Facilitating automatic analysis of thin-film structures
Análisis avanzado de transistores de alta movilidad electrónica (HEMT) GaN-on-Si
La tecnología GaN-on-Si ha evolucionado a partir de amplias actividades de investigación y ahora está entrando en la producción mundial a gran escala por parte de una amplia gama de proveedores. Las soluciones automatizadas de metrología de semiconductores para controlar y optimizar la producción de este tipo de oblea epitaxial tienen ahora una gran demanda.
El nitruro de galio (GaN) y los semiconductores compuestos III/V relacionados compuestos se utilizan ahora ampliamente en la producción de módulos de RF, dispositivos de conversión de energía y diodos emisores de luz de alto brillo (LED). Los transistores de alta movilidad electrónica (HEMT) basados en GaN son la tecnología más prometedora para dispositivos de alta potencia y alta eficiencia en muchas aplicaciones. Aquí, el GaN se crece epitaxialmente sobre diversos sustratos; por ejemplo, GaN-on-Si, que se forma mediante pilas delgadas basadas en GaN sobre sustratos de silicio (Si), relativamente baratos y disponibles en diámetros de hasta 300 mm.
Una aplicación de GaN-on-Si es en dispositivos de potencia como cargadores de baterías, smartphones, ordenadores, servidores, automoción, sistemas de iluminación y fotovoltaica. Estos dispositivos basados en GaN acaban de entrar en el mercado y desempeñan un papel clave en el mercado emergente de conversión de energía.
La producción de GaN-on-Si se basa en el crecimiento epitaxial de heteroestructuras multicapa de GaN sobre sustratos de Si mediante deposición química de vapores metalorgánicos (MOCVD). Estos dispositivos contienen estructuras epitaxiales de complejidad creciente.
La calidad de la barrera de AlGaN y de la capa de GaN subyacente que forma el 2DEG es crucial para el rendimiento y la fiabilidad del dispositivo. Esto depende de la calidad de la capa gruesa de GaN crecida sobre la estructura tampón. Un análisis exhaustivo de las capas individuales de estas estructuras multicapa supone un reto para los métodos de caracterización existentes.
AMASS, con una funcionalidad completa, puede utilizarse para determinar la uniformidad de todos los parámetros en una oblea. Esto es esencial para optimizar la producción de obleas epitaxiales.
Lars Grieger – Business Development Manager Semiconductor Metrology at Malvern Panalytical
Metrología de rayos X
La difracción de rayos X de alta resolución es una herramienta consolidada y potente para la caracterización no destructiva de estructuras heteroepitaxiales. Se emplea de forma rutinaria tanto en investigación de materiales como en control de calidad en producción. Los patrones de difracción de rayos X proporcionan información sobre la composición y la uniformidad, el espesor de las capas, la relajación de la tensión, la perfección cristalina y mucho más.
Los mapas alrededor de los puntos de la red recíproca (RSM) pueden revelar información adicional más allá de la proporcionada por escaneos lineales simples, como las curvas de oscilación de alta resolución. Los RSM se utilizan normalmente para ayudar a interpretar el desplazamiento de picos, el ensanchamiento de picos o el solapamiento de picos. Sin embargo, no se han utilizado con frecuencia porque se consideran demasiado laboriosos de adquirir y analizar.
No obstante, los avances recientes en la tecnología de detectores de área de rayos X, combinados con algoritmos inteligentes de posicionamiento y procesamiento de datos, permiten ahora registrar RSM en tiempos más cortos que las curvas de oscilación. Estas mediciones de alta velocidad encuentran aplicación en la caracterización de todo tipo de materiales cristalinos avanzados. En el ejemplo siguiente, podemos ver cómo los RSM pueden utilizarse para caracterizar HEMT GaN-on-Si.
Análisis de estructuras HEMT
La determinación de la composición y el espesor de la capa barrera de un HEMT basado en GaN es un proceso de dos pasos: la evaluación del RSM alrededor de la reflexión (-1 -1 4) de GaN revela los valores de composición y relajación de las capas tampón y de la barrera de AlGaN. Nuestro AMASS (Advanced Materials Analysis and Simulation Software) recientemente introducido busca y etiqueta automáticamente las posiciones de los picos y determina la composición de Al y la relajación de la capa barrera. Lo mismo se aplica a los picos de la capa tampón.
Aunque el RSM no puede proporcionar información sobre el espesor de las capas superiores finas, esta información está disponible a partir del ajuste de patrón completo de las curvas de oscilación de las reflexiones simétricas (00l). Debido al fuerte solapamiento con las posiciones de los picos de la capa tampón, la capa barrera fina no puede resolverse, pero sus franjas de espesor están presentes. La opción de ajuste de AMASS mantiene fijos los valores de composición y relajación previamente determinados mientras ajusta los valores de espesor de un modelo de muestra correspondiente. El flujo de trabajo de dos pasos descrito puede automatizarse بالكامل en AMASS.
AMASS es nuestra caja de herramientas de análisis de películas delgadas. Cubre y amplía la funcionalidad de nuestro anterior software Epitaxy y X’Pert Reflectivity. Además, incorpora una funcionalidad completa para mostrar, analizar, simular y ajustar datos de rayos X de estructuras multicapa de película delgada”, afirma Lars Grieger, Business Development Manager Semiconductor Metrology de Malvern Panalytical. “Los resultados de múltiples conjuntos de datos recopilados en diferentes posiciones X, Y de la oblea pueden utilizarse para determinar la uniformidad de todos los parámetros en una oblea. AMASS se encarga de los pasos necesarios y puede controlarse de forma remota mediante la línea de comandos o desde cualquier entorno de lenguaje de nivel superior. Esto permite un nivel completamente nuevo de integración en los flujos de datos de laboratorio existentes.
Licencias gratuitas de software XRD para académicos
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Glosario
GaN nitruro de galio
AlGaN nitruro de aluminio y galio
GaN-on-Si nitruro de galio sobre silicio
2DEG ‘gas de electrones bidimensional’
HEMT transistores de alta movilidad electrónica
RSM mapa del espacio recíproco
Lecturas adicionales
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