Диссертация (1144206), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Первый полевойтранзистор на основе гетероструктуры AlGaN/GaN был получен Khan с18соавторами [13] и демонстрировал многообещающие характеристики придлине затвора 4 µm, а расстоянии между стоком и истоком равном 10 µm.При данной конфигурации была получена крутизна 28 mS/mm принапряжении на затворе +0.5V и полном закрытии транзистора принапряжении на затворе равном -6 V. Также ранее был продемонстрированполевой транзистор с высокой подвижностью электронов в канале (HEMT)на основе гетероструктуры AlGaN/GaN, выращенный на сапфировойподложке и работающий на частотах свыше 70 GHz [25] и схожийтранзистор, выращенный на SiC подложке, вырабатывающий мощность до6.8 W/mm [26]. Особенности технологии AlGaN/GaN полевого транзистора cвысокой подвижностью электронов в канале (HEMT) будет рассмотренадалее в данном обзоре.Улучшение характеристик приборов на основе III-нитридов напрямую связано с пост-ростовыми технологическими процессами.
Вчастности, формирование лазерных зеркал (граней) для GaN лазерныхдиодов (LD) [27, 28], меза-структур в фотоприемниках и транзисторах [29,30], а также при формировании рецесса под затворную область в полевыхтранзисторах [31] требуют применения методов плазменного травления.Ширины запрещенных зон и энергии связи III-нитридов выше привычныхIII-V материалов: энергии связи III-N составляют 7.7 eV/atom для InN,8.9 eV/atom для GaN и 11.5 eV/atom для AlN и превышают энергию связи в6.5 eV/atom, характерной для GaAs. Большая энергия связи и шириназапрещенной зоны III-N материалов делает их химически инертными иустойчивыми к кислотам и щелочам при комнатных температурах [32].2.2Кристаллическая структура III-нитридовНитриды третьей группы, как правило, выращиваются методоммолекулярно-пучковойэпитаксии(MBE)илиметаллорганическогоосаждения из газовой фазы (MOCVD) и кристаллизуются в три возможных19вида кристаллических структур: вюрцита, цинковой обманки и каменнойсоли [33].
Однако, при нормальных условиях структура вюрцита являетсятермодинамическистабильнойфазой[34],состоящейиздвухвзаимопроникающих гексагональных плотноупакованных решеток, которые,в идеальном случае, сдвинуты друг относительно друга на 3/8·c0 [35], где c0 –высота грани шестиугольной элементарной ячейки решетки (рис. 1).Кристаллическая решетка GaN не имеет центра инверсии. Поэтому вкристаллах существует тензор третьего ранга и, следовательно, имеет местопьезоэффект [36, 37]. В связи с этим, деформация эпитаксиальных пленокGaN, выращенных на подложках, отличающихся от GaN по параметрурешетки, приводит к появлению пьезоэлектрической поляризации.Рисунок 1: Конфигурация атомов в решетке Ga-полярного кристалла GaN [38]На рис. 1 показаны три параметра, которые определяют решеткувюрцита.
Это длина грани шестиугольного основания(a0), высотагексагональной элементарной ячейки (c0) и отношение длин катионанионных связей (u0), измеряемое в единицах c0. Индекс “0” указывает на то,что эти значения соответствуют равновесной решетке. В идеальномкристалле вюрцита соотношение c0/a0 равняется (8/3)0.5=1.633, величинаu0=0.375 [35].
Как показано в таблице ниже, из-за различий в металлических20катионах и длинах связей атомов в решетках для AlN, GaN и InNсоотношения c0/a0 различаются.параметридеальныйAlNGaNInNслучайa0 (Å)-3.1123.1893.54c0 (Å)-4.9825.1855.705c0/a0 (exp)-1.60101.62591.6116c0/a0 (calc)1.6331.61901.63361.6270u00.3750.3800.3760.377Таблица 1: Параметры решетки для III-нитридов типа вюрцита при комнатнойтемпературе [37]Из таблицы 1 ясно, что GaN наиболее близок к идеальной структуревюрцита. Этот факт очень важен, так как степень не-идеальности являетсяключевым фактором, определяющим величину поляризации в III-нитридах.2.3Спонтанная поляризация в III-нитридахВ идеальной структуре вюрцита связи между атомами имеютодинаковую длину, и векторная сумма всех дипольных моментов равняетсянулю.
Но в III-нитридах возникает спонтанная поляризация. Она возникаетиз-за искажения симметрии структуры вюрцита, а также в связи с разницей вэлектроотрицательности атомов Ga и N. Все это приводит к различной длинесвязи металл-N в направлении [0001], по сравнению с тремя другими связямиметалл-N. Химические связи в III-нитридах, таких как, GaN в основномявляютсяковалентными,т.е.каждыйатомврешеткеобразуеттетраэдрическую связь под углом 109.47° с четырьмя атомами другого типа[31].
Вследствие большой разницы в электроотрицательности атомов Ga и Nравной 1.23 по шкале Полинга [40] и искажения углов химических связей врешетке векторная сумма дипольных моментов связей оказывается не равной21нулю, а результирующий дипольный момент (спонтанная поляризация)оказывается направленным вдоль направления [0001] [41, 37]. Даже приотсутствии механической деформации (напряжения) из-за рассогласованияпараметров решеток подложки и эпитаксиального III-N слоя кристаллическаяструктура вюрцита обладает спонтанной поляризацией [42].Полная поляризация (Ptotal) есть векторная сумма спонтанной (Psp) ипьезоэлектрической поляризации (Ppz) [43]:(2.1)В полярных гетероструктурах AlGaN/GaN эпитаксиальный слойAlGaN растет псевдоаморфным образом на буферном слое GaN.
При этом изза меньшей постоянной решетки в AlGaN возникает деформация растяжения,котораяприводиткобразованиюпьезополяризациизасчетпьезоэлектрического эффекта (рис. 2).Рисунок 2: Гетероструктура AlGaN/GaN. Суммарная поляризация, вызванная деформациейрастяжения, направлена в сторону подложкиСпонтанная поляризация в отличие от пьезополяризации не зависит отмеханическойдеформацииструктуры.В полярныхгетероструктурахспонтанная и пьезополяризация направлены в сторону подложки.На интерфейсе AlGaN/GaN за счет спонтанной поляризации ипьезоэффекта формируется встроенный канал, обогащенный электронами.Транспорттакихэлектроновпараллельноплоскостигетероперехода22используется в полевых транзисторах на основе III-нитридов (электронныйканал).
В следующем разделе более детально будет рассмотрен принципформирования канала полевого транзистора на основе гетеропереходаAlGaN/GaN.2.4Полярность структур III-нитридовНа рисунке 3 ниже показана структура кристалла GaN, выращенноговдоль направления [0001].
Такую структуру часто называют полярной илиGa-face [44–46]. N-face (неполярную), выращенную вдоль плоскости (000 )структуру кристалла GaN можно представить, как повернутую на 180°полярную структуру.Рисунок 3: Кристаллическая Структура GaN(большие круги – атомы Ga, малые – атомы N): слева - полярная Ga-face;справа - неполярная N-face [43]Необходимо добавить, что вектор полной поляризации в полярных(Ga-face) эпитаксиальных слоях GaN направлен в сторону подложки, а вслучае неполярных (N-face) слоев в противоположном направлении [44].Поверхности Ga-face и N-face отличаются своей морфологией и химической23активностью [45, 46]. Неполярные GaN структуры активно окисляются итравятся химически, например, в растворах KOH и NaOH [47, 32, 24].
Приэтом морфология поверхности после травления в щелочи неполярной GaNструктуры сильно развита и богата гексагональными дефектами [32, 33].Следует различать полярность структуры кристалла GaN, котораясвязана с объемными свойствами кристалла, и поверхностный состав(поверхностнаяполярность)верхнегослояструктуры,формируемойадатомами (адсорбированными атомами) на поверхности (surface termination)[47].
Существует масса методов для определения полярности структур GaN,которые подробно описаны в обзоре [44]. При этом, стоит отметить, что дляопределения поверхностного состава и стехиометрии, а также наличияадатомов используются чувствительные к поверхностному составу методыанализа (Оже спектроскопия, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия)[48].2.5Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS)Рентгеновскаяфотоэлектроннаяспектроскопия(XPS)являетсясовременным методом изучения поверхностного химического состава иэлектронной структуры твердых тел. XPS методы позволяет определитьхимический состав исследуемой поверхности, типы химических связейэлементов на поверхности эпитаксиальной структуры.Метод основан на принципах внешнего фотоэффекта.
При облучениитвердого тела монохроматическим рентгеновским пучком с энергией фотонас энергией порядка 1-2 keV, достаточной для преодоления электрономработы выхода с поверхности твердого тела Фs, часть электронов покидаюттвердое тело, выходят в вакуум, где происходит их регистрация.Связанный, локализованный электрон, находящийся в твердом теле сэнергией связи Eb (отсчитываемой от уровня Ферми), выходит в вакуум скинетической энергией Ekin, отсчитываемой от уровня вакуума. Очевидно,24что при отсутствии рассеяния сохраняется полная энергия и можно записать(см. рис. 5):(3.1)где Φs – работа выхода, ħω – энергия кванта.Из выражения (3.1) вытекает важный вывод о том, что без учетаэффектовнеупругогоэнергетическоерассеянияраспределениеэлектроновифотоэлектроновдругихпоправок,напрямуюотражаетэлектронную структуру валентной зоны и остовных уровней твердого тела[171].Число электронов, которые могут без неупругого рассеяния пройтичерез толщу слоя d и выйти в вакуум, в первом приближенииэкспоненциально зависит от глубины:,(3.2)где λ - длина свободного пробега.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
