VedecMSc, PhD Oleg Babchenko
Názov projektuNávrh a príprava hybridných štruktúr na báze diamantu a nitridu gália
Hostiteľská organizáciaElektrotechnický ústav SAV
Dĺžka projektu01.05.2015 - 30.04.2018

Abstrakt
Projekt je založený na kombinácii pracovných skúseností a teoretických znalostí z oblasti výskumu týkajúcich sa technológie diamantových tenkých vrstiev a výroby elektronických prvkov na báze heteroštruktúr AlGaN/GaN. Projekt je zameraný na bilaterálny prenos poznatkov, návrh hybridných elektronických zariadení s účinným tepelným odvodom, napr. AlGaN/GaN súčiastky pasivované diamantom a/alebo diamantové štruktúry a prvky pokryté oxidom kovu, ale aj na samotnú výrobu týchto prvkov a ich charakterizáciu. Predpokladá sa, že riešenie projektu umožní výrobu hybridných vysoko výkonových elektronických súčiastok a/alebo mikro-elektro-mechanických systémov schopných pracovať pri vysokých frekvenciách a/alebo vysokých teplotách.

Zhrnutie projektu s priebežnými výsledkami

Realizácia  projektu  bola  uskutnená  v  niekoľkých  smeroch  súčasne,  v súlade so zámerom projektu, stanovenými cimi a aktuálnymi požiadavkami výskumného tímu na Elektrotechnickom ústave Slovenskej Akadémie Vied (ElU SAV). Ciele projektu, uvedené v pracovnom pláne podľa kľúčových faktorov úspešného rastu diamantu na cudzorodých substrátoch a jeho ďalšieho využitia na výrobu elektronických zariadení, boli nasledovné:

1).       Štúdium  tvorby  termodynamicky  priaznich  a stabilných  miest  na  cudzorodých substrátoch pre rast diamantu.

2).      Hľadanie korelácie medzi parametrami (Stanovenie podmienok) procesu rastu, vlastnosťami vytvorených diamantových vrstiev a vplyvom na rôzne druhy substrátov.

3).       Návrh, roba a charakterizácia hybridných elektronických súčiastok.

4).       Štúdium potenciálu využitia elektronických zariadení na báze diamantu.

Štúdie týkajúce sa prvého uvedeného cieľu boli určené požiadavkou rastu diamantových vrstiev na zadnej strane tenkých AlGaN/GaN mikromembrán a 3D štruktúrovaného  podporného  Si.  V  tomto  prípade  stabil (priaznivé)  miesta  pre  rast diamantu vo forme diamantových zrniek (jadra) boli distribuované na povrchu cudzorodých substrátov niekoľkými spôsobmi. Boli testované nukleačné stratégie ako nukleácia ultrazvukovým mianím a/alebo ponorením vzoriek do vodného či alkoholového roztoku (suspenzie) diamantového prášku, rovnako ako nukleácia pomocou diamantových častíc zabudovaných do polymérnej matrice. Porovnanie uvedených nukleačních stratégii ukázalo, že aj napriek účinnosti ultrazvukovej nukleácie na planárnych aj reliéfnych povrchoch nebolo mož túto stratégiu použiť pre tenké AlGaN/GaN membrány. Vzhľadom na ich hrúbky, všetky sa rozpadali počas ultrazvukového miania. Na druhej strane, jemné a pomerne dobré (pre planárne povrchy) ponorenie do roztoku neumožnilo privedenie diamantových zŕn (jadier) do spodných časti leptaného otvoru v substráte Si (zadná strana membrány ibočné steny). Napokon, nukleácia pomocou diamantových častíc zabudovaných do polymérnej matrice sa ukázala byť doteraz najúčinnejšou stratégiou pre nukleáciu tenkých AlGaN/GaN membrán a 3D štruktúrovaného podporného substrátu Si.

Porovnanie  dvoch  typov  zariadenia  pre  depozíciu  diamantu  (systémy  s horúcimi vláknami a mikrovlnnou plazmou) bolo realizované v rámci druhého cieľu projektu. Pozorované predbežné výsledky neukazujú významrozdiel pri vyití oboch systémov pre rast diamantu pomocou metódy chemických pár (CVD) na zadnú stranu AlGaN/GaN membrány a 3D štruktúrovaného podporného Si. Podrobnejšie porovnanie sa očakáva. Taktiež v rámci druhého cieľa projektu boli realizované predbežne pokusy rastu diamantu na pokrytie  kruhových  tranzistorov  s  vysokou  pohyblivosťou  elektrónov  (CHEMTs).  Proces rastu za štandardných podmienok (napr. ktoré boli efektívne poité počas rastu diamantu na membrány AlGaN/GaN zo zadnej strany po odleptaní substrátu Si) odhalil nedostatok stability pre pôvodne navrhnuté vysoko teplotne stabilIr/Au a IrO2/Au hradlá. Vzhľadom k nie optimalizovaným procesným podmienkam alebo návrhu štruktúr (napr. nepostujúca adhézia Au) bolo pozorované zhoršenie mechanických vlastností (v niektorých prípadoch dokonca delaminácia), a následne aj elektronických vlastností. Z tohto dôvodu bol skum ďalej orientovaný aj na modifikáciu návrhu samotných prvkov HEMT.

Podporná štúdia, ktorá ovplyvňuje druhý zámerný cieľ projektu, súvisela s vyšetrovaním celkovej stability AlGaN/GaN hetertruktúry voči vodíkovej plazme (široko poívanej pre rast diamantu). V tomto CHEMT súčiastky a kruhové štruktúry pre meranie vodivosti pomocou metódy prenosových vede (CTLM) boli vyrobené na AlGaN/GaN heteroštruktúrach na pevnej Si podložke. Ďalej, CHEMT a CTLM štruktúry nechránené a chránené tenkou SiNx vrstvou boli vystavené pôsobeniu nízkoteplotnej vodíkovej plazmy. Elektronické vlastnosti štruktúr, vyhodnotené pred a po opracovaní vodíkovou plazmou, rovnako ako štúdie pomocou skenovacieho elektrónového mikroskopu (SEM) a hmotnostnej spektroskopie sekundárnymi iónmi (SIMS) poskytujú lepšie pochopenie procesov spojených s rastom diamantu a ich vplyvom na AlGaN/GaN heteroštruktúry. Napríklad pomocou SEM sme zistili, že nenastáva žiadna degradácia AlGaN povrchu (teda i základného GaN) ani po

1 hodine opracovania vodíkovou plazmou. Na druhej strane, SIMS registruje prítomnosť vodíka v AlGaN vrstve, čo sa zbyť hlavnou príčinou pozorovaného rastu plného odporu a ľahkého zhoršenia elektronických vlastností meraných štruktúr (napr. zvýšenie hradlového zvodového prúdu). Všeobecná spätväzba na základe pozorovaných výsledkov preto je, že skôr ako ochrana proti fyzikálnemu alebo chemickému poškodeniu heteroštruktúry je nutná ochrana proti vniknutiu vodíka do jej objemu.

Výskumná práca vzťahujúca sa k návrhu elektronických štruktúr (tj. tretí cieľ projektu) bola zameraná na tvorbu vysokoteplotných stabilných hradlových kontaktov pre CHEMT, ktoré sú schopné odolať extrémnym podmienkam počas rastu diamantu. Ako sledok predchádzajúcich štúdii sme pozorovali, že v niektorých prípadoch predtým použité vysokoteplotne stabilIr/Au a IrO2/Au Schottkyho kontakty trpia v priebehu procesu rastu diamantu.  Modifikácia  hradlových  elektród  bola  sústredená  na  využitie  Ir/Al  hradiel zložených z niekoľkých sekvenčných multivrstiev. Vplyv rôznych postupov pri tvorbe (vysokoteplotnej oxidácii) Schottkyho kontaktov na ich štruktúrne a elektronické vlastnostbola podrobne analyzovaná s použitím Auger elektrónovej spektroskopie, difrakcie röntgenovými  lúčmi,  SEM,  a  elektrických  meraní.  Najlepšie  hradlové  kontakty  ukazujú vysoký kon a prevádzkovú stabilitu súčiastok až do teplôt vo ške 600°C.

Očakávané  konečné výsledky sú v súlade s  popísanými  v prílohe Annex1 a sú zamerane na AlGaN/GaN elektronické štruktúry s diamantovým pokrytím/podporou.