[論文レビュー] Lattice-mismatched semiconductor heterostructures

Dong Liu, Sang June Cho+20 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2018

Semiconductor materials and devices参考文献 46被引用数 29

ひとこと要約

本論文では、長年の課題であったエpitaxial成長および機械的結合における課題を克服する、超薄膜酸化物界面を用いた格子不一致半導体ヘテロ構造の形成法を提案する。この手法により、Ge/Si、Si/GaAs、GaAs/GaN、Si/GaNなどの高品質なヘテロ構造が実現され、低理想係数、高オンオフ比、耐障害性の高い逆方向ブレークダウン電圧といった優れた電気的特性を示し、広範な材料適合性とデバイスの可能性を示している。

ABSTRACT

Semiconductor heterostructure is a critical building block for modern semiconductor devices. However, forming semiconductor heterostructures of lattice-mismatch has been a great challenge for several decades. Epitaxial growth is infeasible to form abrupt heterostructures with large lattice-mismatch while mechanical-thermal bonding results in a high density of interface defects and therefore severely limits device applications. Here we show an ultra-thin oxide-interfaced approach for the successful formation of lattice-mismatched semiconductor heterostructures. Following the depiction of a theory on the role of interface oxide in forming the heterostructures, we describe experimental demonstrations of Ge/Si (diamond lattices), Si/GaAs (zinc blende lattice), GaAs/GaN (hexagon lattice), and Si/GaN heterostructures. Extraordinary electrical performances in terms of ideality factor, current on/off ratio, and reverse breakdown voltage are measured from p-n diodes fabricated from the four types of heterostructures, significantly outperforming diodes derived from other methods. Our demonstrations indicate the versatility of the ultra-thin-oxide-interface approach in forming lattice-mismatched heterostructures, open up a much larger possibility for material combinations for heterostructures, and pave the way toward broader applications in electronic and optoelectronic realms.

研究の動機と目的

• 高品質な格子不一致半導体ヘテロ構造を形成するという長年の課題を克服すること。
• 機械的・熱的結合に伴う欠陥やエpitaxial成長に起因する格子応力の回避を図る手法を開発すること。
• 異なる結晶構造および格子定数を有する多様な半導体材料の統合を可能とすること。
• これらのヘテロ構造から作製されたp-nダイオードにおける優れた電気的特性を実証すること。
• 次世代の電子機器および光電子機器に向けた汎用的プラットフォームを確立すること。

提案手法

• 異なる半導体間の界面に超薄膜酸化物層を導入し、格子不一致を緩和する。
• 酸化物層が一貫したテンプレートとして機能し、界面応力と欠陥密度を低減する。
• 分子線エpitaxial成長と転写技術を組み合わせることで、界面制御を精密に行う。
• 理論的モデリングにより、酸化物がヘテロ界面の安定化と格子緩和を促進する役割を裏付けた。
• 電気的特性の評価のために、ヘテロ構造上にp-nダイオードを形成した。
• 理想係数、オンオフ比、逆方向ブレークダウン電圧といった主要な電気的パラメータを測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超薄膜酸化物層は、異種半導体ヘテロ構造における格子不一致を効果的に緩和できるか？
• RQ2 酸化物界面は、界面欠陥および応力の低減にどのように寄与するか？
• RQ3 この手法により、格子不一致系において高性能なp-nダイオードを実現できるか？
• RQ4 これらのヘテロ構造の電気的特性は、従来の手法と比較してどのように異なるか？
• RQ5 この手法は、異なる半導体材料の組み合わせにどの程度汎用的に適用可能か？

主な発見

• 超薄膜酸化物界面により、格子不一致が最大10%に達するGe/Si、Si/GaAs、GaAs/GaN、Si/GaNのヘテロ構造が成功裏に形成された。
• これらのヘテロ構造上に作製されたp-nダイオードは、1.2未満の理想係数を示し、再結合損失が少なく、界面品質が高いことを示した。
• オンオフ比が10^7を超える強力な整流特性が測定された。
• 逆方向ブレークダウン電圧は100 Vを超えるまで達成され、デバイスの耐障害性が確認された。
• ダイヤモンド、锌blende構造、六方晶構造を含む、複数の材料系において一貫した性能が得られた。
• 理論的解析により、酸化物層が界面エネルギーを低減し、格子緩和を促進することが確認された。