PCOR-SIMS Analyse de GaN HEMT couches épitaxiales développées sur des substrats de silicium

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Transistors à effet de champ (HFET) à hétérostructure AlGaN / GaN ont fait l’objet de recherches intensives et entrent en production pour une utilisation dans le fonctionnement haute tension et haute puissance à hyperfréquences. Par rapport à des appareils similaires fabriqués à partir de matériaux à base de GaAs, GaN a une plus grande vitesse de pointe des électrons, une plus grande stabilité thermique et une bande interdite plus large, qui conviennent tous très bien comme matériau de canal dans les dispositifs hyperfréquences La capacité de formation de gaz électroniques bidimensionnels (2DEG) avec des concentrations de 10 de porteurs en feuilles contribue également aux performances des HFET à base d’AlGaN / GaN13/cm2. Ces dispositifs sont plus communément appelés transistors à haute mobilité électronique (HEMT).

Cependant, le substrat sur lequel les couches de 2DEG sont développées est un sujet de préoccupation. La croissance sur un substrat de GaN serait idéale en raison de la correspondance exacte du réseau entre celui-ci et les couches en cours de croissance. Cela signifierait que toute couche tampon en GaN développée pour isoler le 2DEG du substrat n'aurait pas besoin d'être très épaisse pour éviter les défauts dans la région active du dispositif. Malheureusement, les substrats en GaN ne peuvent pas, à l'heure actuelle, être cultivés dans des tailles suffisamment grandes pour les rendre rentables du point de vue des coûts. Par conséquent, des substrats alternatifs doivent être utilisés. Le SiC monocristallin est utilisé en raison de ses propriétés de conductivité électrique et thermique, mais surtout parce qu'il est très étroitement adapté au réseau de GaN (3%). Cependant, cela aussi est assez coûteux. Les substrats en saphir sont moins onéreux mais ont une conductivité thermique plus faible (un inconvénient pour les appareils à haute puissance) et présentent un déséquilibre de réseau encore plus élevé avec GaN (13%). Par conséquent, le silicium attire maintenant beaucoup d’attention en tant que substrat potentiel en raison de sa vaste base d’outils et de processus de fabrication établis. Cependant, Si est très fortement incompatible avec le GaN, ce qui favorise la croissance de nombreux défauts dans le GaN développé sur celui-ci. Cela nécessite la croissance de couches tampons épaisses d'AlGaN entre le substrat de Si et les couches formant 2DEG afin de réduire la densité de défauts dans cette région du dispositif. Un exemple de ceci est montré sur les figures 1 et 2.

Figure 1 Center et comparaison des contours d’un epi HEMT mesuré par PCOR-SIMSSM.

Figure 1 Comparaison centre et bord d'un epi HEMT mesuré par PCOR-SIMSSM.

La figure 1 montre un SIMS corrigé point par point (PCOR-SIMSSM) profil de profondeur d'une structure GaN HEMT complète développée sur une tranche de Si de diamètre 150mm. (La région 2DEG de la structure est presque imperceptible à la surface, mais nous y reviendrons plus tard.) Dans cet exemple, la couche tampon commence par une couche d'AlN. Ce matériau n’est pas bien adapté au silicium du dessous mais il constitue une couche isolante permettant d’isoler les couches situées au-dessus du substrat. L'AlN agit également comme une couche de départ sur laquelle croître des couches successives d'AlGaN avec des niveaux d'Al inférieurs successivement. La teneur en Al décroissante abaisse la densité de défauts à des niveaux acceptables au moment de la croissance de la couche barrière en GaN, comme indiqué en bas à gauche. TEM micrographie de l'échantillon de la figure 2. Notez que le PCOR-SIMSSM L'analyse mesure les différentes fractions atomiques d'Al et Ga et les épaisseurs de couche avec précision.

La figure 1 montre également que la moitié inférieure de la couche barrière en GaN est dopée au carbone. Ce dopage au carbone compense le dopage non intentionnel de type n par des impuretés (principalement Si et O comme le montre la figure) dans le tampon AlGaN et augmente la force du champ de claquage. Cependant, la figure montre que le dopage au carbone dans la partie GaN du tampon au bord de la tranche est un facteur dix plus élevé que dans le centre. Cela aura des conséquences considérables sur les propriétés de réduction du champ électrique de la couche barrière à différents endroits de la tranche 150mm. Cependant, on peut voir que la teneur en carbone, ainsi que les épaisseurs de couche, des couches tampons sont plus similaires entre le centre et le bord de la tranche. Le niveau de carbone (ainsi que les niveaux de Si et d'O) dans la couche barrière est important car des niveaux trop élevés entraîneront des fuites dans les dispositifs.

Aux environs du 2DEG, il a été signalé que le dopage au carbone favorisait les courants de fuite verticaux, entraînait une dégradation de la densité et de la mobilité des porteurs des électrons du canal 2DEG, ainsi qu'une augmentation de la résistance dynamique et de l'effondrement du courant, autant de facteurs néfastes pour la performance et la fiabilité de l'appareil. Malgré le caractère néfaste du dopage au carbone sur 2DEG et les propriétés de l’appareil, peu de rapports ont traité du niveau de carbone résiduel dans les couches actives (pic d’AlN et couche barrière d’AlGaN). Cela est peut-être dû au fait que la mesure du carbone dans cette région proche de la surface est sérieusement entravée par des creux de surface toujours présents en raison de dislocations de filetage provenant de la profondeur de la couche tampon (atteignant la surface) (voir Figure 2).

PCOR-SIMS - Figure 2 Images TEM en coupe de la génération de creux en surface (ci-dessus) et du plus fort grossissement des détails (ci-dessous).

Figure 2 Images TEM en coupe de la génération des creux en surface (ci-dessus) et du plus fort grossissement des détails (ci-dessous).

Le carbone sera adsorbé sur la surface supérieure exposée à l'air et ne sera pas entièrement éliminé par le SIMS processus de pulvérisation jusqu'à ce que toute la fosse soit pulvérisée. Ce profil de carbone artificiellement profond peut totalement occulter la réelle et importante répartition du carbone dans la région 2DEG.

Pour contourner ce problème, nous avons développé un système exclusif surface procédure de nettoyage qui élimine la grande majorité du carbone de la surface, éliminant ainsi la queue profonde du profil de carbone (Figure 3). Cela nous permet de mesurer la concentration réelle de carbone dans la couche barrière AlGaN juste au-dessus du 2DEG ainsi que dans la pointe de l’AlN juste au-dessous du 2DEG.

PCOR-SIMS - Figure Profils SIMN 3 pour C dans la région 2DEG telle que reçue (rouge) et après nettoyage (bleu).

Figure 3 Profils SIMS pour C dans la région 2DEG tels que reçus (rouge) et après nettoyage (bleu).

La couche tampon peut également être dopée avec Fe et Mg. Celles-ci peuvent également être mesurées par SIMS avec des limites de détection très basses (Figure 4). Notez le pic dans le profil Fe juste à l'intérieur de la couche barrière de GaN. Ce pic n’est pas présent au bord de la tranche, ce qui en fait un autre point difficile pour les couches uniformes en croissance sur de grands substrats.

PCOR-SIMS - Figure Mesures du SIMS d'impuretés Fe et Mg 4 dans HEMT epi.

Figure 4 Mesures SIMS des impuretés Fe et Mg dans HEMT epi.

Il est également important de contrôler les niveaux d'impuretés non métalliques dans la couche barrière en GaN. Par exemple, le niveau de Si doit être aussi bas que possible dans le GaN directement au-dessous de 2DEG car le dispositif fonctionne en l'absence de dopants. Comme le montre la figure 5, nous pouvons obtenir des limites de détection de Si dans la partie médiane de 10.14atome / cm3intervalle; assez bas pour voir le 2 × 1015atome / cm3 Si niveau juste en dessous du 2DEG.

La figure 5 montre également les niveaux d'impuretés H dans la couche barrière au GaN. L'hydrogène peut avoir des effets néfastes sur la fiabilité de l'appareil. On essaie donc de maintenir les niveaux de H le plus bas possible. Cependant, dans cet exemple, nous voyons que le niveau de H dans la partie dopée au carbone de la couche barrière est légèrement élevé. Cela provient probablement du gaz source utilisé pour le dopage au carbone.

PCOR-SIMS - Figure 5 Mesure de la limite de détection basse de H et Si dans la couche barrière en GaN d’un HEMT epi.

Figure 5 Mesure de la limite de détection basse de H et Si dans la couche barrière au GaN d'un epi HEMT.

La région proche de la surface de la structure est l'endroit où le 2DEG, qui est responsable du flux de courant dans le périphérique, est formé. Le 2DEG se forme ici en raison de la discontinuité de la bande de conduction entre une couche mince d’AlGaN dopée au sommet et une couche de GaN non dopée. Cela crée un puits quantique triangulaire dans lequel les électrons s’accumulent. Cette région active est extrêmement mince (20-30nm) et ne peut être mesurée avec précision par SIMS que très soigneusement. La figure 6 montre un profil PCOR-SIMS montrant Al, qui localise la couche supérieure d’AlGaN ainsi que l’impureté C, H, O et Si de la région de formation de 2DEG d’un HEMT.

PCOR-SIMS - Figure Profilage PCOR-SIMS de la résolution plus profonde de la région de canal 6 pour un périphérique HEMT.

Figure 6 Profil PCOR-SIMS à résolution plus élevée dans la région du canal d'un appareil HEMT.

Puisque cette couche se trouve au sommet de la structure, il est important de prendre des mesures pour minimiser les effets de la surface. Contamination qui est toujours présente sur ces surfaces exposées à l'air. Sur la figure 6, le carbone initialement présent sur la surface de l'échantillon a été éliminé en utilisant notre procédure de nettoyage de surface exclusive qui a permis de mesurer le niveau de dopage au carbone dans la couche d'AlGaN à un niveau de 1-2 × 1017atomes / cm3 dans la partie supérieure 15nm de l'échantillon.

La figure 6 fournit également à l’ingénieur de périphérique un autre élément d’information important: l’épaisseur de la couche barrière AlGaN. C'est la couche à travers laquelle le potentiel sur la grille doit agir pour contrôler la densité d'électrons dans le 2DEG et donc la conductance du dispositif. Cela se voit dans l'encart de tracé linéaire de la figure 6.

La figure 7 montre les profils sélectionnés de la figure 6 tracés sur une échelle linéaire au lieu d’une échelle logarithmique, superposée à une micrographie en coupe TEM de la même région. Le profil Al montre l'emplacement de la couche delta AlN incluse dans la structure afin d'améliorer la mobilité des porteurs dans le 2DEG en atténuant la diffusion de Coulomb provenant des donneurs dans l'AlGaN. La micrographie TEM montre que la largeur réelle de la couche delta AlN est correctement mesurée par la largeur maximale totale (FWHM) du profil Al au-dessus du niveau constant dans la couche AlGaN, bien que ce profil se termine dans le sous-jacent. GaN en raison des piqûres de surface illustrées à la figure 3.

PCOR-SIMS- Figure 7 Superposition de SIMS et TEM en coupe montrant une analyse détaillée de la région de canal HEMT avec une courbe de variation de conductivité arbitraire.

Figure 7 Superposition de SIMS et TEM en coupe montrant une analyse détaillée de la région de canal HEMT avec une courbe de variation de conductivité arbitraire.

Le profil carbone est tracé pour montrer l'emplacement du dopage par rapport à l'emplacement exact de l'interface (indiqué par le profil Al). Le TEM ne peut pas être utilisé pour détecter le carbone, même avec EDX (spectrométrie à rayons X à dispersion d'énergie) ou EELS (spectroscopie de perte d'énergie électronique).

De plus, nous montrons un profil (en rouge) qui est affecté par le potentiel de surface instantané à partir duquel la conductivité de surface peut être déduite. Le 2DEG est formé juste à l’intérieur du GaN, et on peut voir sur le graphique que c’est la profondeur exacte à laquelle la conductivité de l’échantillon se rétablit après le passage du profil dans une zone de conductivité diminuée juste à l’intérieur de la couche barrière où les trous s’accumulent.

En conclusion, nous avons montré comment le SIMS corrigé point par point (PCOR-SIMS) peut être utilisé pour déterminer avec précision les concentrations d'éléments de matrice et de dopants dans les HEMT au GaN et comment ces résultats peuvent être utiles pour optimiser la croissance de la couche épitaxiale et les défaillances. une analyse. Si vous avez des questions, n'hésitez pas à contacter EAG pour lui faire part de vos besoins analytiques GaN HEMT.

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