Исследование поляризации поверхности гетероструктуры GaN / AlGaN / GaN, закрытой Al2O3, методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением

Фон

Нитрид галлия (GaN) считается одним из наиболее привлекательных полупроводниковых материалов во многих областях, от светодиодной промышленности до энергетики электронной [1, 2]. Популярность обусловлена ​​рядом преимуществ по сравнению с кремнием:высоким пробивным электрическим полем, высокой подвижностью электронов и отличной термической стабильностью [3, 4]. GaN-транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT) широко изучается для мощных и высокочастотных приложений [1, 5, 6]. В HEMT, если используется затвор Шоттки, этот интерфейс затвора приводит к большим состояниям интерфейса, которые усугубляют большой ток утечки и низкое поле пробоя [7]. Изолятор, индуцированный как поверхностный пассивирующий слой и диэлектрик затвора, может помочь смягчить вышеуказанные проблемы [8,9,10].

Аль ₂ О ₃ является предпочтительным для такого изолятора из-за его большой запрещенной зоны, высокой диэлектрической проницаемости и большей отрицательной свободной энергии Гиббса по сравнению с Ga ₂ О ₃ , поэтому считается, что Al ₂ О ₃ может пассивировать поверхностные состояния и улучшать поле электрического пробоя [5]. Однако на границе GaN / Al ₂ неизбежно образуется межфазный слой. О ₃ граница раздела после осаждения Al ₂ О ₃ [11, 12]. Считается, что этот межфазный слой коррелирует с надежностью порогового напряжения и свойствами двумерного электронного газа (2DEG) и играет ключевую роль в управлении изгибом полосы [2, 13,14,15,16].

Хотя межфазный слой изучался несколькими исследовательскими группами, роль, которую играет межфазный слой, не исследовалась глубоко [12, 17]. Поэтому в этой статье мы используем рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию с угловым разрешением (ARXPS) для обнаружения постепенных изменений изгиба зон и получения атомной структуры межфазного слоя [11]. Различная толщина Al ₂ О ₃ осаждаются на образцы GaN методом атомно-слоистого осаждения (ALD). ALD использует технологию низкотемпературного послойного осаждения, которая ограничивает термическую реакцию между GaN и Al ₂ О ₃ . Таким образом, промышленность отдает предпочтение ALD для осаждения диэлектриков с высоким k из-за его высокой приспосабливаемости и однородности, точности контроля толщины, высокого качества пленки и низкой плотности дефектов [4]. Это позволяет получить гладкий и малодефектный Al ₂ О ₃ / GaN интерфейс. После Ала ₂ О ₃ При осаждении также готовится образец для отжига после осаждения (PDA) при 400 ° C, чтобы усилить реакцию межфазного слоя, улучшая формирование межфазного слоя. На основе результатов ARXPS обнаружено, что полоса изначально изгибается вверх от подложки GaN к ближней границе раздела из-за индуцированных поляризацией отрицательных зарядов. Однако по мере увеличения угла обнаружения θ полоса постепенно изгибается вниз из-за образования положительных зарядов [5, 11,12,13].

Методы

Пластина GaN / AlGaN / GaN-на-Si (111) с поверхностью GaN была приобретена у коммерческой компании (Enkris.com). Эпитаксиальная структура вюрцита включает слой GaN толщиной 2 нм поверх слоя AlGaN толщиной 22 нм, и два эпитаксиальных слоя выращены на слое i-GaN толщиной 150 нм. Буферный слой служит переходным слоем, соединяющим эпитаксиальный слой GaN и подложку Si. Готовят три образца:S1, S2 и S3. Все образцы сначала обрабатывали ацетоном на 5 мин, затем погружали в изопропиловый спирт и промывали проточной деионизированной (ДИ) водой. Затем природный оксид вытравливали, погружая его в разбавленный раствор HCl (HCl:H ₂ O =1:10) в течение ~ 1 мин с последующим ополаскиванием деионизированной водой. Аль ₂ О ₃ осаждаются методом ALD поверх GaN с триметилалюминием (TMA) и H ₂ О как предшественник металла и окислитель соответственно. Аль ₂ О ₃ толщина составляет 1 нм для образца S1 и 3 нм для образцов S2 и S3. Толщина измеряется эллипсометром. Причем S3 подвергся КПК в N ₂ при 400 ° C в течение 5 мин.

Измерения ARXPS проводились в системе Thermo Fisher Scientific Theta Probe, оснащенной монохроматическим микрофокусированным источником рентгеновского излучения Al Kα (1486,6 эВ) и полусферическим анализатором энергии электронов. Калибровка энергии связи (BE) была выполнена с использованием чистых стандартных образцов Ni, Au, Ag и Cu путем установки края Ферми Ni, Au 4 f _7/2 , Ag 3 d _5/2 , и Cu 2 p _3/2 пики при 0,00 ± 0,02, 83,98 ± 0,02, 368,26 ± 0,02 и 932,67 ± 0,02 эВ соответственно. Полную ширину спектра данного компонента можно было изменять только в узком диапазоне (± 0,1 эВ). Наименьшее количество компонентных спектров было использовано для получения приемлемо низких остаточных значений [11]. Спектры XPS регистрировались при разных углах обнаружения ( θ ) в диапазоне от 27,5 ° до 72,5 ° относительно нормали к образцу параллельно без наклона образца. Чтобы удалить возможный сдвиг BE, вызванный положительной зарядкой, полученные XPS-спектры были привязаны к C 1 s пик при 285,0 эВ. Количественный анализ, включая определение отношения элемент / связь, был проведен с использованием коэффициентов относительной чувствительности и алгоритмов, встроенных в программное обеспечение Avantage [11].

Результаты и обсуждение

Ga 3 d Спектры остовного уровня для S1 – S3 при разных углах регистрации фотоэлектронов показаны на рис. 1a – c соответственно. Для S1 каждый Ga 3 d Спектр можно описать двумя пиками, соответствующими связям Ga – N и Ga – O. Связи Ga – O обусловлены образованием оксида в результате воздействия кислородсодержащего вещества в ALD, и кислородный агент проник в исходный тонкий слой Al ₂ О ₃ слой [3]. Для S2 и S3 можно выделить три пика, обозначенные как Ga – N, Ga – O и O 2 s . , соответственно. O 2 s пик приписывается связям Ga – O и Al – O и становится очевидным при увеличении угла обнаружения. Поскольку эта статья не посвящена этому пику, дальше он обсуждаться не будет. На рис. 2 представлена ​​зависимость BE пиков Ga – N от θ . для S1 – S3. Уменьшение на 0,2 эВ получается из θ =От 27,5 ° до 72,5 ° для S1. Это предполагает изгиб полосы вверх, что согласуется с публикациями [3, 11]. Для S2 BE показывает уменьшение на 0,1 эВ, что указывает на умеренный изгиб полосы вверх вблизи границы по сравнению с S1 или плоскую энергетическую полосу без изгиба полосы с учетом экспериментальной ошибки. Однако для S3 наблюдается увеличение BE на 0,2 эВ, в отличие от образцов S1 и S2, предполагающих изгиб полосы вниз. На рисунке 3 показано Al 2 p спектры для всех образцов, и в БЭ нет изменений. Кроме того, пик отмечен как связь Al – O, и, следовательно, слой AlGaN оказывает незначительное влияние на изменение Ga – N BE. В таблице 1 приведены БЭ Ga 3 d . и Al 2 p при разных углах регистрации для всех образцов с погрешностью ± 0,1 эВ.

XPS Ga 3 d спектры основного уровня для a S1, b S2 и c S3

БЭ пика спектра Ga – N как функция угла обнаружения θ (относительно нормали) для S2. Полоса погрешности составляет ± 0,1 эВ

XPS Al 2 p спектры основного уровня для a S1, b S2 и c S3, а пик указывает на связь Al – O. Более того, нет значительных вариаций BE

Отношения между пиками Ga – O и Ga – N для всех образцов приведены в таблице 2. Отношение составляет около 0,2 для образцов S1 и S2, что согласуется с предыдущими результатами [3]. Однако после лечения PDA соотношение увеличивается до ~ 0,3 и означает увеличение GaO _x межфазный слой. Кроме того, соотношение Ga / N также приведено в таблице 2. Отношение рассчитывается путем сравнения интегральных интенсивностей Ga 3 d и N 1 s пики с атомными факторами чувствительности [18]. Для образцов S1 и S2 отношение около 1,7 предполагает наличие обогащенного галлием межфазного слоя. Однако после N ₂ при отжиге отношение уменьшается до ~ 1.0. Кроме того, глубина отбора проб также указана в таблице 2 для каждого угла. Из-за экспоненциального затухания фотоэлектронов 63 и 95% обнаруженных электронов происходят с расстояния 1λ (т.е. λ представляет собой неупругую длину свободного пробега электрона (IMFP)) и 3λ соответственно от поверхности. Таким образом, глубина выборки XPS определяется как 3λ нанометров от поверхности образца. В нашем случае Al ₂ О ₃ покрывающий слой и λ Ga 3 d фотоэлектроны в Al ₂ О ₃ оценивается как ~ 3,4 нм. Для грубой оценки глубина выборки под разными углами задается как 3λcos θ . Однако фактическая глубина отбора проб Ga – N BE должна учитывать толщину Al ₂ О ₃ , поэтому глубина дискретизации оценивается как 3λcos θ без заглушки Al ₂ О ₃ толщина. Поскольку GaO _x слой находится поверх гетероструктуры GaN, сигнал этого слоя включается для каждого угла обнаружения. Однако с увеличением угла обнаружения интенсивность сигнала связи Ga – N уменьшается, что приводит к увеличению отношения Ga – O / Ga – N. По сравнению с S2 и S3 увеличение отношения Ga – O / Ga – N и уменьшение отношения Ga / N предполагает, что богатый Ga слой окислился с образованием GaO _x .

Чтобы проиллюстрировать представленные здесь экспериментальные данные, модель схематически предложена на рис. 4. Уровень энергии Ферми подложки GaN / AlGaN / GaN откалиброван как 0 эВ во время измерения XPS [19]. Приведены максимум зоны проводимости (CBM), максимум валентной зоны (VBM) и основной уровень. BE - это разность энергий между уровнем ядра и уровнем Ферми. При осаждении методом ALD O из кислородсодержащего вещества может замещать N в связи Ga – N для окисления GaN, а окружающие атомы N могут образовывать N ₂ молекул [20], что приводит к образованию слоя, обогащенного Ga, и оксида галлия (GaO _x ) межфазный слой [11, 18]. Это подтверждается отношением Ga / N, которое больше 1 в таблице 2. Это отношение указывает на изменение стехиометрии GaN, и собственный эффект спонтанной поляризации GaN должен исчезнуть [21,22,23]. В результате слой с высоким содержанием Ga, как GaN-to-GaO _x переходный слой устраняет индуцированные поляризацией отрицательные заряды и приводит к образованию плоской зоны проводимости [11], как показано на рис. 4.

В области интерфейса O, заменяющий N в связи Ga – N, приводит к богатому Ga слою и GaO _x слой. Слой с высоким содержанием Ga действует как преобразователь GaN в GaO _x переходный слой. Образование Ga – O устраняет поляризацию GaN и действует как положительный заряд. В результате зона проводимости постепенно изгибается снизу вверх и соответственно изменяется BE

Кроме того, в процессе отжига обогащенная Ga поверхность окисляется с образованием более толстого GaO _x слой. Поскольку окисление является кинетически ограниченной реакцией и ограничивается примерно двумя поверхностными монослоями, основная масса не будет сильно нарушена [24]. Следовательно, сигнал связи Ga – N в основном исходит от неокисленного нижележащего объема, что приводит к стехиометрическому отношению Ga / N, равному 1 для S3. GaO _x Сообщалось, что слой приносит положительные заряды, которые могут быть фиксированными на границе раздела фаз с энергетическими состояниями между минимумами зоны проводимости естественного оксида и GaN, что искривляет зону вниз [4, 11, 13, 14]. Следовательно, зона проводимости слоя с высоким содержанием Ga начинает уменьшаться в области около GaO _x слой. Более толстый GaO _x ожидается, принесет большую плотность положительных зарядов. Что касается константы BE Ga – O и Al – O в S3, это указывает на то, что положительный заряд должен располагаться на границе раздела обогащенного Ga / GaO _x слой. Положительные заряды и индуцированные поляризацией отрицательные заряды создают внутреннее электрическое поле, которое изменило изгиб полосы от восходящего изгиба полосы к изгибу полосы вниз, как показано на рис. 4. Из-за изгиба полосы вниз BE увеличивается с увеличением угла обнаружения. .

GaO _x межфазный слой приносит положительные заряды, которые увеличивают высоту межфазного барьера ɸ _b . ɸ _b определяется как разность энергий между уровнем Ферми и минимумом зоны проводимости на поверхности или границе раздела [25]. В результате после A ₂ О ₃ осаждения подвижность 2DEG увеличивается, а электронная плотность 2DEG уменьшается [16, 25, 26].

С увеличением Al ₂ О ₃ толщины, сигнал XPS больше отражается на границе раздела между закрытым алюминием ₂ О ₃ и GaN / AlGaN / GaN, что подтверждается глубиной выборки XPS, показанной в таблице 2. Это объясняет, что только часть профиля изгиба полосы могла быть обнаружена для S2 [27]. В результате вариация BE составляет 0,1 эВ, что меньше 0,2 эВ для S1. Для S3 с более толстым межфазным слоем плотность положительных зарядов увеличивается, что приводит к изгибу полосы вниз.

Выводы

Таким образом, поляризация интерфейса Al ₂ О ₃ -кэпированный GaN / AlGaN / GaN исследуется ARXPS. Собственная поляризация GaN устраняется из-за слоя с высоким содержанием Ga и GaO _x формирование слоя. Кроме того, связи Ga – O из GaO _x слой вносит положительные межфазные фиксированные заряды. Из-за такого изменения поляризации полоса изменяется от изгиба вверх до изгиба вниз в области границы раздела.