Einfluss der AlN-Schichtdicke auf Grenzflächen- und elektrische Leistung von ALD-AlN auf c-Ebene GaN

Zusammenfassung

Wir untersuchten, wie die Dicke von atomarer Lagendeposition (ALD) AlN die interfacialen und elektrischen Charakteristika von Pt/AlN/n-GaN MIS-Dioden beeinflusst. Eine 7,4-nm AlN-Schicht produzierte die höchsten Grenzflächen- und Oxidfalle-Dichten, während ein 0,7-nm-Film dominantes Al-O-Binding und keinen klaren AlN-Peak in XPS-Spektren aufwies. Die Präsenz von Sauerstoff über die gesamte AlN-Schicht trug zur Grenzflächenzustands-Akkumulation bei, besonders für dickere Filme. Thermionische-Emissions (TE) Analyse beschrieb das Vorwärtsbias-Verhalten der 7,4-nm-Vorrichtung, während die 0,7-nm-Probe ein anderes Transportmodell erforderte. Rückwärtsbias-Leckage für beide Dicken wurde am besten durch Fowler-Nordheim (FN) Tunneling statt Poole-Frenkel (PF) Emission beschrieben, was die Rolle von Barriereinhomogenität und defekt-unterstütztem Tunneling in diesen Strukturen unterstreicht.

Hintergrund

III-Nitrid-Halbleiter mit ihren weiten Bandlücken, hohen Elektronen-Sättigungsgeschwindigkeiten und robusten Durchbruchsfeldern sind entscheidend für sowohl optoelektronische (LEDs, Laserdioden, UV-Detektoren) als auch Hochleistungs-Elektronikbauelemente (HEMTs, Leistungsschalter) [1–4]. Erreichen von niedrigdichten, hochqualitativen Metall/Halbleiter-Grenzflächen ist essenziell, um Elektronenfallen zu minimieren, die das Fermi-Niveau pinnen und Barrieremodulation behindern [5, 6]. AlN, mit einer 6,2-eV Bandlücke, hoher thermischer Leitfähigkeit und nur 1,1 % Gitterfehlanpassung zu GaN, ist ein überzeugender Passivierungskandidat. ALD von AlN bei ~300 °C bietet CMOS-Kompatibilität und ermöglicht Wachstum uniformer, high-k Dielektrikum-Schichten [12–15]. Allerdings enthält ALD-gewachsenes AlN oft erhebliche Sauerstoffverunreinigungen, die elektrische Performance degradieren können [15, 16]. Während high-k Oxide wie Al₂O₃ und HfO₂ als Passivierungsschichten eingesetzt wurden, können sie tiefe Grenzflächenzustände via Ga-O-Bindungsbildung einführen [19]. Im Gegensatz dazu haben dünne AlN-Schichten gezeigt, Barrierehöhen in GaN-Kontakten zu modulieren [20–23], doch systematische Studien zu Dicken-abhängigen interfacialen Eigenschaften bleiben rar. Diese Arbeit schließt diese Lücke, indem AlN-Filme von 0,7, 1,5 und 7,4 nm auf n-GaN abgeschieden und ihre interfaciale Chemie und elektrisches Verhalten evaluiert werden.

Methoden

Materialien und Bauelementfertigung

Kommerzielle c-Ebene Bulk-GaN-Wafer (300 µm, 5 × 10¹⁴ cm⁻³, 1,5 × 10⁷ cm⁻² Threading-Versetzungsdichte) wurden in 5 mm × 5 mm Chips gesägt. Nach 1:1 HCl:H₂O Reinigung wurden Proben in einen CN-1 thermischen ALD-Reaktor (Trimethylaluminium und NH₃ Vorläufer) bei 350 °C geladen. AlN-Dicke wurde durch Variation der ALD-Zyklen eingestellt, was 0,7, 1,5 und 7,4 nm Filme ergab, bestätigt durch FS-1 Ellipsometrie. MIS-Dioden wurden durch Verdampfen von 50 nm Pt (500 µm Durchmesser) als Schottky-Top-Elektrode und 100 nm Al als Rückseitenkontakt gebildet. Referenz Pt/n-GaN Schottky-Dioden wurden ebenfalls gefertigt.

Charakterisierung

Temperaturabhängige I-V (−5 V bis +5 V, 80–400 K) wurde mit einem HP 4155B Analyzer auf einer Heizbühne gemessen. Kapazität-Spannung (C-V) Daten (0,1–1 MHz) wurden mit einem HP 4284A LCR-Meter erfasst. Querschnitts-STEM-Bilder wurden zur Verifikation der Schichtdicken aufgenommen. Energie-dispersive Röntgenspektroskopie (EDS) lieferte elementare Tiefenprofile, während Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) mit monochromatischer Al Kα Quelle die interfaciale Chemie untersuchte.

Ergebnisse und Diskussion

Strukturelle Verifikation

STEM-Querschnitte bestätigten AlN-Dicken innerhalb ±0,2 nm der Ellipsometriewerte. Der 0,7-nm-Film erschien in lokalisierten Bereichen diskontinuierlich, während die 7,4-nm-Schicht uniform und kontinuierlich war.

Vorwärtsbias-Transport

Halblogarithmische I-V-Kurven (Abb. 2a) zeigen, dass die 0,7-nm-Vorrichtung höhere Leckage als die Referenz aufweist, während 1,5- und 7,4-nm-Vorrichtungen Strom unterdrücken. TE-Analyse liefert Barrierehöhen von 0,77 eV (Referenz), 0,61 eV (0,7 nm), 0,83 eV (1,5 nm) und 1,00 eV (7,4 nm). Idealfaktoren spiegeln diesen Trend wider: 1,63 (Ref), 4,19 (0,7 nm), 1,83 (1,5 nm), 1,57 (7,4 nm). Die 0,7-nm-Dicke stellt somit einen Wendepunkt dar, wo die Barriere fällt und Rekombination zunimmt.

Kapazität-Spannung-Verhalten

Niederfrequenz C-V (≤10 kHz) für 0 und 0,7 nm Vorrichtungen zeigt Inversion, was defekt-induzierte tiefe Verarmung anzeigt – abwesend in dickeren AlN-Schichten. EDS-Tiefenprofile offenbaren Pt-Diffusion in GaN für die Referenz, aber dies wird unterdrückt wenn AlN ≥1,5 nm, was AlNs Barriere-Rolle bestätigt. Hochfrequenz C-V-Hysterese (Abb. 5 Inset) offenbart Fallendichten von 4,2 × 10⁹ cm⁻² eV⁻¹ (Referenz), 9,3 × 10⁹ cm⁻² eV⁻¹ (1,5 nm) und 3,6 × 10¹¹ cm⁻² eV⁻¹ (7,4 nm). Der 7,4-nm-Film beherbergt somit die größten interfacialen und Oxidfallen.

Grenzflächenchemie (XPS)

Für die 0,7-nm-Probe zeigt das Al 2p Spektrum Peaks bei 74,1 und 75,6 eV (AlOₓ und Al-OH), was unvollständige AlN-Bildung und dominantes Al-O-Binding anzeigt. Der 7,4-nm-Film zeigt einen klaren AlN-Peak bei 73,6 eV und eine geringfügige Al₂O₃-Komponente (~531,8 eV in O 1s). Ga 2p₃/₂ Spektren zeigen eine 1117,4 eV Komponente (Ga-Al-Bindung) für den dicken Film, während der dünne Film 1118,0 eV (GaN) und 1119,2 eV (Ga₂O₃) Peaks zeigt. Sauerstoffkonzentration ist nahe der AlN/GaN-Grenzfläche im 7,4-nm-Sample merklich niedriger, persistiert aber im gesamten Film, was sauerstoffbezogene Defektzustände suggeriert, die D_it erhöhen.

Rückwärtsbias-Leckage

Temperaturabhängige J-V-Daten (Abb. 7) zeigen, dass die 7,4-nm-Vorrichtung's Rückwärtsleckage steiler mit Temperatur wächst als ihr Vorwärtsstrom. Modifizierte Richardson-Plots bestätigen, dass Barriereinhomogenität, modelliert durch TE, die 7,4-nm-Daten fit (σ₀ = 0,204 V) aber nicht den 0,7-nm-Fall (σ₀ = 0,147 V). FN-Tunneling dominiert beide Vorrichtungen: Barrierehöhen von 1,67 eV (0,7 nm) und 0,78 eV (7,4 nm) bei 300 K. Die reduzierte Barriere für den dickeren Film stimmt mit seiner höheren Fallendichte überein, was Fallen-unterstütztes Tunneling erleichtert. Poole-Frenkel-Fitting liefert unphysikalisch große Permittivitäten, was PF-Emission als primären Leckmechanismus ausschließt.

Implikationen für Bauelementdesign

Unsere Ergebnisse suggerieren, dass AlN-Schichten ≥1 nm Pt-Diffusion effektiv unterdrücken und tiefe-Fallen-Reduktion bewirken, doch zu dicke Filme (>5 nm) führen signifikante Grenzflächen- und Bulk-Fallen ein, die die Barriere senken und FN-Leckage erhöhen. Eine 1,5-nm AlN bietet Balance: moderate Barriereerhöhung, niedrige Fallendichte und akzeptable Leckage. Diese Einsichten informieren die Optimierung von Passivierungsschichten in GaN-basierten HEMTs und Leistungsbauelementen, besonders bei Integration mit CMOS-Prozessen.

Schlussfolgerungen

Wir demonstrierten, dass AlN-Dicke kritisch Grenzflächenqualität und Leckage in ALD-AlN/n-GaN MIS-Dioden regiert. Ein 7,4-nm-Film präsentiert die höchsten Grenzflächen/Oxid-Fallendichten, während ein 0,7-nm-Film unter Al-O-Binding leidet und eine robuste AlN-Schicht fehlt. Rückwärtsbias-Leckage wird von Fowler-Nordheim-Tunneling für beide Dicken dominiert, wobei der dickere Film eine niedrigere effektive Barriere aufgrund sauerstoffbedingter Defekte aufweist. Optimierung der AlN-Dicke – idealerweise um 1–1,5 nm – balanciert Barriereverbesserung gegen Fallenbildung, ebnend den Weg für hochleistungsfähige GaN-Bauelemente.

Abkürzungen

ALD

Atomare Lagendeposition

AlN

Aluminiumnitrid

C-V

Kapazität-Spannung

FN

Fowler-Nordheim

J-V

Stromdichte-Spannung

PF

Poole-Frenkel

TE

Thermoionische Emission

XPS

Röntgenphotoelektronenspektroskopie