Time-resolved low-temperature CVD for III-nitrides

Reference number: RMA15-0018
Start and end dates: 160501-220630
Amount granted: 33 070 935 SEK
Administrative organization: Linköping University
Research area: Materials Science and Technology

Summary

Mobile data is projected to increase by a factor of 1000 within the next 10 – 20 years. The mobile base stations and radio links already today account for about 2% of the global CO2 emissions. Simply building out using the same technology is not sustainable. More efficient devices and systems solutions are required. The unique properties of III-nitrides (III-Ns) provide them with significant advantages over existing Si and other III-V technologies for applications (radar, mobile base stations) requiring high-power output at high frequencies. The proposed project will address the two prioritized research areas: Vapour-based deposition techniques and Crystal growth from vapour or liquids. The focus will be on developing and understanding novel growth technology with control of layer thicknesses and interfaces on the sub-nm level aiming at improved performance of III-N high-frequency, high-power HEMT devices. We will combine standard MOCVD growth of the main part of the HEMT structure with low-temperature, time-resolved CVD growth of the thin top layers in the same growth run. In the beginning of the project we will use commercially available Al, Ga, In and N precursors but in parallel new more suitable precursors for low-temperature CVD will be developed. To better understand the surface chemistry needed for successful low temperature growth, quantum chemical calculations will be used for detailed studies of the surface processes

Popular science description

Elektroniska komponenter byggs upp av väldigt tunna skikt av ett eller flera halvledarmaterial. För att åstadkomma dessa skikt används vanligtvis en teknik som kallas CVD, vilket är en förkortning av chemical vapour deposition, ungefär kemisk ångdeponering. I denna process låter man molekyler innehållande de atomer som ska bygga upp materialet reagera med varandra, ofta vid väldigt höga temperaturer. En särskild grupp halvledarmaterial består av föreningar mellan metallerna aluminium, gallium och indium, och kväve. Dessa material brukar kallas III-nitrider, eftersom metallerna återfinns i grupp III i det periodiska systemet. För dessa material kan de höga temperaturerna i CVD-processen vara ett problem eftersom de lättare bryts ner då. I detta projekt kommer vi att utveckla lågtemperatur-CVD för III-nitrider. Detta kommer vi att göra genom att på olika sätt skapa tidsupplöst CVD. Vi kommer också att ta fram nya källmolekyler för III-ämnena Al, Ga och In och även för kväve, samt studera de kemiska processer som sker när molekylerna reagerar med hjälp av kvantkemiska beräkningar. I en variant av tidsupplöst CVD kommer vi att tidsseparera källmolekylerna för metallerna respektive kvävet. Detta gör att de olika källmolekylerna inte kommer att mötas, utan får reagera var för sig på ytan där III-N-skiktet ska bildas. Fördelen med detta är att mycket mer reaktiva molekyler kan användas, vilket gör att man kan sänka processtemperaturen. I en annan variant av tidsupplöst CVD kommer vi att använda energin i ett kväveplasma för att sänka processtemperaturen. Plasmaurladdningen kommer att vara tidsstyrd och alltså slås av och på med en bestämd frekvens. Detta leder till att III-källmolekyler kan adsorbera på ytan när plasmat är avslaget och när plasmat sedan slås på kommer väldigt reaktiva kvävemolekyler bildas som reagerar med III-atomerna på ytan och skapar III-nitriden. Nya källmolekyler både för III-ämnena och kväve kommer att syntetiseras och provas i jämförelse med dagens standardmolekyler i båda varianterna av tidsupplöst CVD. Kvantkemiska beräkningar kommer att användas för att i datorn kunna detaljstudera de kemiska reaktionerna som sker när III-N-skiktet bildas. Med hjälp av dessa lågtemperatur-CVD processer kommer skikt av InN och indiumrika legeringar av III-nitrider att kunna skapas vilket öppnar upp för ny sorts elektronik där man utnyttjar egenskaperna hos InN som gör det möjligt för elektronerna att röra sig väldigt snabbt i materialet.