Поверхностная поляризация в гетероструктурах GaN/AlGaN/GaN с Al₂O₃-каппингом, исследованная ARXPS

Аннотация

Мы используем углово-разрешающую рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (ARXPS) для зондирования поверхностной поляризации Ga-лицевых гетероструктур GaN/AlGaN/GaN, каппированных 1–3 нм Al₂O₃, осажденным атомно-слойным осаждением (ALD). Профиль зонной кромки эволюционирует от вверхнего изгиба в области чистого GaN к внизнему изгибу у границы с Al₂O₃. Это изменение происходит из-за формирования Ga-богатого пограничного слоя и слоя GaO_x, когда кислород из ALD-предшественника замещает азот в Ga–N связях. Слой GaO_x поставляет положительные фиксированные заряды, которые нейтрализуют интринсичную отрицательную поляризацию GaN, выпрямляя зону проводимости и в конечном счете вызывая внизний изгиб. Пост-осадочный отжиг в N₂ при 400 °C усиливает рост GaO_x, увеличивая плотность положительных зарядов и дальнейшее снижение зонной кромки.

Введение

Высокое пробое поле, электронная подвижность и термическая стабильность GaN делают его ведущим материалом для СВЕТ и мощной электроники [1,2]. В GaN высокоэлектронно-подвижных транзисторах (HEMT) Шотткиевский затвор вводит пограничные состояния, ухудшающие ток утечки и снижающие пробое поле [3]. Пассивация поверхности высокок диэлектриком, таким как Al₂O₃, смягчает эти проблемы благодаря широкой запрещенной зоне, высокой диэлектрической проницаемости и термодинамической стабильности [4,5]. Однако ALD Al₂O₃ неизбежно создает тонкий пограничный слой на поверхности GaN [6–8]. Этот слой, часто описываемый как GaO_x, сильно влияет на стабильность порогового напряжения, плотность двухмерного электронного газа (2DEG) и поведение зонного изгиба [9–12]. Хотя предыдущие работы выявили существование пограничного слоя, его детальная роль в модуляции поляризации не была полностью elucidated. Здесь мы применяем ARXPS для квантификации эволюции зонного изгиба и разрешения атомной структуры пограничного слоя в Al₂O₃-каппированных GaN/AlGaN/GaN структурах.

Методы

Образцы состоят из 2-нм GaN каппинга, 22-нм AlGaN канала и 150-нм интринсичного GaN буфера на Si(111). Три вефера (S1, S2, S3) обрабатывались идентично: очистка в ацетоне, изопропиловом спирте и деионизированной воде; травление разбавленным HCl для удаления нативного оксида; затем каппинг Al₂O₃ методом ALD с триметилалюминием и H₂O. Толщина Al₂O₃ составляла 1 нм для S1 и 3 нм для S2 и S3 (верифицировано эллипсометрией). S3 прошел 5-минутный отжиг в N₂ при 400 °C для стимулирования пограничного окисления.

ARXPS измерения проводили на Thermo Fisher Scientific Theta Probe с монохроматическим Al Kα источником (1486,6 эВ). Калибровка связывающей энергии использовала стандарты Ni, Au, Ag, Cu. Спектры регистрировали при углах падения (θ) от 27,5° до 72,5° относительно нормали к образцу без наклона пробы. Все спектры отсылали к пику C 1s при 285,0 эВ для коррекции зарядовых эффектов. Количественный анализ использовал относительные чувствительные факторы программного обеспечения Avantage.

Результаты и обсуждение

Ga 3d ядерные спектры для каждого образца раскрывают отличные связывающие окружения. S1 показывает две компоненты (Ga–N и Ga–O), тогда как S2 и S3 демонстрируют дополнительный O 2s пик, приписываемый Ga–O и Al–O связям, становящимся более выраженным при больших углах детекции.

Сдвиг связывающей энергии Ga–N пика (ΔBE) с θ дает прямое представление об изгибе зон. S1 демонстрирует уменьшение 0,20 эВ от θ = 27,5° до 72,5°, указывая на вверхний изгиб зон, согласующийся с литературой [13]. S2 показывает меньшее уменьшение 0,10 эВ, предполагая более плоский профиль зон. В противовес, S3 демонстрирует увеличение BE на 0,20 эВ, раскрывая внизний изгиб зон после N₂ отжига.

Al 2p спектры остаются неизменными по всем образцам, подтверждая, что AlGaN не влияет на вариации BE Ga–N. Таблица 1 (резюмированная в статье) приводит значения BE для Ga 3d и Al 2p при каждом θ с неопределенностью ±0,1 эВ.

Отношение интенсивностей Ga–O к Ga–N, рассчитанное из площадей пиков и чувствительных факторов, растет от ~0,2 в S1/S2 до ~0,3 в S3, сигнализируя об усиленном формировании GaO_x после отжига. Отношение Ga/N падает от ~1,7 (Ga-богатое) в S1/S2 до ~1,0 (стехиометрическое) в S3, указывая, что пограничный Ga-богатый слой окисляется в GaO_x.

Учитывая среднюю длину свободного пробега электронов (~3,4 нм для Ga 3d в Al₂O₃), глубина зондирования при каждом θ составляет 3λ cos θ минус толщина Al₂O₃. Таким образом, большие θ зондируют более мелкие глубины, акцентируя Ga–O сигнал и повышая отношение Ga–O/Ga–N. Переход от Ga–N к GaO_x эффективно удаляет интринсичную отрицательную поляризацию GaN, выпрямляя зону проводимости и вводя положительные пограничные заряды, которые смещают зонную кромку вниз.

Отжиг дальнейше окисляет Ga-богатую поверхность, утолщая GaO_x и увеличивая плотность положительных зарядов. Эти заряды создают слой фиксированных зарядов, модифицирующий внутреннее электрическое поле, превращая вверхний изгиб зон в внизний. Наблюдаемый сдвиг BE с θ в S3 подтверждает этот механизм.

Важно, что слой GaO_x повышает барьерную высоту интерфейса (Φ_b), улучшая подвижность 2DEG при снижении его плотности, как сообщалось в предыдущих работах [14,15].

Заключение

ARXPS измерения демонстрируют, что Al₂O₃ каппинг на GaN/AlGaN/GaN гетероструктурах генерирует Ga-богатый пограничный слой и последующий слой GaO_x. Эти слои нейтрализуют интринсичную поляризацию GaN, вводят положительные фиксированные заряды и трансформируют профиль зон от вверхнего к внизнему изгибу на границе. Это понимание критично для проектирования высокопроизводительных, стабильных GaN-базированных HEMT.