Yüksek performanslı Al(In)GaN/AIN(In)GaN heteroeklem yapıların iletim özellikleri

Abstract

Bu çalışmada Al(In)GaN/Ga(In)N iki boyutlu elektron gaz (2DEG) heteroyapıların iletim özellikleri, deneysel ve teorik olarak çalışıldı. Deneysel kısımda ilk olarak örnekler metal organik kimyasal buhar depozisyonu (MOCVD) yöntemi ile safir alttabaka üzerine büyütüldü ve yüksek çözünürlü X-ışını kırınımı (HRXRD) ve atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ile karakterize edildi. İletim analizleri için örneklerin fabrikasyonu omik kontaklı Van der Pauw geometrisinde yapıldı ve sıcaklığa bağlı Hall etkisi ölçüldü. Bu çalışmanın teorik kısmı, elektron mobilitesini sınırlayan, akustik ve optik fonon, iyonize safsızlık saçılması, arayüzey pürüzlülüğü, dislokasyon ve alaşım saçılması gibi temel saçılma mekanizmalarını hesaba alan analitik iletim modelini içermektedir. İlk olarak, yüksek elektron mobiliteli Al0.2Ga0.8N/AlN/GaN ve yüksek tabaka taşıyıcı yoğunluklu AlInN/AlN/GaN heteroyapılar araştırıldı ve karşılaştırıldı. AlGaN/AlN/GaN heteroyapısı için elektron yoğunluğu 8.44x1012 cm-2 iken, oda sıcaklığı elektron mobilitesi 1700 cm2/V.s ve iki boyutlu tabaka direnci 435 [] / olarak ölçüldü. Al0.88In0.12N dizayn edilen örnek 4.23x1013 cm-2 gibi çok yüksek elektron yoğunluğuna ve buna karşılık 812 cm2/V.s oda sıcaklığı mobilitesine sahiptir. İki boyutlu tabaka direnci ise 182 [] / olarak elde edildi. Daha sonra, 0 dan 2 nm'ye değişen AlN ara tabaka kalınlıklı örgü uyumlu AlInN/AlN/GaN heteroyapıların iletim özellikleri araştırıldı. Örgü uyumlu AlInN/GaN heteroyapılarda AlN ara tabakasının, yüksek elektron mobiliteli transistör (HEMT) dizaynında göz önünde tutulması gereken önemli parametrelerden biri olduğu görüldü. 1 nm AlN ara tabaka kalınlığının yüksek elektron mobilitesi için gerekli optimum ara tabaka kalınlığı olduğu belirlendi. Son olarak AlInN/AlN/InGaN/GaN heteroyapılarda mobiliteyi sınırlayan saçılma mekanizmaları araştırıldı ve standart GaN kanallı HEMT ile karşılaştırıldı. Düşük ve ara sıcaklıklarda InGaN kanallı örnekler için arayüzey pürüzlülüğünün elektron mobilitesini sınırladığı görüldü. Oda sıcaklığında ise elektron mobilitesi optik fonon ve arayüzey pürüzlülüğü saçılmalarının kombinasyonu olarak belirlendi. Sonuç olarak bu çalışma, AlInN bariyerli ve InGaN kuyulu heteroyapıda büyütme ve dizayn parametrelerinde yapılacak optimizasyon ile standart AlGaN bariyer ve GaN kuyulu HEMT'lere göre daha yüksek performanslı iletim elde edilebileceğini vurgulamaktadır.

In this work, transport properties of Al(In)GaN/Ga(In)N two-dimensional electron gas (2DEG) heterostructures were studied experimentally and theoretically. In experimental part, the samples were firstly grown by Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) on sapphire substrate and then characterized by High Resolution X-Ray Diffraction (HRXRD) and Atomic Force Microscopy (AFM). For transport analysis the samples were fabricated in Van der Pauw geometry with ohmic contacts and then measured by temperature dependent Hall effect. The theoretical part of this study includes analytical transport models which account major scattering mechanisms such as optical and acoustic phonons, ionized impurity, interface roughness, dislocation and alloy disorder scattering, limiting the electron mobility. The transport properties of high electron mobility AlGaN/AlN/GaN and high sheet carreir density AlInN/AlN/GaN heterostructures were firstly investigated and compared. The room temperature electron mobility was measured as 1700 cm2/V.s along with 8.44x1013 cm-2 electron density which resulted in two dimensional sheet resistance of 435 [] / for Al0.2Ga0.8N/AlN/GaN. The sample desing with Al0.88In0.12N barrier exhibited very high sheet electron density of 4.23x1013 cm-2 with corresponding electron mobility of 812 cm2/V.s. Two dimentional sheet resistance of 182 [] / is achieved. Then, the transport properties of lattice-matched AlInN/AlN/GaN heterostructures with different AlN interlayer thickness from zero to 2 nm were investigated. It was found that the AlN spacer layer is a crucial growth parameters that must be considered in AlInN/AlN/GaN based high electron mobility transistor (HEMT) design. From transport analysis a 1 nm AlN spacer layer thickness is found to be optimum thickness required for high electron mobility. Finally, the scattering mechanisms limiting the carrier mobility in AlInN/AlN/InGaN/GaN heterostructures were investigated and compared with standart HEMT having GaN channel. It was found that scattering due to interface roughness limits the electron mobility at low and intermediate temperatures for samples having InGaN channels. The room temperature electron mobilities were determined by a combination of both optical phonon and interface roughness scattering. In conclusion, this work has emphasized that the heterostructure with AlInN bariyer and InGaN well, after the further optimization of the growth and design parametrers could show better transport performance compared to standart HEMTs with AlGaN barrier and GaN well.