Pengaruh Ketebalan Lapis AlN pada Antarmuka dan Kinerja Listrik ALD-AlN pada GaN Sesar c

Abstrak

Kami memeriksa bagaimana ketebalan AlN yang ditetapkan melalui ALD mempengaruhi karakteristik antarmuka dan listrik dioda MIS Pt/AlN/n-GaN. Lapis AlN 7,4 nm menghasilkan densitas perangkap antarmuka dan oksida tertinggi, sementara film 0,7 nm menunjukkan ikatan Al–O yang dominan dan tidak ada puncak AlN yang jelas dalam spektral XPS. Kehadiran oksigen di seluruh lapisan AlN berkontribusi pada akumulasi keadaan antarmuka, terutama untuk film yang lebih tebal. Analisis emisi termistik (TE) menggambarkan perilaku bias maju dari perangkat 7,4 nm, sementara sampel 0,7 nm memerlukan model transport yang berbeda. Kebocoran bias balik untuk kedua ketebalan paling baik dijelaskan oleh tunnel Fowler–Nordheim (FN) alih-alih emisi Poole–Frenkel (PF), menekankan peran inhomogenitas hambatan dan tunnel yang didukung cacat dalam struktur ini.

Latar Belakang

Semikonduktor III-nitride, dengan bandgap yang lebar, kecepatan saturasi elektron yang tinggi, dan medan hancur yang kuat, sangat penting baik untuk perangkat optoelektronik (LED, dioda laser, detektor UV) maupun perangkat elektronik daya tinggi (HEMT, sakram daya) [1–4]. Mencapai antarmuka logam/semikonduktor yang berkualitas tinggi dan densitas rendah sangat penting untuk meminimalkan perangkap elektron yang menempelkan level Fermi dan menghambat modulasi hambatan [5, 6]. AlN, dengan bandgap 6,2 eV, konduktivitas termal yang tinggi, dan ketidakcocokan jaring hanya 1,1 % dengan GaN, adalah kandidat passivasi yang menarik. ALD AlN pada sekitar 300 °c menawarkan kompatibilitas CMOS dan memungkinkan pertumbuhan lapisan dielektrik tinggi-k yang seragam [12–15]. Namun, AlN yang ditumbuhkan ALD sering mengandung banyakImpurities oksigen, yang dapat menurunkan performa listrik [15, 16]. Sementara oksida tinggi-k seperti Al₂O₃ dan HfO₂ telah digunakan sebagai lapisan passivasi, mereka dapat memperkenalkan keadaan antarmuka dalam melalui pembentukan ikatan Ga–O [19]. Sebaliknya, lapisan AlN tipis telah menunjukkan dapat memodulasi tinggi hambatan pada kontak GaN [20–23], namun studi sistematis tentang properti antarmuka yang bergantung pada ketebalan masih jarang. Karya ini mengatasi kesenjangan itu dengan menitipkan film AlN dengan ketebalan 0,7, 1,5, dan 7,4 nm pada n-GaN dan mengevaluasi kimia antarmuka dan perilaku listriknya.

Metode

Bahan dan Pembuatan Perangkat

Wafer GaN bulk sesar c komersial (300 µm, 5 × 10¹⁴ cm⁻³, densitas dislokasi threading 1,5 × 10⁷ cm⁻²) dipotong menjadi chip 5 mm × 5 mm. Setelah pembersihan 1:1 HCl:H₂O, sampel dimuat ke reaktor ALD termal CN-1 (precursor trimethylaluminum dan NH₃) pada 350 °c. Ketebalan AlN disesuaikan dengan memvariasi siklus ALD, menghasilkan film 0,7, 1,5, dan 7,4 nm, seperti yang dikonfirmasi oleh elipsometri FS-1. Dioda MIS dibentuk dengan menguapkan 50 nm Pt (diameter 500 µm) sebagai elektroda top Schottky dan 100 nm Al sebagai kontak bawah. Dioda Schottky Pt/n-GaN referensi juga dibuat.

Karakterisasi

Pengukuran I–V yang bergantung pada suhu (−5 V hingga +5 V, 80–400 K) diukur dengan analyzer HP 4155B pada panggung hot-chuck. Data C–V (0,1–1 MHz) diperoleh menggunakan meter LCR HP 4284A. Gambar STEM penampang dihasilkan untuk memverifikasi ketebalan lapisan. Spektroskopi X-ray dispersif energi (EDS) menyediakan profil kedalaman elemen, sementara spektroskopi fotoelektron X (XPS) dengan sumber Al Kα monokromatik memeriksa kimia antarmuka.

Hasil dan Pembahasan

Verifikasi Struktural

Gambar STEM penampang mengonfirmasi ketebalan AlN dalam ±0,2 nm dari nilai elipsometri. Film 0,7 nm tampak tidak kontinu di wilayah terlokalisasi, sedangkan lapisan 7,4 nm seragam dan kontinu.

Transport Bias Maju

Kurva I–V semilog (Gambar 2a) menunjukkan bahwa perangkat 0,7 nm menunjukkan kebocoran lebih tinggi daripada referensi, sementara perangkat 1,5 dan 7,4 nm menekan arus. Analisis TE menghasilkan tinggi hambatan 0,77 eV (referensi), 0,61 eV (0,7 nm), 0,83 eV (1,5 nm), dan 1,00 eV (7,4 nm). Faktor idealitas mencerminkan tren ini: 1,63 (ref), 4,19 (0,7 nm), 1,83 (1,5 nm), 1,57 (7,4 nm). Ketebalan 0,7 nm mewakili titik balik di mana hambatan menurun dan rekombinasi meningkat.

Perilaku Kapasitansi–Tegangan

C–V frekuensi rendah (≤10 kHz) untuk perangkat 0 dan 0,7 nm menunjukkan inversi, yang mengindikasikan depleksi dalam yang diinduksi oleh cacat—tidak ada dalam lapisan AlN yang lebih tebal. Profil kedalaman EDS mengungkapkan difusi Pt ke GaN untuk referensi, tetapi ini ditekan ketika AlN ≥1,5 nm, mengonfirmasi peran penghalang AlN. Histiri C–V frekuensi tinggi (Gambar 5 inset) mengungkapkan densitas perangkap 4,2 × 10⁹ cm⁻² eV⁻¹ (referensi), 9,3 × 10⁹ cm⁻² eV⁻¹ (1,5 nm), dan 3,6 × 10¹¹ cm⁻² eV⁻¹ (7,4 nm). Film 7,4 nm oleh karena itu menampung perangkap antarmuka dan oksida yang terbesar.

Kimia Antarmuka (XPS)

Untuk sampel 0,7 nm, spektrum Al 2p menunjukkan puncak pada 74,1 dan 75,6 eV (AlOₓ dan Al–OH), yang menunjukkan pembentukan AlN yang tidak sempurna dan ikatan Al–O yang dominan. Film 7,4 nm menunjukkan puncak AlN yang jelas pada 73,6 eV dan komponen Al₂O₃ kecil (~531,8 eV dalam O 1s). Spektra Ga 2p₃/₂ menunjukkan komponen 1117,4 eV (ikatan Ga–Al) untuk film tebal, sementara film tipis menunjukkan puncak 1118,0 eV (GaN) dan 1119,2 eV (Ga₂O₃). Konsentrasi oksigen secara signifikan lebih rendah dekat antarmuka AlN/GaN dalam sampel 7,4 nm, tetapi tetap ada di seluruh film, yang mengindikasikan keadaan cacat yang terkait oksigen yang meningkatkan D_it.

Kebocoran Bias Balik

Data J–V yang bergantung pada suhu (Gambar 7) mengungkapkan bahwa kebocoran balik perangkat 7,4 nm tumbuh lebih curam dengan suhu dibandingkan arus maju. Plot Richardson yang dimodifikasi mengonfirmasi bahwa inhomogenitas hambatan, yang dimodelkan oleh TE, cocok dengan data 7,4 nm (σ₀ = 0,204 V) tetapi tidak untuk kasus 0,7 nm (σ₀ = 0,147 V). Tunnel FN mendominasi kedua perangkat: tinggi hambatan 1,67 eV (0,7 nm) dan 0,78 eV (7,4 nm) pada 300 K. Hambatan yang lebih rendah untuk film yang lebih tebal selaras dengan densitas perangkap yang lebih tinggi, memfasilitasi tunnel yang didukung perangkap. Pemasangan PF menghasilkan permitivitas yang tidak fisik, sehingga menolak emisi PF sebagai mekanisme kebocoran utama.

Implikasi untuk Desain Perangkat

Temuan kami menunjukkan bahwa lapisan AlN ≥1 nm secara efektif menekan difusi Pt dan mengurangi penangkap level dalam, namun film yang terlalu tebal (>5 nm) memperkenalkan perangkap antarmuka dan bulk yang signifikan yang menurunkan hambatan dan meningkatkan kebocoran FN. AlN 1,5 nm memberikan keseimbangan: peningkatan hambatan yang modis, densitas perangkap rendah, dan kebocoran yang dapat diterima. Wawasan ini menginformasikan optimisasi lapisan passivasi dalam perangkat HEMT dan daya berbasis GaN, terutama saat diintegrasikan dengan proses CMOS.

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan bahwa ketebalan AlN secara kritis mengatur kualitas antarmuka dan kebocoran dioda MIS ALD-AlN/n-GaN. Film 7,4 nm menunjukkan densitas perangkap antarmuka/oksida tertinggi, sementara film 0,7 nm menderita ikatan Al–O dan tidak memiliki lapisan AlN yang kuat. Kebocoran bias balik didominasi oleh tunnel Fowler–Nordheim untuk kedua ketebalan, dengan film yang lebih tebal menunjukkan hambatan efektif yang lebih rendah karena cacat yang terkait oksigen. Optimasi ketebalan AlN—idealnya sekitar 1–1,5 nm—menyeimbangkan peningkatan hambatan terhadap pembentukan perangkap, membuka jalan untuk perangkat GaN berkinerja tinggi.

Singkatan

ALD

Depo Lapis Atom

AlN

Nitride Aluminium

C–V

Kapasitansi–Tegangan

FN

Fowler–Nordheim

J–V

Densitas Arus–Tegangan

PF

Poole–Frenkel

TE

Emisi Termistik

XPS

Spektroskopi Fotoelektron X