Ketergantungan Ketebalan pada Sifat Antarmuka dan Kelistrikan pada Lapisan Atom AlN yang Didepositkan pada GaN bidang-c

Hasil dan Diskusi

Gambar 1a-c menunjukkan gambar pemindaian mikroskop elektron transmisi (STEM) cross-sectional di sekitar lapisan AlN. Estimasi ketebalan lapisan AlN serupa dengan nilai dari ellipsometer. Kerapatan arus–tegangan semilogaritmik tipikal (J –V ) kurva ditunjukkan pada Gambar. 2a. Dibandingkan dengan sampel tanpa AlN (yaitu, sampel referensi), nilai arus meningkat untuk sampel dengan AlN setebal 0,7 nm dan menurun untuk sampel dengan AlN setebal 1,5 dan 7,4 nm. Menggunakan model emisi termionik (TE) [24], transpor arus bias maju dari dioda Schottky dianalisis untuk mendapatkan tinggi penghalang dan faktor idealitas. Ketinggian penghalang dihitung menjadi 0,77 (± 0,03), 0,61 (± 0,01), 0,83 (± 0,05), dan 1,00 (± 0,08) eV untuk sampel dengan 0-, 0,7-, 1,5-, dan 7,4-nm- AlN tebal, masing-masing. Faktor idealitas ditemukan menjadi 1,63 (± 0,18), 4,19 (± 0,16), 1,83 (± 0,33), dan 1,57 (± 0,03) untuk sampel dengan ketebalan 0-, 0,7-, 1,5-, dan 7,4 nm. AlN, masing-masing. Dengan AlN setebal 0,7 nm, ketinggian penghalang menurun dan faktor idealitas meningkat. Dengan lapisan AlN yang lebih tebal, faktor idealitasnya serupa tetapi ketinggian penghalang meningkat dibandingkan dengan sampel referensi. Terlihat pada Gambar. 2c bahwa dengan meningkatnya ketebalan AlN, tinggi penghalang menurun terlebih dahulu dan kemudian meningkat karena resistensi terowongan yang disebabkan oleh lapisan AlN yang tebal. Hal ini menunjukkan bahwa sekitar 0,7 nm merupakan titik balik untuk ketinggian penghalang dalam hal ketebalan AlN.

Gambar mikroskop elektron transmisi pemindaian penampang (STEM) dengan a 0,7-, b 1,5-, dan c AlN setebal 7,4 nm. d , e Persen atom vs. profil kedalaman yang diperoleh dari pemindaian garis spektroskopi sinar-X (EDS) dispersif energi untuk sampel dengan AlN setebal 0 dan 7,4 nm, masing-masing

a Arus–tegangan semilogaritmik tipikal (I –V ) karakteristik. b Tinggi penghalang vs. plot faktor idealitas. c Ketinggian penghalang dan faktor idealitas sebagai fungsi dari ketebalan AlN

Gambar 3 menunjukkan C –V kurva diukur pada berbagai frekuensi. Ketika ketebalan AlN adalah 0 dan 0,7 nm, inversi nilai kapasitansi diamati di bawah 10 kHz. Alih-alih inversi, penipisan dalam biasanya diamati untuk bahan celah pita lebar seperti GaN karena tingkat generasi pembawa minoritas (lubang) yang rendah [25, 26]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c, d, inversi seperti itu tidak diamati untuk lapisan AlN yang lebih tebal. Di sini, perlu dicatat bahwa di persimpangan Au/GaN, tidak ada inversi yang diamati pada frekuensi rendah. Menggunakan spektroskopi transien tingkat dalam (DLTS), Auret et al. mengamati cacat e-beam-induced di persimpangan Pt/n-GaN Schottky [27]. Di sini, kami melakukan pengukuran spektroskopi sinar-X dispersif (EDS) energi dan profil kedalaman untuk sampel dengan AlN setebal 0 dan 7,4 nm masing-masing ditunjukkan pada Gambar 1d, e. Terlihat jelas pada Gambar 1d bahwa atom Pt berdifusi ke dalam lapisan GaN, sedangkan difusi atom Pt ke dalam lapisan GaN ditekan secara efektif karena lapisan AlN. Oleh karena itu, mungkin untuk menyarankan bahwa cacat yang diinduksi deposisi Pt di dekat permukaan GaN menghasilkan kapasitansi inversi pada frekuensi rendah dan pembentukan cacat ini ditekan dengan lapisan AlN yang relatif tebal (> 1,5 nm).

Kapasitansi–tegangan (C –V ) data yang diukur pada berbagai frekuensi untuk sampel dengan a 0-, b 0,7-, c 1,5-, dan d AlN setebal 7,4 nm

Kecuali sampel dengan AlN setebal 7,4, semua sampel lainnya menunjukkan puncak anomali di C –V kurva dengan peningkatan tegangan bias, yang terkait dengan distribusi jebakan dalam di celah, resistansi seri, dan status antarmuka [28, 29]. Dispersi frekuensi di daerah akumulasi dikaitkan dengan pembentukan lapisan tidak homogen pada antarmuka. Kapasitansi lapisan tersebut bekerja secara seri dengan kapasitansi oksida yang menyebabkan dispersi dalam akumulasi [30]. Dispersi dalam deplesi disebabkan oleh adanya status antarmuka yang merespons frekuensi yang diterapkan. Jika konstanta waktu dari status antarmuka sebanding dengan frekuensi sinyal kecil, status antarmuka memberikan kontribusi pada kapasitansi total sehingga kapasitansi ambang meningkat dengan penurunan frekuensi [31].

Gambar 4 menunjukkan konduktansi–tegangan (G /ω –V ) kurva diukur pada berbagai frekuensi. Di bawah bias maju dan mundur yang cukup tinggi, cacat yang diaktifkan dapat berkomunikasi dengan status antarmuka tetangga lebih efektif pada frekuensi rendah dan karenanya meningkatkan konduktansi. Kira-kira pada kisaran 1 dan 0 V, semua sampel menunjukkan peningkatan konduktansi dengan meningkatnya frekuensi. Perilaku ini menjadi lebih menonjol untuk sampel dengan AlN setebal 7,4 nm. Peningkatan konduktansi dengan peningkatan frekuensi dikaitkan dengan pusat rekombinasi yang mempromosikan arus rekombinasi di wilayah penipisan dan status antarmuka menyediakan proses konduksi pengisian dan pengosongan arus atau hopping yang terjadi pada frekuensi tinggi [32]. Oleh karena itu, hasilnya menunjukkan bahwa status antarmuka dengan berbagai konstanta waktu ada untuk semua sampel, dan adanya cacat tersebut paling signifikan untuk sampel dengan AlN setebal 7,4 nm.

Konduktansi–tegangan (G /ω –V ) data yang diukur pada berbagai frekuensi untuk sampel dengan a 0-, b 0,7-, c 1,5-, dan d AlN setebal 7,4 nm

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a, perkiraan kepadatan status antarmuka (D _itu ) dibuat dengan menerapkan metode Terman pada eksperimen C–V kurva diukur pada 1 MHz [33]. D . yang diperoleh _itu vs. E _C –E _t (lokasi keadaan antarmuka) disajikan pada Gambar. 5b. Di sini, kami tidak menganalisis C–V kurva dari sampel dengan AlN setebal 0,7 nm karena sampel bocor dan kapasitansi oksida yang tepat (C _OX ) tidak terdefinisi dengan baik. Sampel dengan AlN setebal 7,4 nm menunjukkan kepadatan status antarmuka tertinggi, terutama untuk E _C –E _t> 0,4 eV. Selain itu, antarmuka rata-rata dan kepadatan perangkap oksida (Q _B ) di sepanjang celah pita GaN (E _g ) dihitung dengan menganalisis C –V plot histeresis, menggunakan pergeseran tegangan pita datar (ΔV _FB ) melalui persamaan Q _B = (C _OX V _FB )/qE _g [34]. Pergeseran tegangan pita datar kecil dan jendela histeresis kecil menunjukkan kepadatan perangkap yang rendah. Sisipan pada Gambar 4b menunjukkan C –V plot histeresis. Kepadatan muatan yang terperangkap dihitung menjadi 4,2 × 10 ⁹ , 9,3 × 10 ⁹ , dan 3,6 × 10 ¹¹ cm ⁻² eV ⁻¹ untuk sampel dengan AlN setebal 0-, 1,5- dan 7,4-nm, masing-masing. Histeresis dapat berasal dari perangkap antarmuka AlN/GaN dan perangkap perbatasan (atau massal) di lapisan AlN. Seperti metode Terman, lapisan AlN setebal 7,4 nm mengungkapkan antarmuka tertinggi dan kepadatan perangkap oksida. Oleh karena itu, dalam sampel ini dimungkinkan untuk menyarankan bahwa perangkap perbatasan di lapisan AlN serta perangkap antarmuka berkontribusi secara signifikan terhadap pergeseran C –V plot.

a Perbandingan kapasitansi-tegangan eksperimental (C –V ) data diukur pada 1 MHz dan C–V . yang ideal data dan b kepadatan status antarmuka (D _itu ) distribusi ditentukan dengan menerapkan metode Terman untuk sampel dengan lapisan AlN setebal 0-, 1,5-, dan 7,4 nm. Sisipan di b menunjukkan C –V plot histeresis diukur pada 1 MHz

Komposisi kimia pada antarmuka AlN/GaN diselidiki menggunakan pengukuran XPS untuk dua sampel dengan AlN setebal 0,7 dan 7,4 nm. Di sini, perawatan sputter etch dilakukan pada sampel dengan AlN setebal 7,4 nm karena ketebalan AlN terlalu tebal untuk mendapatkan informasi yang tepat di dekat antarmuka AlN/InP. Bare GaN juga dipindai permukaan sebagai referensi. Gambar 6a menunjukkan profil kedalaman XPS untuk setiap elemen yang diperoleh dari sampel dengan AlN setebal 7,4 nm. Difusi atom Ga ke dalam lapisan AlN terlihat jelas. Jumlah atom oksigen yang cukup besar ditemukan di seluruh lapisan AlN. Namun, atom O dan Al tidak diamati dengan baik di dekat antarmuka AlN/GaN. Jumlah oksigen yang lebih tinggi di dekat permukaan AlN, dibandingkan dengan antarmuka AlN/GaN, menunjukkan bahwa sebagian besar oksigen dihasilkan dari oksidasi atmosfer, bukan proses pengendapan ALD itu sendiri. Kami kemudian memilih spektrum XPS yang dipindai sempit pada satu kedalaman etsa (ketebalan AlN yang tersisa sekitar 1,5-2,0 nm) dan membandingkannya dengan data dari sampel lain. Gambar 6b ​​menunjukkan Ga 2p _3/2 spektrum tingkat inti. Puncak pada ~ 1118.0 eV dan ~ 1119.2 eV untuk GaN telanjang dan sampel dengan AlN setebal 0,7 nm dikaitkan dengan GaN dan Ga₂ O₃ , masing-masing [35, 36]. Puncak pada ~ 1117,4 eV untuk sampel dengan AlN setebal 7,4 nm disebabkan oleh Ga terikat pada AlN [37]. Namun, kami tidak dapat mengesampingkan kemungkinan bahwa itu mungkin dari Ga₂ O puncak (~ 1117.3 eV) [38].

a Profil kedalaman XPS untuk setiap elemen diperoleh dari sampel dengan AlN setebal 7,4 nm. Spektrum tingkat inti XPS dari b Ga 3p 3/2, c O 1 , dan d Al 2p untuk sampel dengan AlN setebal 0, 1,5, dan 7,4 nm

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6c, puncak pada ~ 530,2 dan ~ 531,9 eV dikaitkan dengan O dan Ga yang diserap secara kimiawi₂ O₃ , masing-masing [39]. Selain itu, puncak pada ~ 532,8 eV dikaitkan dengan Al-OH [40]. Namun, tidak ada puncak aneh yang diamati untuk sampel dengan AlN setebal 7,4 nm pada kedalaman yang dipilih. Demikian pula, tidak ada puncak yang diamati pada kedalaman etsa yang lebih dalam (tidak ditampilkan). Ketika ketebalan AlN tipis (0,7 nm), atom oksigen yang diserap secara kimia dihilangkan tetapi atom Al terikat dengan OH. Dengan meningkatnya ketebalan AlN, sangat sedikit jumlah atom oksigen yang ada di dekat daerah permukaan GaN, yang menunjukkan efek pembersihan. Namun, sejumlah besar atom oksigen hadir di wilayah AlN yang ditumbuhi terlalu banyak, memberikan muatan oksida. O 1 spektrum tingkat inti pada kedalaman etsa di mana jumlah atom Ga dapat diabaikan (sekitar 0~3 nm dari permukaan AlN pada Gambar 6a) ditemukan menunjukkan puncak dominan pada ~ 531,8 eV, terkait dengan Al₂ O₃ [41]. Artinya sebagian lapisan AlN terdiri dari Al₂ O₃ . Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6d, puncak yang terkait dengan AlN tidak diamati dengan baik untuk sampel dengan AlN setebal 0,7 nm. Sebaliknya, dua puncak diamati pada ~ 74.1 dan ~ 75.6 eV, terkait dengan AlO_x dan Al-OH, masing-masing [42]. Puncak terkait ikatan Al–O ini seperti AlO_x dan Al-OH dapat bertindak sebagai cacat. Puncak pada ~ 73,6 eV untuk sampel dengan AlN setebal 7,4 nm dikaitkan dengan AlN [43].

Sifat transpor arus untuk sampel dengan AlN setebal 0,7 dan 7,4 nm diselidiki lebih lanjut menggunakan tegangan-arus yang bergantung pada suhu (I –V –T ) pengukuran. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 7, baik arus bias maju dan mundur meningkat ke tingkat yang sama untuk sampel dengan ketebalan 0,7 nm. Namun, untuk sampel dengan AlN setebal 7,4 nm, arus bocor balik lebih bergantung pada suhu daripada arus maju. Di bawah bias terbalik, suhu yang lebih tinggi dapat menyebabkan emisi termal lubang dari tingkat yang dalam ke pita valensi AlN dan, dengan demikian, memperkenalkan pasokan elektron lainnya [44]. Menurut model penghalang tidak homogen [24], ketinggian penghalang efektif yang bergantung pada suhu (φ _B ) berhubungan dengan tinggi penghalang rata-rata bias nol (\( {\overline{\varphi}}_B \)) dan standar deviasi (σ ₀ ) sebagai \( {\varphi}_B={\overline{\varphi}}_B-q{\sigma_0}^2/2 kT \). σ ₀ nilai diperoleh sebagai 0,147 dan 0,204 V untuk sampel dengan AlN setebal 0,7 dan 7,4 nm, masing-masing. Dengan menggunakan nilai-nilai ini, plot Richardson yang dimodifikasi dari ln(I ₀ /T ² ) − q ² σ ₀ ² /2k ² T ² vs. 1/kT diperoleh, ditunjukkan pada Gambar. 8a. Perpotongan pada ordinat menghasilkan konstanta Richardson dari A ^** sebagai 397,3 dan 27,1 A cm ⁻² K ⁻² untuk sampel dengan AlN setebal 0,7 dan 7,4 nm, masing-masing. Nilai untuk sampel dengan AlN setebal 7,4 nm mirip dengan nilai teoritis 26,4 A cm ⁻² K ⁻² untuk n-GaN, menunjukkan bahwa ketidakhomogenan penghalang dengan model TE dapat menjelaskan transportasi saat ini. Namun, untuk sampel dengan AlN setebal 0,7 nm, nilainya terlalu tinggi dibandingkan dengan nilai teoretis, menunjukkan bahwa model TE bahkan termasuk ketidakhomogenan penghalang tidak dapat menjelaskan transpor saat ini. Gambar 8b menunjukkan nilai nkT sebagai fungsi dari kT . Garis lurus dengan kemiringan 1,15 sangat cocok dengan data eksperimen untuk sampel dengan AlN setebal 7,4 nm menggunakan model TE. Namun, untuk sampel dengan AlN setebal 0,7 nm, kemiringannya adalah 5,11. Penyimpangan besar seperti itu dari kesatuan dapat muncul dari status antarmuka, lapisan isolator, dan arus tunneling.

Kepadatan arus–tegangan yang bergantung pada suhu (J –V ) karakteristik untuk sampel dengan a 0,7- dan b AlN setebal 7,4 nm

a Plot Richardson yang dimodifikasi dan b nkT vs. kT plot dengan kecocokan linier dengan data eksperimen. Dalam b , garis dengan kemiringan 1 (n = 1) juga disertakan sebagai referensi

Kerapatan arus bocor terbalik dianalisis menggunakan model tunneling Fowler–Nordheim (FN), diberikan oleh [45].

dimana α = 1.54 × 10 ⁻⁶ /m ^∗ _B dan β = 6.83 × 10 ⁻⁷ (m ^∗ ) ^1/2 (Φ_B ) ^3/2 ; m ^* (m ^* = 0,30 untuk AlN [46]) adalah massa elektron efektif dalam isolator dan _B adalah tinggi penghalang terowongan. Gambar 9a, b menunjukkan bahwa emisi FN diamati untuk sampel dengan AlN setebal 0,7 dan 7,4 nm, ketika tegangan bias masing-masing lebih tinggi dari 0,9 V dan 3 V. Tegangan yang lebih tinggi untuk sampel dengan AlN setebal 7,4 nm disebabkan oleh fakta bahwa AlN yang lebih tebal membutuhkan tegangan tunneling yang lebih tinggi. Dari kemiringan yang ditunjukkan pada Gambar. 9, ketinggian penghalang terowongan ditentukan untuk setiap suhu, yang disajikan dalam inset pada Gambar. 9b. Pada suhu kamar, ketinggian penghalang untuk sampel dengan AlN setebal 0,7 dan 7,4 nm dihitung masing-masing sekitar 1,67 dan 0,78 eV. Nilai-nilai ini lebih rendah dari offset pita konduksi yang dilaporkan sebesar 2,58 eV pada antarmuka AlN/GaN [47]. Kualitas antarmuka yang buruk di dekat antarmuka AlN/GaN mungkin menghasilkan nilai yang lebih rendah. Tinggi penghalang yang lebih rendah untuk sampel dengan AlN setebal 7,4 nm juga dapat dikaitkan dengan antarmuka yang tinggi dan kepadatan perangkap oksida di dekat antarmuka AlN/GaN dan cacat terkait oksigen pada lapisan AlN. Akibatnya, tunneling dengan bantuan trap lebih mudah terjadi dan meningkatkan arus bocor balik.

Plot terowongan Fowler–Nordheim (FN) di ln(J /E ² ) vs. 1/E dengan kecocokan linier dengan data eksperimen untuk sampel dengan a 0,7- dan b AlN setebal 7,4 nm. Sisipan di b menyajikan ketinggian penghalang yang dihitung sebagai fungsi suhu

Model emisi Poole–Frenkel (PF) juga diterapkan pada arus bocor balik, yang diberikan oleh [48].

dengan

dimana ϕ _t adalah ketinggian penghalang emisi elektron dari status perangkap, ε _AlN adalah permitivitas dielektrik relatif dari isolator gerbang pada frekuensi tinggi (ε _AlN 4.77 [49]), ε ₀ adalah permitivitas ruang bebas, dan C adalah sebuah konstanta. Validitas pemasangan emisi PF diverifikasi dengan memeriksa ketergantungan suhu dari koefisien linier m (T ) diperoleh dari fit lineal plot PF ln(J /E ) sebagai fungsi dari E ^1/2 [50], yang ditunjukkan pada Gambar 10. Dari m (T ) nilai yang diperoleh dari pemasangan linier ke plot ini (inset pada Gambar 10a), ε _AlN ditemukan 64,9 dan 959,0 untuk sampel dengan AlN setebal 0,7 dan 7,4 nm, masing-masing. Nilai yang diperoleh terlalu tinggi dibandingkan dengan nilai teoritis 4,77, yang menunjukkan bahwa emisi PF tidak dapat menjelaskan transpor saat ini dengan benar untuk kedua sampel. Oleh karena itu, tunneling FN adalah mekanisme transportasi yang lebih tepat dalam arus bocor terbalik.

Plot emisi Poole–Frenkel (PF) sebesar ln(J /E ) vs. E ^1/2/ dengan kecocokan linier dengan data eksperimen untuk sampel dengan a 0,7- dan b AlN setebal 7,4 nm. Sisipan dalam a menyajikan m . yang dihitung (T ) nilai vs. suhu

Meskipun Persamaan. (1) tidak mengandung ketergantungan suhu, ketinggian penghalang yang diperoleh menurun dengan meningkatnya suhu. Kemiringan diperoleh sebagai 6.67 meV/K dan 1.62 meV/K untuk sampel dengan AlN setebal 0,7 dan 7,4 nm, masing-masing. Telah dilaporkan dalam struktur SiO2/4H-SiC bahwa tunneling FN memiliki ketergantungan suhu dengan kemiringan 7.6 meV/K [51]. Elektron yang dikeluarkan dari elektroda Pt mengikuti distribusi Fermi-Dirac [52], dan dengan demikian, arus bocor balik oleh tunneling juga bisa meningkat dengan suhu. Dalam hal ini, peningkatan suhu akan lebih besar untuk lapisan AlN yang lebih tipis.

Sementara itu, telah dilaporkan bahwa mekanisme transpor arus pada medan listrik tinggi tidak dapat dijelaskan hanya oleh tunneling FN [53, 54]. Bahkan termasuk perubahan muatan pada tingkat oksida dan Fermi substrat, dan distribusi energi elektron pada SiO₂ /SiC antarmuka dengan suhu, arus bocor terbalik di SiO₂ /4H-SiC tidak dijelaskan dengan memuaskan [53]. Diusulkan bahwa emisi PF yang diaktifkan secara termal dari elektron yang terperangkap dari perangkap elektron antarmuka berkontribusi secara signifikan terhadap peningkatan arus bocor [54]. Oleh karena itu, mengurangi cacat pada AlN selama proses ALD sangat penting dalam kinerja perangkat berbasis AlN/GaN, terutama selama operasi suhu tinggi.

Seperti yang terlihat dari plot tinggi penghalang vs ketebalan AlN pada Gambar. 2c, Li et al. mengamati perilaku serupa dalam kontak logam/n-Ge dengan Y₂ O₃ lapisan [55]. Mereka menghubungkan pengurangan ketinggian penghalang dengan penekanan GeO yang tidak stabil_x pertumbuhan dan pasivasi ikatan yang menjuntai pada permukaan Ge. Karpov dkk. dimasukkan Si₃ N₄ lapisan ke dalam kontak Ni/n-GaN dan menemukan bahwa ketinggian penghalang menurun dari 0,78 menjadi 0,27–0,30 eV dengan Si₃ N₄ lapisan. Hasilnya dijelaskan oleh pembentukan dipol di Si₃ N₄ /GaN antarmuka [56]. Lebih lanjut, Zheng et al. menyelidiki resistansi kontak vs. Al₂ O₃ ketebalan struktur Al/n-SiC dan ditemukan bahwa dipol antarmuka mulai terbentuk pada ketebalan 1,98 nm [57]. Di atas ketebalan ini, resistansi kontak menurun pertama karena efek dipol dan kemudian meningkat karena peningkatan resistansi tunneling. Menurut data XPS pada Gambar. 6, pembentukan lapisan AlN tidak jelas untuk sampel dengan AlN setebal 0,7 nm. Oleh karena itu, pengurangan tinggi penghalang dengan AlN setebal 0,7 nm lebih mungkin karena efek pasivasi daripada pembentukan dipol antarmuka.

Proses etsa kering seperti etsa induktif couple plasma (ICP) banyak digunakan dalam perangkat berbasis GaN karena stabilitas kimia GaN [58], meskipun etsa kimia basah yang disempurnakan dengan ultraviolet telah ditunjukkan [59]. Namun, proses etsa kering dapat menyebabkan kerusakan pada permukaan GaN, meningkatkan arus bocor dan menurunkan perilaku penyearah. Perawatan pasca etsa menggunakan anil termal dan larutan KOH setelah etsa ion reaktif (RIE) ditemukan efektif menghilangkan kerusakan permukaan pada GaN [60]. Mempertimbangkan hasil sejauh ini, kami menyarankan agar pengendapan AlN (lebih besar dari 1 nm) dapat diterapkan untuk mengurangi kerusakan pada permukaan GaN yang tergores, yang diharapkan dapat meningkatkan kualitas antarmuka dan karakteristik penyearah lebih lanjut.