Impacto espesor capa AlN en interfaz y rendimiento eléctrico ALD-AlN en GaN plano c

Resumen

Examinamos cómo espesor AlN depositado capa atómica (ALD) influye características interfaciales y eléctricas diodos MIS Pt/AlN/n-GaN. Capa AlN 7,4 nm produjo mayores densidades trampas interfaz y óxido, mientras film 0,7 nm exhibió enlace Al-O dominante y sin pico claro AlN en espectros XPS. Presencia oxígeno a lo largo capa AlN contribuyó acumulación estados interfaz, especialmente películas gruesas. Análisis emisión termiónica (TE) describió comportamiento polarización directa dispositivo 7,4 nm, mientras muestra 0,7 nm requirió modelo transporte diferente. Fuga polarización inversa ambos espesores mejor descrita túnel Fowler-Nordheim (FN) en lugar emisión Poole-Frenkel (PF), subrayando papel inhomogeneidad barrera y túnel asistido defectos estas estructuras.

Antecedentes

Semiconductores III-nitruro, con anchos banda amplios, altas velocidades saturación electrones, y robustos campos ruptura, son fundamentales tanto optoelectrónica (LEDs, diodos láser, detectores UV) como dispositivos electrónicos alta potencia (HEMTs, interruptores potencia). Lograr interfaces metal/semiconductor baja densidad alta calidad esencial minimizar trampas electrón que anclan nivel Fermi y obstaculizan modulación barrera. AlN, con banda prohibida 6,2 eV, alta conductividad térmica, y desajuste malla solo 1,1 % con GaN, es candidato pasivación convincente. ALD AlN ~300 °C ofrece compatibilidad CMOS y permite crecimiento capas dieléctricas uniformes high-k. Sin embargo, AlN crecido ALD a menudo contiene impurezas oxígeno sustanciales, que pueden degradar rendimiento eléctrico. Mientras óxidos high-k como Al₂O₃ y HfO₂ empleados capas pasivación, pueden introducir estados interfaz profundos vía formación enlaces Ga-O. En contraste, finas capas AlN han mostrado modular alturas barrera contactos GaN, pero estudios sistemáticos propiedades interfaciales dependientes espesor permanecen escasos. Este trabajo aborda gap depositando películas AlN 0,7, 1,5 y 7,4 nm sobre n-GaN evaluando química interfacial y comportamiento eléctrico.

Métodos

Materiales y Fabricación Dispositivos

Obleas GaN plano-c bulk comerciales (300 µm, 5 × 10¹⁴ cm⁻³, 1,5 × 10⁷ cm⁻² densidad dislocaciones hilado) cortadas chips 5 mm × 5 mm. Tras limpieza 1:1 HCl:H₂O, muestras cargadas reactor ALD térmico CN-1 (precursores trimetilaluminio y NH₃) 350 °C. Espesor AlN ajustado variando ciclos ALD, produciendo films 0,7, 1,5 y 7,4 nm, confirmados elipsometría FS-1. Diodos MIS formados evaporando 50 nm Pt (diámetro 500 µm) electrodo Schottky superior y 100 nm Al contacto trasero. Diodos Schottky Pt/n-GaN referencia también fabricados.

Caracterización

I-V dependiente temperatura (−5 V a +5 V, 80–400 K) medido analizador HP 4155B etapa caliente. Datos capacitancia-voltaje (C-V) (0,1–1 MHz) adquiridos medidor LCR HP 4284A. Imágenes STEM transversales obtenidas verificar espesores capas. Espectroscopía dispersiva energía rayos X (EDS) proveyó perfiles profundidad elemental, mientras espectroscopía fotoelectrónica rayos X (XPS) fuente Al Kα monocromático examinó química interfacial.

Resultados y Discusión

Verificación Estructural

Secciones transversales STEM confirmaron espesores AlN dentro ±0,2 nm valores elipsometría. Film 0,7 nm apareció discontinuo regiones localizadas, mientras capa 7,4 nm uniforme y continua.

Transporte Polarización Directa

Curvas I-V semilog (Fig. 2a) muestran dispositivo 0,7 nm exhibe mayor fuga referencia, mientras dispositivos 1,5 y 7,4 nm suprimen corriente. Análisis TE rinde alturas barrera 0,77 eV (referencia), 0,61 eV (0,7 nm), 0,83 eV (1,5 nm), 1,00 eV (7,4 nm). Factores idealidad reflejan esta tendencia: 1,63 (ref), 4,19 (0,7 nm), 1,83 (1,5 nm), 1,57 (7,4 nm). Espesor 0,7 nm representa punto inflexión donde barrera cae y recombinación aumenta.

Comportamiento Capacitancia-Voltaje

C-V baja frecuencia (≤10 kHz) dispositivos 0 y 0,7 nm muestra inversión, indicando agotamiento profundo inducido defectos —ausente capas AlN más gruesas. Perfiles profundidad EDS revelan difusión Pt en GaN referencia, pero suprimida cuando AlN ≥1,5 nm, confirmando rol barrera AlN. Histéresis C-V alta frecuencia (Fig. 5 inset) revela densidades trampas 4,2 × 10⁹ cm⁻² eV⁻¹ (referencia), 9,3 × 10⁹ cm⁻² eV⁻¹ (1,5 nm), 3,6 × 10¹¹ cm⁻² eV⁻¹ (7,4 nm). Film 7,4 nm por tanto alberga mayores trampas interfaz y óxido.

Química Interfaz (XPS)

Muestra 0,7 nm, espectro Al 2p muestra picos 74,1 y 75,6 eV (AlO_x y Al-OH), indicando formación AlN incompleta y enlace Al-O predominante. Film 7,4 nm muestra pico claro AlN 73,6 eV y componente menor Al₂O₃ (~531,8 eV O 1s). Espectros Ga 2p₃/₂ muestran componente 1117,4 eV (enlace Ga-Al) film grueso, mientras film delgado muestra picos 1118,0 eV (GaN) y 1119,2 eV (Ga₂O₃). Concentración oxígeno marcadamente menor cerca interfaz AlN/GaN muestra 7,4 nm, pero persiste toda película, sugiriendo estados defecto relacionados oxígeno elevan D_it.

Fuga Polarización Inversa

Datos J-V dependientes temperatura (Fig. 7) revelan fuga inversa dispositivo 7,4 nm crece más pronunciadamente temperatura que corriente directa. Gráficos Richardson modificados confirman inhomogeneidad barrera, modelada TE, encaja datos 7,4 nm (σ₀ = 0,204 V) pero no caso 0,7 nm (σ₀ = 0,147 V). Túnel FN domina ambos dispositivos: alturas barrera 1,67 eV (0,7 nm) y 0,78 eV (7,4 nm) a 300 K. Barrera reducida film grueso alinea con mayor densidad trampas, facilitando túnel asistido trampas. Ajuste Poole-Frenkel rinde permitividades físicamente irreales, descartando emisión PF mecanismo fuga principal.

Implicaciones Diseño Dispositivos

Nuestros hallazgos sugieren capas AlN ≥1 nm suprimen efectivamente difusión Pt y reducen trampas nivel profundo, pero film demasiado grueso (>5 nm) introduce significativas trampas interfaz y bulk que bajan barrera y aumentan fuga FN. AlN 1,5 nm proporciona equilibrio: modesta elevación barrera, baja densidad trampas, fuga aceptable. Estos insights informan optimización capas pasivación dispositivos GaN-basados HEMTs y potencia, especialmente integrando procesos CMOS.

Conclusiones

Demostramos espesor AlN gobierna críticamente calidad interfaz y fuga diodos MIS ALD-AlN/n-GaN. Film 7,4 nm presenta mayores densidades trampas interfaz/óxido, mientras film 0,7 nm sufre enlace Al-O y carece capa AlN robusta. Fuga polarización inversa dominada túnel Fowler-Nordheim ambos espesores, con film grueso exhibiendo barrera efectiva menor por defectos relacionados oxígeno. Optimizar espesor AlN —idealmente 1-1,5 nm— equilibra mejora barrera contra formación trampas, allanando camino dispositivos GaN alto rendimiento.

Abreviaturas

ALD

Deposición capa atómica

AlN

Nitruro aluminio

C-V

Capacitancia-Voltaje

FN

Fowler-Nordheim

J-V

Densidad corriente-Voltaje

PF

Poole-Frenkel

TE

Emisión termiónica

XPS

Espectroscopía fotoelectrónica rayos X