Studi Eksperimental dan Teoritis Kontak Mo/Au Schottky pada Film Tipis -Ga2O3 yang Dikelupas Secara Mekanis
Abstrak
Kami mempelajari mekanisme emisi arus balik dari Mo/β-Ga2 O3 Dioda penghalang Schottky melalui karakteristik tegangan arus yang bergantung pada suhu (IV) dari 298 hingga 423 K. Variasi arus balik dengan medan listrik menunjukkan bahwa emisi Schottky adalah mekanisme transpor pembawa dominan di bawah bias balik daripada Frenkel–Poole model emisi bantuan perangkap. Selain itu, tegangan tembus 300 V diperoleh di lingkungan Fluorinert dengan medan listrik rata-rata 3 MV/cm dalam Mo/β-Ga2 O3 dioda penghalang Schottky. Efek dari keadaan permukaan, pada distribusi medan listrik, juga dianalisis dengan simulasi TCAD. Dengan meningkatnya kerapatan muatan permukaan negatif, medan listrik puncak berkurang secara monoton. Selanjutnya, ketidakhomogenan ketinggian penghalang Schottky di bawah bias maju juga dibahas.
Latar Belakang
Baru-baru ini, semikonduktor celah pita ultra lebar -Ga2 O3 telah menarik banyak minat karena karakteristiknya yang sangat baik, seperti stabilitas kimia yang tinggi, celah pita lebar langsung yang besar sebesar 4,8–4,9 eV, medan listrik teoretis yang tinggi (EBR ) sebesar 8 MV/cm, dan nilai jasa Baliga yang tinggi sebesar 3400, yaitu sekitar sepuluh kali lebih besar dari SiC dan empat kali lebih besar dari GaN [1,2,3]. Kombinasi semua properti ini dengan kualitas tinggi, area yang luas, dan -Ga yang hemat biaya2 O3 substrat yang ditumbuhkan dengan teknik pertumbuhan lelehan membuat -Ga2 O3 bahan yang disukai untuk aplikasi elektronik tegangan tinggi dan daya tinggi [4,5,6,7,8,9]. Sebagai perangkat elektronik yang menjanjikan, -Ga2 O3 Dioda penghalang Schottky (SBD) dibuat dengan berbagai logam elektroda anoda, termasuk Cu [8], Pd [10], Pt [5, 6, 11,12,13], Au [10, 14], Ni [13, 15] ,16,17,18], dan TiN [12], dan karakteristik listrik maju dan mundurnya, seperti resistansi-on spesifik, Ipada /Akunonaktif rasio, ketinggian penghalang, arus bocor balik, dan tegangan tembus, diselidiki secara komprehensif. Tinggi penghalang Schottky yang tidak homogen dan arus bias balik tak jenuh dilaporkan dalam -Ga2 O3 SBD [6, 8, 11, 18, 19] sementara jauh lebih sedikit informasi yang diketahui tentang mekanisme transport pembawa di bawah bias balik, yang penting untuk peningkatan tegangan tembus.
Selain itu, belum ada investigasi yang dilakukan untuk menganalisis mekanisme emisi Mo/β-Ga2 O3 kontak. Jika ada beberapa jebakan atau cacat di -Ga2 O3 substrat, arus bocor akan ditemukan sesuai dengan model emisi Frenkel-Poole, dan arus balik adalah emisi elektron dari keadaan terperangkap di dekat antarmuka logam-semikonduktor. Jika tidak, proses utama dalam arus balik akan didominasi oleh emisi Schottky sehingga elektron di atas penghalang Schottky menghasilkan arus balik. -Ga2 O3 kristal juga memiliki satu sifat unik, konstanta kisi besar 12,23 Å sepanjang arah [100], yang memungkinkan pembelahan lancar menjadi sabuk tipis atau membran nano [9, 20]. Jadi dalam pekerjaan ini, kami melakukan eksfoliasi -Ga2 . skala besar secara mekanis O3 dari substrat curah densitas dislokasi rendah, dan untuk pertama kalinya, Molibdenum (Mo) yang stabil secara termal dipilih sebagai logam elektroda anoda untuk membuat -Ga2 O3 dioda penghalang Schottky vertikal. Mekanisme konduksi listrik di bawah bias terbalik telah dibahas pada rentang suhu dari 298 hingga 423 K. Karya ini memberikan wawasan tentang mekanisme transpor pembawa yang dapat membantu meningkatkan fungsionalitas -Ga2 O3 -perangkat berbasis.
Metode/Eksperimental
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1a, b, dioda penghalang Schottky dibuat pada -Ga2 O3 (100) film yang dieksfoliasi secara mekanis dari -Ga yang didoping Sn2 O3 substrat, dengan ketebalan 15 μm dan konsentrasi elektron 2 × 10
17
cm
− 3
. Seperti disajikan pada Gambar. 1d, e, lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM) dan akar rata-rata kuadrat (RMS) diperkirakan masing-masing 51,9 arcsec dan 0,19 nm, dengan resolusi tinggi difraksi sinar-X (HRXRD) dan atom mikroskop kekuatan (AFM) pengukuran. Kualitas kristal yang sangat baik dan permukaan yang halus dikonfirmasi oleh pengukuran. Setelah pembersihan kimia basah, tumpukan logam Ti/Au (20 nm/100 nm) diendapkan menggunakan penguapan sinar-E di sisi belakang dan diikuti dengan anil termal cepat (RTA) pada 600 °C selama 60 detik di bawah atmosfer nitrogen untuk membentuk kontak Ohmic. Elektroda anoda Schottky melingkar dengan diameter 100 m dibentuk di sisi depan dengan penguapan logam Mo/Au (40 nm/100 nm) dan proses pengangkatan. Gambar 1c menunjukkan struktur penampang skema -Ga2 O3 SBD dalam pekerjaan ini.
a -Ga2 . yang didoping Sn O3 substrat dengan ketebalan 300 μm. b Elektroda anoda Schottky terbentuk di sisi depan dengan diameter 100 m. c Struktur skema melintasi bagian -Ga2 O3 SBD. d Kurva goyang XRD dan e Gambar AFM dari -Ga2 O3 lapisan melayang secara mekanis dikelupas dari (100) -Ga2 O3 substrat
Hasil dan Diskusi
Karakteristik tegangan arus (I-V) Au/Mo/β-Ga2 O3 Dioda penghalang Schottky diselidiki menggunakan sistem karakterisasi semikonduktor Keithley 4200 antara 298 dan 423 K. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, Ipada /Akunonaktif rasio mendekati 10
10
pada 298 K, menunjukkan perilaku perbaikan yang baik. Untuk bias maju dari 0,1 hingga 0,7 V, kurva semilogaritmik IV hampir linier dan menampilkan perilaku ketergantungan suhu yang kuat. Dengan semakin meningkatnya bias maju, penyimpangan dari linieritas kurva IV dianggap berasal dari resistansi seri dioda penghalang Schottky dan hubungan antara tegangan yang diterapkan dan arus dapat dinyatakan sebagai \( I={I}_s\kiri \{\exp \left[\frac{q\left(V-{IR}_s\right)}{nkT}\right]-1\right\} \) [21,22,23], di mana V adalah tegangan yang diberikan, Rs resistansi seri, T suhu mutlak, k konstanta Boltzmann, n faktor idealitas, dan Is adalah arus saturasi terbalik. n dan Akus dapat ditentukan dari kemiringan dan intersep ln plot I-V, masing-masing. Untuk dioda penghalang Schottky yang ideal, faktor idealitas n harus sama dengan kesatuan. Semakin tinggi n , semakin besar deviasi dari model emisi termal (TE). Selain itu, menurut persamaan \( {\phi}_b=\frac{kT}{q}\ln \left[\frac{AA^{\ast }{T}^2}{I_s}\right] \ ) [21,22,23], nilai dari ϕb pada suhu yang berbeda juga ditentukan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b, di mana ϕb adalah ketinggian penghalang, A adalah luas dioda dan A*
adalah konstanta Richard efektif 40,8 A cm
−2
K
− 2
dengan -Ga2 O3 massa efektif m*= 0,34 m0 [5, 24]. Dengan peningkatan suhu dari 298 menjadi 423 K, ϕb meningkat sementara n menurun, menunjukkan mekanisme transpor lain yang juga berkontribusi pada transpor saat ini dan mengarah pada penyimpangan karakteristik IV dari model TE murni, yang telah dilaporkan sebelumnya di -Ga2 O3 Dioda penghalang Schottky [25] dan perangkat celah pita lebar lainnya [26,27,28,29,30]. Analisis ketidakhomogenan tinggi penghalang dapat dijelaskan dengan distribusi Gaussian di ketinggian penghalang,
a Karakteristik I-V Maju dari Mo/β-Ga2 O3 Dioda penghalang Schottky pada suhu yang berbeda. b Ketergantungan suhu dari faktor idealitas dan tinggi penghalang Schottky -Ga2 O3 dioda penghalang Schottky. c Plot ϕap versus q/2k T dan plot Richardson yang dimodifikasi versus 1/k T untuk -Ga2 O3 Dioda penghalang Schottky
Nilai tinggi penghalang rata-rata \( \overline{\phi_{b0}} \) dan simpangan baku σs diekstraksi menjadi 1,55 eV dan 0,186 eV, masing-masing, dari Gambar 2c. Selanjutnya, dengan mempertimbangkan ketidakhomogenan ketinggian penghalang, plot Richardson konvensional dimodifikasi sebagai berikut:
Seperti ditunjukkan pada Gambar. 2c, \( \ln \left({I}_{\mathrm{s}}/{T}^2\right)-\left({q}^2{\sigma}_ yang dimodifikasi {\mathrm{s}}^2/2{k}^2{T}^2\right) \) versus 1/kT adalah garis lurus. Perpotongan kurva digunakan untuk mendapatkan A*
dari 44,7 A cm
−2
K
−2
, yang sangat mendekati nilai teoritis -Ga2 O3 dari 40,8 A cm
−2
k
−2
. Oleh karena itu, ketidakhomogenan penghalang pada antarmuka logam/semikonduktor untuk -Ga2 O3 SBD dapat dijelaskan oleh TE dengan distribusi penghalang Gaussian di atas SBH.
Pengukuran kerusakan terbalik suhu ruangan juga dilakukan dengan menggunakan sistem penganalisis semikonduktor tegangan tinggi Agilent B1505A, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3. Tegangan tembus adalah 260 V sedangkan 300 V dengan sampel direndam dalam Fluorinert ™ yang diproduksi oleh perusahaan 3M yang dapat mencegah kerusakan udara di bawah bias balik yang tinggi. Untuk memahami distribusi medan listrik, simulasi numerik dilakukan dengan perangkat lunak ATLAS, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a, b. Dengan bertambahnya jarak dari antarmuka antara semikonduktor dan anoda menjadi sekitar 1 m, medan listrik berangsur-angsur berkurang. Di posisi x = 4 μm, medan listrik rata-rata adalah 3 MV/cm, dihitung dari Gambar 4c. Juga ditunjukkan pada Gambar. 4d, pada posisi y = 1 nm, medan listrik maksimum pada tegangan tembus sekitar 8 MV/cm di tepi kontak Schottky, yaitu sekitar 2,7 kali medan listrik rata-rata. Seperti yang dilaporkan oleh AJ Green et al [31] dan K. Zeng et al [32], medan listrik puncak dan medan listrik rata-rata dari tepi elektroda masing-masing adalah 5,3, 3,8 MV/cm dan 6,1, 4,4 MV/cm. dan medan listrik puncak Mo/Ga2 O3 Dioda Schottky relatif tinggi. Seharusnya -Ga2 O3 membran nano yang diperoleh dengan pengelupasan mekanis memiliki sejumlah besar ikatan yang menjuntai dan keadaan permukaan yang akan menangkap elektron untuk menguras pembawa dari anoda ke katoda di bawah bias terbalik [33]. Dengan memperhitungkan muatan permukaan negatif, hasil simulasi menunjukkan medan listrik di tepi kontak Schottky berkurang dengan densitas muatan permukaan negatif meningkat dari 0,5 × 10
13
cm
−2
hingga 3 × 10
13
cm
−2
, masing-masing. Terutama dengan kerapatan muatan permukaan negatif 3 × 10
13
cm
−2
, medan listrik puncak di tepi kontak Schottky adalah sekitar 5,2 MV/cm. Oleh karena itu, tegangan tembus balik 300 V dapat dicapai pada -Ga2 O3 membran nano dengan ND = 3 × 10
17
cm
−2
tanpa struktur terminasi tepi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4d, karena keberadaan status antarmuka di X -posisi di bawah 2 μm, elektron dapat terperangkap dan daerah penipisan dapat terbentuk, menghasilkan medan listrik di Y arah. Saat konsentrasi keadaan antarmuka meningkat, medan listrik di Y arah meningkat, meskipun medan listrik di X arah mendekati nol. Jadi medan listrik meningkat pada X -posisi di bawah 2 μm.
Karakteristik IV terbalik dari -Ga2 O3 sampel pada suhu kamar masing-masing di Fluorinert dan udara
a Simulasi medan listrik TCAD off-state dari dioda penghalang Schottky di bawah bias 300 V. b Simulasi medan listrik dari daerah yang dipilih dalam kotak putus-putus hijau. Potensi sepanjang y sumbu di x = 4 μm ada di (c ), dan medan listrik di tepi kontak Schottky berkurang dengan perbedaan kerapatan muatan permukaan negatif efektif yang ada di (d )
Di sisi lain, dengan bias terbalik Vulang meningkat, arus bocor Iulang meningkat daripada jenuh untuk |V |> 3rbBT/q , seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a, yang tidak konsisten dengan teori TE. Oleh karena itu, emisi termionik yang ditingkatkan medan listrik dianggap untuk membahas ketergantungan Iulang di Vulang, termasuk emisi Poole-Frenkel dan emisi Schottky [34, 35]. Dalam emisi Poole–Frenkel, elektron berpindah dari logam ke semikonduktor melalui keadaan terperangkap dan Iulang diberikan oleh
sedangkan pada emisi Schottky, elektron akan memperoleh energi yang cukup untuk mengatasi penghalang pada logam/semikonduktor untuk membentuk arus dan Iulang dapat dinyatakan dengan
a Karakteristik IV terbalik dari Mo/β-Ga2 O3 Dioda penghalang Schottky pada suhu yang berbeda. b Ketergantungan suhu 1/C
2
karakteristik Mo/ -Ga2 O3 Dioda penghalang Schottky. Analisis ketergantungan medan listrik Mo/β-Ga2 O3 Kontak Schottky dengan mekanisme yang berbeda. c Mekanisme Poole–Frenkel (I /E ) versus E
1/2
dan d Mekanisme Schottky ln (Aku /T
2
) versus E
1/2
dimana εs adalah permitivitas -Ga2 O3 (~ 10 0 ) dan E adalah medan listrik yang diterapkan, dihitung dengan \( E\kern0.5em =\kern0.5em \sqrt{\frac{2{qN}_D}{\varepsilon_S}\left(V+{V}_{bi}-\frac {k_BT}{q}\kanan)} \), ND adalah densitas donor -Ga2 O3 , dan Vbi adalah potensi bawaan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b, ND dan Vbi dapat diekstraksi dari kemiringan dan intersep kapasitansi kuadrat terbalik (1/C2
) versus Vulang plot menggunakan ekspresi berikut
Jika kurva ln (I/T
2
) versus E
1/2
linier, mekanisme emisi Schottky dominan. Dan jika plot ln (Aku /E ) versus E
1/2
adalah liner, emisi Poole–Frenkel mendominasi transportasi arus balik. Gambar 5c, d menggambarkan plot ln (Aku /E ) dan ln (Aku /T
2
) versus E
1/2
, masing-masing. Kedua set kurva linier, menunjukkan tidak hanya emisi Poole-Frenkel tetapi juga emisi Schottky yang ada. Untuk memperjelas mekanisme transpor pembawa yang dominan, kemiringan kurva, atau koefisien emisi dapat dinyatakan sebagai [34,35,36].
dimana n = 1 untuk emisi Poole–Frenkel (SPF ) dan n = 2 untuk emisi Schottky (SS ). Nilai eksperimental S dilambangkan sebagai Sm-PF dan Sm-S untuk emisi Poole-Frenkel dan Schottky diberikan oleh kemiringan kurva pada Gambar. 5c, d, masing-masing. Rasio nilai eksperimen dengan nilai teoretis, NPF (=Sm-PF /SPF ) dan NS (=Sm-S /SS ), ditunjukkan pada Gambar. 6. Karena nilai NS lebih dekat ke kesatuan daripada NPF , arus balik didominasi oleh emisi Schottky.
Plot koefisien relatif dari emisi Poole–Frenkel NPF (=Sm-PF /SPF ) dan emisi Schottky NS (=Sm-S /SS ) versus suhu
Kesimpulan
Kami telah menyelidiki karakteristik listrik dioda penghalang Mo/Au Schottky yang dibuat pada (100) -Ga2 O3 film yang dieksfoliasi secara mekanis dari -Ga yang didoping Sn2 O3 substrat. Berdasarkan model TE, ϕ . yang diekstraksi b dan n meningkat dan menurun dengan meningkatnya suhu, masing-masing. Dengan mengasumsikan distribusi Gaussian dari tinggi penghalang tidak homogen, diperoleh tinggi penghalang rata-rata 1,55 eV dan deviasi standar 0,186 eV. Akhirnya, menurut ln (Aku /T
2
) dan ln (Aku /E ) versus E
1/2
plot, parameter NS emisi Schottky mendekati satu, menggambarkan emisi Schottky sebagai mekanisme transpor dominan dari arus balik. Tegangan tembus 300 V dengan sampel dalam Fluorinert diperoleh di dioda penghalang Mo/Au Schottky dengan medan listrik rata-rata 3 MV/cm, menunjukkan potensi besar -Ga2 O3 untuk aplikasi elektronika daya.
