Влияние толщины AlN слоя на интерфейсные и электрические характеристики ALD-AlN на c-плоскости GaN

Аннотация

Мы изучили, как толщина атомно-слойно осажденного (ALD) AlN влияет на интерфейсные и электрические характеристики Pt/AlN/n-GaN MIS диодов. 7,4-нм AlN слой произвел наивысшие интерфейсную и оксидную ловушку плотности, тогда как 0,7-нм пленка демонстрировала доминирующее Al-O связывание и отсутствие четкого AlN пика в XPS спектрах. Наличие кислорода по всему AlN слою способствовало накоплению интерфейсных состояний, особенно для более толстых пленок. Термионно-эмиссионный (TE) анализ описал прямое смещение поведения 7,4-нм устройства, в то время как 0,7-нм образец требовал другую транспортную модель. Обратное смещение утечки для обеих толщин лучше описывалось Фоулер-Нордгейм (FN) туннелированием, а не Пула-Френкеля (PF) эмиссией, подчеркивая роль неоднородности барьера и дефектно-ассистированного туннелирования в этих структурах.

Введение

III-нитрид полупроводники, с их широкими запрещенными зонами, высокими электронными насыщенными скоростями и надежными пробойными полями, являются ключевыми для оптоэлектронных (светодиоды, лазерные диоды, УФ детекторы) и высокомощных электронных устройств (HEMT, силовые переключатели) [1–4]. Достижение низкой плотности, высококачественных металл/полупроводник интерфейсов необходимо для минимизации электронных ловушек, которые закрепляют уровень Ферми и препятствуют модуляции барьера [5, 6]. AlN, обладающий 6,2-эВ запрещенной зоной, высокой термической проводимостью и несоответствием решетки только 1,1 % с GaN, является убедительным кандидатом для пассивации. ALD AlN при ~300 °C предлагает CMOS совместимость и позволяет расти равномерные высокок диэлектрические слои [12–15]. Однако ALD-выращенный AlN часто содержит существенные кислородные примеси, которые могут деградировать электрическую производительность [15, 16]. В то время как высокок оксиды такие как Al₂O₃ и HfO₂ использовались как пассивационные слои, они могут вводить глубокие интерфейсные состояния через формирование Ga-O связей [19]. Напротив, тонкие AlN слои показывали модуляцию высот барьеров в GaN контактах [20–23], однако систематических исследований толщино-зависимых интерфейсных свойств остается мало. Эта работа заполняет этот пробел, осаждая AlN пленки 0,7, 1,5 и 7,4 нм на n-GaN и оценивая их интерфейсную химию и электрическое поведение.

Методы

Материалы и изготовление устройств

Коммерческие c-плоскости объемные GaN подложки (300 мкм, 5 × 10¹⁴ см⁻³, 1,5 × 10⁷ см⁻² плотность нитяных дислокаций) нарезали на 5 мм × 5 мм чипы. После 1:1 HCl:H₂O очистки образцы загружали в CN-1 термический ALD реактор (триметилалюминий и NH₃ предшественники) при 350 °C. Толщина AlN настраивалась изменением ALD циклов, давая 0,7, 1,5 и 7,4 нм пленки, как подтверждено FS-1 эллипсометрией. MIS диоды формировали испарением 50 нм Pt (500 мкм диаметр) как Шотткиевский верхний электрод и 100 нм Al как тыльную контакт. Референсные Pt/n-GaN Шотткиевские диоды также изготавливались.

Характеризация

Температурно-зависимые I-V (−5 В до +5 В, 80–400 К) измеряли на HP 4155B анализаторе на горячей подставке. Емкость-напряжение (C-V) данные (0,1–1 МГц) получали с HP 4284A LCR метра. Поперечно-сечение STEM изображения получали для верификации толщин слоев. Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDS) предоставляла элементные глубинные профили, в то время как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) с монохроматическим Al Kα источником изучала интерфейсную химию.

Результаты и обсуждение

Структурная верификация

Поперечно-сечение STEM подтвердило толщины AlN в пределах ±0,2 нм от эллипсометрических значений. 0,7-нм пленка появлялась дисконтинуальной в локализованных регионах, тогда как 7,4-нм слой был равномерным и непрерывным.

Прямое смещение транспорт

Полулогарифмические I-V кривые (Рис. 2а) показывают, что 0,7-нм устройство демонстрирует более высокую утечку, чем референс, в то время как 1,5- и 7,4-нм устройства подавляют ток. TE анализ дает высоты барьера 0,77 эВ (референс), 0,61 эВ (0,7 нм), 0,83 эВ (1,5 нм) и 1,00 эВ (7,4 нм). Идеальность факторы зеркалят этот тренд: 1,63 (реф), 4,19 (0,7 нм), 1,83 (1,5 нм), 1,57 (7,4 нм). 0,7-нм толщина таким образом представляет переломную точку, где барьер падает и рекомбинация увеличивается.

Емкость-напряжение поведение

Низкочастотные C-V (≤10 кГц) для 0 и 0,7 нм устройств показывают инверсию, указывающую на дефектно-индуцированное глубокое истощение — отсутствующее в более толстых AlN слоях. EDS глубинные профили раскрывают диффузию Pt в GaN для референса, но это подавляется когда AlN ≥1,5 нм, подтверждая барьерную роль AlN. Высокочастотная C-V гистерезис (Рис. 5 вставка) раскрывает ловушки плотности 4,2 × 10⁹ см⁻² эВ⁻¹ (референс), 9,3 × 10⁹ см⁻² эВ⁻¹ (1,5 нм) и 3,6 × 10¹¹ см⁻² эВ⁻¹ (7,4 нм). 7,4-нм пленка поэтому содержит наибольшие интерфейсные и оксидные ловушки.

Интерфейсная химия (XPS)

Для 0,7-нм образца Al 2p спектр показывает пики при 74,1 и 75,6 эВ (AlO_x и Al-OH), указывая на неполное AlN формирование и доминирующее Al-O связывание. 7,4-нм пленка демонстрирует четкий AlN пик при 73,6 эВ и незначительный Al₂O₃ компонент (~531,8 эВ в O 1s). Ga 2p₃/₂ спектры показывают 1117,4 эВ компонент (Ga-Al связывание) для толстой пленки, тогда как тонкая пленка показывает 1118,0 эВ (GaN) и 1119,2 эВ (Ga₂O₃) пики. Кислородная концентрация заметно ниже у интерфейса AlN/GaN в 7,4-нм образце, но сохраняется по всей пленке, предполагая кислород-связанные дефектные состояния, повышающие D_it.

Обратное смещение утечка

Температурно-зависимые J-V данные (Рис. 7) раскрывают, что обратная утечка 7,4-нм устройства растет круче с температурой, чем его прямой ток. Модифицированные Ричардсоновские графики подтверждают, что неоднородность барьера, моделируемая TE, подходит для 7,4-нм данных (σ₀ = 0,204 В) но не для 0,7-нм случая (σ₀ = 0,147 В). FN туннелирование доминирует в обоих устройствах: высоты барьера 1,67 эВ (0,7 нм) и 0,78 эВ (7,4 нм) при 300 К. Сниженный барьер для более толстой пленки согласуется с ее более высокой ловушкой плотностью, облегчая ловушка-ассистированное туннелирование. Пула-Френкель аппроксимация дает нефизически большие диэлектрические проницаемости, исключая PF эмиссию как основной механизм утечки.

Последствия для дизайна устройств

Наши находки подсказывают, что AlN слои ≥1 нм эффективно подавляют Pt диффузию и снижают глубоко-уровневое закрепление, но слишком толстая пленка (>5 нм) вводит значительные интерфейсные и объемные ловушки, снижающие барьер и увеличивающие FN утечку. 1,5-нм AlN обеспечивает баланс: умеренное повышение барьера, низкая ловушка плотность и приемлемая утечка. Эти инсайты информируют оптимизацию пассивационных слоев в GaN-основанных HEMT и силовой электронике, особенно при интеграции с CMOS процессами.

Заключение

Мы продемонстрировали, что толщина AlN критически управляет качеством интерфейса и утечкой в ALD-AlN/n-GaN MIS диодах. 7,4-нм пленка представляет наивысшие интерфейсные/оксидные ловушки плотности, тогда как 0,7-нм пленка страдает от Al-O связывания и отсутствует надежный AlN слой. Обратное смещение утечка доминирует Фоулер-Нордгейм туннелированием для обеих толщин, с более толстой пленкой демонстрирующей более низкий эффективный барьер из-за кислород-связанных дефектов. Оптимизация толщины AlN — идеально около 1–1,5 нм — балансирует повышение барьера против формирования ловушек, прокладывая путь к высокопроизводительным GaN устройствам.

Аббревиатуры

ALD

Атомно-слойная осадка

AlN

Нитрид алюминия

C-V

Емкость-напряжение

FN

Фоулер-Нордгейм

J-V

Плотность тока-напряжение

PF

Пул-Френкель

TE

Термионная эмиссия

XPS

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия