С помощью плазмы молекулярно-лучевой эпитаксии N-полярная InAlN-барьерные Транзисторы высокого электронно-мобильности
Summary
Молекулярно-лучевой эпитаксии используется для расти N-полярные транзисторы InAlN барьер высокой подвижности электронов (HEMTs). Контроль подготовки пластин, условий роста слоя и структура эпитаксиальных приводит к гладкой, композиционно однородных слоев InAlN и HEMTs с подвижностью достигает 1,750 см 2 / В ∙ сек.
Abstract
молекулярно-лучевой эпитаксии с помощью плазмы хорошо подходит для эпитаксиального роста III-нитридных тонких пленок и гетероструктур с гладкими, крутыми интерфейсами, необходимых для высококачественных транзисторов высокой электронной подвижностью (HEMTs). Процедура представлена для роста N-полярных InAlN HEMTs, включая подготовку пластин и роста буферных слоев, InAlN барьерный слой, AlN и GaN прослоек и канала GaN. Критические проблемы на каждом этапе этого процесса определены, такие, как избежать накопления Ga в буфере GaN, роль температуры на InAlN композиционной однородностью и использование потока Ga во время AlN промежуточного слоя, а прерывание роста канала до ГАН. Композиционно однородная N-полярная InAlN тонкие пленки демонстрируются с поверхности корня среднеквадратической шероховатости как низко как 0,19 нм и InAlN на основе HEMT структуры сообщили, что подвижность столь же высоко как 1.750 см 2 / В ∙ сек для устройств с плотностью листа заряда 1,7 х 1013 см -2.
Introduction
Молекулярно – лучевой эпитаксии (MBE) является универсальным эпитаксиальных тонкопленочных метод роста , который использует сверхвысокого вакуумной среде с базовым давлением ниже 10 -11 мм рт.ст. , чтобы обеспечить включение с низким содержанием примесей в выращенной пленки. Состав и скорость роста из эпитаксиально выращенных слоев определяются путем регулирования температуры каждой Эффузионным клетки, и, таким образом Испарившаяся поток различных исходных материалов. В случае III-нитридного эпитаксии группы III-элементы (In, Al, Ga) , как правило , представленной эффузионных клетками в то время как активный азот (N *) поток обеспечивается либо с N 2 в плазме 1,2 (RF плазмы -поддерживаемая MBE:. PAMBE или RFMBE) или аммиака (NH 3 -MBE) 3,4 рост MBE характеризуется более низкими температурами роста и более резкой границе раздела фаз резкостью по сравнению с другими методами эпитаксиального роста, таких как МОС химического осаждения из паровой фазы 5 Схема показана. на рисунке 1.
<pкласс = "jove_content">
Рисунок 1:.. Система MBE схематичное Схематическое изображение шлюзовой камеры нагрузки, системы передачи, дегазация станции и роста Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
III-нитриды могут быть выращены на подложках, имеющих различные ориентации кристалла. Чаще всего используется ориентация Ga-полярный с -плоскость, что позволяет формирование двумерного электронного газа без легирования за счет использования разницы в поляризации между барьерным слоем, обычно AlGaN и канала GaN. Различные неполярный и полуполярные ориентации GaN получили значительное внимание для оптоэлектроники из – за уменьшения поляризационных эффектов в квантовых ямах, 6,7 , который также делает эти ориентации менее желательным для HEMT аппликацийнс. N-полярные ориентированные устройства являются привлекательными для высокочастотной работы HEMT следующего поколения из – за нескольких собственных преимуществ по сравнению с обычными Ga-полярными устройств. 8 Барьерный слой в N-полярными устройств выращивают под каналом GaN , как показано на рисунке 2, в результате чего в естественной задней барьер, который помогает электростатический контроль канала и уменьшает эффекты коротких каналов, позволяя при этом более легкий текущий доступ к каналу GaN и снижения сопротивления контакта. Барьер также можно управлять отдельно от канала, так что, как толщина канала масштабируется вниз для высокочастотных устройств конструкция барьера может быть изменен, чтобы компенсировать канала заряда потерянной к Ферми уровня эффектов пиннинга.
Рис . 2: эпитаксиальный слой схематичное слой структура (а) N-полярную HEMT и (б) Ga-полярной HEMT для COMPARисоном. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
HEMTs, используемые в высокоскоростных, высокой усилители мощности, как правило, выращивают на SiC-подложках, чтобы воспользоваться преимуществами высокой теплопроводности SiC. Низкие плотности пронизывающих дислокаций Freestanding GaN подложки могут быть использованы для улучшения подвижности электронов, 9 тем самым улучшая производительность высокой частоты. После роста в AlN зародышевого слоя, толстый буфер GaN выращивают пространственное разделение примесей на границе раздела подроста из канала HEMT и улучшить электрическую изоляцию. В отличие от других III-V материалов, GaN , выращенных с помощью PAMBE обычно требует условий роста при соотношении III группы / V больше 1, т.е. богатых металлами условиях, 10,11 , с тем , чтобы достичь гладкой морфологией поверхности. В х Al 1- х N является альтернативный барьерный материал для III-нитридных HEMTs, и получила значительное внимание в последнее время, так как оно может быть выращено решетка согласована с GaN при х ≈ 0,18 и может генерировать более чем вдвое превышает заряда канала относительно AlGaN барьеров из – за его высокой спонтанной поляризации. В отличие от 12-15 AlGaN барьеры, Ga будет включать в себя преимущественно с In в InAlN слоях, 16 , таким образом , необходимо позаботиться , чтобы обеспечить поверхность свободна от избытка Ga после Ga-богатого роста слоя GaN буфера и до роста InAlN.
Контроль Ga на поверхности может быть достигнуто с помощью питающих поток Ga немного меньше потока, необходимого для образования Ga-капельным. Тем не менее, это окно роста мал, и недостаточный охват поверхности Ga вызывает морфологию поверхности деградировать в плато / позиционной морфологии в то время как избыточный поток Ga приводит к накоплению Ga и образованию макроскопического капельным. 17 Отражение высоких энергий электронов дифракции (ДБЭО) INTENS ности могут быть использованы для мониторинга накопления Ga и десорбцию. Покрытие поверхности Ga обозначено уменьшением интенсивности ДБЭО, и любой лага между закрытием Ga (и N *) жалюзи и начальное увеличение интенсивности ДБЭО указывает на накопление Ga, как показано на рисунке 3.
Рисунок 3: Мониторинг покрытия Ga с интенсивности сигнала ДБЭО интенсивности ДБЭО , измеренная от ДБЭО приобретенного при повороте с помощью сработавшей приобретения.. Недостаточный поток Ga обозначается немедленным увеличением интенсивности после закрытия дверцы (не показана). Насыщенный / идеальное покрытие Ga указывается задержка между закрытием затвора и резким ДБЭО осветления и избыточного покрытия Ga в рассматривалось и как задержки в начальной ДБЭО осветления, а также более постепенным увеличением интенсивности, что приводит к полному восстановлению интенсивности занимает больше времени, чем 60 сек.COM / файлы / ftp_upload / 54775 / 54775fig3large.jpg "целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Достижение высокого качества InAlN путем PAMBE осложняется наличием боковых колебаний состава, в результате чего "сотами" микроструктуры , состоящей из Al-богатых областей , окруженных В богатых границах. 18 Устранение этой микроструктуры достигается за счет использования температуры подложки около 50 ° C выше начала десорбции, 15,19,20 или приблизительно 630 ° C для N-полярных InAlN. В этом режиме роста при высоких температурах, то в х Al 1- х N композиция сильно зависит от температуры подложки, при более высоких температурах приводит к ниже инкорпорации. Поток В может быть увеличена, чтобы компенсировать в потерянной испарению, хотя на практике максимальный Флюсом ограничивается снижением эффективности инкорпорации первую очередь с увеличением потока. 21 В дополнение к снижению температуры подложки или увеличение в потоке, увеличивая скорость роста может также увеличить состав в связи с "В похоронив эффект", где входящие Al захватывать атомы В и не допустить его испарения. 21,22 Высшее темпы роста могут быть достигнуты за счет увеличения потока в Al и пропорционально. Для того, чтобы сохранить условия роста N-богатых, N * должны были бы быть увеличена , а также, что может быть достигнуто за счет увеличения мощности ВЧ плазмы, увеличивая скорость потока N 2, совершенствование конструкции плазменной камеры, или увеличение диафрагмы отверстие пластины плотность.
Дополнительные слои эпитаксиальных в HEMTs InAlN основе включают GaN и AlN прослоек (ILS) и канал GaN. AlN IL вставляется между барьером и каналом может увеличить подвижность ц, а также канал листа плотности заряда н с. Увеличение подвижности приписывается к уменьшению электронной волновой функции перекрытия с InAlN Ьarrier и последующего рассеяния сплава. 9 Для обеспечения высококачественного роста из AlN IL, избыток потока Ga подается во время роста , чтобы действовать в качестве поверхностно -активного вещества. GaN IL может быть использован между AlN IL и барьером для дальнейшего повышения мобильности при одновременном снижении заряда канала. Канал GaN может быть выращен при той же температуре, что и барьер InAlN, позволяя непрерывный рост от барьера хотя ИЛС и канала. Улучшение подвижности была получена путем прерывания роста после AlN IL и повышение температуры роста перед выращиванием канала GaN. В этом случае защитное покрытие поверхности Ga должна поддерживаться во время прерывания для предотвращения ухудшения подвижности.
Следующий протокол применяется специально для InAlN барьера HEMTs, выращенных на N-полярных GaN субстратов. Он может быть непосредственно продлен до роста на С-полярная 4Н- или 6H-SiC подложках, включая толщиной 50 нм N-богатый AlN слой.
Protocol
Representative Results
Discussion
Рост в GaN буферного слоя высокого качества имеет решающее значение для достижения высокой подвижности электронов в любом III-нитридного HEMT. В случае N-полярную InAlN HEMT, рост буферного слоя осложняется требованием, чтобы все Ga быть удалены от поверхности до роста InAlN. Есть различные методы д…
Declarações
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 |
Referências
- Hughes, W. C., et al. Molecular beam epitaxy growth and properties of GaN films on GaN/SiC substrates. J. Vac. Sci. Technol., B. 13 (4), 1571-1577 (1995).
- McSkimming, B. M., Wu, F., Huault, T., Chaix, C., Speck, J. S. Plasma assisted molecular beam epitaxy of GaN with growth rates 2.6 µm/hr. J. Cryst. Growth. 386, 168-174 (2014).
- Grandjean, N., Massies, J., Leroux, M. Nitridation of sapphire. Effect on the optical properties of GaN epitaxial overlayers. Appl. Phys. Lett. 69 (14), 2071-2073 (1996).
- Corrion, A. L., Wu, F., Speck, J. S. Growth regimes during homoepitaxial growth of GaN by ammonia molecular beam epitaxy. J. Appl. Phys. 112 (5), 054903 (2012).
- Mazumder, B., et al. Atom probe analysis of AlN interlayers in AlGaN/AlN/GaN heterostructures. Appl. Phys. Lett. 102 (11), 111603 (2013).
- Feezell, D. F., Speck, J. S., DenBaars, S. P., Nakamura, S. Semipolar (2021) InGaN/GaN Light-Emitting Diodes for High-Efficiency Solid State Lighting. J. Disp. Technol. 9 (4), (2013).
- Hardy, M. T., et al. True Green Semipolar InGaN-Based Laser Diodes Beyond Critical Thickness Limits Using Limited Area Epitaxy. J. Appl. Phys. 114 (18), 183101 (2013).
- Wong, M. H., et al. N-polar GaN epitaxy and high electron mobility transistors. Semicond. Sci. Technol. 28 (7), 074009 (2013).
- Hardy, M. T., et al. Charge control in N-polar InAlN high-electron-mobility transistors grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy. J. Vac. Sci. Technol., B. 33 (6), 061207 (2015).
- Piquette, E. C., Bridger, P. M., Beach, R. A., McGill, T. C. Effect of Buffer Layer and III/V Ratio on the Surface Morphology of GaN Grown by MBE. Symposium G ‘-‘ GaN and Related Alloys. , (1998).
- Tarsa, E. J., et al. Homoepitaxial growth of GaN under Ga-stable and N-stable conditions by plasma-assisted molecular beam epitaxy. J. Appl. Phys. 82 (11), 5472-5479 (1997).
- Kuzmik, J. Power electronics on InAlN/(In)GaN: Prospect for a record performance. IEEE Electron Device Lett. 22 (11), 510-512 (2001).
- Fernández-Garrido, S., Gačević, &. #. 3. 8. 1. ;., Calleja, E. A comprehensive diagram to grow InAlN alloys by plasma-assisted molecular beam epitaxy. Appl. Phys. Lett. 93 (19), 191907 (2008).
- Katzer, D. S., et al. Molecular beam epitaxy of InAlN∕GaN heterostructures for high electron mobility transistors. J. Vac. Sci. Technol., B. 23 (3), 1204-1208 (2005).
- Kaun, S. W., et al. GaN-based high-electron-mobility transistor structures with homogeneous lattice-matched InAlN barriers grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy. Semicond. Sci. Technol. 29 (4), 045011 (2014).
- Hoke, W. E., Torabi, A., Mosca, J. J., Kennedy, T. D. Thermodynamic analysis of cation incorporation during molecular beam epitaxy of nitride films using metal-rich growth conditions. J. Vac. Sci. Technol., B. 25 (3), 978-982 (2007).
- Koblmüller, G., Reurings, F., Tuomisto, F., Speck, J. S. Influence of Ga/N ratio on morphology, vacancies, and electrical transport in GaN grown by molecular beam epitaxy at high temperature. Appl. Phys. Lett. 97 (19), 191915 (2010).
- Zhou, L., Smith, D. J., McCartney, M. R., Katzer, D. S., Storm, D. F. Observation of vertical honeycomb structure in InAlN∕GaN heterostructures due to lateral phase separation. Appl. Phys. Lett. 90 (8), 081917 (2007).
- Ahmadi, E., et al. Elimination of columnar microstructure in N-face InAlN, lattice-matched to GaN, grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy in the N-rich regime. Appl. Phys. Lett. 104 (7), 072107 (2014).
- Hardy, M. T., et al. Morphological and microstructural stability of N-polar InAlN thin films grown on free-standing GaN substrates by molecular beam epitaxy. J. Vac. Sci. Technol., A. 34 (2), 021512 (2016).
- Hardy, M. T., et al. Indium incorporation dynamics in N-polar InAlN thin films grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy on freestanding GaN substrates. J. Cryst. Growth. 245, (2015).
- Leszczynski, M., et al. Indium incorporation into InGaN and InAlN layers grown by metalorganic vapor phase epitaxy. J. Cryst. Growth. 318 (1), 496-499 (2011).
- Storm, D. F., et al. Ultrathin-barrier AlN/GaN heterostructures grown by rf plasma-assisted molecular beam epitaxy on freestanding GaN substrates. J. Cryst. Growth. 380, 14-17 (2013).
- Storm, D. F., Katzer, D. S., Meyer, D. J., Binari, S. C. Oxygen incorporation in homoepitaxial N-polar GaN grown by radio frequency-plasma assisted molecular beam epitaxy: Mitigation and modeling. J. Appl. Phys. 112 (1), 013507 (2012).
- Storm, D. F., et al. Effect of interfacial oxygen on the microstructure of MBE-grown homoepitaxial N-polar. J. Cryst. Growth. 409, 14 (2014).
- Meyer, D. J., et al. High Electron Velocity Submicrometer AlN/GaN MOS-HEMTs on Freestanding GaN Substrates. IEEE Electron Device Lett. 34, 199 (2013).
- Moseley, M., Billingsley, D., Henderson, W., Trybus, E., Doolittle, W. A. Transient atomic behavior and surface kinetics of GaN. J. Appl. Phys. 106 (1), 014905 (2009).
- Koblmüller, G., et al. Ga Adlayer Governed Surface Defect Evolution of (0001)GaN Films Grown by Plasma-Assisted Molecular Beam Epitaxy. Jpn. J. Appl. Phys. 44 (28), L906-L908 (2005).
- Poblenz, C., Waltereit, P., Speck, J. S. Uniformity and control of surface morphology during growth of GaN by molecular beam epitaxy. J. Vac. Sci. Technol., B. 23 (4), 1379-1385 (2005).
