Επιταξιακή ανάπτυξη με μοριακές δέσμες ετεροδομών (In) AIN/GAN για τρανζίστορ υψηλής ευκινησίας

 
Το τεκμήριο παρέχεται από τον φορέα :
Πανεπιστήμιο Κρήτης
Αποθετήριο :
E-Locus Ιδρυματικό Καταθετήριο
δείτε την πρωτότυπη σελίδα τεκμηρίου
στον ιστότοπο του αποθετηρίου του φορέα για περισσότερες πληροφορίες και για να δείτε όλα τα ψηφιακά αρχεία του τεκμηρίου*
κοινοποιήστε το τεκμήριο




2009 (EL)
Molecular beam epitaxy of (In) AIN/GaN heterostructures for high electron mobility transistors
Επιταξιακή ανάπτυξη με μοριακές δέσμες ετεροδομών (In) AIN/GAN για τρανζίστορ υψηλής ευκινησίας

Αδικημενάκης, Αδάμ

Γεωργακίλας, Αλέξανδρος

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η επιταξιακή ανάπτυξη και οι ιδιότητες προηγμένων ετεροδομών των ημιαγωγών III-Νιτριδίων για εφαρμογές σε τρανζίστορ υψηλής ευκινησίας (ΗΕΜΤ) με αυξημένες δυνατότητες ισχύος, σε σχέση με τις συμβατικές ετεροδομές A1GaN/GaN. Τα πειράματα της επιταξιακής ανάπτυξης πραγματοποιήθηκαν με την τεχνική της επίταξης με μοριακές δέσμες, με πηγή RF πλάσματος αζώτου (RF-ΜΒΕ). Αρχικά, αντιμετωπίσθηκαν βασικά θέματα RF-MBE, βελτιστοποιήθηκε η επιταξιακή ανάπτυξη GaN (0001) και διερευνήθηκε η ετεροεπίταξη πάνω σε Si (111). Στη συνέχεια, μελετήθηκε η ανάπτυξη και οι ιδιότητες κραμάτων InA1N σε όλο το φάσμα χημικής σύστασης, από A1N έως InN, καθώς και η ανάπτυξη ετεροδομών ΗΕΜΤ InA1N/GaN. Διαπιστώθηκε ότι η επιλογή κατάλληλης θερμοκρασίας υποστρώματος και λόγου ροών Ga/N μεγαλύτερου της μονάδας, καθιστά δυνατή την επιταξιακή ανάπτυξη GaN (0001) με πολύ ομαλές επιφάνειες, χαρακτηριζόμενες από βαθμίδες μονομοριακού (1ML) ύψους, χωρίς να σχηματίζονται «σταγονίδια» μεταλλικού Ga πάνω στην επιφάνεια. Κατανοήθηκε η εξάρτηση της παραγόμενης ροής διεγερμένων μορίων και ατομικού αζώτου από τις συνθήκες λειτουργίας της πηγής πλάσματος (ισχύς RF και ροή αερίου N2) και παρατηρήθηκε ότι ο ρυθμός επιταξιακής ανάπτυξης GaN συσχετίζεται με την ροή διεγερμένων μορίων αζώτου. Η διερεύνηση της ετεροεπιταξιακής ανάπτυξης GaN (0001) πάνω σε υποστρώματα Si (111) εστιάσθηκε στη μελέτη του μηχανισμού μείωσης της εκτατικής ελαστικής τάσης στο υμένιο GaN, μέσω της παρεμβολής ενός λεπτού στρώματος A1N. Διαπιστώθηκε ότι το στρώμα A1N υφίσταται χαλάρωση μόνο σε τοπικές περιοχές όπου καταλήγουν διεισδύουσες εξαρμώσεις από το στρώμα GaN, ενώ είναι ελαστικά παραμορφωμένο στην υπόλοιπη έκταση του. Τέλος, μελετήθηκε η επιταξιακή ανάπτυξη A1N πάνω σε GaN και βελτιστοποιήθηκαν οι ιδιότητες ετεροδομών ΗΕΜΤ A1N/GaN. Ο έλεγχος του δυναμικού της ημιαγωγικής επιφάνειας επέτρεψε την επίτευξη διδιάστατου ηλεκτρονικού αερίου (2DEG) έως 6.1x1013 cm-2, που αποτελεί τη μέγιστη τιμή για οποιοδήποτε σύστημα ημιαγωγών. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η ανάπτυξη λεπτών υμενίων του ημιαγωγού InxA11-xN, πάνω σε υποστρώματα GaN/A12O3 και A1N/A13O2, σε όλο το φάσμα της σύστασης (0< x< 1) και αναλύθηκε ο ρόλος των παραμέτρων της επίταξης (θερμοκρασία ανάπτυξης, ροές των επιμέρους στοιχείων ποσότητα πλεονάζουσας ροής αζώτου στην ενσωμάτωση ατόμων ινδίου στο πλέγμα. Κατόπιν, αναπτύχθηκαν λεπτά υμένια InxA11-xN με διαφορετική σύσταση και οι μορφολογικές, οπτικές, ηλεκτρικές και δομικές τους ιδιότητες μελετήθηκαν σαν συνάρτηση του ποσοστού x του InN στο κράμα, με διάφορες πειραματικές τεχνικές, που περιλαμβάνουν μελέτη της επιφάνειας με οπτική, ηλεκτρονική μικροσκοπία και AFM, μελέτη των δομικών χαρακτηριστικών με περίθλαση ακτίνων-Χ (XRD) και μελέτη των ηλεκτρικών ιδιοτήτων με μετρήσεις I-V, C-V και φαινομένου Hall. Προσδιορίστηκε, επίσης, το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού In2A11-xN σαν συνάρτηση της σύστασης του κράματος, με τεχνικές φασματοσκοπικής ελλειψομετρίας και οπτικής διαπερατότητας. Με βάση τα αποτελέσματα αυτά, αναπτύχθηκαν πάνω σε GaN/A12O3, και μελετήθηκαν εκτενώς, βελτιωμένα λεπτά υμένια InxA11-xN με ποσοστά InN (~18%) που αντιστοιχούν σε πλεγματική σταθερά a του InxA11-xN κοντά σε αυτή του GaN. Κατόπιν, αναπτύχθηκαν ετεροδομές ΗΕΜΤ InA1N/GaN με μικρά ποσοστά InN (μέχρι ~20%) και πάχη InA1N μέχρι 15 nm, για μελέτη της δημιουργίας δισδιάστατου ηλεκτρονικού αερίου (2DEG). Η συγκέντρωση και ευκινησία ηλεκτρονίων του 2DEG μελετήθηκαν με μετρήσεις φαινομένου Hall και C-V και επετεύχθησαν αρκετά καλά αποτελέσματα, αλλά τιμές μικρότερες των αναμενόμενων, γεγονός που αποδίδεται σε ηλεκτρικές ατέλειες των στρωμάτων InxA11-xN, που αναπτύσσονται με ΜΒΕ με χαμηλά ποσοστά InN, αλλά και σε πλευρική ανομοιογένεια της σύστασης των κραμάτων InA1N. Από τις ετεροδομές InA1N/GaN κατασκευάστηκαν τρανζίστορ τύπου ΗΕΜΤ με πύλες μήκους 1 μm και πλάτους 50 μm και μελετήθηκαν τα ηλεκτρικά τους χαρακτηριστικά, δίνοντας πυκνότητες ρεύματος έως ~700 mA/mm. Για να παρακαμφθούν οι δυσκολίες της επίταξης των ετεροδομών ΗΕΜΤ InA1N/GaN (χαμηλή θερμοκρασία ανάπτυξης, δυσκολία ενσωμάτωσης ινδίου στο κράμα InxA11-xN, ανομοιογένειες σύστασης του κράματος) επιλέχθηκε η ανάπτυξη ετεροδομών A1N/GaN με πολύ μικρά πάχη A1N, ως μια ακραία περίπτωση της παραπάνω ετεροδομής. Η μεγιστοποίηση της διαφοράς των πολώσεων μεταξύ των δύο λεπτών υμενίων της ετεροδομής, που επιτυγχάνεται με την αντικατάσταση του InxA11-xN από το A1N, αναμένονταν να αποδίδει τα μέγιστα όσον αφορά τη συγκέντρωση του 2DEG, εφόσον θα ήταν δυνατός ο σχηματισμός της ετεροεπαφής ΗΕΜΤ A1N/GaN χωρίς εισαγωγή κρυσταλλικών ατελειών. Μελετήθηκε η χαλάρωση της ελαστικής παραμόρφωσης του στρώματος A1N πάνω σε GaN, συναρτήσει του αυξανόμενου πάχους του και παρατηρήθηκε η υποβάθμιση των ηλεκτρικών ιδιοτήτων της ετεροδομής ΗΕΜΤ λόγω της δημιουργίας μικρορωγμών για πάχη A1N μεγαλύτερα από το κρίσιμο πάχος, που προσδιορίστηκε στα 5 nm. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκαν ετεροδομές ΗΕΜΤ με αντιστάσεις φύλλου έως 129 Ω/sq και κατασκευάστηκαν τρανζίστορ, με μήκος πύλης 1 μm, που έδωσαν τιμές ρεύματος πηγής-απαγωγού έως περίπου 1.8 Α/mm. Με βάση το αποτέλεσμα αυτό, η ερευνητική προσπάθεια εστιάσθηκε στην βελτιστοποίηση ετεροδομών HEMT βασισμένων σε 4.5 nm A1N. Διαπιστώθηκε ότι η πυκνότητα ηλεκτρονίων (Ns) του 2DEG εξαρτάται από τη θέση της στάθμης Femi στην επιφάνεια που μπορεί να μην είναι καθηλωμένη από καταστάσεις επιφανείας. Αυτό επιτυγχάνεται με κατάλληλη επικάλυψη της επιφάνειας A1N και προστασία της από οξείδωση. Η κάλυψη της επιφάνειας A1N με 2 nm A1 έδωσε Rs= 129 Ω/sq, Ns=6.1x1013 cm-2 και μ= 793 cm2/Vs. Αυτή η τιμή Nsείναι η μέγιστη τιμή που έχει επιτευχθεί σε ημιαγωγικά σε συστήματα 2DEG. Οι δυνατότητες των δομών HEMT A1N/GaN επιβεβαιώθηκαν και με την κατασκευή τρανζίστορ, με πύλες μήκους 1μm και πλάτους 50μm, που επέδειξαν τιμές ρεύματος έως 1.8 Α/mm και διαγωγιμότητα 400 mS/mm. Συμπερασματικά μπορούμε να πούμε ότι η διδακτορική διατριβή οδήγησε στη φυσική κατανόηση της επιταξιακής ανάπτυξης και των ιδιοτήτων προηγμένων ετεροδομών των ημιαγωγών ΙΙΙ- νιτριδίων για σχηματισμό δισδιάστατου ηλεκτρονικού αερίου (2DEG), ιδιαίτερα υψηλής συγκέντρωσης και ευκινησίας Το υλικό αυτό είναι κατάλληλο για ανάπτυξη τρανζίστορ ΗΕΜΤ για μικροκυματικές εφαρμογές με πολύ μεγάλες πυκνότητες ισχύος που ξεπερνούν κατά πολύ τα «συμβατικά» τρανζίστορ τεχνολογίας GaAs και GaN. (EL)
In the present PhD thesis the epitaxial growth and the properties of advanced III-Nitride heterostructures for High Electron Mobility Transistors (HEMT), with higher output power compared to “conventional” AlGaN/GaN heterostructures, was studied. The epitaxial growth experiments were carried out using the molecular beam epitaxy technique, using an RF plasma source for nitrogen. Initially, the epitaxial growth of GaN (0001) on Si(111) substrates was investigated. Then, the growth and properties of InAlN alloys, spanning the entire composition range, from AlN to InN, as well as the growth of InAlN/GaN HEMTs was investigated. It was found that the proper choice of growth temperature and III/V flux ratio, greater than unity, makes possible the growth of GaN(0001) with atomically smooth surfaces without metallic Ga droplets. The dependence of the excited molecular and atomic nitrogen as a function of the RF plasma source operating conditions was specified and it was found that the GaN growth rate is directly connected to the flux of excited molecular nitrogen. The investigation of the heteroepitaxial growth of GaN(0001) on Si(111) substrates was focused on the study of the mechanism for the reduction of the tensile stress in the GaN thin film, by introduction of a thin AlN interlayer. It was found that the AlN interlayer was relaxed only in local areas where threading dislocations from the GaN layer end up, while it is elastically strained in all other areas. Finally, the epitaxial growth of AlN on GaN was studied and AlN/GaN HEMT heterostructures were optimized. Control of the surface potential permitted to obtain a two dimensional electron gas (2DEG) up to 6.1x1013 cm-2, which is the highest value for all known semiconductors up to date. Then, the epitaxial growth of thin InxA11-xN films on GaN/A12O3 and A1N/A13O2 spanning the entire composition range was studied. The role of the growth parameters (growth temperature, constituent metal fluxes, excess nitrogen flux) in the indium incorporation in InAlN was analyzed and thin InAlN films with different alloy compositions were obtained. The morphological, optical, electrical and structural properties as a function of the In composition were determined by SEM, AFM, HR-XRD, I-V, C-V and Hall effect measurements. The energy bandgap as a function of the alloy composition was, also, determined, by spectroscopic ellipsometry measurements. InAlN alloys with In content near 18% were extensively studied due to the fact that they were lattice matched to GaN (same a-lattice constant). InAlN/GaN HEMT heterostructures were grown, with In content around 18% and InAlN layer thicknesses up to 15 nm, in order to study the 2DEG formation. Hall effect and C-V measurements revealed good results, but smaller than expected , due to electrical defects in the InAlN layers, grown at relatively low temperatures and, also, due to lateral inhomogeneity of the alloys. HEMT transistors with gate length of 1 μm were fabricated with photolithography and current densities up to ~700 mA/mm were obtained. In order to overcome the difficulties of InAlN growth on GaN the AlN/GaN heterostructure was chosen, using very thin AlN layers. The maximization of the polarization difference between the two materials was expected to uplift the 2DEG concentration to a maximum, as long as the formation of the AlN/GaN heterostructure could avoid the insertion of crystal defects. The relaxation of the elastic stress of AlN on GaN was studied as a function of the AlN layer thickness and the degradation of the electrical characteristics of HEMTs was observed due to the formation of microcracks, when the critical AlN layer thickness was exceeded. A critical AlN layer thickness of 5 nm was determined. AlN/GaN HEMT heterostructures with sheet resistance of 129 Ω/sq were grown and transistors with gate length of 1 μm were fabricated with photolithography. A maximum drain current density of 1.8 A/mm was achieved, with a transconductance as high as 400 mS/mm. Based on these results the research focused on the optimization of the AlN/GaN HEMTs, based on the 4.5 nm AlN optimal thickness. It was found that the 2DEG density is dependent on the Fermi level of the surface, which may not be pinned due to surface states. This can be achieved by proper coverage of the surface and prevention of possible AlN oxidation. Surface coverage with 2 nm Al resulted to Rs= 129 Ω/sq, Ns=6.1x1013 cm-2 and μ= 793 cm2/Vs. This Ns value is the highest ever reported in the semiconductor systems for a 2DEG. In conclusion, the present PhD thesis has lead to the physical understanding of the epitaxial growth and properties of advanced III-Nitride heterostructures for the formation of a two dimensional electron gas (2DEG), with very high values of electron concentration and carrier mobility. This material is suitable for the fabrication of HEMT transistors for microwave applications with power densities that greatly surpass those of the “conventional” GaAs and GaN transistors. (EN)

Τύπος Εργασίας--Διδακτορικές διατριβές
text

HEMT
Ετερόδομες
Επίταξη με μοριακές δέσμες

Πανεπιστήμιο Κρήτης (EL)
University of Crete (EN)

Ελληνική γλώσσα

2009-02-02


Σχολή/Τμήμα--Σχολή Θετικών και Τεχνολογικών Επιστημών--Τμήμα Φυσικής--Διδακτορικές διατριβές



*Η εύρυθμη και αδιάλειπτη λειτουργία των διαδικτυακών διευθύνσεων των συλλογών (ψηφιακό αρχείο, καρτέλα τεκμηρίου στο αποθετήριο) είναι αποκλειστική ευθύνη των αντίστοιχων Φορέων περιεχομένου.