Шотткиевский контакт Mo/Au на тонкой пленке β-Ga₂O₃: экспериментальные и теоретические исследования обратного смещения и пробоя

Аннотация

Мы изучили механизм обратного тока в шотткиевском диоде Mo/β-Ga₂O₃ через температурно-зависимые вольт-амперные характеристики (I-V) от 298 до 423 К. Вариация обратного тока с электрическим полем указывает на то, что шотткиевское испускание является доминирующим механизмом переноса заряда при обратном смещении, а не модель Френкеля-Пуля с ловушечно-ассистированным испусканием. Более того, получено пробойное напряжение 300 В в среде Fluorinert со средним электрическим полем 3 МВ/см в шотткиевском диоде Mo/β-Ga₂O₃. Эффекты поверхностных состояний на распределение электрического поля также анализировались TCAD-моделированием. С увеличением плотности отрицательного поверхностного заряда пиковое электрическое поле монотонно снижается. Кроме того, обсуждалась неоднородность высоты шотткиевского барьера при прямом смещении.

Введение

Недавно ультраширокозонный полупроводник β-Ga₂O₃ привлек огромный интерес благодаря своим отличным характеристикам: высокой химической стабильности, широкой прямой запрещенной зоне 4,8–4,9 эВ, высокой теоретической пробойной электрической силе (E_BR) 8 МВ/см и высокой фигурке mérites Балиги 3400, что примерно в 10 раз больше SiC и в 4 раза больше GaN. Сочетание всех этих свойств с высоким качеством, большой площадью и экономически эффективными подложками β-Ga₂O₃, выращенными методами расплава, делает β-Ga₂O₃ предпочтительным материалом для высоковольтной и высокомощной электроники. Как перспективное электронное устройство, шотткиевские диоды (SBD) на β-Ga₂O₃ фабриковали с различными анодными металлами: Cu, Pd, Pt, Au, Ni, TiN, и их прямые и обратные электрические характеристики — удельное активное сопротивление, отношение I_on/I_off, высоты барьеров, обратный утеточный ток и пробойное напряжение — комплексно изучались. Неоднородная высота шотткиевского барьера и ненасыщающийся обратный ток сообщались в β-Ga₂O₃ SBD, тогда как гораздо меньше было известно о механизме переноса заряда при обратном смещении, что критично для повышения пробойного напряжения.

Кроме того, не было исследования механизмов испускания Mo/β-Ga₂O₃ контакта. Если в подложке β-Ga₂O₃ есть ловушки или дефекты, утеточный ток будет согласовываться с моделью Френкеля-Пуля, и обратный ток будет испусканием электронов из ловушечного состояния у металл-полупроводниковая граница. Иначе основной процесс обратного тока будет доминировать шотткиевское испускание, когда электроны преодолевают шотткиевский барьер. Кристалл β-Ga₂O₃ также имеет уникальное свойство — большую решетковую постоянную 12,23 Å вдоль [100], позволяющую легкое расщепление на тонкие ленты или наномембраны. В этой работе мы механически эксфолировали крупномасштабный β-Ga₂O₃ из подложки объемного кристалла с низкой плотностью дислокаций, и впервые термически стабильный молибден (Mo) был выбран как анодный металл для вертикальных шотткиевских диодов β-Ga₂O₃. Электрический механизм проводимости при обратном смещении обсуждался в диапазоне 298–423 К. Эта работа дает понимание механизмов переноса заряда, помогая улучшить функциональность β-Ga₂O₃-устройств.

Методы/Эксперимент

Как показано на Рис. 1a,b, шотткиевский диод fabriкировали на β-Ga₂O₃ (100) пленке, механически эксфолированной из Sn-легированной подложки β-Ga₂O₃, толщиной 15 мкм и электронной концентрацией 2×10¹⁷ см⁻³. На Рис. 1d,e полная ширина на полувысоте (FWHM) и среднеквадратичное отклонение (RMS) оценивались в 51,9 угл. сек и 0,19 нм соответственно по HRXRD и AFM. Отличное кристаллическое качество и гладкая поверхность подтвердились. После влажной химической очистки металлический стек Ti/Au (20 нм/100 нм) осаждали электронно-лучевым испарением на тыльной стороне с последующим быстрым термическим отжигом (RTA) при 600 °C 60 с в азоте для омического контакта. Круговые анодные электроды Шоттки диаметром 100 мкм формировали на лицевой стороне испарением Mo/Au (40 нм/100 нм) и лифт-офф процессом. Рис. 1c показывает схему поперечного сечения β-Ga₂O₃ SBD.

Результаты и обсуждение

Вольт-амперные характеристики (I-V) Mo/β-Ga₂O₃ шотткиевских диодов исследовали на Keithley 4200 при 298–423 К. На Рис. 2a отношение I_on/I_off близко к 10¹⁰ при 298 К, указывая на хорошее выпрямление. При прямом смещении 0,1–0,7 В полулогарифмические I-V почти линейны и показывают сильную температурную зависимость. При дальнейшем увеличении смещения отклонение от линейности атрибутируется последовательному сопротивлению диода: I = I_s{exp[q(V-IR_s)/nkT]-1}. Идеальность n и насыщенный ток I_s определяются из наклона и пересечения lnI-V. Для идеального диода n = 1. Чем выше n, тем больше отклонение от термического испускания (TE). Барьерная высота φ_b = (kT/q)ln[AA*T²/I_s], где A* = 40,8 А см⁻² К⁻² (эффективная масса β-Ga₂O₃ m* = 0,34 m₀). С ростом температуры 298→423 К φ_b возрастает, n уменьшается, указывая на дополнительный механизм переноса, вызывающий отклонение от чистой TE-модели, что ранее сообщалось для β-Ga₂O₃ SBD и других широкозонных устройств. Неоднородность барьера описывается Гауссовым распределением: φ_b = φ_b0(T=0) - qσ_s²/2kT.

Средняя высота барьера φ_b0 = 1,55 эВ и стандартное отклонение σ_s = 0,186 эВ извлечены из Рис. 2c. Модифицированный Ричардсонов график ln(I_s/T²) - (q²σ_s²/2k²T²) vs 1/kT дает прямую линию. Перехват дает A* = 44,7 А см⁻² К⁻², близко к теоретическим 40,8, подтверждая TE с Гауссовым распределением барьеров.

Измерения обратного пробоя при комнатной температуре (Agilent B1505A) дали 260 В в воздухе и 300 В в Fluorinert (3M), предотвращающем воздушный пробой. TCAD-моделирование (ATLAS) распределения поля (Рис. 4a,b): с расстоянием от интерфейса полупроводник-анод до ~1 мкм поле постепенно снижается. При x = 4 мкм среднее поле 3 МВ/см (Рис. 4c). На Рис. 4d при y = 1 нм максимальное поле на краю контакта ~8 МВ/см при пробое — в 2,7 раза выше среднего. По данным Green et al. и Zeng et al. пиковые/средние поля у края электрода были 5,3/3,8 и 6,1/4,4 МВ/см; пиковое поле Mo/Ga₂O₃ относительно высоко. Предполагается, что β-Ga₂O₃ наномембрана от эксфолиации имеет множество дangling bonds и поверхностных состояний, захватывающих электроны и обедняющих носителей под обратным смещением. Учет отрицательного поверхностного заряда показывает снижение пикового поля на краю контакта при увеличении плотности от 0,5×10¹³ до 3×10¹³ см⁻². При 3×10¹³ см⁻² пиковое поле ~5,2 МВ/см. Следовательно, пробой 300 В достижим на наномембране с N_D = 3×10¹⁷ см⁻² без краевых терминаций. На Рис. 4d из-за интерфейсных состояний при X < 2 мкм электроны ловятся, образуя обедненную область и поле по Y. С ростом концентрации интерфейсных состояний поле по Y растет, хотя поле по X стремится к нулю. Так поле увеличивается при X < 2 мкм.

С другой стороны, при увеличении обратного смещения V_re утеточный ток I_re растет, а не насыщается для |V| > 3k_BT/q (Рис. 5a), что противоречит TE теории. Рассматривали поле-усиленное термическое испускание: Пула-Френкеля и Шоттки. Пула-Френкель: I_re ∝ E exp(q/kT √(qE/πε_s)). Шоттки: I_re ∝ T² exp(q/2kT √(qE/πε_s)), где ε_s ~ 10ε₀, E = √(2qN_D/ε_s (V+V_bi-k_BT/q)). N_D и V_bi извлекаются из наклона и пересечения 1/C² vs V_re (Рис. 5b): 1/C² = 2(V_bi - kT/q - V)/qε_s A²N_D.

Если ln(I/T²) vs E¹/² линеен — доминирует Шоттки; если ln(I/E) vs E¹/² линеен — Пула-Френкель. Рис. 5c,d показывают линейность обоих наборов кривых, указывая на присутствие обоих механизмов. Для выясления доминирующего механизма используют коэффициент испускания S = q/nkT √(q/πε), где n=1 для Пула-Френкеля (S_PF), n=2 для Шоттки (S_S). Экспериментальные значения S_m-PF, S_m-S дают отношения N_PF = S_m-PF/S_PF и N_S = S_m-S/S_S (Рис. 6). Поскольку N_S ближе к единице, чем N_PF, обратный ток доминирует шотткиевское испускание.

Заключение

Мы исследовали электрические характеристики Mo/Au шотткиевских диодов на (100) β-Ga₂O₃ пленке, механически эксфолированной из Sn-легированной подложки. На основе TE модели извлеченные φ_b и n увеличиваются и уменьшаются с температурой соответственно. Предполагая Гауссово распределение неоднородных высот барьера, получены средняя высота 1,55 эВ и стандартное отклонение 0,186 эВ. Согласно ln(I/T²) и ln(I/E) vs E¹/² графикам, параметр N_S шотткиевского испускания близок к единице, иллюстрируя доминирование шотткиевского механизма в обратном токе. Пробойное напряжение 300 В в Fluorinert получено в Mo/Au диодах со средним полем 3 МВ/см, указывая на большой потенциал β-Ga₂O₃ для мощной электроники.