Impact van AlN Laagdikte op Interface en Elektrische Prestaties van ALD-AlN op c-vlak GaN

Samenvatting

We onderzochten hoe de dikte van atomaire-laag-gedeponeerde (ALD) AlN de interfaciale en elektrische kenmerken van Pt/AlN/n-GaN MIS-diodes beïnvloedt. Een 7,4-nm AlN-laag produceerde de hoogste interface- en oxide-vallendichtheden, terwijl een 0,7-nm-film dominante Al–O-binding vertoonde en geen duidelijke AlN-piek in XPS-spectra had. De aanwezigheid van zuurstof doorheen de AlN-laag droeg bij aan interface-toestandsaccumuler, met name voor de dikere films. Thermionische-emissie (TE) analyse beschreef het voorwaartse-gedrag van het 7,4-nm-apparaat, terwijl het 0,7-nm-monster een ander transportmodel vereiste. Omgekeerde-bias lekkage voor beide diktes werd het beste beschreven door Fowler-Nordheim (FN) tunneling in plaats van Poole-Frenkel (PF) emissie, wat de rol van barrière-inhomogeniteit en defect-geassisteerde tunneling in deze structuren benadrukt.

Achtergrond

III-nitride halfgeleiders, met hun brede bandkloof, hoge elektronen-verzadigingsnelheden en robuuste doorbraakvelden, zijn cruciaal voor zowel optoelektronische (LED's, laserdiodes, UV-detectors) als hoogvermogen elektronische apparaten (HEMTs, stroomschakelaars) [1–4]. Het bereiken van lage-dichtheid, hoogkwaliteit metal/halfgeleider-interfaces is essentieel om elektronenvallen die het Fermi-niveau pinnen en barrièrmodulatie hinderen, te minimaliseren [5, 6]. AlN, met een 6,2-eV bandkloof, hoge thermische geleiding en een rooster-mismatch van slechts 1,1 % met GaN, is een aantrekkelijke passivatiekandidaat. ALD van AlN bij ~300 °C biedt CMOS-compatibiliteit en stelt de groei van uniforme, hoge-k dielectrische lagen in [12–15]. Echter, ALD-gegroeide AlN bevat vaak aanzienlijke zuurstofverontreinigingen, die elektrische prestaties kunnen degraderen [15, 16]. Terwijl hoge-k oxiden zoals Al₂O₃ en HfO₂ als passivatielagen zijn gebruikt, kunnen ze diepe interface-toestanden introduceren via Ga–O-bindingsvorming [19]. In tegenstelling, dunne AlN-lagen hebben aangetoond barrièrehoogtes in GaN-contacten te moduleren [20–23], doch systematische studies op dikte-afhankelijke interfaciale eigenschappen blijven schaars. Dit werk vult die leemte door AlN-films van 0,7, 1,5 en 7,4 nm op n-GaN te depositieren en hun interfaciale chemie en elektrisch gedrag te evalueren.

Methoden

Materialen en Apparaatfabricage

Commerciële c-vlak bulk GaN-wafers (300 µm, 5 × 10¹⁴ cm⁻³, 1,5 × 10⁷ cm⁻² threading dislocatiedichtheid) werden gediceerd in 5 mm × 5 mm chips. Na een 1:1 HCl:H₂O reiniging, werden monsters geladen in een CN-1 thermische ALD-reactor (trimethylaluminium en NH₃ precursors) bij 350 °C. AlN-dikte werd afgestemd door ALC-cycli te variëren, wat 0,7, 1,5 en 7,4 nm films opleverde, bevestigd door FS-1 ellipsometrie. MIS-dioden werden gevormd door 50 nm Pt (500 µm diameter) te verdampen als de Schottky-top-elektrode en 100 nm Al als de achterzijde-contact. Referentie Pt/n-GaN Schottky-diodes werden ook gefabriceerd.

Karakterisering

Temperatuurafhankelijke I-V (−5 V tot +5 V, 80–400 K) werd gemeten met een HP 4155B-analyzer op een warm-chuck-fase. Capaciteit-spanning (C-V) data (0,1–1 MHz) werden verkregen met een HP 4284A LCR-meter. Dwarsdoorsnede STEM-beelden werden verkregen om laagdiktes te verifiëren. Energie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDS) leverde elementaire diepteprofielen, terwijl röntgenfotoelectronspectroscopie (XPS) met een monochromatische Al Kα-bron de interfaciale chemie onderzocht.

Resultaten en Discussie

Structurele Verificatie

STEM-dwarsdoorsnedes bevestigden AlN-diktes binnen ±0,2 nm van de ellipsometriewaarden. De 0,7-nm-film leek discontinue in gelokaliseerde gebieden, terwijl de 7,4-nm-laag uniform en continu was.

Voorwaartse-bias Transport

Halflog I-V-curves (Fig. 2a) tonen aan dat het 0,7-nm-apparaat hogere lekkage vertoont dan de referentie, terwijl de 1,5- en 7,4-nm-apparaten stroom onderdrukken. TE-analyse levert barrièrehoogtes van 0,77 eV (referentie), 0,61 eV (0,7 nm), 0,83 eV (1,5 nm) en 1,00 eV (7,4 nm). Idealiteitsfactoren spiegelen deze trend: 1,63 (ref), 4,19 (0,7 nm), 1,83 (1,5 nm), 1,57 (7,4 nm). De 0,7-nm-dikte vertegenwoordigt dus een keerpunt waar de barrière daalt en recombinatie toeneemt.

Capaciteit-Spanning Gedrag

Laag-frequentie C-V (≤10 kHz) voor 0 en 0,7 nm apparaten toont inversie, wat defect-geïnduceerde diepe uitputting aangeeft – afwezig in dikker AlN-lagen. EDS-diepteprofielen onthullen Pt-diffusie in GaN voor de referentie, maar dit wordt onderdrukt wanneer AlN ≥1,5 nm, wat AlN's barrièrerol bevestigt. Hoog-frequentie C-V-hysteresis (Fig. 5 inset) onthult valledichtheden van 4,2 × 10⁹ cm⁻² eV⁻¹ (referentie), 9,3 × 10⁹ cm⁻² eV⁻¹ (1,5 nm) en 3,6 × 10¹¹ cm⁻² eV⁻¹ (7,4 nm). De 7,4-nm-film bezit dus de grootste interfaciale en oxide-vallen.

Interface Chemie (XPS)

Voor het 0,7-nm-monster toont het Al 2p-spectrum pieken bij 74,1 en 75,6 eV (AlOₓ en Al–OH), wat incomplete AlN-vorming en dominante Al–O-binding aangeeft. De 7,4-nm-film toont een duidelijke AlN-piek bij 73,6 eV en een kleine Al₂O₃-component (~531,8 eV in O 1s). Ga 2p₃/₂-spectra tonen een 1117,4 eV-component (Ga–Al-binding) voor de dikke film, terwijl de dunne film 1118,0 eV (GaN) en 1119,2 eV (Ga₂O₃) pieken toont. Zuurstofconcentratie is merkbaar lager nabij de AlN/GaN-interface in het 7,4-nm-monster, maar persisteert doorheen de film, wat zuurstof-gerelateerde defecttoestanden suggereert die D_it verhogen.

Omgekeerde-bias Lekkage

Temperatuurafhankelijke J-V-data (Fig. 7) onthullen dat de 7,4-nm-apparaat's omgekeerde lekkage steiler groeit met temperatuur dan de voorwaartse stroom. Gemodificeerde Richardson-plots bevestigen dat barrière-inhomogeniteit, gemodelleerd door TE, de 7,4-nm-data past (σ₀ = 0,204 V) maar niet het 0,7-nm-geval (σ₀ = 0,147 V). FN-tunneling domineert beide apparaten: barrièrehoogtes van 1,67 eV (0,7 nm) en 0,78 eV (7,4 nm) bij 300 K. De verlaagde barrière voor de dikke film komt overeen met de hogere valledichtheid, wat val-geassisteerde tunneling vergemakkelijkt. Poole-Frenkel-fitting levert onfysieke grote permitiviteiten op, wat PF-emissie als primaire lekkagemechanisme uitsluit.

Implicaties voor Apparaatontwerp

Onze bevindingen suggereren dat AlN-lagen ≥1 nm effectief Pt-diffusie onderdrukken en diepe-val-vanging verminderen, maar te dikke film (>5 nm) introduceert significante interface- en bulkvallen die de barrière verlagen en FN-lekkage verhogen. Een 1,5-nm AlN biedt een balans: matige barrièreverhoging, lage valledichtheid en acceptabele lekkage. Deze inzichten informeren de optimalisatie van passivatielagen in GaN-gebaseerde HEMTs en stroomapparaten, met name bij integratie met CMOS-processen.

Conclusies

We hebben gedemonstreerd dat AlN-dikte kritiek interfacekwaliteit en lekkage in ALD-AlN/n-GaN MIS-diodes beheerst. Een 7,4-nm-film presenteert de hoogste interface/oxide-valledichtheden, terwijl een 0,7-nm-film lijdt aan Al–O-binding en geen robuuste AlN-laag heeft. Omgekeerde-bias lekkage wordt gedomineerd door Fowler-Nordheim-tunneling voor beide diktes, met de dikke film een lagere effectieve barrière vertonend door zuurstof-gerelateerde defecten. Het optimaliseren van AlN-dikte – ideaal rond 1–1,5 nm – balanceert barrièreverhoging tegen valvorming, wat de weg baant voor hoog-presterende GaN-apparaten.

Afkortingen

ALD

Atomaire Laag Depositie

AlN

Aluminiumnitride

C–V

Capaciteit-Spanning

FN

Fowler-Nordheim

J–V

Stroomdichtheid-Spanning

PF

Poole-Frenkel

TE

Thermionische Emissie

XPS

Röntgenfotoelectronspectroscopie