Polarização de Superfície em Heteroestruturas GaN/AlGaN/GaN com Cobertura de Al₂O₃ Investigada por Espectroscopia de Fotoelétrons de Raios X Resolvida por Ângulo

Resumo

Usamos espectroscopia de fotoelétrons de raios X resolvida por ângulo (ARXPS) para investigar a polarização de superfície de heteroestruturas GaN/AlGaN/GaN com face de Ga cobertas com 1–3 nm de Al₂O₃ depositado por deposição atômica em camadas (ALD). O perfil de borda de banda evolui de curvatura ascendente na região de GaN nua para curvatura descendente próximo à interface Al₂O₃. Essa mudança origina-se de uma camada interfacial rica em Ga e uma camada de GaOx que se formam quando oxigênio do precursor ALD substitui nitrogênio em ligações Ga-N. A camada GaOx fornece cargas fixas positivas que neutralizam a polarização negativa intrínseca do GaN, aplanando a banda de condução e eventualmente causando curvatura descendente. Recozimento pós-deposição em N₂ a 400 °C intensifica o crescimento de GaOx, aumentando a densidade de cargas positivas e abaixando ainda mais a borda da banda.

Introdução

O alto campo de ruptura, mobilidade eletrônica e estabilidade térmica do GaN tornam-no material líder para LEDs e eletrônica de potência. Em transistores de alta mobilidade eletrônica (HEMTs) de GaN, um gate Schottky introduz estados de interface que degradam corrente de fuga e reduzem campo de ruptura. Passivação da superfície com dielétrico high-k como Al₂O₃ mitiga esses problemas devido à sua larga banda proibida, alta constante dielétrica e estabilidade termodinâmica. No entanto, ALD de Al₂O₃ inevitavelmente cria uma fina camada interfacial na superfície do GaN. Essa camada, frequentemente descrita como GaOx, influencia fortemente estabilidade de tensão de limiar, densidade de gás eletrônico bidimensional (2DEG) e comportamento de curvatura de banda. Embora estudos prévios tenham identificado a existência da camada interfacial, seu papel detalhado na modulação de polarização não foi totalmente elucidado. Aqui, empregamos ARXPS para quantificar a evolução da curvatura de banda e resolver a estrutura atômica da camada interfacial em estruturas GaN/AlGaN/GaN com cobertura de Al₂O₃.

Métodos

As amostras consistem de uma capa de 2 nm de GaN, canal de 22 nm de AlGaN e buffer de 150 nm de GaN intrínseco em Si(111). Três wafers (S1, S2, S3) foram processados identicamente: limpos em acetona, álcool isopropílico e água deionizada; atacados com HCl diluído para remover óxido nativo; depois cobertos com Al₂O₃ por ALD usando trimetilalumínio e H₂O. A espessura de Al₂O₃ foi 1 nm para S1 e 3 nm para S2 e S3 (verificada por elipsometria). S3 passou por recozimento de 5 min em N₂ a 400 °C para promover oxidação interfacial.

Medidas ARXPS foram realizadas em Thermo Fisher Scientific Theta Probe equipado com fonte monocromática Al Kα (1486,6 eV). Calibração de energia de ligação usou padrões de Ni, Au, Ag e Cu. Espectros foram registrados em ângulos de incidência (θ) variando de 27,5° a 72,5° relativo à normal da amostra, sem inclinar o espécime. Todos os espectros foram referenciados ao pico C 1s em 285,0 eV para corrigir efeitos de carga. Análise quantitativa empregou fatores de sensibilidade relativa do software Avantage.

Resultados e Discussão

Espectros de nível de núcleo Ga 3d para cada amostra revelam ambientes de ligação distintos. S1 mostra dois componentes (Ga-N e Ga-O), enquanto S2 e S3 exibem pico adicional de O 2s atribuível a ligações Ga-O e Al-O, tornando-se mais proeminente em ângulos de detecção maiores.

O deslocamento de energia de ligação do pico Ga-N (ΔBE) com θ fornece visão direta sobre curvatura de banda. S1 exibe diminuição de 0,20 eV de θ = 27,5° a 72,5°, indicativa de curvatura ascendente consistente com literatura. S2 mostra menor diminuição de 0,10 eV, sugerindo perfil de banda mais plano. Em contraste, S3 exibe aumento de 0,20 eV em BE, revelando curvatura descendente após recozimento em N₂.

Espectros Al 2p permanecem inalterados em todas as amostras, confirmando que AlGaN não influencia variações de BE do Ga-N. A Tabela 1 (resumida no artigo) lista valores de BE para Ga 3d e Al 2p em cada θ com incerteza ±0,1 eV.

A razão de intensidade Ga-O/Ga-N, calculada a partir de áreas de pico e fatores de sensibilidade, aumenta de ~0,2 em S1/S2 para ~0,3 em S3, sinalizando formação aprimorada de GaOx pós-recozimento. A razão Ga/N cai de ~1,7 (rico em Ga) em S1/S2 para ~1,0 (estequiométrico) em S3, indicando que a camada interfacial rica em Ga é oxidada em GaOx.

Considerando o caminho livre médio inelástico do elétron (~3,4 nm para Ga 3d em Al₂O₃), a profundidade de amostragem em cada θ é 3λ cos θ menos a espessura de Al₂O₃. Assim, θ maiores sondam profundidades menores, acentuando sinal Ga-O e elevando razão Ga-O/Ga-N. A transição de Ga-N para GaOx efetivamente remove a polarização negativa intrínseca do GaN, aplanando a banda de condução e introduzindo cargas interfaciais positivas que impulsionam a borda da banda para baixo.

Recozimento oxida ainda a superfície rica em Ga, engrossando GaOx e aumentando densidade de cargas positivas. Essas cargas criam uma camada de carga fixa que modifica o campo elétrico interno, transformando curvatura ascendente em descendente. O deslocamento de BE observado com θ em S3 confirma esse mecanismo.

Importante, a camada GaOx eleva a altura da barreira de interface (Φb), aumentando mobilidade do 2DEG enquanto reduz sua densidade, conforme relatado em estudos prévios.

Conclusões

Medidas ARXPS demonstram que cobertura de Al₂O₃ em heteroestruturas GaN/AlGaN/GaN gera camada interfacial rica em Ga e subsequente camada GaOx. Essas camadas neutralizam a polarização intrínseca do GaN, introduzem cargas fixas positivas e transformam o perfil de banda de curvatura ascendente para descendente na interface. Essa visão é crítica para projetar HEMTs baseados em GaN de alto desempenho e estáveis.