Kontak Schottky Mo/Au pada Tipis Film β-Ga₂O₃: Wawasan Eksperimental dan Teoretis tentang Transport dan Karakteristik Breakdown Balik-Bias

Latar Belakang

Baru-baru ini, semiconductornya β-Ga₂O₃ dengan bandgap ultra-lebar telah menarik banyak minat karena karakteristik unggulnya, seperti stabilitas kimia yang tinggi, bandgap langsung lebar yang besar sebesar 4,8–4,9 eV, medan hancur teoretis (E_BR) sebesar 8 MV/cm, dan figure-of-merit Baliga sebesar 3400, yang sekitar sepuluh kali lebih besar dari SiC dan empat kali lebih besar dari GaN [1,2,3]. Gabungan semua properti ini dengan substrat β-Ga₂O₃ berkualitas tinggi, luas luas, dan hemat biaya yang ditanam dengan teknik pencairan membuat β-Ga₂O₃ menjadi bahan pilihan untuk aplikasi elektronik tegangan tinggi dan daya tinggi [4,5,6,7,8,9]. Sebagai perangkat elektronik yang menjanjikan, dioda hambatan Schottky (SBD) β-Ga₂O₃ diproduksi dengan berbagai logan 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 elektrik maju dan baliknya, seperti resistensi on spesifik, ras I_on/I_off, ketinggian hambatan, arus kebocoran balik, dan tegangan hancur, telah diselidiki secara menyeluruh. Ketidakterjaman ketinggian hambatan Schottky dan arus bias balik yang tidak saturasi telah dilaporkan dalam SBD β-Ga₂O₃ [6, 8, 11, 18, 19] sementara informasi yang lebih sedikit diketahui tentang mekanisme transport pembawa di bawah bias balik, yang sangat penting untuk peningkatan tegangan hancur.

Selain itu, tidak ada penelitian yang dilakukan untuk menganalisis mekanisme emisi kontak Mo/β-Ga₂O₃. Jika ada jebakan atau cacat dalam substrat β-Ga₂O₃, arus kebocoran akan ditemukan sesuai dengan model emisi Frenkel–Poole, dan arus balik adalah emisi elektron dari keadaan terjepit dekat antarmuka logam-semikonduktor. Jika tidak, proses utama dalam arus balik akan didominasi oleh emisi Schottky yang elektron melewati hambatan Schottky menghasilkan arus balik. Kristal β-Ga₂O₃ juga memiliki satu properti unik, konstanta jaringan yang besar sebesar 12,23 Å sepanjang arah [100], yang memungkinkan pemilah mudah menjadi sabut tipis atau membran nano [9, 20]. Jadi dalam karya ini, kami secara mekanis mengelupas β-Ga₂O₃ berskala besar dari substrat bulk densitas diferensi rendah, dan untuk pertama kalinya, logan Molybdenum (Mo) yang stabil termal dipilih sebagai logan elektroda anoda untuk memproduksi dioda hambatan Schottky vertikal β-Ga₂O₃. Mekanisme konduksi listrik di bawah bias balik dibahas pada rentang suhu 298 hingga 423 K. Karya ini memberikan wawasan tentang mekanisme transport pembawa yang dapat membantu meningkatkan fungsionalitas perangkat berbasis β-Ga₂O₃.

Metode/Eksperimen

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a, b, dioda hambatan Schottky diproduksi pada film β-Ga₂O₃ (100) yang dielupas secara mekanis dari substrat β-Ga₂O₃ yang di-dop Sn, dengan ketebalan 15 μm dan konsentrasi elektron 2 × 10¹⁷ cm^{− 3}. Seperti yang ditampilkan pada Gambar 1d, e, lebar paruh pada puncak maksimum (FWHM) dan akar kuadrat rata-rata (RMS) diperkirakan sebesar 51,9 arcsec dan 0,19 nm, masing-masing, oleh pengukuran difraksi X resolusi tinggi (HRXRD) dan mikroskop gaya atom (AFM). Kualitas kristal yang bagus dan permukaan halus dikonfirmasi oleh pengukuran. Setelah pembersihan kimia basah, tumpukan logam Ti/Au (20 nm/100 nm) diendapkan menggunakan E-beam evaporation pada sisi belakang dan diikuti oleh penganalan termal cepat (RTA) pada 600 °C selama 60 detik dalam atmosfer nitrogen untuk membentuk kontak Ohmik. Elektroda anoda hambatan lingkaran dengan diameter 100 μm dibentuk pada sisi depan oleh evaporasi logam Mo/Au (40 nm/100 nm) dan proses lift-off. Gambar 1c menunjukkan struktur potongan lintang skematis SBD β-Ga₂O₃ dalam karya ini.

a Substrat β-Ga₂O₃ yang di-dop Sn dengan ketebalan 300 μm. b Elektroda anoda hambatan yang dibentuk pada sisi depan dengan diameter 100 μm. c Struktur potongan lintang skematis SBD β-Ga₂O₃. d Kurva rocking XRD dan e citra AFM lapisan drift β-Ga₂O₃ yang dielupas secara mekanis dari substrat β-Ga₂O₃ (100)

Hasil dan Pembahasan

Karakteristik arus-tegangan (I-V) dioda hambatan Schottky Au/Mo/β-Ga₂O₃ diselidiki menggunakan sistem karakterisasi semiconductor Keithley 4200 antara 298 dan 423 K. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a, ras I_on/I_off mendekati 10¹⁰ pada 298 K, menunjukkan perilaku perbaikan yang baik. Untuk bias maju dari 0,1 hingga 0,7 V, kurva I-V semilogaritmik hampir linier dan menunjukkan perilaku bergantung pada suhu yang kuat. Seiring peningkatan bias maju, penyimpangan dari linearitas kurva I-V disebabkan oleh resistensi seri dioda hambatan Schottky dan hubungan antara tegangan yang diterapkan dan arus dapat dinyatakan sebagai \( I={I}_s\left\{\exp \left[\frac{q\left(V-{IR}_s\right)}{nkT}\right]-1\right\} \) [21,22,23], di mana V adalah tegangan yang diterapkan, R_s adalah resistensi seri, T adalah suhu absolut, k adalah konstanta Boltzmann, n adalah faktor idealitas, dan I_s adalah arus saturasi balik. Nilai n dan I_s dapat ditentukan dari kemiringan dan tangkang potong plot lnI-V, masing-masing. Untuk dioda hambatan Schottky ideal, faktor idealitas n harus sama dengan satu. Semakin tinggi n, semakin besar penyimpangan dari model emisi termal (TE). Selain itu, sesuai dengan persamaan \( {\phi}_b=\frac{kT}{q}\ln \left[\frac{AA^{\ast }{T}^2}{I_s}\right] \) [21,22,23], nilai ϕ_b pada berbagai suhu juga ditentukan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b, di mana ϕ_b adalah ketinggian hambatan, A adalah luas dioda dan A^* adalah konstanta Richard efektif 40,8 A cm⁻² K^{− 2} dengan massa efektif β-Ga₂O₃ m^* = 0,34 m₀ [5, 24]. Seiring peningkatan suhu dari 298 hingga 423 K, ϕ_b meningkat sementara n menurun, menunjukkan bahwa mekanisme transport lain juga berkontribusi pada transport arus dan menyebabkan penyimpangan karakteristik I-V dari model TE murni, yang telah dilaporkan sebelumnya dalam dioda hambatan Schottky β-Ga₂O₃ [25] dan perangkat bandgap lebar lainnya [26,27,28,29,30]. Analisis ketidakterjaman ketinggian hambatan dapat dijelaskan oleh distribusi Gaussian dalam ketinggian hambatan,

a Karakteristik I-V maju Mo/β-Ga₂O₃ dioda hambatan Schottky pada berbagai suhu. b Ketergantungan suhu faktor idealitas dan ketinggian hambatan Schottky dioda hambatan Schottky β-Ga₂O₃. c Plot ϕ_ap versus q/2kT dan plot Richardson yang dimodifikasi versus 1/kT untuk dioda hambatan Schottky β-Ga₂O₃

Nilai ketinggian hambatan rata-rata \( \overline{\phi_{b0}} \) dan simpangan baku σ_s diekstrak sebesar 1,55 eV dan 0,186 eV, masing-masing, dari Gambar 2c. Selain itu, mempertimbangkan ketidakterjaman ketinggian hambatan, plot Richardson konvensional dimodifikasi sebagai berikut:

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2c, plot yang dimodifikasi \( \ln \left({I}_{\mathrm{s}}/{T}^2\right)-\left({q}^2{\sigma}_{\mathrm{s}}^2/2{k}^2{T}^2\right) \) versus 1/kT adalah garis lurus. Tangkang potong kurva digunakan untuk mendapatkan A^* sebesar 44,7 A cm⁻² K⁻², yang sangat dekat dengan nilai teoretis β-Ga₂O₃ sebesar 40,8 A cm⁻² k⁻². Oleh karena itu, ketidakterjaman hambatan pada antarmuka logam/semikonduktor untuk SBD β-Ga₂O₃ dapat dijelaskan oleh TE dengan distribusi Gaussian hambatan di atas ketinggian hambatan.

Pengukuran hancur balik suhu kamar juga dilakukan menggunakan sistem analyzer semiconductor tegangan tinggi Agilent B1505A, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Tegangan hancur adalah 260 V sementara adalah 300 V dengan sampel terendam dalam Fluorinert ™ yang diproduksi oleh perusahaan 3M yang dapat mencegah hancur udara di bawah bias balik tinggi. Untuk memahami distribusi medan listrik, simulasi numerik dilakukan dengan perangkat lunak ATLAS, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a, b. Seiring bertambahnya jarak dari antarmuka antara semikonduktor dan anoda hingga sekitar 1 μm, medan listrik secara bertahap menurun. Pada 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 hancur sekitar 8 MV/cm pada tepi kontak Schottky, yang sekitar 2,7 kali dari medan listrik rata-rata. Seperti yang dilaporkan oleh A. J. Green et al [31] dan K. Zeng et al [32], medan listrik puncak dan rata-rata pada tepi elektroda adalah 5,3, 3,8 MV/cm dan 6,1, 4,4 MV/cm, masing-masing, dan medan listrik puncak dioda Schottky Mo/Ga₂O_{3> relatif tinggi. Dianggap bahwa membran nano β-Ga2O3 yang dielupas secara mekanis memiliki banyak ikatan gulung dan keadaan permukaan yang akan menangkap elektron untuk mengurangi pembawa dari anoda ke katoda di bawah bias balik [33]. Dengan mempertimbangkan muatan permukaan negatif, hasil simulasi menunjukkan bahwa medan listrik pada tepi kontak Schottky berkurang seiring bertambahnya densitas muatan permukaan negatif dari 0,5 × 10¹³ cm⁻² hingga 3 × 10¹³ cm⁻², masing-masing. Khususnya dengan densitas muatan permukaan negatif 3 × 10¹³ cm⁻², medan listrik puncak pada tepi kontak Schottky sekitar 5,2 MV/cm. Oleh karena itu, tegangan hancur balik 300 V dapat dicapai pada membran nano β-Ga2O3 dengan ND = 3 × 10¹⁷ cm⁻² tanpa struktur akhir tepa apa pun. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4d, karena adanya keadaan antarmuka pada posisi X di bawah 2 μm, elektron dapat terjepit dan wilayah pengurangan dapat terbentuk, menghasilkan medan listrik dalam arah Y. Seiring bertambahnya konsentrasi keadaan antarmuka, medan listrik dalam arah Y meningkat, meskipun medan listrik dalam arah X mendekati nol. Jadi medan listrik meningkat pada posisi X di bawah 2 μm.}

Karakteristik I-V balik sampel β-Ga₂O₃ pada suhu kamar masing-masing dalam Fluorinert dan udara

a Simulasi medan listrik TCAD keadaan mati dioda hambatan Schottky di bawah bias − 300 V. b Simulasi medan listrik wilayah terpilih dalam kotak putus hijau. Potensial sepanjang sumbu y pada x = 4 μm ditampilkan dalam (c), dan medan listrik pada tepi kontak Schottky dengan berbagai densitas muatan permukaan negatif efektif ditampilkan dalam (d)

Di sisi lain, seiring bertambahnya bias balik V_re, arus kebocoran I_re meningkat daripada menyatur untuk |V | > 3 k_BT/q, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a, yang tidak konsisten dengan teori TE. Oleh karena itu, emisi termal yang ditingkatkan oleh medan listrik dipertimbangkan untuk membahas ketergantungan I_re pada V_re, termasuk emisi Poole–Frenkel dan emisi Schottky [34, 35]. Dalam emisi Poole–Frenkel, elektron transportasi dari logam ke semikonduktor melalui keadaan terjepit dan I_re diberikan oleh

sedangkan dalam emisi Schottky, elektron akan memperoleh cukup energi untuk melewati hambatan pada antarmuka logam/semikonduktor untuk membentuk arus dan I_re dapat dinyatakan oleh

a Karakteristik I-V balik dioda hambatan Schottky Mo/β-Ga₂O₃ pada berbagai suhu. b Ketergantungan suhu karakteristik 1/C² dioda hambatan Schottky Mo/ β-Ga₂O₃. Analisis ketergantungan medan listrik kontak Schottky Mo/β-Ga₂O₃ dengan mekanisme berbeda. c Mekanisme Poole–Frenkel (I/E) versus E^1/2 dan d mekanisme Schottky ln(I/T²) versus E^1/2

di mana ε_s adalah permisitivitas β-Ga₂O₃ (~ 10 ε₀) dan E adalah medan listrik yang diterapkan, dihitung oleh \( E\kern0.5em =\kern0.5em \sqrt{\frac{2{qN}_D}{\varepsilon_S}\left(V+{V}_{bi}-\frac{k_BT}{q}\right)} \), N_D adalah densitas donatur β-Ga₂O₃, dan V_bi adalah potensi bawaan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b, N_D dan V_bi dapat diekstrak dari kemiringan dan tangkang potong plot kapasitansi kuadrat terbalik (1/C²) versus V_re menggunakan ekspresi berikut

Jika kurva ln(I/T²) versus E^1/2 linier, maka mekanisme emisi Schottky dominan. Dan jika plot ln(I/E) versus E^1/2 linier, maka emisi Poole–Frenkel mendominasi transport arus balik. Gambar 5c, d menggambarkan plot ln(I/E) dan ln(I/T²) versus E^1/2, masing-masing. Keduanya linier, menunjukkan tidak hanya emisi Poole–Frenkel tetapi juga emisi Schottky ada. Untuk memperjelas mekanisme transport pembawa dominan, kemiringan kurva, atau koefisien emisi dapat dinyatakan sebagai [34,35,36].

di mana n = 1 untuk emisi Poole–Frenkel (S_PF) dan n = 2 untuk emisi Schottky (S_S). Nilai eksperimental S dinotasikan sebagai S_m-PF dan S_m-S untuk emisi Poole–Frenkel dan Schottky yang diberikan oleh kemiringan kurva pada Gambar 5c, d, masing-masing. Rasio nilai eksperimental terhadap nilai teoretis, N_PF (=S_m-PF/S_PF) dan N_S (=S_m-S/S_S), ditunjukkan pada Gambar 6. Karena nilai N_S lebih dekat pada satu daripada nilai N_PF, arus balik didominasi oleh emisi Schottky.

Plot koefisien relatif emisi Poole–Frenkel N_PF (=S_m-PF/S_PF) dan emisi Schottky N_S (=S_m-S/S_S) versus suhu

Kesimpulan

Kami telah menyelidiki karakteristik elektrik dioda hambatan Schottky Mo/Au yang diproduksi pada film β-Ga₂O₃ (100) yang dielupas secara mekanis dari substrat β-Ga₂O₃ yang di-dop Sn. Berdasarkan model TE, nilai ϕ_b dan n yang diekstrak meningkat dan menurun seiring bertambahnya suhu, masing-masing. Dengan asumsi distribusi Gaussian ketinggian hambatan yang tidak homogen, ketinggian hambatan rata-rata 1,55 eV dan simpangan baku 0,186 eV diperoleh. Akhirnya, berdasarkan plot ln(I/T²) dan ln(I/E) versus E^1/2, parameter N_S emisi Schottky dekat pada satu, menggambarkan bahwa emisi Schottky adalah mekanisme transport dominan dari arus balik. Tegangan hancur 300 V dengan sampel dalam Fluorinert diperoleh pada dioda hambatan Schottky Mo/Au dengan medan listrik rata-rata 3 MV/cm, yang menunjukkan potensi besar β-Ga₂O₃ untuk aplikasi elektronik daya.

Singkatan

I-V:

Arus-tegangan

Mo:

Molybdenum

RTA:

Penganalan termal cepat

SBD:

Diod hambatan Schottky

TE:

Emisi termal