Realization and physical analysis of field-effect transistors based on GaN nanofins and vertical nanowires
Authors: Δουνδουλάκης Γεώργιος 
Published: September 2021

Οι ημιαγωγικές νανοδομές, όπως τα νανονήματα (NWs) και οι νανολωρίδες (nanofins), έχουν αποκτήσει σημαντικό ενδιαφέρον ως πολλά υποσχόμενα στοιχειώδη δομικά στοιχεία σε νανοηλεκτρονικές και νανοφωτονικές εφαρμογές. Οι μειωμένες τους διαστάσεις και ο υψηλός λόγος αναλογιών (aspect ratio) θα μπορούσαν να ευνοήσουν τη συρρίκνωση των διατάξεων και να οδηγήσουν σε υψηλή πυκνότητα διατάξεων, μειωμένη κατανάλωση ενέργειας και υψηλή συχνότητα λειτουργίας. Μεταξύ αυτών, οι νανοδομές νιτριδίου του γαλλίου (GaN) έχουν κερδίσει την προσοχή για την αξιοποίηση των θεμελιωδών πλεονεκτημάτων του υλικού GaN, όπως το ευρύ ενεργειακό φάσμα, η υψηλή θερμική αγωγιμότητα και η υψηλή τάση κατάρρευσης. Αυτή η εργασία έχει δημιουργήσει νέα γνώση για την επίδραση του υλικού και των βημάτων επεξεργασίας των διατάξεων στις επιδόσεις των νανοηλεκτρονικών διατάξεων GaN επόμενης γενιάς, με έμφαση στα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FETs) βασισμένων σε νανολωρίδες GaN (FinFETs) και κατακόρυφα νανονήματα (V-NW FETs ). Αρχικά, αναφέρονται εν συντομία οι πειραματικές ανοδικές (bottom-up) διαδικασίες σχηματισμού GaN-τύπου NWs και νανολωρίδων με χρήση μοριακής επίταξης υποβοηθούμενης από πλάσμα (PAMBE). Η αυθόρμητη ανάπτυξη GaN NWs με χρήση PAMBE οδήγησε σε μεγάλες αποκλίσεις στο σχήμα και το μέγεθος των GaN NWs, κρίσιμες παραμέτρους για το σχηματισμό των V-NW FETs, όπου απαιτείται ακριβής έλεγχος της θέσης και των διαστάσεων των NWs. Ως εκ τούτου, μελετήθηκε η επιλεκτική ανάπτυξη (SAG) για την ευθυγράμμιση των GaN NWs σε διαφορετικά υποστρώματα χωρίς τη χρήση μεταλλικών καταλυτών, η οποία επιτυγχάνεται με επιταξιακή ανάπτυξη σε υπόστρωμα επικαλυμμένο με μία νανοσχηματισμένη μάσκα. Δύο διαφορετικά υποστρώματα χρησιμοποιήθηκαν για την επιλεκτική ανάπτυξη των GaN νανονημάτων. Η ανάπτυξη των GaN NWs σε υποστρώματα Si (111) που σχηματοποιήθηκαν με χρήση θερμικά αναπτυγμένης SiO2 μάσκας αποκάλυψε τη δυσκολία πλήρωσης όλων των παραθύρων Si με GaN NWs, ενώ τα αναπτυγμένα GaN NWs εμφάνισαν μεγαλύτερη διάμετρο από το παράθυρο της μάσκας και σε μερικές περιπτώσεις, κεκλιμένη κατεύθυνση ανάπτυξης. Νανοταινίες (λωρίδες) σχηματοποιήθηκαν επίσης στα SiO2/Si υποστρώματα, που οδήγησαν σε πυρηνοποίηση και ανάπτυξη πολλαπλών GaN NWs μέσα σε κάθε νανοταινία, αντί για ένα συμπαγές υλικό τύπου νανολωρίδας (nanofin). Επίσης, διερευνήθηκε η χρήση υποστρωμάτων SiO2/GaN/Si για την επιλεκτική ανάπτυξη των GaN NWs. Σε αυτή την περίπτωση, η εναπόθεση του υλικού GaN ενισχύθηκε με τη μείωση της απόστασης μεταξύ των παραθύρων, με την απόσταση των 250 nm να εμφανίζει σχηματισμό ενός μεμονωμένου NW που ακολουθεί τη διάμετρο του παραθύρου της μάσκας. Ωστόσο, πειράματα φωτοφωταύγειας (PL) υποδήλωσαν τον πιθανό σχηματισμό κρυσταλλικών ελαττωμάτων (defects) σε αυτά τα συμπαγή NWs, πιθανών λόγω της συσσωμάτωσης πολλαπλών στενών NWs. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες μεταφοράς των GaN NWs που αναπτύχθηκαν αυθόρμητα σε υποστρώματα Si (111) και νανοσχηματοποιημένα SiO2/Si (111) υποστρώματα καθορίστηκαν, προκειμένου να αξιολογηθεί το ακούσιο (unintentional) ντόπινγκ και να κατανοηθούν οι επιφανειακές καταστάσεις που εισάγουν κάμψη των ζωνών αγωγιμότητας και τα φαινόμενα διαστάσεων, στην αγωγιμότητα των ανοδικά (bottom-up) αναπτυγμένων GaN NWs. Συμβατικές τεχνικές νανοεπεξεργασίας χρησιμοποιήθηκαν για τον καθορισμό πολλαπλών ωμικών επαφών σε μεμονωμένα GaN NWs διασπαρμένα σε υποστρώματα SiO2/Si (111). Η διάμετρος των NWs κυμαίνονταν από 30 έως 140 nm και το μήκος τους από 500 έως 1900 nm. Μετρήσεις Ρεύματος-Τάσης (I-V) υπέδειξαν ότι οι φαινομενικές τιμές ειδικής αντίστασης των GaN NWs εξαρτώνται από τη διάμετρο τους, λόγω της απογύμνωσης των φορέων που εισάγεται από τo “κλείδωμα” της στάθμης Fermi (Fermi level pinning) στις πλευρικές επιφάνειες των NWs. Υποθέτοντας ότι (EC-EF)S = 0.55 eV στην πλευρική επιφάνεια του GaN NW, υπολογίστηκε μια κρίσιμη διάμετρος του GaN NW ίση με ~87 nm για πλήρη απογύμνωσή του (punch through), σε συμφωνία με τις πειραματικές παρατηρήσεις. Σε συνέχεια, η πραγματική ειδική αντίσταση του GaN NW κρυστάλλου υπολογίστηκε αφαιρώντας την τιμή της κρίσιμης διαμέτρου του GaN NW από την ονομαστική τιμή, η οποία είχε ως αποτέλεσμα τον υπολογισμό ειδικών αντιστάσεων με εύρος τιμών από 0.01 έως 0.03 Ωcm. Η εκτιμώμενη μέση τιμή συγκέντρωσης προσμίξεων ήταν ίση με 5.2 x 1017 cm-3. Η συμπεριφορά τύπου-n των GaN NWs εκμεταλλεύτηκε στην κατασκευή κατακόρυφων διόδων για πρώτη φορά, όπως γνωρίζουμε, από p-Si/n-GaN ετεροεπαφές. Οι δίοδοι παρουσίασαν μια καθαρή ανορθωτική συμπεριφορά, αν και χρησιμοποιήθηκε μια μη βελτιστοποιημένη διαδικασία κατασκευής, το οποίο είναι ενθαρρυντικό για μελλοντική εφαρμογή σε νανοφωτονικές και νανοηλεκτρονικές διατάξεις (π.χ. φωτοβολταϊκά κελιά ετεροεπαφών με χρήση νανονημάτων). Οι δυσκολίες ανάπτυξης μιας καλά ελεγχόμενης διαδικασίας επιλεκτικής ανάπτυξης των GaN NWs και νανολωρίδων, μέσα σε ένα εύλογο χρονικό πλαίσιο, έστρεψαν το ερευνητικό μας ενδιαφέρον σε μια καθοδική (top-down) διαδικασία για τον σχηματισμό τους από GaN-τύπου στρώματα (films), χρησιμοποιώντας τρία βήματα επεξεργασίας: νανοσχηματοποίηση με χρήση λιθογραφίας ηλεκτρονικής δέσμης (e-beam lithography), ξηρή εγχάραξη (RIE) και ανισοτροπική χημική εγχάραξη (wet-chemical etching), βασισμένη σε διάλυμα από τετραμεθυλο-υδροξείδιο του αμμωνίου (TMAH). Η επεξεργασία με TMAH απομακρύνει τη ζημιά που προκάλεσε το πλάσμα και εξομαλύνει την πλευρική επιφάνεια των νανοδομών που σχηματίστηκαν με RIE, έχοντας ως αποτέλεσμα το σχηματισμό πολύ απότομων και ομοιόμορφων GaN-τύπου νανονημάτων και νανολωρίδων. Η έρευνα στα FinFETs επικεντρώθηκε στην εκμετάλλευση του καναλιού δισδιάστατου αέριου ηλεκτρονίων (2DEG) μιας ετεροδομής διπλού φράγματος AlN/GaN/AlN, η οποία έχει προταθεί και αναλυθεί προηγουμένως από το εργαστήριο για επίπεδες δομές τρανζίστορ υψηλής ευκινησίας (HEMTs). Τρανζίστορ με τριπλή πύλη μετάλλου-οξειδίου-ημιαγωγού (MOS) γύρω από κανάλι σχήματος λωρίδας (MOS-FinHEMTs) ερευνήθηκαν, συνδυάζοντας προσομοιώσεις διατάξεων και κατασκευή και χαρακτηρισμό πειραματικών διατάξεων. Μία top-down διαδικασία χρησιμοποιήθηκε για το σχηματισμό των ΑlΝ/GaN/ΑΙΝ νανολωρίδων. Διατάξεις MOS-FinHEMTs με μεμονωμένη νανολωρίδα κατασκευάστηκαν για πρώτη φορά, με πλάτος νανολωρίδας (Wfin) ίσο με 200, 350, 500 και 650 nm. Διατάξεις MOS-FinHEMTs πολλαπλών νανολωρίδων, με κανάλι αποτελούμενο από 70 νανολωρίδες με Wfin= 200 nm, και συμβατικές διατάξεις MOS-HEMTs με επίπεδη πύλη, κατασκευάστηκαν επίσης για σύγκριση. Η εξάρτηση της τάσης κατωφλίου (Vth) και του μέγιστου ρεύματος απαγωγού-πηγής (Ids,max) από το πλάτος της νανολωρίδας (Wfin), καθώς επίσης και οι επιδράσεις της ωμικής αντίστασης επαφής, των αποστάσεων πύλης-απαγωγού και πηγής-πύλης, και του πάχους του Al2O3 διηλεκτρικού στην πύλη (tox), καθορίστηκαν. Οι MOS-FinHEMT διατάξεις μεμονωμένης νανολωρίδας που κατασκευάστηκαν, με tox= 20 nm, παρουσίασαν μια θετική μετατόπιση της Vth σε σχέση με μια διάταξη αναφοράς με επίπεδη πύλη, που κυμαίνονταν από +0.8 V για Wfin= 650 nm έως +3.4 V για Wfin= 200 nm, λόγω της πλευρικής απογύμνωσης του καναλιού από τις επαφές της πύλης στα πλευρικά τοιχώματα των νανολωρίδων. Οι προσομοιώσεις των διατάξεων χρησιμοποιήθηκαν για την αναπαραγωγή των πειραματικών Vth τιμών και επιπλέον για την πρόβλεψη των Vth των διατάξεων με στενότερες νανολωρίδες, έως Wfin= 10 nm. Το όριο για normally-off λειτουργία (Vth= 0 V) προσδιορίστηκε για Wfin= 17 nm που μπορεί να αυξηθεί έως και τα 31 nm αν η τάση εφελκυσμού (tensile strain) του ανώτερου φράγματος AlN στη νανοδομή νανολωρίδων χαλαρώσει ελαστικά (elastic strain relaxation). Μια μείωση του μέγιστου ρεύματος απαγωγού-πηγής ως προς το πλάτος της οριζόντιας διάστασης πλάτους της πύλης (Ids,max/Wg), μειώνοντας το Wfin στην περιοχή των 200-650 nm, μπορεί να προκύψει από την αύξηση της ωμικής αντίστασης επαφής. Ωστόσο, για στενότερες νανολωρίδες, οι τιμές των Ids,max/Wg αναμένεται να μειώνονται σημαντικά με τη μείωση του Wfin, λόγω της πλευρικής απογύμνωσης των ηλεκτρονίων μέσα στις νανολωρίδες. Οι τιμές των Ids,max/Wg θα μειωθούν επίσης με την αύξηση της απόστασης μεταξύ των επαφών πηγής, πύλης και απαγωγού για οποιοδήποτε Wfin. Οι τιμές των Vth και Ids,max/Wg υπολογίστηκαν επίσης για πάχος του Al2O3 στην περιοχή από 5 έως 40 nm. Τέλος, κατασκευάστηκαν για πρώτη φορά GaN V-NW FETs με πύλη φράγματος Schottky (V-NW MESFETs), χρησιμοποιώντας μια top-down διαδικασία για να σχηματιστούν τα GaN NWs από ένα PAMBE GaN επιταξιακό στρώμα αναπτυγμένο σε υπόστρωμα σαπφείρου (0001). Μια μεθοδολογία νανοεπεξεργασίας με αναλυτικό σχεδιασμό όλων των βημάτων επεξεργασίας αναπτύχθηκε και επικυρώθηκε με την κατασκευή GaN V-NW MESFETs, αποτελούμενων από μια συστοιχία 900 (30x30) GaN NWs με διάμετρο 100 nm και μήκος ολόγυρης (all-around) πύλης ίσο με 250 nm. Τα DC I-V χαρακτηριστικά παρουσίασαν normally-off συμπεριφορά και τάση κατωφλίου +0.4 V, εξαιτίας της περιοχής απογύμνωσης των ηλεκτρονίων από το φράγμα Schottky. Τα I-V χαρακτηριστικά κυριαρχήθηκαν από τις υψηλές αντιστάσεις πηγής και απαγωγού λόγω της απογύμνωσης των ηλεκτρονίων εξαιτίας του “κλειδώματος” της στάθμης Fermi (Fermi level pinning) που εισάγεται από τις επιφανειακές καταστάσεις στις πλευρικές επιφάνειες των NWs. Μια μέγιστη πυκνότητα ρεύματος απαγωγού-πηγής (Jds,max) ίση με 330 Α/cm2 και μια μέγιστη διαγωγιμότητα (gm,max) ίση με 285 S/cm2 προσδιορίστηκαν από μετρήσεις Ρεύματος-Τάσης. Η βελτιστοποίηση του προφίλ ντόπινγκ στα επιταξιακά στρώματα GaN, η παθητικοποίηση της επιφάνειας (surface passivation) και μία τεχνολογία αυτόματης ευθυγράμμισης (self-aligned) της πύλης θα μπορούσαν να διευθετήσουν τα θέματα υψηλών αντιστάσεων. Συνολικά, η έρευνα που διεξήχθη στο πλαίσιο αυτής της εργασίας, τόσο για τα GaN-τύπου FinHEMTs όσο και για τα V-NW MESFETs, επέδειξε κρίσιμη επιστημονική κατανόηση και τεχνογνωσία για την επίτευξη περαιτέρω προόδου στο μέλλον. Σημαντική γνώση αποκτήθηκε για τις δυνατότητες απόδοσης αυτών των διατάξεων, καθώς και την επίδραση του σχεδιασμού των νανοηλεκτρονικών διατάξεων, των διαδικασιών νανοεπεξεργασίας και των παραμέτρων των υλικών.