UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN

Tesis Doctoral

Crecimiento y fabricación de transistores HEIVIT de AlGaN/GaN por epitaxia de haces moleculares

Presentada por: Dña. Ana Jiménez Martín Ingeniera de Materiales Licenciada en Ciencias Físicas

Director: D. Enrique Calleja Pardo Catedrático de Universidad

Madrid, Junio de 2003

Tribunal nombrado por el Mgfco. Y Excmo. Sr. Rector de la Universidad Politécnica de Madrid, el día

de

de 20

Presidente D. Vocal D. Vocal D. Vocal D. Secretario D.

Realizado el acto de lectura y defensa de la Tesis el día .... de

de 20

en

Calificación

EL PRESIDENTE

LOS VOCALES

EL SECRETARIO

índice General

CRECIMIENTO Y FABRICACIÓN DE TRANSISTORES HEMT DE GaN-AIGaN POR EPITAXIA DE HACES MOLECULARES

índice General Resumen

¡x

1. Introducción y Objetivos

2

1.1. HEMT: principios básicos de funcionamiento

7

1.2. Una década de transistores FET de AlGaN/Gan

13

1.3. Sinopsis de la Tesis

16

2. Diseño de heteroestructuras AlGaN/GaN 2.1. Transistores de heterounión de alta movilidad de electrones (HEMT) de AlGaN/GaN

21 23

2.1.1. Estructura cristalina y polarización

26

2.1.2. Origen del 2DEG

35

2.2. Cálculos autoconsistentes para la optimización de la estructura

39

2.2.1. Variación de los distintos parámetros de diseño A. Variación de la concentración de aluminio en la barrera B. Variación del espesor de la barrera C. Variación de la concentración residual

42

2.3. Conclusiones

48

3. Consideraciones previas sobre el crecimiento epitaxial de Nitruros-lll 51 3.1. Descripción del sistema de PA-MBE

53

3.1.1. Esquema general

54

3.1.2. Fuentes de evaporación

57

índice General

3.2. Consideraciones previas sobre el crecimiento de nitruros por PA-MBE 3.2.1. Modos de crecimiento

61 62

3.2.2. Control de los parámetros característicos: temperatura, relación IIIA/ y velocidad de crecimiento A. Control de la temperatura de crecimiento B. Control de la relación IIIA/ C. Control de la velocidad de crecimiento 3.3. Capas de GaN sobre AI2O3: pseudosubstratos

66

70

3.3.1. Elección de substrato: "quasi-homoepita"

70

3.3.2. Crecimiento de pseudosubstratos de GaN por iVlOVPE

77

3.3.3. Caracterización estructural y morfológica

80

3.3.4. Caracterización óptica

83

3.3.5. Caracterización eléctrica

85

3.4. Conclusiones

89

4. Crecimiento y caracterización de GaN y AlGaN/GaN 4.1. Crecimiento y caracterización de GaN

91 94

4.1.1. Optimización del crecimiento de GaN por PA-MBE

94

4.1.2. Caracterización estructural

98

4.1.3. Caracterización óptica

101

4.1.4. Caracterización eléctrica

103

4.2. Crecimiento y caracterización de heteroestructuras AlGaN/GaN

104

4.2.1. Optimización del crecimiento de AlGaN/GaN por PA-MBE

105

4.2.2. Caracterización estructural

109

4.2.3. Caracterización óptica A. Emisiones relativas a la capa epitaxial de GaN donde se ubica el canal B. Emisión relativa a la barrera de AlGaN

115

4.2.4. Caracterización eléctrica A. Medidas de Capacidad-Voltaje B. Efecto Hall a bajos campos magnéticos

123

4.3. Conclusiones

128

IV

Índice General

5. Mecanismos

de

transporte

en

heteroestructuras

AlGaN/GaN 5.1. Introducción teórica de los distintos mecanismos de dispersión 5.1.1. Teoría de transporte en 2DEG

131 134 134

5.1.2. Mecanismos de dispersión en gases bidimensionales 139 A. Dispersión por impurezas ionizadas B. Dispersión por dislocaciones C. Dispersión por dipolos D. Dispersión por desorden de aleación E. Dispersión por rugosidad en la intercara de la heterounión F. Dispersión por potencial de deformación por fonones acústicos G. Dispersión por potencial piezoeléctrico por fonones acústicos H. Dispersión por potencial de deformación por fonones ópticos polares 5.2. Medidas de efecto Hall a bajo campo magnético

150

5.2.1. Control de carga

152

5.2.2. Movilidad frente ng

155

5.2.3. Movilidad frente a T

161

5.3. Medidas de magnetorresistencia transversal a alto campo magnético. 163 5.4. Conclusiones

6. Tecnología de fabricación de ios dispositivos HEIVIT

171

173

6.1. Aislamiento: ataque mesa

177

6.2. Contactos ólimicos: drenador y fuente

181

6.3. Contacto de puerta: Barreras Schottky

190

6.4. Máscaras: proceso de fabricación 6.4.1. Máscara de HEMT m1 6.4.2. Máscara de HEMT m2

196 197 199

6.5. Conclusiones

203

Índice Genera!

7. Caracterización básica de los dispositivos HEÍVIT

205

7.1. Transistores HEMT crecidos por PA-MBE

209

7.1.1. Caracterización básica en DC A. Longitud de puerta larga (LG>1¡im) B. Longitud de puerta corta (LG i \ ^ ^í^ty Canal 2D

F i g u r a 1.4.

Carga inyectada ^~~^ atrapada Puerta / 7 V > ly ' |(::^P) C) Drenador

y

^

lOGQQQQeeeQGGQG

Esquema de la fenomenología del efecto de colapso.

Al aplicar un potencial pulsado a la puerta, la región de vaciamiento bajo la puerta responde a dicha señal, pasando de estado de corte a canal abierto. Sin embargo, la constante de tiempo de las trampas es suficientemente alta como para que los electrones no puedan seguir a la señal de AC, quedando atrapados y, por lo tanto, sin participar en la conducción. Esto da lugar a una falta de electrones en el canal en el lado del drenador y a un estrangulamiento de la corriente, limitándose la corriente del canal y aumentando el voltaje de codo. Esta situación es la que está reflejada de forma esquemática en la Figura 1.4b, donde la corriente del canal es controlada en ese momento, principalmente, por la carga atrapada en vez de por el potencial de puerta.

Experimentalmente este fenómeno se pone de manifiesto sólo bajo medidas de las características del dispositivo en AC, o pulsada. La Figura 1.5 muestra la característica en DC de un dispositivo tipo y su correspondiente bajo pulsos en la puerta, tras ir de estado de corte a canal abierto. Puede observarse como la corriente de saturación ha sufrido una importante degradación, así como el voltaje

11

Capítulo 1

de codo, que aumenta sustancialmente. Esto hace que la excursión de barrido en RF (AVDS, AIDS) sea muy inferior a la observada bajo condiciones de DC.

Pérdida de los

AVDS en RF »l AVDS en

DC

Figura 1.5. Característica l-V en DC y con VG pulsada de un transistor con acusado fenómeno de colapso [Cof02b]

Diferentes estudios lian relacionado este fenómeno con trampas en la superficie e interfase de AlGaN/GaN [Ngu99b][GreOO][Vet01], o en las existentes en la capa de

GaN [Bin01], y recientemente a estados cargados en la superficie y barrera asociados a los importantes campos de polarización existentes en este sistema [Hu01]. Se ha demostrado que la pasivación de la superficie, utilizando SiN, evita o al menos mitiga este fenómeno [GreOO] [Vet01] [BinOI], lo que apunta a que los efectos más acusados provienen de la superficie. Sin embargo, la reproducibilidad de ia eficiencia del SiN como pasivante es relativamente pobre por lo que se están buscando nuevas soluciones, siendo una de ellas la pasivación epitaxial

por

deposición de una capa de AIN amorfa jTilOI] [TilOlb], o la de una capa tipo-p [Jim02b] [Cof02]. La reducción de este efecto de colapso es un punto clave para la mejora de las características de salida de los transistores y su comercialización.

12

Introducción y Objetivos

1.2.

Una década de transistores FET de A l G a N / G a N

El primer transistor FET basado en GaN fue un MESFET fabricado por Khan et al. en 1993 [Kha93]. Se obtuvieron densidades de corriente de 175 mA/mnn con una transconductancia máxima de 23 mS/mm. Las características de salida en RF fueron de fj 11 GHz y fmax de 35 GHz, lo que confirmó las hipótesis acerca del gran potencial de los FET de GaN. Posteriormente se introdujo una barrera de AI^Gai-xN para la obtención de dispositivos HEMT de AlGaN/GaN y su desarrollo ulterior ha sido vertiginoso, como se verá a continuación.

Junto con el gran atractivo que presentan los dispositivos FET basados en GaN, desde el punto de vista tecnológico, los nitruros muestran a su vez nuevos fenómenos físicos, tales como la existencia de elevados campos de polarización, o grandes discontinuidades de bandas, que los distinguen de los semiconductores IIIV convencionales. Gracias a ello se abren nuevas posibilidades en la forma de obtener gases de electrones bidimensionales en la intercara de una heterounión, ya que no requieren de dopaje intencional para proporcionar la carga eléctrica del canal. Debido a las características de la red cristalina del GaN y el AIN, en la heterounión entre estos dos semiconductores se inducen campos piezoeléctricos y de polarización espontánea de valores muy elevados (del orden de MV/cm) [Asb97] [Ber97], como se explicará en el capítulo 2. Esto incrementa notablemente el confinamiento de portadores en el gas bidimensional, lo que produce la acumulación de una cantidad enorme de portadores (~1E13 cm"^) sin necesidad de introducir dopantes extrínsecos.

En la última década se ha estudiado intensamente una gran variedad de estructuras FET basadas en GaN. Hasta la fecha, la mayoría de estos dispositivos han utilizado capas crecidas epitaxialmente con precursores organometálicos (Metalorganic Vapour Phase Epitaxy: MOVPE) o con haces moleculares (Molecular Beam Epitaxy: MBE), sobre substratos de zafiro [Kum02], SiC [W6b02] [Kum02b], Si

[Jav02][Cor02] o incluso capas de GaN obtenidas mediante procesos tecnológicos muy elaborados (tecnología ELOG: Epitaxial Lateral Over-Growth) [Vet98]. Se han fabricado y estudiado diversas estructuras HEIVIT basadas en la heterounión AI(Ga)N/GaN, utilizando AIN [SmoOl] o AlGaN [KelOI] como material de gap ancho (barrera), tanto dopado tipo-n como sin dopaje intencional, y GaN como canal,

13

Capítulo 1

dopado [Fan97] [Che97], o sin dopar [Kel01], y con diferentes parámetros estructurales de diseño (concentración de Al y anchura de barrera y dopaje). En estos dispositivos, y a temperatura ambiente, la densidad de carga en el canal bidimensiona! de la heterounión es del orden de 1E13 c m ^ con movilidades de hasta 2000 cm^ V^ s"^ [Gas99], aunque ios valores típicos rondan entre 1000 y ISOOcm^V^s-^

La evolución paralela de la calidad cristalina de! material y la tecnología, ha permitido obtener elevadas movilidades (^=1500 cm^A/s) con altas densidades de carga (ns=2.15E13 cm'^) [Smo01]. Esto se ha reflejado en las características de ios dispositivos, obteniéndose altas densidades de corriente con alta transconductancia (1.23 A/mm y 314 mS/mm con LG=0.12^m), lo que proporciona valores record de fr y fmax. de 121 y 162 GHz, respectivamente [Kum02b]. Los mejores dispositivos se han conseguido utilizando SiC como substrato, especialmente para aplicaciones de alta potencia, ya que su conductividad térmica es 10 veces superior a la del zafiro, y por lo tanto se reducen las deficiencias por efectos térmicos [VesOO] [Joh02]. También se obtienen mejores calidades cristalinas, lo que contribuye a que la densidad de carga suela ser ligeramente superior a la que se obtiene sobre AI2O3.

En los últimos años, grupos líderes en este campo, como la empresa Cree-Durham O las Universidades de Cornell (Ithaca, EEUU) y la de California Santa Barbara (EEUU), han conseguido fabricar HEMTs capaces de trabajar con densidades de potencia de 11.2 W/mm [She02], por ancho de puerta, amplificando señales a 10 GHz. Como comparación, transistores convencionales basados en Si pueden amplificar señales eficientemente sólo hasta 2 o 3 GHz, mientras que los basados en GaAs pueden trabajar hasta muy altas frecuencias pero con bajas densidades de potencia (por ejemplo, a 10GHz tan sólo puede soportar una potencia de 1 W/mm, y al ir aumentando la frecuencia disminuye la densidad de potencia de operación). Esto hace que los transistores de nitruros sean muy interesantes desde el punto de vista de los amplificadores de potencia de microondas, como ya se comentó al inicio del capítulo.

La rápida evolución de los dispositivos de potencia basados en HEMT de AlGaN/GaN se refleja en la Figura 1.6, donde se considera como parámetro de referencia la densidad de potencia [M¡s02].

14

Introducción y Objetivos

? 12 . E ^ (O •ü 5

c o

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10

,

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Varios Cornell Cree UCSB

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4

re gZafiro • SiC

2 c 0)

o

-, n , , ,

1

-1

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

Figura 1.6. Evolución de densidad de potencia de salida de dispositivos HEIVIT de AlGaN/GaN [Mls02]

A pesar de los valores récord obtenidos, éstos distan mucho aún de los predichos mediante cálculos teóricos. Dos son las razones principales de esta discrepancia. Una de ellas es la calidad del material, debido fundamentalmente a la falta de un substrato adecuado para el crecimiento iiomoepitaxial del GaN. La falta de substrato de GaN hace necesario el crecimiento heteroepitaxial substratos

compatibles

(zafiro, SiC

o Si). A

pesar

de

utilizando

introducir

capas

amortiguadoras el desacoplo de parámetros de red y térmicos hace que la capa epitaxiada tenga una alta densidad de defectos extensos, como dislocaciones (1E8 - 1E9 cm"^), y concentración residual de impurezas (116-1 El 7 cm"^).

Por otro lado, la poca madurez del procesado tecnológico (contactos óhmicos, barreras Schottl . . ^ • ' •"•"^

' ^ ^ P -X" T "^V I—

, , .. 1

0.2

'

1

0.4

'

1

0.6

'

1

0.8

'

1

1.0

Concentración de aluminio (x) Figura 2.6. Polarización del AlGaN crecido pseudomórficamente sobre GaN relajado considerando la (¡) polarización espontánea por interpolación lineal de

los parámetros de los binarios (Psiineal), (ii) polarización espontánea considerando su comportamiento no lineal (Ps), (Ni) polarización piezoeléctrica interpolando linealmente los parámetros macroscópicos e introduciéndolos en

la ecuación 2.6 (Pz), (iv) polarización total de! AlGaN interpolando linealmente todos los parámetros (PTÜneal), (v) polarización total del AlGaN considerando la no linealidad de la polarización espontánea (PT).

Hasta ahora el cálculo de la polarización piezoeléctrica se ha realizado en base a la ley de Hook, asumiendo que la polarización piezoeléctrica depende linealmente del grado de deformación. Pero recientemente se ha comprobado que dicha dependencia no es totalmente lineal, especialmente en aleaciones con In (InAIN, InGaN) [Amb02]. La modelización se ha realizado para compuestos binarios por lo que la dependencia del ternario se obtiene por interpolación lineal de estos. En el caso concreto que nos ocupa, de heteroestructuras AlGaN/GaN, la polarización piezoeléctrica del AlGaN podría calcularse a partir de las siguientes ecuaciones [Amb02]:

32

Diseño de heteroestructuras AlGaN/GaN

Pznl(AlxGai_xN)=Pf,f^ (sx)-x + P z T ( ^ x ) - ( 1 - x ) oGaN f^znl )A1N

-0.918 ex (x) +9.541 E^ (x)

(2.10)

P^l" = -1.808 6^ (X) - 7.888 e^ (x)

En

la

Figura

2.7

pseudomórficamente

(2.9)

(C/m^)

puede

verse

sobre

GaN,

como la

en

falta

e> O

el

de

caso

del

linealidad

AlGaN

de

la

crecido

polarización

piezoeléctrica con el grado de deformación no es muy acusada, pudiendo ser despreciada para todo el rango de concentraciones de aluminio. Esto simplifica ios cálculos, ya que la polarización total (piezoeléctrica y espontánea) de la capa de AlGaN puede estimarse directamente a partir de las ecuaciones 2.8 y 2.6.

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AlGaN/GaN pseudomórfico

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