Экспериментальные и теоретические исследования контакта Mo / Au Шоттки на механически отслоившейся тонкой пленке β-Ga2O3

Фон

В последнее время полупроводник со сверхширокой запрещенной зоной β-Ga ₂ О ₃ привлек большое внимание благодаря своим превосходным характеристикам, таким как высокая химическая стабильность, большая прямая широкая запрещенная зона 4,8–4,9 эВ, высокое теоретическое электрическое поле пробоя ( E _BR ) 8 МВ / см и высокая добротность Балиги, равная 3400, что примерно в десять раз больше, чем у SiC, и в четыре раза больше, чем у GaN [1,2,3]. Сочетание всех этих свойств с высоким качеством, большой площадью и экономичным β-Ga ₂ О ₃ субстрат, выращенный методами выращивания из расплава, делает β-Ga ₂ О ₃ предпочтительный материал для высоковольтных и мощных электронных устройств [4,5,6,7,8,9]. В качестве перспективного электронного устройства β-Ga ₂ О ₃ Диоды с барьером Шоттки (SBD) изготавливались из различных металлов анодных электродов, включая Cu [8], Pd [10], Pt [5, 6, 11,12,13], Au [10, 14], Ni [13, 15]. , 16,17,18] и TiN [12], а также его прямые и обратные электрические характеристики, такие как удельное сопротивление в открытом состоянии, I _на / Я _выкл соотношение, высота барьера, обратный ток утечки и напряжение пробоя были всесторонне исследованы. Неоднородная высота барьера Шоттки и ненасыщающий ток обратного смещения были зарегистрированы в β-Ga ₂ О ₃ SBD [6, 8, 11, 18, 19], в то время как гораздо меньше информации было известно о механизме переноса носителей при обратном смещении, что важно для повышения напряжения пробоя.

Кроме того, не было проведено никаких исследований для анализа механизмов эмиссии Mo / β-Ga ₂ О ₃ контакт. Если в β-Ga ₂ есть ловушки или дефекты О ₃ На подложке будет обнаружено, что ток утечки соответствует модели эмиссии Френкеля – Пула, а обратный ток представляет собой эмиссию электронов из захваченного состояния вблизи границы раздела металл-полупроводник. В противном случае в основном процессе обратного тока будет преобладать эмиссия Шоттки, так как электроны через барьер Шоттки вызывают обратный ток. β-Ga ₂ О ₃ Кристалл также обладает одним уникальным свойством, большой постоянной решетки 12,23 Å вдоль направления [100], что позволяет легко расщепляться на тонкие ленты или наномембраны [9, 20]. Итак, в этой работе мы механически расслоили крупномасштабный β-Ga ₂ О ₃ из объемной подложки с низкой плотностью дислокаций, и впервые в качестве металла анодного электрода для изготовления β-Ga ₂ был выбран термостойкий молибден (Mo). О ₃ диоды с вертикальным барьером Шоттки. Механизм электропроводности при обратном смещении обсуждался в диапазоне температур от 298 до 423 К. Эта работа дает представление о механизмах переноса носителей, которые могут помочь улучшить функциональные возможности β-Ga ₂ О ₃ на базе устройств.

Методы / экспериментальные

Как показано на рис. 1а, б, диод с барьером Шоттки был изготовлен на β-Ga ₂ О ₃ (100) пленка, механически отслаивающаяся от легированного оловом β-Ga ₂ О ₃ подложка толщиной 15 мкм и концентрацией электронов 2 × 10 ¹⁷ см ^{- 3} . Как показано на рис. 1d, e, полная ширина на полувысоте (FWHM) и среднеквадратичное значение (RMS) были оценены в 51,9 угловых секунд и 0,19 нм, соответственно, с помощью дифракции рентгеновских лучей высокого разрешения (HRXRD) и атомных рентгеновских лучей. силовой микроскоп (АСМ) измерения. Измерения подтвердили превосходное качество кристаллов и гладкую поверхность. После влажной химической очистки металлический пакет Ti / Au (20 нм / 100 нм) был осажден с использованием электронно-лучевого испарения на обратной стороне с последующим быстрым термическим отжигом (RTA) при 600 ° C в течение 60 с в атмосфере азота для образуют омический контакт. Круглые анодные электроды Шоттки диаметром 100 мкм были сформированы на лицевой стороне путем испарения металлов Mo / Au (40 нм / 100 нм) и процесса отрыва. На рисунке 1c показана структура схематического поперечного сечения β-Ga ₂ О ₃ SBD в этой работе.

а Легированный оловом β-Ga ₂ О ₃ подложка толщиной 300 мкм. б На лицевой стороне сформированы анодные электроды Шоттки диаметром 100 мкм. c Структура схемы поперечного сечения β-Ga ₂ О ₃ SBD. г Кривая качания XRD и e АСМ изображение β-Ga ₂ О ₃ дрейфовый слой, механически отслоившийся от (100) β-Ga ₂ О ₃ субстрат

Результаты и обсуждение

Вольт-амперные характеристики Au / Mo / β-Ga ₂ О ₃ Диоды с барьером Шоттки были исследованы с использованием системы определения характеристик полупроводников Keithley 4200 между 298 и 423 К. Как показано на рис. 2a, I _на / Я _выкл соотношение близко к 10 ¹⁰ при 298 K, что указывает на хорошие характеристики выпрямления. Для прямого смещения от 0,1 до 0,7 В полулогарифмические ВАХ имеют почти линейный вид и сильно зависят от температуры. При дальнейшем увеличении прямого смещения отклонение от линейности ВАХ приписывается последовательному сопротивлению диода с барьером Шоттки, а соотношение между приложенным напряжением и током может быть выражено как \ (I ={I} _s \ left \ {\ exp \ left [\ frac {q \ left (V- {IR} _s \ right)} {nkT} \ right] -1 \ right \} \) [21,22,23], где V приложенное напряжение, R _s последовательное сопротивление, T абсолютная температура, k постоянная Больцмана, n фактор идеальности, и I _s - обратный ток насыщения. n и я _s можно определить по наклону и пересечению ln I-V участки соответственно. Для идеального диода с барьером Шоттки коэффициент идеальности n должен быть равен единице. Чем выше n , тем больше отклонение от модели термоэмиссии (ТЕ). Кроме того, согласно уравнению \ ({\ phi} _b =\ frac {kT} {q} \ ln \ left [\ frac {AA ^ {\ ast} {T} ^ 2} {I_s} \ right] \ ) [21,22,23], значения ϕ _б при различных температурах также были определены, как показано на рис. 2b, где ϕ _б высота барьера, A - площадь диода и A ^* - эффективная постоянная Ричарда 40,8 А · см ⁻² K ^{- 2} с β-Ga ₂ О ₃ эффективная масса м ^* = 0,34 м ₀ [5, 24]. При повышении температуры от 298 до 423 К значение ϕ _б увеличивается, пока n уменьшается, что указывает на другой механизм переноса, также вносящий вклад в перенос тока и приводящий к отклонению ВАХ от чистой модели TE, о чем ранее сообщалось в β-Ga ₂ О ₃ Диоды с барьером Шоттки [25] и другие устройства с широкой запрещенной зоной [26,27,28,29,30]. Анализ неоднородности высоты барьера может быть описан распределением Гаусса по высоте барьера,

а Прямые ВАХ Mo / β-Ga ₂ О ₃ Диоды с барьером Шоттки при разных температурах. б Температурная зависимость фактора идеальности и высоты барьера Шоттки β-Ga ₂ О ₃ Диод с барьером Шоттки. c Графики ϕ _ap против q / 2 k T и модифицированный график Ричардсона в зависимости от 1 / k T для β-Ga ₂ О ₃ Диоды с барьером Шоттки

Значения средней высоты барьера \ (\ overline {\ phi_ {b0}} \) и стандартного отклонения σ _s извлечены как 1,55 эВ и 0,186 эВ, соответственно, из рис. 2c. Кроме того, с учетом неоднородностей высоты барьера, обычный график Ричардсона видоизменяется следующим образом:

Как показано на рис. 2c, измененный \ (\ ln \ left ({I} _ {\ mathrm {s}} / {T} ^ 2 \ right) - \ left ({q} ^ 2 {\ sigma} _ {\ mathrm {s}} ^ 2/2 {k} ^ 2 {T} ^ 2 \ right) \) по сравнению с 1 / kT прямая линия. Пересечение кривой используется для получения A ^* 44,7 А см ⁻² К ⁻² , что очень близко к теоретическому значению β-Ga ₂ О ₃ 40,8 А см ⁻² к ⁻² . Следовательно, неоднородности барьера на границе раздела металл / полупроводник для β-Ga ₂ О ₃ SBD можно объяснить TE с гауссовым распределением барьера по SBH.

Измерение обратного пробоя при комнатной температуре также проводилось с использованием системы высоковольтного полупроводникового анализатора Agilent B1505A, как показано на рис. 3. Напряжение пробоя составляло 260 В, тогда как оно составляло 300 В с образцом, погруженным в Fluorinert ™ производства компании 3M. что может предотвратить пробой воздуха при высоком обратном смещении. Чтобы понять распределение электрического поля, было проведено численное моделирование с помощью программного обеспечения ATLAS, как показано на рис. 4a, b. С увеличением расстояния от границы между полупроводником и анодом примерно до 1 мкм электрическое поле постепенно уменьшается. На позиции x =4 мкм, среднее электрическое поле составляет 3 МВ / см, рассчитанное по рис. 4в. Также показано на рис. 4d в позиции y =1 нм максимальное электрическое поле при напряжении пробоя составляло около 8 МВ / см на краю контакта Шоттки, что примерно в 2,7 раза больше среднего электрического поля. Как сообщают AJ Green et al [31] и K. Zeng et al [32], максимальное электрическое поле и среднее электрическое поле края электрода составляли 5,3, 3,8 МВ / см и 6,1, 4,4 МВ / см, соответственно, и пиковое электрическое поле Mo / Ga ₂ О ₃ Диод Шоттки относительно высокий. Предполагается, что β-Ga ₂ О ₃ наномембрана, полученная путем механического расслоения, имеет большое количество оборванных связей и поверхностных состояний, которые будут захватывать электроны для истощения носителей от анода к катоду при обратном смещении [33]. С учетом отрицательного поверхностного заряда результат моделирования показал, что электрическое поле на краю контакта Шоттки уменьшается с увеличением отрицательной поверхностной плотности заряда с 0,5 × 10 ¹³ см ⁻² до 3 × 10 ¹³ см ⁻² , соответственно. Особенно с отрицательной поверхностной плотностью заряда 3 × 10 ¹³ см ⁻² пиковое электрическое поле на краю контакта Шоттки составляет около 5,2 МВ / см. Следовательно, обратное напряжение пробоя 300 В может быть достигнуто на β-Ga ₂ О ₃ наномембрана с N _D =3 × 10 ¹⁷ см ⁻² без каких-либо оконечных конструкций. Как показано на рис. 4d, из-за наличия состояния интерфейса в X -положении ниже 2 мкм электроны могут быть захвачены, и может образоваться обедненная область, в результате чего электрическое поле будет в Y направление. По мере увеличения концентрации состояний интерфейса электрическое поле в Y направление увеличивается, хотя электрическое поле в X направление приближается к нулю. Таким образом, электрическое поле увеличивается на X -положение менее 2 мкм.

Обратные ВАХ β-Ga ₂ О ₃ образцы при комнатной температуре соответственно во флюоринерте и на воздухе

а Моделирование электрического поля диодов с барьером Шоттки с помощью TCAD в закрытом состоянии при напряжении смещения - 300 В. б Моделирование электрического поля выбранных областей в зеленой пунктирной рамке. Потенциал вдоль y ось в точке x =4 мкм присутствует в ( c ), а электрическое поле на краю контакта Шоттки, уменьшенное с помощью различных эффективных отрицательных плотностей поверхностного заряда, представлено в ( d )

С другой стороны, при обратном смещении V _re увеличиваясь, ток утечки I _re увеличивается, а не насыщается для | V |> 3 тыс. _B Т / кв , как показано на рис. 5a, что не согласуется с теорией TE. Таким образом, термоэлектронная эмиссия, усиленная электрическим полем, была рассмотрена для обсуждения зависимости I _re на V _re , включая эмиссию Пула – Френкеля и эмиссию Шоттки [34, 35]. В эмиссии Пула – Френкеля электроны переносятся из металла в полупроводник через захваченное состояние, а I _re дается

в то время как при эмиссии Шоттки электроны получат достаточно энергии, чтобы преодолеть барьер в металле / полупроводнике, чтобы сформировать ток и I _re может быть выражено

а Обратные ВАХ Mo / β-Ga ₂ О ₃ Диоды с барьером Шоттки при разной температуре. б Температурная зависимость 1 / C ² характеристики Mo / β-Ga ₂ О ₃ Диоды с барьером Шоттки. Анализ зависимости Mo / β-Ga ₂ от электрического поля О ₃ Шоттки контактируют с другим механизмом. c Механизм Пула – Френкеля ( I / E ) по сравнению с E ^1/2 и d Механизм Шоттки ln ( Я / Т ² ) по сравнению с E ^1/2

где ε _s - диэлектрическая проницаемость β-Ga ₂ О ₃ (~ 10 ε ₀ ) и E - приложенное электрическое поле, рассчитанное по формуле \ (E \ kern0.5em =\ kern0.5em \ sqrt {\ frac {2 {qN} _D} {\ varepsilon_S} \ left (V + {V} _ {bi} - \ frac {k_BT} {q} \ right)} \), N _Д донорная плотность β-Ga ₂ О ₃ , и V _би это встроенный потенциал. Как показано на рис. 5b, N _Д и V _би можно извлечь из наклона и точки пересечения обратной квадратичной емкости (1 / C ² ) по сравнению с V _re графики с использованием следующего выражения

Если кривая ln ( И / Т ² ) по сравнению с E ^1/2 линейна, доминирует эмиссионный механизм Шоттки. И если сюжет ln ( Я / E ) по сравнению с E ^1/2 является лайнером, эмиссия Пула – Френкеля доминирует над переносом обратного тока. На рис. 5c, d изображены графики ln ( Я / E ) и ln ( Я / Т ² ) по сравнению с E ^1/2 , соответственно. Оба набора кривых являются линейными, что указывает на присутствие не только излучения Пула – Френкеля, но и излучения Шоттки. Чтобы прояснить доминирующий механизм переноса носителей, наклон кривых или коэффициент эмиссии можно выразить как [34,35,36].

где n =1 для излучения Пула – Френкеля ( S _ПФ ) и n =2 для излучения Шоттки ( S _S ). Экспериментальные значения S обозначаются как S _м-ПФ и S _м-с для эмиссии Пула – Френкеля и Шоттки, определяемой наклоном кривых на рис. 5в, г соответственно. Отношение экспериментального значения к теоретическому значению, N _ПФ (= S _м-ПФ / S _ПФ ) и N _S (= S _м-с / S _S ), показаны на рис. 6. Поскольку значения N _S ближе к единице, чем у N _ПФ , в обратном токе преобладает эмиссия Шоттки.

Графики относительных коэффициентов выбросов Пула – Френкеля N _ПФ (= S _м-ПФ / S _ПФ ) и излучения Шоттки N _S (= S _м-с / S _S ) от температуры

Выводы

Мы исследовали электрические характеристики диодов с барьером Шоттки Mo / Au, изготовленных на (100) β-Ga ₂ О ₃ пленка, механически отслаивающаяся от легированного оловом β-Ga ₂ О ₃ субстрат. На основе модели TE извлеченные ϕ _б и н увеличивается и уменьшается с повышением температуры соответственно. Предполагая гауссово распределение неоднородной высоты барьера, были получены средняя высота барьера 1,55 эВ и стандартное отклонение 0,186 эВ . Наконец, согласно ln ( Я / Т ² ) и ln ( Я / E ) по сравнению с E ^1/2 графиков, параметр N _S излучения Шоттки близко к единице, что свидетельствует о том, что излучение Шоттки является доминирующим механизмом переноса обратного тока. Напряжение пробоя 300 В с образцами из Fluorinert получается в диодах с барьером Шоттки из Mo / Au со средним электрическим полем 3 МВ / см, что указывает на большой потенциал β-Ga ₂ О ₃ для силовой электроники.

Сокращения

I-V:

Ток-напряжение

Мо:

Молибден

RTA:

Быстрый термический отжиг

SBD:

Диод с барьером Шоттки

TE:

Термоэмиссия