Ingeniería de estructura y composición de nitruros componentes de transistores hemt de nueva generación

Resumen

El objetivo principal de la presente tesis doctoral ha sido el de realizar la ingeniería de materiales nitruros novedosos, aleados y monofásicos mediante la aplicación de técnicas analíticas, sobre todo aquellas basadas en haces de electrones (de imagen y de espectroscopía) y en rayos X, para conseguir una mejora de las propiedades electrónicas de dispositivos HEMT novedosos. Con tal fin, se aplican distintas metodologías para el estudio de las capas delgadas, de las capas amortiguadoras, activas y barreras, y de las intercaras implicadas en las nuevas heteroestructuras HEMTs desarrolladas. Dichas metodologías incluyen técnicas de microscopía electrónica de transmisión avanzada, como la holografía electrónica en eje, o la espectroscopía de pérdida de energía de electrones de valencia. Además, para garantizar una buena retroalimentación entre fabricantes de materiales y de dispositivos, y los investigadores encargados de estudiar estructura y composición, los sistemas son también testados en sus propiedades electrónicas. En paralelo al objetivo principal, otro objetivo de la tesis ha sido el desarrollo y puesta a punto de metodologías adecuadas a estos estudios basadas en: (i) la preparación de muestras complejas de multicapas de estos materiales hasta que sean electrón-transparentes; y (ii) el análisis y el tratamiento de los resultados provenientes de técnicas experimentales de microscopía electrónica de transmisión (TEM). Los heterosistemas estudiados en el contexto de la presente tesis son, en algunos casos, uniones simples, y en otros casos, estructuras de multicapas más complejas integradas en dispositivos HEMT parcial o totalmente ensamblados (pseudosubstrato, barrera, espaciador, capa tope). En todo caso, los análisis se han enfocado hacia heteroestructuras que contienen: - Barreras de aleciones InAlN, AlGaN, InGaN e InAlGaN (crecidas siempre en la dirección polar del nitruro) sobre GaN (0001), para la optimización de los procesos de crecimientos epitaxiales de GaN-HEMTs de alto rendimiento electrónico en substratos de zafiro o carburo de silicio. - Capas amortiguadoras y activas de GaN polar crecidas sobre substratos de Si (111), y con estados de deformación diseñados a priori, con la intención de conseguir GaN-HEMTs viables comercialmente que puedan competir con los que actualmente usan SiC como substrato. A los objetivos se les dan respuesta mediante estudios a varias escalas (incluso a nivel de sub-angstrom y sub-electón-voltio) del efecto, en estructura-propiedades-composición, de: - El cambio de la proporción y naturaleza de los átomos constituyentes de las barreras, sus espesores, planaridades y perfección de sus heteroepitaxias abruptas. - Fenómenos de mezcla por interdifusión atómica entre componentes, del estado de relajación (distribución de tensiones y campos de deformación). - Valores de bandgap. - La repercusión que tiene en el pseudosubstrato el cambio de la base (substrato) sobre el que se deposita la capa amortiguadora de GaN para formar la plantilla o pseudosubstrato, en concreto, el uso de materiales como el Al2O3 (0001), SiC (0001) y Si (111). En este contexto, y para obtener resultados exitosos, se plantearon las siguientes hipótesis: - Es posible crecer heteroestructuras, de alta calidad cristalina, de capas (monofásicas y de composición uniforme) de aleaciones ternarias y cuaternarias de nitruros del grupo III, ajustadas a la red del GaN mediante MBE. Los procesos optimizados de crecimiento de estos materiales se basan en la elección de unos parámetros de crecimiento determinados (temperatura, velocidad¿), el uso, en ocasiones, de capas espaciadoras y de nucleación, y de distintos sustratos. La técnica MBE (en su modalidad asistida por plasma generado por radiofrecuencias) se estima que es la más adecuada para la fabricación de estas epicapas, dado el control que permite sobre las condiciones de crecimiento en deposiciones por capa atómica. - La naturaleza del sustrato y el uso o no de capas espaciadoras tiene una influencia significativa en las propiedades estructurales y electrónicas de la heteroestructura. - La proporción de elementos usada, así como las condiciones de crecimiento afectan de forma notable a la calidad cristalina, homogeneidad química y estado de tensión de las capas. El uso de capas barrera optimizadas de InAlN o InAlGaN respecto al ya establecido AlGaN llevará a la mejora de parámetros como la resistencia, la movilidad, etc., dado que es posible crecerlos sobre GaN ajustadas a red y sin deformaciones para composiciones concretas determinadas In0,18Al0,82N, o InxAlyGazN con y/x = 4,5076. - El comportamiento mecánico de las capas de aleaciones ternarias y cuaternarias de nitruros crecidas por MBE se ajusta al previsto por la teoría elástica, asumiendo que las constantes reticulares y elásticas de ternarios y cuaternarios se ajustan a la ley de Vegard aplicada entre binarios, sin el uso de parámetros de desviación (bowing). Los valores correctos de las constantes elásticas de estos nuevos materiales se pueden derivar de las constantes elásticas de los binarios, obtenidas por métodos estadísticos aplicados a datos bibliográficos. - El control de la deformación en las capas amortiguadoras de GaN permite alcanzar una densidad de dislocaciones de propagación suficientemente baja, como para obtener comportamientos electrónicos de heteroestructuras HEMT sobre un substrato comercialmente viable (como es el silicio) comparables a aquéllos propios de dispositivos iguales, pero sobre substratos de alto rendimiento (SiC). - Las técnicas basadas en uso de haces de electrones acelerados, de rayos X y de iones son idóneas para la caracterización de compuestos y aleaciones de nitruros del grupo III, permitiendo, a partir de los resultados obtenidos, optimizar el proceso de crecimiento, y, por ende, su mejora a nivel tecnológico. Se prevé obtener la siguiente información mediante el uso de técnicas de microscopía electrónica de transmisión y transmisión-barrido indicadas: - CTEM: Visión general de estructura de capas y espesores de las mismas, así como información cualitativa y cuantitativa de defectos nano- y micrométricos. - SAED: Grado de cristalinidad de las capas semiconductoras, así como relaciones entre las redes cristalinas de cada heteroestructura (carácter pseudomórfico, lattice-matched, de las epicapas) y parámetros y constantes reticulares de las distintas capas, con los que poder estudiar el estado de deformación de las mismas. - HRTEM: Grado de cristalinidad y calidad de estructuras cristalinas de los semiconductores, carácter pseudomórfico de las epicapas, existencia o no de defectos locales a nivel atómico (dislocaciones de desajuste), y estudio, a nivel atómico, de la calidad de las intercaras, e, incluso, defectos tales como dislocaciones de desajuste. - HAADF: Grado de homogeneidad química de las distintas capas que componen cada heteroestructura, existencia de defectos químicos y calidad de intercaras (mediante el estudio de la naturaleza, abrupta o no, del cambio de composición en la intercara). - EDX: Valores medios de composición y grado de homogeneidad químicas para cada capa estudiada. - EELS: Distribución y perfiles composicionales de elementos ligeros en las distintas capas. - Holografía de electrones en eje: Cuantificación de la deformación de las distintas capas en heteroestructuras semiconductoras, con los que obtener información composicional indirecta. - VEELS: Valores de bandgap correspondientes a epicapas barrera de aleaciones ternarias y cuaternarias (In,Al,Ga)N bajo estudio.