Investigasi Polarisasi Permukaan Heterostruktur GaN/AlGaN/GaN Tertutup Al2O3 dengan Spektroskopi Fotoelektron Sinar-X Terselesaikan Sudut
Abstrak
Polarisasi permukaan Ga-face gallium nitride (GaN) (2 nm)/AlGaN (22 nm)/saluran GaN (150 nm)/buffer/Si dengan Al2 O3 lapisan capping diselidiki oleh spektroskopi fotoelektron sinar-X sudut-terselesaikan (ARXPS). Ditemukan bahwa pita energi bervariasi dari pembengkokan ke atas sampai ke pembengkokan ke bawah di daerah antarmuka, yang diyakini sesuai dengan variasi polarisasi. Lapisan antarmuka terbentuk antara GaN atas dan Al2 O3 karena terjadinya pemutusan ikatan Ga–N dan pembentukan ikatan Ga–O selama Al2 O3 deposisi melalui deposisi lapisan atom (ALD). Lapisan antarmuka ini diyakini dapat menghilangkan polarisasi GaN, sehingga mengurangi muatan negatif yang diinduksi polarisasi. Selanjutnya, lapisan antarmuka ini memainkan peran kunci untuk pengenalan muatan positif yang menyebabkan pita energi ke bawah. Akhirnya, sebuah N2 anil pada 400 °C diamati untuk meningkatkan pertumbuhan lapisan antarmuka sehingga meningkatkan kepadatan muatan positif.
Latar Belakang
Gallium nitrida (GaN) dianggap sebagai salah satu bahan semikonduktor paling menarik di berbagai bidang mulai dari industri LED hingga industri elektronika daya [1, 2]. Popularitasnya adalah karena sejumlah keuntungan sehubungan dengan silikon:medan listrik yang tinggi, mobilitas elektron yang tinggi, dan stabilitas termal yang sangat baik [3, 4]. Transistor mobilitas elektron tinggi (HEMT) GaN dipelajari secara luas untuk aplikasi daya tinggi dan frekuensi tinggi [1, 5, 6]. Di HEMT, jika gerbang Schottky diadopsi, antarmuka gerbang ini membawa status antarmuka besar yang memperburuk arus bocor besar dan bidang gangguan rendah [7]. Insulator yang diinduksi sebagai lapisan pasif permukaan dan dielektrik gerbang dapat membantu mengurangi masalah di atas [8,9,10].
Al2 O3 lebih disukai untuk aplikasi isolator seperti itu karena celah pita yang besar, konstanta dielektrik yang tinggi, dan energi bebas Gibbs yang lebih negatif dibandingkan dengan Ga2 O3 , sehingga diyakini bahwa Al2 O3 dapat mempasifkan keadaan permukaan dan meningkatkan medan gangguan listrik [5]. Namun, lapisan antarmuka pasti terbentuk di GaN/Al2 O3 antarmuka setelah pengendapan Al2 O3 [11, 12]. Lapisan antarmuka ini diyakini berkorelasi dengan keandalan tegangan ambang dan properti gas elektron dua dimensi (2DEG) dan memainkan peran kunci untuk mengontrol pembengkokan pita [2, 13,14,15,16].
Meskipun lapisan antarmuka telah dipelajari oleh beberapa kelompok penelitian, peran yang dimainkan oleh lapisan antarmuka belum dieksploitasi secara mendalam [12, 17]. Oleh karena itu, dalam makalah ini, kami menggunakan spektroskopi fotoelektron sinar-X yang diselesaikan dengan sudut (ARXPS) untuk mendeteksi perubahan bertahap dari pembengkokan pita dan mendapatkan struktur atom dari lapisan antarmuka [11]. Ketebalan yang berbeda dari Al2 O3 diendapkan pada sampel GaN dengan deposisi lapisan atom (ALD). ALD memanfaatkan teknologi deposisi lapis demi lapis bersuhu rendah, yang membatasi reaksi termal antara GaN dan Al2 O3 . Dengan demikian, ALD disukai oleh industri untuk menyimpan dielektrik k tinggi karena kesesuaian dan keseragamannya yang tinggi, akurasi pada kontrol ketebalan, kualitas film yang tinggi, dan kerapatan cacat yang rendah [4]. Ini memungkinkan Al2 . yang mulus dan cacat rendah O3 /GaN antarmuka. Setelah Al2 O3 deposisi, sampel 400 °C post-deposition annealing (PDA) juga disiapkan untuk mengintensifkan reaksi lapisan antarmuka, meningkatkan pembentukan lapisan antarmuka. Berdasarkan hasil ARXPS, ditemukan bahwa pita menekuk ke atas awalnya dari substrat GaN ke antarmuka dekat karena muatan negatif yang diinduksi polarisasi. Namun, sebagai peningkatan sudut deteksi θ , pita menekuk ke bawah secara bertahap karena pembentukan muatan positif [5, 11,12,13].
Metode
Wafer Ga-face GaN/AlGaN/GaN-on-Si (111) dibeli dari perusahaan komersial (Enkris.com). Struktur wurtzite epitaxial terdiri dari lapisan GaN 2-nm di atas lapisan AlGaN 22-nm, dan dua lapisan epitaxial ditumbuhkan pada lapisan i-GaN 150-nm. Lapisan penyangga berfungsi sebagai lapisan transisi yang menghubungkan epilayer GaN dan substrat Si. Tiga sampel, S1, S2, dan S3, disiapkan. Semua sampel pertama-tama diturunkan selama 5 menit dalam aseton, diikuti dengan perendaman dalam isopropil alkohol dan bilas dengan air deionisasi (DI) yang mengalir. Oksida asli kemudian dihilangkan dengan mencelupkannya ke dalam larutan HCl encer (HCl:H2 O =1:10) selama ~ 1 menit, diikuti dengan pembilasan dalam air DI. Al2 O3 diendapkan oleh ALD di atas GaN, dengan trimetil aluminium (TMA) dan H2 O masing-masing sebagai prekursor logam dan oksidan. Al2 O3 ketebalannya adalah 1 nm untuk sampel S1 dan 3 nm untuk sampel S2 dan S3. Ketebalan diukur dengan ellipsometer. Selain itu, S3 menjadi sasaran PDA di N2 pada 400 °C selama 5 menit.
Pengukuran ARXPS dilakukan dalam sistem Thermo Fisher Scientific Theta Probe yang dilengkapi dengan sumber sinar-X Al Kα (1486,6 eV) monokromatik dan fokus mikro dan penganalisis energi elektron hemisfer. Kalibrasi energi ikat (BE) dilakukan menggunakan sampel standar Ni, Au, Ag, dan Cu murni dengan mengatur tepi Ni Fermi, Au 4f7/2 , Ag 3d5/2 , dan Cu2p3/2 puncak masing-masing pada 0,00 ± 0,02, 83,98 ± 0,02, 368,26 ± 0,02, dan 932,67 ± 0,02 eV. FWHM dari spektrum komponen yang diberikan diizinkan untuk bervariasi dalam rentang yang sempit saja (± 0,1 eV). Jumlah spektrum komponen terendah digunakan untuk mendapatkan nilai residu rendah yang dapat diterima [11]. Spektrum XPS direkam pada sudut deteksi yang berbeda (θ ), mulai dari 27,5 hingga 72,5 terhadap sampel normal secara paralel tanpa memiringkan sampel. Untuk menghilangkan kemungkinan pergeseran BE yang diinduksi oleh pengisian positif, spektrum XPS yang diperoleh dirujuk ke C1s puncaknya pada 285,0 eV. Analisis kuantitatif, termasuk penentuan rasio elemen/ikatan, dicapai dengan menggunakan faktor sensitivitas relatif dan algoritme yang tertanam dalam perangkat lunak Avantage [11].
Hasil dan diskusi
Ga 3d spektrum tingkat inti untuk S1-S3 pada sudut deteksi fotoelektron yang berbeda masing-masing digambarkan pada Gambar. 1a-c. Untuk S1, setiap Ga 3d spektrum dapat dilengkapi dengan dua puncak, sesuai dengan ikatan Ga-N dan Ga-O. Ikatan Ga–O terjadi karena pembentukan oksida sebagai akibat dari paparan oksigen dalam ALD, dan oksigen menembus ke dalam lapisan tipis Al2 awal. O3 lapisan [3]. Untuk S2 dan S3, tiga puncak dapat diidentifikasi, dicatat sebagai Ga–N, Ga–O, dan O2s , masing-masing. O2 puncak dikaitkan dengan ikatan Ga-O dan Al-O, dan menjadi jelas ketika sudut deteksi menjadi lebih besar. Karena artikel ini tidak terfokus pada puncak ini, maka tidak akan dibahas lebih lanjut. Gambar 2 menyajikan BE dari puncak Ga–N sebagai fungsi dari θ untuk S1-S3. Penurunan 0,2-eV diperoleh dari θ =27,5° hingga 72,5° untuk S1. Ini menunjukkan pembengkokan pita ke atas, yang konsisten dengan publikasi [3, 11]. Untuk S2, BE menyajikan penurunan 0,1 eV, menunjukkan pita ke atas ringan yang menekuk di dekat antarmuka dibandingkan dengan S1 atau pita energi datar tanpa pembengkokan pita dalam pertimbangan kesalahan eksperimental. Namun, untuk S3, ada peningkatan 0.2-eV di BE, yang berbeda dengan sampel S1 dan S2, menyarankan pembengkokan pita ke bawah. Gambar 3 merekam Al 2p spektrum untuk semua sampel, dan tidak ada perubahan pada BE. Selain itu, puncak dicatat sebagai ikatan Al-O, dan akibatnya, lapisan AlGaN memiliki pengaruh yang dapat diabaikan pada variasi Ga-N BE. Tabel 1 merangkum BEs dari Ga 3d dan Al 2p pada sudut deteksi yang berbeda untuk semua sampel, dengan kesalahan ± 0,1 eV.
XPS Ga 3d spektrum tingkat inti untuk a S1, b S2, dan c S3
BE dari puncak spektrum Ga–N sebagai fungsi dari sudut deteksi θ (relatif terhadap normal) untuk S2. Bilah kesalahan adalah ± 0,1 eV
XPS Al 2p spektrum tingkat inti untuk a S1, b S2, dan c S3, dan puncaknya menunjukkan ikatan Al-O. Selain itu, tidak ada variasi BE yang signifikan
Rasio puncak Ga–O terhadap Ga–N untuk semua sampel disajikan pada Tabel 2. Rasio tersebut sekitar 0,2 untuk sampel S1 dan S2, yang konsisten dengan hasil sebelumnya [3]. Namun, setelah perlakuan PDA, rasio meningkat menjadi ~ 0,3 dan menunjukkan peningkatan GaOx lapisan antarmuka. Selain itu, rasio Ga/N juga diberikan pada Tabel 2. Rasio dihitung dengan membandingkan intensitas terintegrasi dari Ga 3d dan N 1s puncak dengan faktor sensitivitas atom [18]. Untuk sampel S1 dan S2, rasio sekitar 1,7 menunjukkan lapisan antarmuka kaya-Ga. Namun, setelah N2 anil, rasio menurun menjadi ~ 1.0. Selanjutnya, kedalaman pengambilan sampel juga diberikan pada Tabel 2 untuk setiap sudut. Karena redaman eksponensial fotoelektron, 63 dan 95% elektron yang terdeteksi berasal dari dalam jarak 1λ (yaitu, mewakili jalur bebas rata-rata inelastis elektron (IMFP)) dan 3λ, masing-masing, dari permukaan. Oleh karena itu, kedalaman pengambilan sampel XPS didefinisikan sebagai 3λ nanometer di bawah permukaan sampel. Dalam kasus kami, Al2 O3 adalah lapisan penutup dan dari Ga 3d fotoelektron dalam Al2 O3 diperkirakan sebagai ~ 3,4 nm. Untuk perkiraan kasar, kedalaman pengambilan sampel pada sudut yang berbeda diberikan sebagai 3λcosθ . Namun, kedalaman pengambilan sampel Ga–N BE yang sebenarnya harus mempertimbangkan ketebalan Al2 O3 , jadi kedalaman pengambilan sampel diperkirakan sebagai 3λcosθ dikurangi capping Al2 O3 ketebalan. Karena GaOx lapisan berada di atas heterostruktur GaN, sinyal lapisan ini disertakan untuk setiap sudut deteksi. Namun, dengan meningkatnya sudut deteksi, intensitas sinyal ikatan Ga-N menurun, menghasilkan peningkatan rasio Ga-O/Ga-N. Membandingkan S2 dengan S3, peningkatan rasio Ga–O/Ga–N dan penurunan rasio Ga/N menunjukkan bahwa lapisan kaya-Ga telah teroksidasi untuk membentuk GaOx .
Untuk mengilustrasikan data eksperimen yang disajikan di sini, model secara skematis diusulkan pada Gambar. 4. Tingkat energi Fermi dari substrat GaN/AlGaN/GaN dikalibrasi sebagai 0 eV selama pengukuran XPS [19]. Maksimum pita konduksi (CBM), maksimum pita valensi (VBM), dan level inti diberikan. BE adalah perbedaan energi antara tingkat inti dan tingkat Fermi. Pada deposisi ALD, O dari oksigen dapat menggantikan N dalam ikatan Ga–N untuk mengoksidasi GaN dan atom N di sekitarnya dapat membentuk N2 molekul [20], yang mengarah pada pembentukan lapisan kaya-Ga dan galium oksida (GaOx ) lapisan antarmuka [11, 18]. Hal ini didukung oleh rasio Ga/N yang lebih besar dari 1 pada Tabel 2. Rasio ini menunjukkan perubahan stoikiometri GaN, dan efek polarisasi spontan intrinsik dari GaN akan menghilang [21,22,23]. Akibatnya, lapisan kaya-Ga, sebagai GaN-ke-GaOx lapisan transisi, menghilangkan muatan negatif yang diinduksi polarisasi dan menghasilkan pita konduksi datar [11], seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.
Di daerah antarmuka, O menggantikan N dalam ikatan Ga–N menghasilkan lapisan kaya-Ga dan GaOx lapisan. Lapisan kaya-Ga bertindak sebagai GaN-ke-GaOx lapisan transisi. Pembentukan Ga–O menghilangkan polarisasi GaN dan bertindak sebagai muatan positif. Akibatnya, pita konduksi menekuk secara bertahap dari atas ke bawah dan BE bervariasi sesuai
Selanjutnya pada proses annealing, permukaan yang kaya akan Ga dioksidasi untuk membentuk GaO yang lebih tebalx lapisan. Karena oksidasi adalah reaksi terbatas secara kinetik dan terbatas pada sekitar dua lapisan tunggal permukaan, sebagian besar tidak akan sangat terganggu [24]. Oleh karena itu, sinyal ikatan Ga–N terutama berasal dari bagian dasar yang tidak teroksidasi, menghasilkan rasio stoikiometri Ga/N 1 untuk S3. GaOx lapisan telah dilaporkan membawa muatan positif yang mungkin merupakan muatan tetap antarmuka dengan keadaan energi antara minima pita konduksi oksida asli dan GaN, yang akan membengkokkan pita ke bawah [4, 11, 13, 14]. Oleh karena itu, pita konduksi lapisan kaya-Ga mulai berkurang di daerah dekat GaOx lapisan. GaO yang lebih tebalx diharapkan membawa kepadatan muatan positif yang lebih besar. Sehubungan dengan konstanta BE dari Ga–O dan Al–O di S3, ini menunjukkan bahwa muatan positif harus berada di antarmuka lapisan kaya-Ga/GaOx lapisan. Muatan positif dan muatan negatif yang diinduksi polarisasi membentuk medan listrik internal yang memodifikasi pembengkokan pita dari pembengkokan pita ke atas menjadi pembengkokan pita ke bawah, ditunjukkan pada Gambar 4. Karena pembengkokan pita ke bawah, BE meningkat dengan meningkatnya sudut deteksi .
GaOx lapisan antarmuka membawa muatan positif yang meningkatkan ketinggian penghalang antarmuka ɸb . b didefinisikan sebagai perbedaan energi antara tingkat Fermi dan pita konduksi minimum pada permukaan atau antarmuka [25]. Akibatnya, setelah A2 O3 deposisi, mobilitas 2DEG meningkat dan kerapatan elektron 2DEG berkurang [16, 25, 26].
Dengan peningkatan Al2 O3 ketebalan, sinyal XPS lebih mencerminkan wilayah antarmuka antara Al2 . yang tertutup O3 dan GaN/AlGaN/GaN, yang divalidasi oleh kedalaman pengambilan sampel XPS yang ditunjukkan pada Tabel 2. Ini menjelaskan bahwa hanya sebagian dari profil pembengkokan pita yang dapat dideteksi untuk S2 [27]. Akibatnya, variasi BE adalah 0,1 eV, lebih kecil dari 0,2 eV S1. Untuk S3, dengan lapisan antarmuka yang lebih tebal, kerapatan muatan positif meningkat sehingga menghasilkan pembengkokan pita ke bawah.
Kesimpulan
Singkatnya, polarisasi antarmuka Al2 O3 -capped GaN/AlGaN/GaN diselidiki oleh ARXPS. Polarisasi intrinsik GaN dihilangkan karena lapisan kaya Ga dan GaOx pembentukan lapisan. Selain itu, ikatan Ga–O dari GaOx lapisan membawa muatan tetap antarmuka positif. Karena variasi polarisasi ini, pita bervariasi dari tekukan ke atas hingga tekukan ke bawah di wilayah antarmuka.
