초기 증가는 조지아의 축적을 나타낸다.
그림 3 :. 트리거 인수를 사용하여 회전에 따라 취득한 RHEED 패턴에서 측정 RHEED 강도 RHEED 강도 신호와 조지아 범위를 모니터링. 불충분 조지아 자속은 셔터를 폐쇄 한 후 강도를 즉시 증가에 의해 표시된다 (도시하지 않음). 포화 / 이상적인 조지아 범위는 셔터 폐쇄 및 갑작스러운 RHEED 미백 및 초기 RHEED 미백의 지연뿐만 아니라 이상 60 초를 복용 전체 강도 회복의 결과보다 점진적으로 강도 증가를 모두으로 볼에 초과 조지아 범위 사이에 지연으로 표시됩니다.COM / 파일 / ftp_upload / 54775 / 54775fig3large.jpg "대상 ="_ 빈 ">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
PAMBE 의해 InAlN 달성 고품질 인 리치 경계선으로 둘러싸인 알루미늄 – 풍부 도메인으로 이루어진 "허니컴"미세 결과 횡 조성 변동의 존재에 의해 복잡하게된다.이 미세 18 소거법 (50)에 대해, 기판 온도를 이용하여 달성된다 에서 탈착, N-극성 InAlN에 대한 15,19,20 또는 약 630 ° C의 시작 위 ° C. 이 고온 성장 체제에서는에서 알 1- X N의 조성물은 더 높은 온도가 혼입 낮은 결과와 기판 온도의 강력한 함수이며, X. 은 IN 자속 실제로 자속 최대 자속 증가에 혼입 효율의 저하에 의해 제한되지만으로는, 증발 손실을 보상하기 위해 증가 될 수있다. 21 인해에서 "효과를 매립에"들어오는 알루미늄 원자 트랩에있어서 조성물을 증가시키고 증발을 방지 할 수있는 성장 속도의 증가, 기판 온도를 감소 또는 자속의 증가 외에도. 21,22 고등 성장 속도는 비례 적으로 알 자속을 증가시킴으로써 달성 될 수있다. N 풍부한 성장 조건을 유지하기 위해 상기 N *는 N이 유속을 증가 플라즈마 챔버 설계를 개선하거나 구판 구멍을 증가 RF 플라즈마 전력의 증가에 의해 달성 될 수있는뿐만 아니라, 증가 될 필요 밀도.
InAlN 기반 HEMT들에 추가 에피 택셜 층의 GaN 및 AlN을 중간층 (ILS)과 질화 갈륨 채널을 포함한다. AlN으로 IL 이동성 μ뿐만 아니라 채널 시트 전하 밀도 N 개의 S를 증가시킬 수 배리어와 채널 사이에 삽입 하였다. 이동도의 증가는 InAlN B 형 전자파 기능 중복을 감소에 기인arrier 후속 합금 산란. 9 IL의 AlN의 고품질의 성장을 확보하려면, 조지아 광속의 과량의 계면 활성제 역할을하는 성장 동안 공급된다. GaN의 IL 채널 전하를 감소시키면서, 상기 이동성을 향상시키기 위해 IL의 AlN와 장벽 사이에 사용될 수있다. 이 GaN 채널은 채널의 IL 비록 장벽의 지속적인 성장을 허용하는 InAlN 장벽 동일 온도에서 성장 될 수있다. 향상된 이동도는 AlN으로 IL 후 성장 중단 및 채널의 GaN의 성장 이전에 성장 온도를 증가시킴으로써 얻어진다. 이러한 경우에 보호의 Ga면 따르면 이동성 저하를 방지하기 위해 인터럽트 동안 유지되어야한다.
다음 프로토콜은 N 극성 GaN으로 기판 상에 성장 InAlN 배리어 HEMT들에 특별히 적용된다. 이는 직접적으로 두께 50 nm의 N 풍부한 AlN 층을 포함하여 C-극성 4H- 또는 6H-SiC를 기판 상에 성장에 확장 될 수있다.
Protocol
Representative Results
Discussion
고품질의 GaN 버퍼층의 성장은 III 족 질화물 HEMT 높은 전자 이동도를 달성하는 데 중요하다. 는 N 극성 InAlN HEMT의 경우에, 버퍼 층 성장은 모든 이전의 Ga InAlN 성장 표면으로부터 제거 될 필요 조건에 의해 복잡하게된다. 금속 변조 에피 (27)는 중간의 Ga 커버리지 조지아 액적 축적 체제 (28)의 가장자리에 성장 조건을 사용하거나 연속적인 N의 * 있도록 여기에 기재된 절차에 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank Mr. Neil Green for assistance with sample preparation. This work was supported by the Office of Naval Research under funding from Dr. P. Maki. MTH was supported by a National Research Council Postdoctoral Fellowship.
Materials
| Freestanding N-polar GaN wafer | Kyma | 10 mm x 10 mm | |
| C-polar SiC wafer | Cree | W4TRE0R-L600 | 3 inch diameter |
| Microelectronics grade acetone | Fischer Scientific | A18-4 | |
| Microelectronics grade isoproponal | J.T. Baker | 9079-05/JT9079-5 | |
| Al source material (6N5 pure) | UMC | ALR62060I | |
| Ga source material (7N pure) | UMC | GA701 | |
| In source material (7N pure) | UMC | IN750 | |
| ULSI N2 source gas (6N pure) | Matheson Tri-gas | G2659906D | |
| PRO-75 MBE system | OmicronScientia |
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