Name: plasma-assisted molecular beam epitaxy of n-polar inaln-barrier high-electron-mobility transistors
Uploaded: 2016-11-24T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 31 s
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The authors thank Mr. Neil Green for assistance with sample preparation. This work was supported by the Office of Naval Research under funding from Dr. P. Maki. MTH was supported by a National Research Council Postdoctoral Fellowship.

1.エフュージョンセルランプとフラックスキャリブレーション<ol><li>液体N 2は、クライオパネル及び成長チャンバをベース圧力に達したことを流れているか確認してください。 </li><li> Gaのための細胞で1℃/秒のランプ速度で彼らのビームフラックス測定（BFM）の温度にエフュージョンセルを立ち上げ、及びAlのための10℃/分。熱的に安定させるための細胞のために1時間を待ちます。 </li><li> 30-60秒のための各セルのシャッターを開き、1-2分間シャッターを閉じます。各セルについて3回繰り返します。第1のビームフラックスイオンゲージ測定を破棄し、第2の平均。前のフラックス/温度校正に応じた所望のフラックスを達成するために、セルの温度を調整します。 </li></ol> 2.基板の準備と読み込み<ol><li> 現場外の基板洗浄 <ol><li>ロードエピレディN極性GaNは任意の現場外洗浄せずに、直接基質。ウェハは、より空気にさらされた場合数時間以上、アセトン（30秒）、イソプロパノール（30秒）と脱イオン（DI）水（60秒）の下ですすぎます。それがウエハ表面に小さい粒子を残す傾向があるように、可能な場合すすぎ、浸漬に好適です。 注：Ga極性GaNが基板のためのきれいな、より厳密な表面が推奨される23 </li></ol></li><li> ロードウェハ <ol><li>ロードロック分離ゲートバルブを閉じ、そしてN 2でベント。 </li><li>ホルダー上のウエハをロードし、ロードロックにカセットを返します。ロードロック粗引きポンプの電源を入れ、粗引きポンプバルブとマニホールドバルブを開きます。 </li><li>マニホールド圧力が0.1トル以下に低下した場合には、マニホールドと粗引きポンプのバルブを閉じます。粗引きポンプの電源をオフにして、ロードロックターボポンプの隔離弁を開きます。 </li><li>ロードロックは、30〜60分間ポンプダウンすることができます。理想的には、準備室に転送する前に、10 -6〜10 -7 Torrのロードロックの圧力を使用しています。 </li><li>準備室にロードロックを開き、ウォブルスティックを使用して、トロリーにウェハを移します。そして、準備室にガス放出ステーションにウェハを転送するためにトロリーを使用しています。準備室に回転フィードスルーを使用して、レールに沿って手動でトロリーを移動します。 </li></ol></li><li> アウトガスウェハ <ol><li> 10分かけて700℃までガス放出ステーションヒーター温度をランプアップします。 </li><li> 30分後、戻ってダウンして100℃まで温度をランプアップします。温度は≤250°Cである場合には、ガス放出駅でウォブルスティックを使用してバックトロリーにウェハを転送します。 </li></ol></li><li> 成長チャンバにロードウェハ <ol><li>ロード位置に基板マニピュレータを下げ、準備/成長チャンバのゲートバルブを開き、マニピュレータにウェーハホルダを転送します。 </li><li>基板ヒーターの近くに、成長位置にマニピュレータを上げます。 </li><li>トロリとCLを削除しますゲートバルブOSE。 </li><li> N 2ボトルのバルブ、レギュレータバルブと遮断ニードルバルブを開きます。 1.5 SCCMにマスフローコントローラ（MFC）を設定（または3~4×10 -5トルのチャンバ圧力を得るために必要に応じて）。プラズマ点火のための最適圧力は強く、システムに依存します。 N 2は、超高純度（6Nより好ましくは良い）、さらに不純物を低減するためのラインで使用されている追加のフィルタでなければならないことに注意してください。 </li><li> N *メインシャッターを有するプラズマRF電源と自動マッチングネットワークコントローラの電源を入れ、閉じ。プラズマが点火するまで、RF電力を増加させます。 </li><li>この場合には、所望のプロセス条件を350 Wと2.0 SCCMのRF電力とN 2の流れを設定します。与えられたプラズマ条件に起因するN個の*フラックスはシステムに依存しますが、ここでは、これらの条件は5.0 nmで/分のGaN成長率、または1.8nmで-2秒のN個の*フラックスを得-1。に取り付けられた分光器とプラズマの安定性を監視しますプラズマ室の後部窓。 </li></ol></li><li> Gaの堆積及び脱着： インサイチュ表面処理で <ol><li> ≤1゜C /秒のランプ速度で所望のGaNの成長温度より10°Cまで基板ヒータをランプ。この場合には、730℃の推定ウエハ温度を使用します。 </li><li>ウェハ表面の劣化を監視し、Gaのカバレッジを監視するために、RHEEDシステムの電源を入れます。手動で基板回転をオンにします。基板は、成長中に回転している間に静止画像を提供するために、基板回転ごとに一度RHEEDパターンを収集するようにトリガRHEED取得ソフトウェアをセットアップします。 </li><li> 1分間基板シャッターとGaのシャッターを開きます。 RHEED強度がその後減少Gaを蓄積するようにプラトーに達したことを確認します。 Gaフラックスは、GaN成長のために使用されるものと同様であるべきです。ここで、Gaフラックスは、約3.7 nmである-2秒-1。 </li><li> 2分間シャッターを閉じ、RHEED確保強度が増加するとGaの脱離を示し、2分の終了前にプラトーに達しました。 </li><li>階段を2.5.2-2.5.4 3回、24を繰り返し、その後、GaN成長温度に基板をランプアップします。 </li></ol></li></ol> 3. HEMT成長<ol><li> バッファの成長 <ol><li> 1分間窒化用のN *シャッターを開くことによって、成長を開始します。 </li><li>アルシャッターを開くことにより、豊富なN-1-3薄いnmのAlN核生成層を成長させます。このAlN層は、25しかし 、AlN層は、X線回折（XRD）測定を複雑にし、XRDベースのキャリブレーションサンプルのために推奨されていない、貫通転位の発生を防ぐことができます。 InAlN層、または約0.36ナノメートル-2秒-1、約1ナノメートル/分の成長速度を与えるのと同じのAlフラックスを使用してください。 </li><li> AlとNの*シャッターを閉じ、すぐにGaが表面を飽和することを可能にするために10秒間のGaシャッターを開け、RHEED強度は、RAを減らす必要がありますpidly。 （まだオープンのGaシャッター付き）のN *のシャッターを開き、GaNの5分を育てます。使用は、緩衝液中の漏電電流を防止するために、特にGaN基板を自立するため、またはCドーピングう。 </li><li> 1分間の成長中断のためのGaとN *シャッターを閉じます。 RHEED強度を監視します。 RHEED強度はすぐに増加した場合、Gaフラックスが十分に高くありません。 RHEED強度が&gt; 30秒後に増加または1分以内にプラトーに達していない場合には、Gaフラックスは高すぎます。 図3を参照してください。 </li><li> 3.1.4で見られる高Gaフラックスを補償するために、数度の基板温度を上昇させる（またはGaでエフュージョンセルの温度を低下させます）。 Gaフラックスが低すぎた場合、補償するために基板温度を低下させる（またはGaのエフュージョンセル温度を上昇させます）。 <ol><li>手順を繰り返し3.1.3-3.1.5 RHEED強度が増加し、RHEED強度が1分前にプラトーに到達する前に、15から30秒の遅延があるまで。 </li></ol></李&gt; <li>手順を繰り返し続ける3.1.4-3.1.5所望のGaNの厚さに達するまで。較正された成長率により、総成長時間を掛けて厚さを決定します。 Gaリッチ成長のために、順番に別々に増殖させたキャリブレーションサンプル中の既知の成長時間のために厚さを測定するためのXRDを用いて算出することができるのN *フラックスによる成長速度を決定します。 </li></ol></li><li> InAlNバリア成長 <ol><li>すべてのGaが蒸発して確保するために、最終的なGaN成長工程の後に追加の1分を待ちます。 </li><li>迅速に約630℃までのInAlN成長温度まで上昇します。基板温度を約2分間安定させます。 </li><li>で、AlおよびN *シャッターを開きます。 RHEED強度が減少し、最初の3分以内にプラトーに達する必要があります。 RHEED強度の継続的な減少は、のInAlN成長に有害である、での蓄積を示すことができます。 RHEEDパターンは、滑らかな表面を示し、筋状のままであるべきです。私nおよびアルフラックスは、約0.31と0.36 nmである-2秒-1、/分1.25 nmでのIII族限られた成長率を与えます。 </li><li>希望の障壁の厚さに達した後では、AlおよびN *シャッターを閉じます。 N-豊かな成長のため、合計III族フラックスによって成長率を決定します。別々に成長したのInAlNキャリブレーションサンプルのXRDを使用して、成長速度を測定します。ここに与えられた条件を用いて、15nmでのInAlNバリアについては、12分30秒のシャッターを開きます。 </li></ol></li><li> 中間層とチャネル成長 <ol><li>まず、5秒間のGaシャッターを開け、N個の*のシャッターを開き、GaN系中間層を成長させます。基板温度はまだのInAlNの成長温度であるべきです。 </li><li> AlN中間層を成長させるのGaまたはN *シャッターを閉じずにアルシャッターを開きます。層間のAlフラックスは、理想的にInAlNをバリア層に使用し、別のAl噴散セルを使用して、T同じまたはNの*フラックスよりもわずかに高くなければなりませんOセル温度を変更することは避けてください。ステップ3.2.4を参照してください。 </li><li> N *とAlのシャッターを閉じますが、オープンのGaシャッターを残します。 GaNチャネル温度に基板温度を上昇。 </li><li> 30秒後のGaシャッターを閉じます。再オープンのGaシャッターを（RHEED強度が増加し始めるとすぐまたは）30秒を待ちます。基板は、GaNチャネル成長温度に達するまでのGaシャッターサイクルに進みます。過剰なGaの蓄積を防止しながら、これは表面を保護します。 </li><li>その後、5秒間のGaシャッターを開き、N個の*のシャッターを開き、GaNチャネルを成長させます。 </li><li> GaとN *とメインシャッターを閉じます。 N個の*プラズマをオフにして、N 2ガスの流れを遮断し、200°Cまで基板温度をランプアップします。 </li><li>その日のために終了した場合、そのスタンバイ温度に細胞をランプダウン。 </li><li>その後、250℃未満に減少させ、チャンバ圧力は8×10 -7トル以下に低下するために基板温度を待ち成長室のゲートバルブを開き、バックトロリーにウェーハホルダを転送します。 </li><li> 、バックロードロックにウェハを転送するN 2でベントとウエハを除去するためのステップ2.2の逆に従ってください。成長室のゲートバルブは、ロードロックを開く前に閉鎖されていることを確認し、ロードロックターボポンプのゲートバルブは通気の前に閉じていること。 </li><li>手順に従ってください2.2.3-2.2.5高真空にカセットとロードロックを返すように。 </li></ol></li></ol> 4.キャラクタリゼーション<ol><li>表面形態を確認するために、界面構造の品質をチェックするために、チャネルの成長の間に形成されたかもしれないピット、クラックやGaの液滴をチェックするためにXRDを、光学顕微鏡を用いて、AFM材料の品質を特徴付ける。20,21 </li><li> Ga液滴が存在する場合、化学的に敏感なN極性表面に損傷を与えることなく、液滴を除去するために5〜10分間濃縮HF酸中にウェハを浸します。 </li><li>シートの解像度を測定しますレイトン非接触抵抗の測定値を使用してistance。 </li><li>ホールとCTLM測定とDCとRFトランジスタの特性評価を含む電気特性評価を、可能にするためにサンプルを処理します。9,26 </li></ol>

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高品質のGaNバッファ層の成長は、任意のIII族窒化物HEMTに高い電子移動度を達成するために重要です。 N極性のInAlN HEMTの場合には、バッファ層の成長は、全てのGa前のInAlNの成長表面から除去することが必要条件によって複雑になります。金属変調エピタキシー、27は中間のGaカバレッジとGa液滴蓄積レジーム、28の縁部に成長条件を使用して、または連続的なN *を可能に...

分子線エピタキシー（MBE）が成長膜中の低不純物混入を確実にするために10 -11トルという低いベース圧力に超高真空環境を使用する多用途のエピタキシャル薄膜成長技術です。エピタキシャル成長層の組成及び成長速度は、各噴散セルの温度、および様々な原料の、従って蒸発フラックスを制御することによって決定されます。活性窒素（N *）フラックスのいずれかN 2プラズマ1,2-（RFプラズマによって設けられているIII族窒化物のエピタキシャル成長の場合には、III族元素（で、AlやGaを）は、典型的には流出セルによって提供されます-assisted MBE：PAMBEまたはRFMBE）又はアンモニア（NH 3 -MBE）-3,4- MBE成長は、より低い成長温度や、有機金属化学気相堆積のような他のエピタキシャル成長手法、よりシャープな界面急峻性によって特徴付けられる5概略図が示されています。 図1インチ <pクラス= &quot;jove_content&quot;&gt; <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/54775/54775fig1.jpg" /> 図1：MBEシステムの概略的なロードロック、搬送システム、ガス放出ステーションと成長室を模式的に示す<a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54775/54775fig1large.jpg" target="_blank">。この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> III族窒化物結晶方位の多様を有する基板上に成長させることができます。最も一般的に使用される方向は、バリア層、典型的にはAlGaNから、及びGaNチャネル間の偏光の差を利用してドーピングすることなく、二次元電子ガスを形成することができるGa極性のC -planeあります。 GaNの非極性様々なおよび半極性の向きが原因また、HEMTのアプリケーション情報のために、これらの向きはあまり望ましくなり6,7量子井戸、で減少偏光効果にオプトエレクトロニクスのための重要な注目を集めていますナノ秒。 N極性配向デバイス起因従来のGa極性デバイスに比べていくつかの固有の利点を次世代の高周波HEMTの動作のために魅力的である。 図2に示すように8 N極デバイスでのバリア層が得られ、GaNチャネルの下に成長させますチャネルの静電制御を補助し、GaNチャネルに簡単に現在のアクセスを可能にし、接触抵抗を低減しつつ、短チャネル効果を減少させる天然の背面障壁です。チャネルの厚さが、高周波デバイス用縮小されるバリア設計はフェルミレベルピニング効果により失われたチャネル電荷を補償するように修正することができるように、バリアはまた、チャンネルとは別に制御することができます。 <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/54775/54775fig2.jpg" /> 図2：比較例のための（a）は N極HEMT及び（b）は Ga極性HEMTのエピタキシャル層の概略的な層構造ISON。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54775/54775fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> 高速で使用したHEMTは、高電力増幅器は、通常、SiCの高い熱伝導性を利用するためにSiC基板上に成長させます。低貫通転位密度のGaN自立基板9従って、高周波性能を向上させる、電子移動度を向上させるために使用することができます。 AlN核生成層の成長に続いて、厚いGaNバッファは、空間的にHEMTのチャネルから再成長界面の不純物を分離し、電気的分離を改善するために成長させます。他のIII-V材料とは異なり、PAMBEによって成長させたGaNは、典型的には、平滑な表面形態を達成するために、1よりも大きなグループIII / V比、 即ち 、金属リッチな条件、10,11と成長条件を必要とします。 xはアル1- X Nは、ALTERですネイティブバリアIII族窒化物HEMTのための材料、およびそれが格子は、x≈0.18のためのGaNに整合し、その高い自発分極によるのAlGaN障壁に2倍以上のチャネル電荷の相対を生成することができます成長させることができるため、最近大きな注目を受けている。12月15日とは異なり、 AlGaN障壁は、Gaが16は、このように表面がGaリッチGaNバッファ層の成長前のInAlNの成長の後に過剰のGaの自由であることを確認するために注意しなければなりません、のInAlN層にInに優先的に組み込む予定。 表面上のGaの制御は、Gaを液滴形成のために必要な磁束よりもわずかに小さいGaフラックスを補給することによって達成することができます。しかし、この成長窓が小さく、不十分なGaの表面被覆率は、過剰のGaフラックスはジョージア蓄積および巨視的な液滴の形成をもたらすであろうしながら表面モフォロジーがプラトー/トレンチ形態に低下します。17、反射高エネルギー電子回折（RHEED）INTENS<html>性は、Gaの蓄積および脱着を監視するために使用することができます。 GAの表面被覆率は、RHEED強度の減少、及びGaを閉じるとの間の遅れによって示され（かつN *）シャッターおよび図3に示すようにRHEED強度の最初の増加は、GAの蓄積を示しています。 <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/54775/54775fig3.jpg" /> 図3：トリガ取込みを用いて回転下で取得されRHEEDパターンから測定したRHEED強度 RHEED強度信号とGaのカバレッジを監視します 。不十分Gaフラックスはシャッター（図示せず）を閉じた後に強度の即時の増加によって示されます。飽和/理想的なGaのカバレッジがシャッターの閉鎖と突然のRHEED増白と初期のRHEED光沢の遅れだけでなく、より長い60秒を取って最大強度の回復が得られ、より緩やかな強度増加の両方として見に過剰のGaカバレッジ間の遅延によって示されています。コム/ファイル/ ftp_upload / 54775 / 54775fig3large.jpg &quot;ターゲット=&quot; _空白 &quot;&gt;この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 PAMBEによってInAlNを実現高品質で豊富な境界によって囲まれたAlリッチドメインからなる「ハニカム」微細構造が得られ、横組成変動の存在によって複雑になる。この微細構造の18除去は、約50の基板温度を使用することによって達成されますN極性のInAlNのために脱着の発症、15,19,20または約630℃以上のC°。この高温成長レジームでは、中のXのAl 1-×N個の組成物は、取り込みに低い結果として、より高い温度で、基板温度の強い関数です。フラックスは、実際には、磁束の最大フラックスが増加して取り込み効率の低下によって制限されるが、蒸発によって失わに補償するために増加させることができます基板温度を低下させるか、フラックスの増加、成長速度も起因」効果を埋め込むには、「にIn組成を増加させることができる増大に加えて21、着信Al原子トラップ内と蒸発を防ぐ。21,22高いです成長率は比例で及びAlフラックスを増加させることによって達成することができます。 Nリッチ成長条件を維持するために、N *は、N 2の流量を増加させるプラズマチャンバの設計を改善する、または開口プレート穴を増やす、RFプラズマ電力を増加させることによって達成することができるだけでなく大きくする必要があります密度。 InAlNベースのHEMTで追加のエピタキシャル層は、GaNとAlN中間層（ILS）とGaNチャネルが含まれます。バリアとチャネルとの間に挿入されたAlN ILは、移動度μだけでなく、チャネルシート電荷密度のn 秒を増やすことができます 。移動度の増加は、InAlNをBの電子波動関数の重なりを低減することに起因しますarrierとその後の合金散乱。9のAlN ILの高品質な成長を確保するためには、Gaフラックスの過剰な界面活性剤として機能するように成長中に供給されています。 GaN系ILは、チャネル電荷を低減しつつ、さらに移動度を向上させるためのAlN ILとバリアの間で使用することができます。 GaNチャネルは、イオン液体と、チャネルしかしバリアの継続的な成長を可能にするのInAlNバリアと同じ温度で成長させることができます。改善された移動度は、AlN IL後に成長を中断し、GaNチャネルを成長する前に成長温度を増加させることにより得られました。この場合、保護のGa表面被覆率は、移動度の低下を防ぐために、割り込みの間、維持されなければなりません。 以下のプロトコルは、N極性GaN基板上に成長させたのInAlNバリアのHEMTに特異的に適用されます。これは、直接に50nm厚NリッチAlN層を含むことにより、C-極性4H-または6H-SiCの基板上での成長に拡張することができます。

<table><tbody><tr><td>Freestanding N-polar GaN wafer</td><td>Kyma</td><td></td><td>10 mm x 10 mm</td></tr><tr><td>C-polar SiC wafer</td><td>Cree</td><td>W4TRE0R-L600</td><td>3 inch diameter</td></tr><tr><td>Microelectronics grade acetone</td><td>Fischer Scientific</td><td>A18-4</td><td></td></tr><tr><td>Microelectronics grade isoproponal</td><td>J.T. Baker</td><td>9079-05/JT9079-5</td><td></td></tr><tr><td>Al source material (6N5 pure)</td><td>UMC</td><td>ALR62060I</td><td></td></tr><tr><td>Ga source material (7N pure)</td><td>UMC</td><td>GA701</td><td></td></tr><tr><td>In source material (7N pure)</td><td>UMC</td><td>IN750</td><td></td></tr><tr><td>ULSI N&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; source gas (6N pure)</td><td>Matheson Tri-gas</td><td>G2659906D</td><td></td></tr><tr><td>PRO-75 MBE system</td><td>OmicronScientia</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

plasma-assisted molecular beam epitaxy of n-polar inaln-barrier high-electron-mobility transistors

プラズマ支援分子線エピタキシーは、高品質の高電子移動度トランジスタ（HEMTの）ために必要な滑らかな、急峻界面でIII族窒化物薄膜とヘテロ構造のエピタキシャル成長に適しています。手順は、ウェハ製造と緩衝層、InAlNを障壁層はAlNとGaNの中間層とGaNチャネルの成長を含むN極性のInAlNのHEMTの成長のために提示されています。プロセスの各ステップでの重要な問題は、このようなのGa GaNバッファへの蓄積、InAlNを組成均一性に及ぼす温度の役割、とAlN中間層と前GaNチャネル成長への割り込み中のGaフラックスの使用を避けるように、識別されます。組成的均質N極性のInAlN薄膜は0.19 nmと低表面二乗平均平方根粗さで実証され、のInAlN系HEMT構造は、シート電荷密度を有するデバイスのために1,750 cm 2の/ V∙秒という高い移動度を有すると報告されています1.7×10の13センチメートル-2。

X線回折（XRD） 図4のN極性GaN基板上に成長させた図示のInAlN薄膜のスキャンは、（a）は、シングル50と200nmの厚さのフィルムの両方にピークに達しています。厚さ50nmのInAlN膜のXRDスキャンはPendellösungが非常に高い界面品質を示す、順序第 15までの縞示します。 図4の非対称逆格子空間マップ（b）は、厚さ200nmの...

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Plasma-assisted Molecular Beam Epitaxy of N-polar InAlN-barrier High-electron-mobility Transistors

分子線エピタキシーは、N極性のInAlNバリア高電子移動度トランジスタ（HEMTの）を成長させるために使用されます。 1,750 cm 2の/ V∙秒という高い移動度を有する滑らかな、組成的に均質のInAlN層とのHEMTのウエハ製剤の制御、層の成長条件とエピタキシャル構造をもたらします。

N極性のInAlNバリア高電子移動度トランジスタのプラズマ支援分子線エピタキシ

Plasma-assisted molecular beam epitaxy is well suited for the epitaxial growth of III-nitride thin films and heterostructures with smooth, abrupt ...

plasma-assisted-molecular-beam-epitaxy-n-polar-inaln-barrier-high

Research

JoVE Journal

Engineering

8.5K ビュー.  Naval Research Laboratory. 分子線エピタキシーは、N極性のInAlNバリア高電子移動度トランジスタ（HEMTの）を成長させるために使用されます。 1,750 cm 2の/ V∙秒という高い移動度を有する滑らかな、組成的に均質のInAlN層とのHEMTのウエハ製剤の制御、層の成長条件とエピタキシャル構造をもたらします。 

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Molecular Beam Mass Spectrometry With Tunable Vacuum Ultraviolet (VUV) Synchrotron Radiation

Tunable soft ionization coupled to mass spectroscopy is a powerful method to investigate isolated molecules, complexes and clusters and their spectroscopy and dynamics1-4. Fundamental studies of photoionization processes of biomolecules provide information about the electronic structure of these systems. Furthermore determinations of ionization energies and other properties of biomolecules in the gas phase are not trivial, and these experiments provide a platform to generate these data. We have developed a thermal vaporization technique coupled with supersonic molecular beams that provides a gentle way to transport these species into the gas phase. Judicious combination of source gas and temperature allows for formation of dimers and higher clusters of the DNA bases. The focus of this particular work is on the effects of non-covalent interactions, i.e., hydrogen bonding, stacking, and electrostatic interactions, on the ionization energies and proton transfer of individual biomolecules, their complexes and upon micro-hydration by water1, 5-9.
We have performed experimental and theoretical characterization of the photoionization dynamics of gas-phase uracil and 1,3-dimethyluracil dimers using molecular beams coupled with synchrotron radiation at the Chemical Dynamics Beamline10 located at the Advanced Light Source and the experimental details are visualized here. This allowed us to observe the proton transfer in 1,3-dimethyluracil dimers, a system with pi stacking geometry and with no hydrogen bonds1. Molecular beams provide a very convenient and efficient way to isolate the sample of interest from environmental perturbations which in return allows accurate comparison with electronic structure calculations11, 12. By tuning the photon energy from the synchrotron, a photoionization efficiency (PIE) curve can be plotted which informs us about the cationic electronic states. These values can then be compared to theoretical models and calculations and in turn, explain in detail the electronic structure and dynamics of the investigated species 1, 3.

Molecular Beam Mass Spectrometry With Tunable Vacuum Ultraviolet VUV Synchrotron Radiation

A molecular beam coupled to tunable vacuum ultraviolet photoionization mass spectrometer at a synchrotron provides a convenient tool to explore the electronic structure of isolated gas phase molecules and clusters. Proton transfer mechanisms in DNA base dimers were elucidated with this technique.

波長可変真空紫外（VUV）放射光を用いた分子線質量分析

Tunable soft ionization coupled to mass spectroscopy is a powerful method to investigate isolated molecules, complexes and clusters and their spectroscopy ...

工学

Nanofabrication of Gate-defined GaAs/AlGaAs Lateral Quantum Dots

A quantum computer is a computer composed of quantum bits (qubits) that takes advantage of quantum effects, such as superposition of states and entanglement, to solve certain problems exponentially faster than with the best known algorithms on a classical computer. Gate-defined lateral quantum dots on GaAs/AlGaAs are one of many avenues explored for the implementation of a qubit. When properly fabricated, such a device is able to trap a small number of electrons in a certain region of space. The spin states of these electrons can then be used to implement the logical 0 and 1 of the quantum bit. Given the nanometer scale of these quantum dots, cleanroom facilities offering specialized equipment- such as scanning electron microscopes and e-beam evaporators- are required for their fabrication. Great care must be taken throughout the fabrication process to maintain cleanliness of the sample surface and to avoid damaging the fragile gates of the structure. This paper presents the detailed fabrication protocol of gate-defined lateral quantum dots from the wafer to a working device. Characterization methods and representative results are also briefly discussed. Although this paper concentrates on double quantum dots, the fabrication process remains the same for single or triple dots or even arrays of quantum dots. Moreover, the protocol can be adapted to fabricate lateral quantum dots on other substrates, such as Si/SiGe.

This paper presents a detailed fabrication protocol for gate-defined semiconductor lateral quantum dots on gallium arsenide heterostructures. These nanoscale devices are used to trap few electrons for use as quantum bits in quantum information processing or for other mesoscopic experiments such as coherent conductance measurements.

ゲート定義のGaAs / AlGaAs系横量子ドットのナノファブリケーション

A quantum computer is a computer composed of quantum bits (qubits) that takes advantage of quantum effects, such as superposition of states and ...

Electron Channeling Contrast Imaging for Rapid III-V Heteroepitaxial Characterization

Misfit dislocations in heteroepitaxial layers of GaP grown on Si(001) substrates are characterized through use of electron channeling contrast imaging (ECCI) in a scanning electron microscope (SEM). ECCI allows for imaging of defects and crystallographic features under specific diffraction conditions, similar to that possible via plan-view transmission electron microscopy (PV-TEM). A particular advantage of the ECCI technique is that it requires little to no sample preparation, and indeed can use large area, as-produced samples, making it a considerably higher throughput characterization method than TEM. Similar to TEM, different diffraction conditions can be obtained with ECCI by tilting and rotating the sample in the SEM. This capability enables the selective imaging of specific defects, such as misfit dislocations at the GaP/Si interface, with high contrast levels, which are determined by the standard invisibility criteria. An example application of this technique is described wherein ECCI imaging is used to determine the critical thickness for dislocation nucleation for GaP-on-Si by imaging a range of samples with various GaP epilayer thicknesses. Examples of ECCI micrographs of additional defect types, including threading dislocations and a stacking fault, are provided as demonstration of its broad, TEM-like applicability. Ultimately, the combination of TEM-like capabilities &#8211; high spatial resolution and richness of microstructural data &#8211; with the convenience and speed of SEM, position ECCI as a powerful tool for the rapid characterization of crystalline materials.

The use of electron channeling contrast imaging in a scanning electron microscope to characterize defects in III-V/Si heteroexpitaxial thin films is described. This method yields similar results to plan-view transmission electron microscopy, but in significantly less time due to lack of required sample preparation.

迅速なIII-Vヘテロ特徴付けのための電子チャネリングコントラストイメージング

Misfit dislocations in heteroepitaxial layers of GaP grown on Si(001) substrates are characterized through use of electron channeling contrast imaging ...

Silicon Metal-oxide-semiconductor Quantum Dots for Single-electron Pumping

As mass-produced silicon transistors have reached the nano-scale, their behavior and performances are increasingly affected, and often deteriorated, by quantum mechanical effects such as tunneling through single dopants, scattering via interface defects, and discrete trap charge states. However, progress in silicon technology has shown that these phenomena can be harnessed and exploited for a new class of quantum-based electronics. Among others, multi-layer-gated silicon metal-oxide-semiconductor (MOS) technology can be used to control single charge or spin confined in electrostatically-defined quantum dots (QD). These QD-based devices are an excellent platform for quantum computing applications and, recently, it has been demonstrated that they can also be used as single-electron pumps, which are accurate sources of quantized current for metrological purposes. Here, we discuss in detail the fabrication protocol for silicon MOS QDs which is relevant to both quantum computing and quantum metrology applications. Moreover, we describe characterization methods to test the integrity of the devices after fabrication. Finally, we give a brief description of the measurement set-up used for charge pumping experiments and show representative results of electric current quantization.

The fabrication process and experimental characterization techniques relevant to single-electron pumps based on silicon metal-oxide-semiconductor quantum dots are discussed.

単電子揚水用のシリコン金属酸化膜半導体量子ドット

As mass-produced silicon transistors have reached the nano-scale, their behavior and performances are increasingly affected, and often deteriorated, by ...

Advanced Experimental Methods for Low-temperature Magnetotransport Measurement of Novel Materials

Novel electronic materials are often produced for the first time by synthesis processes that yield bulk crystals (in contrast to single crystal thin film synthesis) for the purpose of exploratory materials research. Certain materials pose a challenge wherein the traditional bulk Hall bar device fabrication method is insufficient to produce a measureable device for sample transport measurement, principally because the single crystal size is too small to attach wire leads to the sample in a Hall bar configuration. This can be, for example, because the first batch of a new material synthesized yields very small single crystals or because flakes of samples of one to very few monolayers are desired. In order to enable rapid characterization of materials that may be carried out in parallel with improvements to their growth methodology, a method of device fabrication for very small samples has been devised to permit the characterization of novel materials as soon as a preliminary batch has been produced. A slight variation of this methodology is applicable to producing devices using exfoliated samples of two-dimensional materials such as graphene, hexagonal boron nitride (hBN), and transition metal dichalcogenides (TMDs), as well as multilayer heterostructures of such materials. Here we present detailed protocols for the experimental device fabrication of fragments and flakes of novel materials with micron-sized dimensions onto substrate and subsequent measurement in a commercial superconducting magnet, dry helium close-cycle cryostat magnetotransport system at temperatures down to 0.300 K and magnetic fields up to 12 T.

We describe the methodology of mechanical exfoliation and deposition of flakes of novel materials with micron-sized dimensions onto substrate, fabrication of experimental device structures for transport experimentation, and the magnetotransport measurement in a dry helium close-cycle cryostat at temperatures down to 0.300 K and magnetic fields up to 12 T.

新規材料の低温磁気伝導測定のための高度な実験方法

Novel electronic materials are often produced for the first time by synthesis processes that yield bulk crystals (in contrast to single crystal thin film ...

Fabrication of Schottky Diodes on Zn-polar BeMgZnO/ZnO Heterostructure Grown by Plasma-assisted Molecular Beam Epitaxy

Heterostructure field effect transistors (HFETs) utilizing a two dimensional electron gas (2DEG) channel have a great potential for high speed device applications. Zinc oxide (ZnO), a semiconductor with a wide bandgap (3.4 eV) and high electron saturation velocity has gained a great deal of attention as an attractive material for high speed devices. Efficient gate modulation, however, requires high-quality Schottky contacts on the barrier layer. In this article, we present our Schottky diode fabrication procedure on Zn-polar BeMgZnO/ZnO heterostructure with high density 2DEG which is achieved through strain modulation and incorporation of a few percent Be into the MgZnO-based barrier during growth by molecular beam epitaxy (MBE). To achieve high crystalline quality, nearly lattice-matched high-resistivity GaN templates grown by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) are used as the substrate for the subsequent MBE growth of the oxide layers. To obtain the requisite Zn-polarity, careful surface treatment of GaN templates and control over the VI/II ratio during the growth of low temperature ZnO nucleation layer are utilized. Ti/Au electrodes serve as Ohmic contacts, and Ag electrodes deposited on the O2 plasma pretreated BeMgZnO surface are used for Schottky contacts.

Attainment of high-quality Schottky contacts is imperative for achieving efficient gate modulation in heterostructure field effect transistors (HFETs). We present the fabrication methodology and characteristics of Schottky diodes on Zn-polar BeMgZnO/ZnO heterostructures with high-density two dimensional electron gas (2DEG), grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy on GaN templates.

プラズマ援用分子線エピタキシー法により成長した Zn 極性 ZnO/BeMgZnO へテロ構造をショットキー ダイオードの作製

Heterostructure field effect transistors (HFETs) utilizing a two dimensional electron gas (2DEG) channel have a great potential for high speed device ...

Plasma-Assisted Molecular Beam Epitaxy Growth of Mg3N2 and Zn3N2 Thin Films

This article describes a procedure for growing Mg3N2 and Zn3N2 films by plasma-assisted molecular beam epitaxy (MBE). The films are grown on 100 oriented MgO substrates with N2 gas as the nitrogen source. The method for preparing the substrates and the MBE growth process are described. The orientation and crystalline order of the substrate and film surface are monitored by the reflection high energy electron diffraction (RHEED) before and during growth. The specular reflectivity of the sample surface is measured during growth with an Ar-ion laser with a wavelength of 488 nm. By fitting the time dependence of the reflectivity to a mathematical model, the refractive index, optical extinction coefficient, and growth rate of the film are determined. The metal fluxes are measured independently as a function of the effusion cell temperatures using a quartz crystal monitor. Typical growth rates are 0.028 nm/s at growth temperatures of 150 &#176;C and 330 &#176;C for Mg3N2 and Zn3N2 films, respectively.

Plasma-Assisted Molecular Beam Epitaxy Growth of Mg3N2 and Zn3N2 Thin Films

This article describes the growth of epitaxial films of Mg3N2 and Zn3N2 on MgO substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy with N2 gas as the nitrogen source and optical growth monitoring.

Mg3 N2およびZn3N2薄膜の血漿支援分子ビームエピタキシー成長

This article describes a procedure for growing Mg3N2 and Zn3N2 films by plasma-assisted molecular beam epitaxy (MBE). The films are grown on 100 oriented ...

Graphene-Assisted Quasi-van der Waals Epitaxy of AlN Film on Nano-Patterned Sapphire Substrate for Ultraviolet Light Emitting Diodes

This protocol demonstrates a method for graphene-assisted quick growth and coalescence of AlN on nano-pattened sapphire substrate (NPSS). Graphene layers are directly grown on NPSS using catalyst-free atmospheric-pressure chemical vapor deposition (APCVD). By applying nitrogen reactive ion etching (RIE) plasma treatment, defects are introduced into the graphene film to enhance chemical reactivity. During metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) growth of AlN, this N-plasma treated graphene buffer enables AlN quick growth, and coalescence on NPSS is confirmed by cross-sectional scanning electron microscopy (SEM). The high quality of AlN on graphene-NPSS is then evaluated by X-ray rocking curves (XRCs) with narrow (0002) and (10-12) full width at half-maximum (FWHM) as 267.2 arcsec and 503.4 arcsec, respectively. Compared to bare NPSS, AlN growth on graphene-NPSS shows significant reduction of residual stress from 0.87 GPa to 0.25 Gpa, based on Raman measurements. Followed by AlGaN multiple quantum wells (MQWS) growth on graphene-NPSS, AlGaN-based deep ultraviolet light-emitting-diodes (DUV LEDs) are fabricated. The fabricated DUV-LEDs also demonstrate obvious, enhanced luminescence performance. This work provides a new solution for the growth of high quality AlN and fabrication of high performance DUV-LEDs using a shorter process and less costs.

A protocol for graphene-assisted growth of high-quality AlN films on nano-patterned sapphire substrate is presented.

紫外発光ダイオード用ナノパターンサファイア基板上のAlNフィルムのグラフェン支援準ファンデルワールスエピタキシー

This protocol demonstrates a method for graphene-assisted quick growth and coalescence of AlN on nano-pattened sapphire substrate (NPSS). Graphene layers ...

The Effect of Anodization Parameters on the Aluminum Oxide Dielectric Layer of Thin-Film Transistors

Aluminum-oxide (Al2O3) is a low cost, easily processable and high dielectric constant insulating material that is particularly appropriate for use as the dielectric layer of thin-film transistors (TFTs). Growth of aluminum-oxide layers from anodization of metallic aluminum films is greatly advantageous when compared to sophisticated processes such as atomic layer deposition (ALD) or deposition methods that demand relatively high temperatures (above 300 &#176;C) such as aqueous combustion or spray-pyrolysis. However, the electrical properties of the transistors are highly dependent on the presence of defects and localized states at the semiconductor/dielectric interface, which are strongly affected by the manufacturing parameters of the anodized dielectric layer. To determine how several fabrication parameters influence the device performance without performing all possible combination of factors, we used a reduced factorial analysis based on a Plackett-Burman design of experiments (DOE). The choice of this DOE permits the use of only 12 experimental runs of combinations of factors (instead of all 256 possibilities) to obtain the optimized device performance. The ranking of the factors by the effect on device responses such as the TFT mobility is possible by applying analysis of variance (ANOVA) to the obtained results.

Anodization parameters for growth of the aluminum-oxide dielectric layer of zinc-oxide thin-film transistors (TFTs) are varied to determine the effects on the electrical parameter responses. Analysis of variance (ANOVA) is applied to a Plackett-Burman design of experiments (DOE) to determine the manufacturing conditions that result in optimized device performance.

薄膜トランジスタの酸化アルミニウム誘電体層に及ぼす陽極化パラメータの効果

Aluminum-oxide (Al2O3) is a low cost, easily processable and high dielectric constant insulating material that is particularly appropriate for use as the ...

化学

In Situ Transmission Electron Microscopy with Biasing and Fabrication of Asymmetric Crossbars Based on Mixed-Phased a-VOx

Resistive switching crossbar architecture is highly desired in the field of digital memories due to low cost and high-density benefits. Different materials show variability in resistive switching properties due to the intrinsic nature of the material used, leading to discrepancies in the field because of underlying operation mechanisms. This highlights a need for a reliable technique to understand mechanisms using nanostructural observations. This protocol explains a detailed process and methodology of in&#160;situ nanostructural analysis as a result of electrical biasing using transmission electron microscopy (TEM). It provides visual and reliable evidence of underlying nanostructural changes in real time memory operations. Also included is the methodology of fabrication and electrical characterizations for asymmetric crossbar structures incorporating amorphous vanadium oxide. The protocol explained here for vanadium oxide films can be easily extended to any other materials in a metal-dielectric-metal sandwiched structure. Resistive switching crossbars are predicted to serve the programmable logic and neuromorphic circuits for next-generation memory devices, given the understanding of the operation mechanisms. This protocol reveals the switching mechanism in a reliable, timely, and cost-effective way in any type of resistive switching materials, and thereby predicts the device&#39;s applicability.

In Situ Transmission Electron Microscopy with Biasing and Fabrication of Asymmetric Crossbars Based on Mixed-Phased a-VOx

Presented here is a protocol for analyzing nanostructural changes during in&#160;situ biasing with transmission electron microscopy (TEM) for a stacked metal-insulator-metal structure. It has significant applications in resistive switching crossbars for the next generation of programmable logic circuits and neuromimicking hardware, to reveal their underlying operation mechanisms and practical applicability.

N極性のInAlNバリア高電子移動度トランジスタのプラズマ支援分子線エピタキシ

要約

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この動画の章

波長可変真空紫外（VUV）放射光を用いた分子線質量分析

ゲート定義のGaAs / AlGaAs系横量子ドットのナノファブリケーション

迅速なIII-Vヘテロ特徴付けのための電子チャネリングコントラストイメージング

単電子揚水用のシリコン金属酸化膜半導体量子ドット

新規材料の低温磁気伝導測定のための高度な実験方法

プラズマ援用分子線エピタキシー法により成長した Zn 極性 ZnO/BeMgZnO へテロ構造をショットキーダイオードの作製

Mg3 N₂およびZn3N₂薄膜の血漿支援分子ビームエピタキシー成長

紫外発光ダイオード用ナノパターンサファイア基板上のAlNフィルムのグラフェン支援準ファンデルワールスエピタキシー

薄膜トランジスタの酸化アルミニウム誘電体層に及ぼす陽極化パラメータの効果

混相a-VO_xに基づく非対称クロスバーのバイアスと作製を用いたSitu透過電子顕微鏡

N極性のInAlNバリア高電子移動度トランジスタのプラズマ支援分子線エピタキシ

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波長可変真空紫外（VUV）放射光を用いた分子線質量分析

ゲート定義のGaAs / AlGaAs系横量子ドットのナノファブリケーション

迅速なIII-Vヘテロ特徴付けのための電子チャネリングコントラストイメージング

単電子揚水用のシリコン金属酸化膜半導体量子ドット

新規材料の低温磁気伝導測定のための高度な実験方法

プラズマ援用分子線エピタキシー法により成長した Zn 極性 ZnO/BeMgZnO へテロ構造をショットキー ダイオードの作製

Mg3 N2およびZn3N2薄膜の血漿支援分子ビームエピタキシー成長

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薄膜トランジスタの酸化アルミニウム誘電体層に及ぼす陽極化パラメータの効果

混相a-VOxに基づく非対称クロスバーのバイアスと作製を用いたSitu透過電子顕微鏡

プラズマ援用分子線エピタキシー法により成長した Zn 極性 ZnO/BeMgZnO へテロ構造をショットキーダイオードの作製

Mg3 N₂およびZn3N₂薄膜の血漿支援分子ビームエピタキシー成長

混相a-VO_xに基づく非対称クロスバーのバイアスと作製を用いたSitu透過電子顕微鏡