Polarisasi Permukaan Heterostruktur GaN/AlGaN/GaN yang Dilapisi Al₂O₃ Diteliti melalui Spektroskopi Fotoelektron X Resolusi Sudut
Abstrak
Kami menggunakan spektroskopi fotoelektron X resolusi sudut (ARXPS) untuk menyelidiki polarisasi permukaan heterostruktur Ga-wa GaN/AlGaN/GaN yang dilapisi dengan 1–3 nm Al₂O₃ yang ditinggalkan oleh deposisi lapisan atom (ALD). Profil tepi band berubah dari lenturan ke atas di wilayah GaN polos menjadi lenturan ke bawah di dekat antarmuka Al₂O₃. Perubahan ini berasal dari lapisan antarmuka yang kaya Ga dan lapisan GaO_x yang terbentuk ketika oksigen dari precursor ALD menggantikan nitrogen dalam ikatan Ga–N. Lapisan GaO_x menyediakan muatan positif tetap yang menutralisir polarisasi negatif inti GaN, sehingga meratakan tipe konduksi dan pada akhirnya menyebabkan lenturan ke bawah. Aneling pasca-deposisi dalam N₂ pada 400 °c meningkatkan pertumbuhan GaO_x, meningkatkan kepadatan muatan positif dan lebih mengurangi tepi band.
Latar Belakang
GaN’s high breakdown field, electron mobility, and thermal stability make it a leading material for LEDs and power electronics [1,2]. In GaN high‑electron‑mobility transistors (HEMTs), a Schottky gate introduces interface states that degrade leakage current and reduce the breakdown field [3]. Passivating the surface with a high‑k dielectric such as Al₂O₃ mitigates these issues due to its wide band gap, high dielectric constant, and thermodynamic stability [4,5]. However, ALD of Al₂O₃ inevitably creates a thin interfacial layer at the GaN surface [6–8]. This layer, often described as GaO_x, strongly influences threshold voltage stability, two‑dimensional electron gas (2DEG) density, and band‑bending behavior [9–12]. While previous studies have identified the existence of the interfacial layer, its detailed role in polarization modulation has not been fully elucidated. Here, we employ ARXPS to quantify band‑bending evolution and to resolve the atomic structure of the interfacial layer in Al₂O₃‑capped GaN/AlGaN/GaN structures.
Metode
Sampel terdiri dari cap GaN 2 nm, saluran AlGaN 22 nm, dan buffer GaN intrik 150 nm pada Si(111). Tiga wafer (S1, S2, S3) diproses secara identik: dibersihkan dalam aseton, alkohol isopropil, dan air deionisasi; diukis dengan HCl encer untuk menghilangkan oksida alami; kemudian dilapisi Al₂O₃ oleh ALD menggunakan aluminium trimetil dan H₂O. Ketebalan Al₂O₃ adalah 1 nm untuk S1 dan 3 nm untuk S2 dan S3 (terverifikasi oleh elipsometri). S3 mengalami aneling 5 menit N₂ pada 400 °c untuk mempromosikan oksidasi antarmuka.
Pengukuran ARXPS dilakukan pada Thermo Fisher Scientific Theta Probe yang dilengkapi dengan sumber Al Kα monokromatik (1486,6 eV). Kalibrasi energi ikatan menggunakan standar Ni, Au, Ag, dan Cu. Spektra direkam pada sudut insidensi (θ) dari 27,5° hingga 72,5° relatif terhadap normal sampel, tanpa memiringkan spesimen. Semua spektra direferensikan ke puncak C 1s pada 285,0 eV untuk mengoreksi efek charge. Analisis kuantitatif menggunakan faktor sensitivitas relatif perangkat lunak Avantage.
Hasil dan Pembahasan
Spektral inti Ga 3d untuk setiap sampel menunjukkan lingkungan ikatan yang berbeda. S1 menunjukkan dua komponen (Ga–N dan Ga–O), sementara S2 dan S3 menunjukkan puncak O 2s tambahan yang dapat diatribusikan pada ikatan Ga–O dan Al–O, yang menjadi lebih menonjol pada sudut deteksi yang lebih tinggi.
Pergeseran energi ikatan puncak Ga–N (ΔBE) dengan θ memberikan wawasan langsung tentang lenturan band. S1 menampilkan penurunan 0,20 eV dari θ = 27,5° ke 72,5°, yang menunjukkan lenturan band ke atas yang konsisten dengan literatur [13]. S2 menunjukkan penurunan 0,10 eV yang lebih kecil, yang menunjukkan profil band yang lebih datar. Di sisi lain, S3 menunjukkan peningkatan BE 0,20 eV, yang mengungkapkan lenturan band ke bawah setelah aneling N₂.
Spektra Al 2p tetap tidak berubah di seluruh sampel, mengonfirmasi bahwa AlGaN tidak mempengaruhi variasi BE Ga–N. Tabel 1 (diringkas dalam artikel) mencantumkan nilai BE untuk Ga 3d dan Al 2p pada setiap θ dengan ketidakpastian ±0,1 eV.
Rasio intensitas Ga–O ke Ga–N, yang dihitung dari luas puncak dan faktor sensitivitas, naik dari sekitar 0,2 pada S1/S2 menjadi sekitar 0,3 pada S3, yang menunjukkan pembentukan GaO_x yang ditingkatkan pasca-aneling. Rasio Ga/N turun dari sekitar 1,7 (kaya Ga) pada S1/S2 menjadi sekitar 1,0 (stoikiometrik) pada S3, yang menunjukkan bahwa lapisan antarmuka kaya Ga dioksidasi menjadi GaO_x.
Mempertimbangkan bebas rata panjang mean free elektron (~3,4 nm untuk Ga 3d dalam Al₂O₃), kedalaman pemakaian pada setiap θ adalah 3λ cos θ dikurangi ketebalan Al₂O₃. Oleh karena itu, θ yang lebih tinggi mengeksplorasi kedalaman yang lebih dangkal, menonjolkan sinyal Ga–O dan meningkatkan rasio Ga–O/Ga–N. Transisi dari Ga–N ke GaO_x secara efektif menghilangkan polarisasi negatif inti GaN, meratakan tipe konduksi dan memperkenalkan muatan positif antarmuka yang mendorong tepi band ke bawah.
Aneling lebih lanjut mengoksidasi permukaan kaya Ga, mempertebal GaO_x dan meningkatkan kepadatan muatan positif. Muatan ini menciptakan lapisan muatan tetap yang memodifikasi medan listrik internal, mengubah lenturan band ke atas menjadi lenturan band ke bawah. Pergeseran BE yang diamati dengan θ pada S3 mengonfirmasi mekanisme ini.
Penting, lapisan GaO_x meningkatkan ketinggian penghalang antarmuka (Φ_b), meningkatkan mobilitas 2DEG sambil mengurangi kepadatan, seperti yang dilaporkan dalam studi sebelumnya [14,15].
Kesimpulan
Pengukuran ARXPS menunjukkan bahwa pelapisan Al₂O₃ pada heterostruktur GaN/AlGaN/GaN menghasilkan lapisan antarmuka kaya Ga dan lapisan GaO_x berikutnya. Lapisan-lapisan ini menutralisir polarisasi inti GaN, memperkenalkan muatan positif tetap, dan mengubah profil band dari lenturan ke atas menjadi lenturan ke bawah di antarmuka. Wawasan ini sangat penting untuk merancang HEMT berbasis GaN yang berkinerja tinggi dan stabil.
