[논문 리뷰] Lattice-mismatched semiconductor heterostructures

Dong Liu, Sang June Cho외 20명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 26.

Semiconductor materials and devices참고 문헌 46인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 에pi택셜 성장과 기계적 접합에서 오랫동안 해결되지 않은 과제를 극복하기 위해 초박막 산화물 인터페이스를 이용한 격자 불일치 반도체 이종구조를 형성하는 방법을 제시한다. 이 방법은 높은 품질의 Ge/Si, Si/GaAs, GaAs/GaN, Si/GaN 이종구조를 가능하게 하며, 낮은 이데알리티 인자, 높은 온/오프 비율, 견고한 역방향 브레이크다운 전압을 포함한 뛰어난 전기적 성능을 보이며, 광범위한 재료 적합성과 장치 잠재력을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 높은 품질의 격자 불일치 반도체 이종구조를 형성하는 오랜 과제를 해결하기 위해.
• 기계적-열적 접합에서 발생하는 결함과 에피택셜 성장에서의 격자 응력 문제를 피할 수 있는 방법을 개발하기 위해.
• 다른 결정 구조와 격자 상수를 가진 다양한 반도체 재료의 통합을 가능하게 하기 위해.
• 이러한 이종구조에서 제작된 p-n 다이오드의 뛰어난 전기적 성능을 입증하기 위해.
• 차세대 전자 및 옵토전자닉스 장치를 위한 다용도 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 다른 반도체 사이의 인터페이스에 초박막 산화물 층을 도입하여 격자 불일치를 매개한다.
• 산화물 층이 일관된 템플릿 역할을 하여 인터페이스 응력과 결함 농도를 감소시킨다.
• 정밀한 인터페이스 제어를 위해 분자비임의 에피택셜 성장과 전달 기술을 조합하여 이종구조를 제작한다.
• 이론적 모델링을 통해 산화물이 이종계면을 안정화하고 격자 완화를 가능하게 하는 역할을 확인한다.
• 전기적 성능 평가를 위해 이종구조 위에 p-n 다이오드를 제작한다.
• 이데알리티 인자, 온/오프 비율, 역방향 브레이크다운 전압과 같은 주요 전기적 파라미터를 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초박막 산화물 층이 이질 반도체 이종구조에서 격자 불일치를 효과적으로 매개할 수 있는가?
• RQ2 산화물 인터페이스가 인터페이스 결함과 응력을 줄이는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 이 방법을 통해 격자 불일치 시스템에서 고성능 p-n 다이오드를 실현할 수 있는가?
• RQ4 이러한 이종구조의 전기적 성능은 기존 방법과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ5 이 방법이 다양한 반도체 재료 조합에 얼마나 널리 적용 가능한가?

주요 결과

• 초박막 산화물 인터페이스는 Ge/Si, Si/GaAs, GaAs/GaN, Si/GaN 이종구조를 격자 불일치 최대 10%까지 성공적으로 형성하였다.
• 이러한 이종구조 기반 p-n 다이오드는 1.2 이하의 이데알리티 인자를 보이며, 낮은 재결합과 높은 인터페이스 품질을 나타낸다.
• 온/오프 비율이 10^7를 초과하는 전류가 측정되어 강한 정류 행동을 보였다.
• 역방향 브레이크다운 전압은 100 V 이상에 도달하여 장치의 견고한 안정성을 나타냈다.
• 다이아몬드, zinc blende, 그리고 헥사고날 라티스를 포함한 다양한 재료 체계에서 일관된 성능을 달성하였다.
• 이론적 분석을 통해 산화물 층이 인터페이스 에너지를 감소시키고 격자 완화를 촉진함을 확인하였다.