Oppnåelse av høy kvalitet Schottky kontakter er viktig for å oppnå effektiv gate moduleringshjul i heterostructure feltet effekt transistorer (HFETs). Vi presenterer fabrikasjon metoder og egenskaper Schottky dioder på Zn-polar BeMgZnO/ZnO heterostructures med høy tetthet to dimensjonale elektron gass (2DEG), vokst med plasma-assistert krystallets strålen epitaxy på GaN maler.
Heterostructure feltet effekt transistorer (HFETs) bruker en to-dimensjonale elektron gass (2DEG) kanal har et stort potensial for høy hastighet enhet søknader. Sink oksid (ZnO), en halvleder med bred bandgap (3,4 eV) og høy elektron metning hastighet har fått stor oppmerksomhet som en attraktiv materiale for høyhastighets enheter. Effektiv gate modulasjon, men krever høy kvalitet Schottky kontakter på barriere laget. I denne artikkelen vi presenterer vår Schottky diode fabrikasjon prosedyre på Zn-polar BeMgZnO/ZnO heterostructure med høy tetthet 2DEG som oppnås gjennom belastning modulering og innlemmelse av noen få prosent være i den MgZnO-baserte barrieren under vekst av molekylær strålen epitaxy (MBE). For å oppnå høy krystallinsk kvalitet, brukes nesten gitter-matchet høy-resistivitet GaN maler vokst med metall-organisk kjemiske damp avsetning (MOCVD) som underlaget for påfølgende MBE veksten av oksid lagene. For å få nødvendige Zn-polaritet, forsiktig overflatebehandling av GaN maler og kontroll over VI/II forholdet under veksten av lav temperatur ZnO nucleation lag er utnyttet. Ti/Au elektroder tjene som ohmsk kontakter og Ag elektroder avsatt på O2 plasma forbehandlet BeMgZnO overflaten brukes for Schottky kontakter.
Heterostructure feltet effekt transistorer (HFETs) basert på to dimensjonale elektron gass (2DEG) har en lovende potensial for programmene i høy hastighet elektroniske enheter1,2,3. Sink oksid (ZnO) som en bred bandgap (3,4 eV) halvleder med høy elektron metning hastighet har fått stor oppmerksomhet som en plattform for HFETs4,5. Konvensjonelt brukte barriere materiale MgZnO Ternær nødvendiggjøre en svært høy Mg-innhold (> 40%) vokst på lav substrat temperaturer (300 ° C eller lavere)6,7, og slik disse strukturene er tilbøyelig til å svekke under høy effekt operasjoner under termiske behandlinger, selv om uønskede kostnad tettheten i barrieren er lav nok for gate modulering. For å omgå dette problemet, har vi foreslått og vedtatt BeMgZnO barriere, der belastningen påloggingsprogrammet barrieren kan slås fra kompresjons å strekk via inkorporering av beryllium (Be), gjør den spontane og piezoelectricpolarizations til være additiv. Som et resultat, oppnås høy 2DEG konsentrasjon med relativt moderat Mg-innhold. Bruker denne tilnærmingen, høy 2DEG tettheter er observert i plasmon-LO phonon resonans (~ 7 × 1012 cm-2) i BeMgZnO/ZnO heterostructures mens Mg innholdet nedenfor er 30% og være innhold er bare 2 ~ 3%8.
Dens lignende krystall symmetri, UV og synlig lys åpenhet, er robust fysiske og kjemiske egenskaper og rimelig, c-plane sapphire viden ansatt for epitaxy GaN og ZnO. Takket være den bemerkelsesverdig fremgangen i vekst teknologi av GaN-baserte elektroniske og Optoelektronisk enheter på saphhire, kan høy kvalitet GaN maler lett produseres på safir underlag med AlN eller lav temperatur (LT) GaN buffer, til tross for dens store gitteret mellom 16% med safir9. Epitaxial vekst av ZnO, som har en enda større i flyet gitter mellom 18% med safir, er relativt godt forstått for O-polar variasjon, mens veksten av Zn-polar materiale i todimensjonale modus ikke er godt etablert. På grunn av moderat gitter misforholdet på 1,8% er epitaxy av ZnO på GaN et attraktivt alternativ.
Både MOCVD og MBE er de mest vellykkede semiconductor deponering teknikkene for fabrikasjon høykvalitets tynne filmer og heterostructures med høy reproduserbarhet. Hovedgrunnen til at MBE er mindre populært enn MOCVD for epitaxy av GaN er kostnad og utilstrekkelighet for masseproduksjon. Veksten i GaN av MOCVD kan være flere micrometers per time, og flere titalls 2 tommers (50 mm) diameter wafere eller de så stort som 6-8″ kan dyrkes i en kjøre9. Her, vedta vi også MOCVD for veksten av GaN i vår undersøkelse. For veksten av ZnO-baserte heterostructures, men realisert flere rapporter om dannelsen av 2DEG av MBE for tiden før kommersialisering av potensielle programmer10,11,12. Vi har nylig utviklet MBE veksten av høy kvalitet ZnO heterostructures med en nøyaktig kontroll av overflaten polaritet på Ga-polar GaN maler13. Det ble funnet at med Zn pre-eksponering behandling, ZnO lag så vokst utstilt Zn-polaritet når nucleated med lav VI/II prosenter (< 1.5), mens de nucleated med VI/II forhold over 1,5 utstilt O-polaritet. For å unngå parallelle ledningsforstyrrelser kanal gjennom GaN maler, vi adoptert karbon kompensert semi isolerende GaN MOCVD vokst under lavt trykk forhold på AlN buffer for påfølgende veksten av ZnO-baserte HFET strukturer.
Før våre arbeidet14, har det vært noen rapporter på etterforskning av Schottky dioder på BeMgZnO/ZnO heterostructures. Flere studier har rapportert på Schottky kontakter til MgZnO15,16, f.eks., med en ideality faktor av 2.37, en barriere høyde på 0.73 eV og korrigering forholdet bare 103 15. Ulike Schottky metaller er brukt for ZnO17, og blant dem, sølv (Ag) er allment vedtatt, på grunn av en relativt høy Schottky barriere høyde på 1.11 eV på bulk ZnO med en ideality faktor 1,08 18.
I dette arbeidet, har vi som mål å utvikle høy kvalitet Schottky dioder for applikasjoner i ZnO-baserte høyhastighets HFET enheter. Følgende protokollen gjelder spesielt fabrikasjon av Ag/BeMgZnO/ZnO Schottky dioder av e-beam fordampning av Ag på BeMgZnO/ZnO heterostructures vokst med plasma-assistert MBE på MOCVD avsatt GaN maler.
Inkorporering av BeO MgZnO til kvartær BeMgZnO gir muligheten for å justere omfanget og tegn på belastninger i Kvaternær og dermed øker 2DEG tetthet8. Representant resultatene viser at den være0,02Mg0.26ZnO/ZnO heterostructure resulterer i en 2DEG tetthet nær den ønskede plasmon-LO phonon resonans elektron tetthet (~ 7 × 1012 cm-2)24. Selv om elektron mobilitet av heterostructure er sterkt avhengig av parameterne MBE vekst som substrat temperatur og VI/II forholdet mellom både HT-ZnO og BeMgZnO barriere laget, 2DEG tetthet er svakt avhengig vekst betingelsene og i hovedsak bestemt av det være og Mg-innhold i barrieren.
GaN mal brukes for veksten av BeMgZnO/ZnO heterostructures med krystallinsk kvaliteten på grunn av manglende samsvar moderat gitteret på 1,8% mellom GaN og ZnO, sammenlignet med store gitteret mellom 18% mellom safir og ZnO. For å unngå noen ledende parallelle kanaler, er det avgjørende å ha høy motstand i MΩ/square området for malen GaN. I vårt tilfelle oppnås dette ved vokser til et lite kammer trykk 76 Torr å forbedre karbon erstatning. For å sikre kontrollen polaritet i BeMgZnO/ZnO heterostructures (Zn-polaritet), er forsiktig overflatebehandling av GaN malen uunnværlig. Noen oksidasjon eller forurensning introdusert under utarbeidelsen på GaN overflaten vil indusere Zn – og O-mix-polaritet i heterostructures selv determinant VI/II forholdet < 1.5 er oppfylt.
Noen kjemisk reaksjon mellom metall og halvleder, tilstedeværelse av overflaten forurensning, stater, defekter i overflaten, og spredningen av metall i halvleder er vanlige problemer innen fabrikasjon av Schottky kontakter. En rekke metoder er rapportert i litteraturen for å utarbeide overflaten av ZnO Schottky kontakt fabrikasjon. Blant dem er etsing i HCl (eller andre syrer), fysisk etsing med Ar+, UV-ozon rengjøring, behandling i H2O2, og O2 plasma (eller blanding med han)25,26,27, 28. etsing prosedyrene mål for fjerning av en overflate laget med tykkelse et alt fra et par nanometers til mikron og derfor kan ikke brukes for HFET enheter. UV-ozon rengjøring eller O2 plasma prosedyren fjerner bare overflatelag. Derfor er det godt egnet for forbehandling av våre BeMgZnO/ZnO heterostructures.
Schottky kontakter er vanligvis oppnås ved å sette inn en høy funksjon metall som Pd, Pt, Ir, etc. Derimot har Ag en lav funksjon av 4.26 eV. Likevel kan enheter bruker Ag elektrode vise rette opp problemet på grunn av dannelsen av et grensesnitt sølv oksid lag skyldes delvis oksidasjon av Ag med oksygen fra ZnO matrisen. Så dannet og laget er gjennomsiktig for elektroner og har høyere funksjon i forhold til Ag. Raju et al. har rapportert arbeid funksjoner rundt 5,5 eV siden vokst med pulsed laser avsetning (PLD), som er 1,3 eV høyere enn Ag, og karakteristisk for Pd, Pt og Ir29. Våre resultater viser at den Ag elektroden (med O2 plasma forbehandling på overflaten av ZnO heterostructure) er et lovende kontakt metall for dannelsen av Schottky dioder.
Vi har vist en metode for å fabrikere høykvalitets Schottky kontakter ZnO-baserte HFETs. MOCVD vokst GaN mal med forsiktig forbehandling like før MBE vekst og en lav VI/II < 1.5 under ZnO nucleation sikre Zn-polar retningen på ZnO-basert heterostructures med høy kvalitet. MOCVD er en brukte modne teknikk for epitaxy av GaN til forskjellige søknadene. MBE fremgangsmåten som er beskrevet i dette arbeidet angir combinability MOCVD og MBE teknikker og GaN og oksid halvledere til elektroniske enheter. Innlemmelse av en liten mengde være i BeMgZnO barriere lag resultatene i HFETs med høy 2DEG tetthet, høy elektron mobilitet og høy temperaturstabilitet, for forbedret høyhastighets ytelse.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av Air Force Office av vitenskapelig 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 |