Hemts fra ALSCN-Barrier MOCVD

Forskere i Tyskland og Holland har brugt metalorganisk kemisk dampaflejring (MOCVD) til at skabe aluminiumsskandiumnitrid (ALSCN) -barrier højelektron-mobilitetstransistorer (HEMTS) [Christian Manz et al, Semicond. Sci. Technol., Vol36, P034003, 2021]. Holdet brugte også siliciumnitrid (SINX) cap -materiale som et alternativ til det mere sædvanlige galliumnitrid (GAN), som aldrig er blevet undersøgt før, ifølge holdets bedste viden.

Arbejdet med ALSCN bygger på tidligere rapporter om MOCVD-vækst fra teamet ved Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics (IAF), Inatech-Albert-Ludwigs Universität Freiburg og University of Freiburg i Tyskland og Eurofins Materials Science Netherlands og Eindhoven University of Teknologi i Holland sammen med Tysklands Fraunhofer Institute for Microstructure of Materials and Systems (IMWS) [www.semiconductor-today.com/news ortiv ].

Indførelsen af ​​skandium i barrieren øges spontan og piezoelektrisk (stammeafhængig) ladningspolarisering, hvilket muliggør op til 5x pladetæthedstætheden i GAN-to-dimensionel elektrongas (2DEG) -kanal, som HEMT'er er baseret på. Gan-kanals HEMT'er udvikles og implementeres til højeffekt, højspændings- og højfrekvente applikationer, lige fra elektrisk køretøj (EV) og håndtering af vedvarende energi til mikrobølgeovn trådløs kommunikationskraftoverførsel.

Selvom HEMT'er er blevet fremstillet før fra molekylær strålepitaxy (MBE) -vokset ALSCN-materiale, er MOCVD-processer mere anvendelige til masseproduktion. Et problem med at introducere skandium i MOCVD er, at damptrykket fra de potentielle forløbere er lavt. MOCVD blev udført ved lavt tryk (40-100 mbar) med brint anvendt som bærergas. Væksttemperaturen varierede fra 1000 grader til 1200 grader.

Nitrogenkilden var ammoniak (NH3). Gruppe-III-metaller, gallium og aluminium, kom fra trimethyl- (TM-) organiske stoffer. Scandium-forløberen var Tris-cyclopentadienyl-scandium (CP3SC). Silane (SIH4) leverede silicium til SINX -hætten.

Figur 1: MOCVD -skema for ALSCN -barriere -materiale.

Væksten af ​​ALSCN -barrierelaget anvendte forskellige kontinuerlige og pulserede metoder. Den pulserede metode bestod af at skifte metalforsyninger med 5S CP3SC og 2S TM-Al.

Eksperimenterne anvendte 100 mm safirunderlag og 4H siliciumcarbid (SIC) til nogle eksperimenter, især på transistorfabrikationsstadiet.

HEMT'erne bestod af titanium/aluminium ohmisk kildedrænekontakter med ionimplantat-enhedsisolering. Sinx -passiveringen aktiverede "lav strøm spredning og termisk stabilitet" ifølge forskerne. Porten var designet til at være lav kapacitans for at forbedre højhastighedsdrift.

Siliciumnitridet blev anvendt til at hætte ALSCN -barrierelaget for at undgå oxidation af AL indeholdende lag. I Algan -transistorer bruges en gan -cap ofte, men i tilfælde af, at sådanne hætter har vist sig at være vanskelige at vokse, hvilket resulterer i '3D -øer', hvilket har en negativ indflydelse på dens evne til at beskytte og passivere ALSCN. Det viste sig, at GaN-hætter på ALSCN havde rod-middel-kvadrat-ruhed på 1,5NM til materiale dyrket ved 1 0 00-grad, ifølge atomkraftmikroskopi (AFM) målinger sammenlignet med 0,2 nm for SINX.

Materialet, der blev anvendt til HEMT'er (figur 1) indeholdt ca. 14% SC i 9,5Nm ALSCN -barriere -lag. Sinx -hætten var 3,4 nm. Vækstemperaturen var 1100 grader, med ALSCN -afsætningen ved hjælp af kontinuerlig forsyning af forløberne. Substratet var 4H SIC. En sammenligning 5,6nm Aln Barrier -enhed med 3NM SINX -cap blev også dyrket og fremstillet.

Tabel 1: Sammenligning af elektrontransportegenskaber af ALSCN-Barrier og Aln-Barrier Hemts

HEMT med ALSCN -barriere opnåede ydelse (figur 2) sammenlignelig med enheden med ALN -barrieren (tabel 1). Forskerne påpeger, at ydelsen af ​​ALSCN HEMT er under teoretiske forventninger.

Figur 2: Overførselsegenskaber for ALSCN-Barrier HEMT med 0. 25μm portlængde. Tøm for forspænding 7v.

Holdet beskylder "tung interdiffusion af metalatomerne Al, GA og SC i bufferen og barrieren", som blev detekteret og karakteriseret ved hjælp af scanning af transmissionselektronmikroskopi (STEM), energidispersiv røntgenspektroskopi (EDX) og høj- Opløsning af røntgenstrålediffraktionsanalyse (HR-XRD). Barriererne var derfor henholdsvis algascn og algan. Målinger antyder, at diffusionen resulterede i en Algan -barriere med ca. 40% GA i gennemsnit.

"Den primære kilde til den nedre mobilitet i begge prøver er sandsynligvis den dårlige grænsefladekvalitet og atomernes interdiffusion, hvilket forårsager spredning af legering, hvilket vides at påvirke mobiliteten af ​​HEMT -heterostrukturer," skriver forskerne.

Alligevel ser teamet resultaterne som "meget lovende" for højeffekt og højfrekvente applikationer, hvilket tilføjer, at ALSCN HEMT er "allerede overlegen" til standard algan-hemts designet til RF-applikationer, der er fremstillet internt.

Original kilde: http://www.semiconductor-today.com/news{ /1} items/2021/feb/fraunhofer; }} varer/2021/feb/Fraunhofer -110221. Shtml