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

Abstract

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 AlGaN/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 InAlN σε όλο το φάσμα χημικής σύστασης, από AlN έως InN, καθώς και η ανάπτυξη ετεροδομών ΗΕΜΤ InAlN/GaNΔιαπιστώθηκε 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 AlN. Διαπιστώθηκε ότι το στρώμα AlN 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 AlN πάνω σε GaN και βελτιστοποιήθηκαν οι ιδιότητες ετεροδομών ΗΕΜΤ AlN/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 InxAl1-xN, πάνω σε υποστρώματα GaN/Al2O3 και AlN/Al2O3, 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 InxAl1-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 InxAl1-xN σαν συνάρτηση της σύστασης του κράματος, με τεχνικές φασματοσκοπικής ελλειψομετρίας και οπτικής διαπερατότητας. Με βάση τα αποτελέσματα αυτά, αναπτύχθηκαν πάνω σε GaN/Al2O3, και μελετήθηκαν εκτενώς, βελτιωμένα λεπτά υμένια InxAl1-xN με ποσοστά InN (~18%) που αντιστοιχούν σε πλεγματική σταθερά a του InxAl1-xN κοντά σε αυτή του GaN.Κατόπιν, αναπτύχθηκαν ετεροδομές ΗΕΜΤ InAlN/GaN με μικρά ποσοστά InN (μέχρι ~20%) και πάχη InAlN 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 InxAl1-xN, που αναπτύσσονται με ΜΒΕ με χαμηλά ποσοστά InN, αλλά και σε πλευρική ανομοιογένεια της σύστασης των κραμάτων InAlN. Από τις ετεροδομές InAlN/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 InAlN/GaN (χαμηλή θερμοκρασία ανάπτυξης, δυσκολία ενσωμάτωσης ινδίου στο κράμα InxAl1-xN, ανομοιογένειες σύστασης του κράματος) επιλέχθηκε η ανάπτυξη ετεροδομών AlN/GaN με πολύ μικρά πάχη AlN, 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 InxAl1-xN από το AlN, αναμένονταν να αποδίδει τα μέγιστα όσον αφορά τη συγκέντρωση του 2DEG, εφόσον θα ήταν δυνατός ο σχηματισμός της ετεροεπαφής ΗΕΜΤ AlN/GaN χωρίς εισαγωγή κρυσταλλικών ατελειών. Μελετήθηκε η χαλάρωση της ελαστικής παραμόρφωσης του στρώματος AlN πάνω σε GaN, συναρτήσει του αυξανόμενου πάχους του και παρατηρήθηκε η υποβάθμιση των ηλεκτρικών ιδιοτήτων της ετεροδομής ΗΕΜΤ λόγω της δημιουργίας μικρορωγμών για πάχη AlN 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 AlN. 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 AlN και προστασία της από οξείδωση. Η κάλυψη της επιφάνειας AlN με 2 nm Al έδωσε Rs= 129 Ω/sq, Ns=6.1x1013 cm-2 και μ= 793 cm2/Vs. Αυτή η τιμή Ns είναι η μέγιστη τιμή που έχει επιτευχθεί σε ημιαγωγικά σε συστήματα 2DEG. Οι δυνατότητες των δομών HEMT AlN/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.