Impacto da Espessura da Camada de AlN na Interface e Desempenho Elétrico de AlN-ALD em GaN c-Plano

Resumo

Examinamos como a espessura de AlN depositado por camadas atômicas (ALD) influencia as características interfaciais e elétricas de diodos MIS Pt/AlN/n-GaN. Uma camada de AlN de 7,4 nm produziu as maiores densidades de armadilhas de interface e óxido, enquanto um filme de 0,7 nm exibiu ligação Al-O dominante e nenhum pico claro de AlN em espectros XPS. A presença de oxigênio através da camada de AlN contribuiu para acúmulo de estados de interface, especialmente para filmes mais espessos. Análise de emissão termoiônica (ET) descreveu o comportamento em polarização direta do dispositivo de 7,4 nm, enquanto a amostra de 0,7 nm requereu modelo de transporte diferente. Vazamento em polarização reversa para ambas espessuras foi melhor descrito por tunelamento Fowler-Nordheim (FN) em vez de emissão Poole-Frenkel (PF), ressaltando o papel de inhomogeneidade de barreira e tunelamento assistido por defeitos nestas estruturas.

Introdução

Semicondutores III-nitreto, com suas largas bandas proibidas, altas velocidades de saturação de elétrons e robustos campos de ruptura, são fundamentais para dispositivos optoeletrônicos (LEDs, diodos laser, detectores UV) e eletrônicos de alta potência (HEMTs, chaves de potência) [1-4]. Alcançar interfaces metal/semicondutor de baixa densidade e alta qualidade é essencial para minimizar armadilhas de elétrons que fixam o nível de Fermi e impedem modulação de barreira [5, 6]. AlN, ostentando banda proibida de 6,2 eV, alta condutividade térmica e descompasso de rede de apenas 1,1% com GaN, é candidato atraente para passivação. ALD de AlN a ~300 °C oferece compatibilidade CMOS e permite crescimento de camadas dielétricas uniformes de alto-k [12-15]. Contudo, AlN crescido por ALD frequentemente contém impurezas substanciais de oxigênio, que podem degradar desempenho elétrico [15, 16]. Enquanto óxidos de alto-k como Al₂O₃ e HfO₂ têm sido empregados como camadas de passivação, eles podem introduzir estados de interface profundos via formação de ligações Ga-O [19]. Em contraste, camadas finas de AlN demonstraram modular alturas de barreira em contatos de GaN [20-23], ainda estudos sistemáticos sobre propriedades interfaciais dependentes de espessura permanecem escassos. Este trabalho aborda essa lacuna depositando filmes de AlN de 0,7, 1,5 e 7,4 nm em n-GaN e avaliando sua química interfacial e comportamento elétrico.

Métodos

Materiais e Fabricação de Dispositivos

Wafers comerciais de GaN bulk c-plano (300 µm, 5 × 10¹⁴ cm⁻³, 1,5 × 10⁷ cm⁻² densidade de discordâncias de threading) foram cortados em chips de 5 mm × 5 mm. Após limpeza 1:1 HCl:H₂O, amostras foram carregadas em reator ALD térmico CN-1 (precursores trimetilalumínio e NH₃) a 350 °C. Espessura de AlN foi ajustada variando ciclos ALD, resultando em filmes de 0,7, 1,5 e 7,4 nm, confirmados por elipsometria FS-1. Diodos MIS foram formados evaporando 50 nm Pt (diâmetro 500 µm) como eletrodo Schottky superior e 100 nm Al como contato posterior. Diodos Schottky Pt/n-GaN de referência também foram fabricados.

Caracterização

I-V dependente de temperatura (−5 V a +5 V, 80-400 K) foi medido com analisador HP 4155B em hot-chuck. Dados capacitância-tensão (C-V) (0,1-1 MHz) foram adquiridos usando medidor LCR HP 4284A. Imagens STEM de seção transversal foram obtidas para verificar espessuras das camadas. Espectroscopia de raios-X por energia dispersiva (EDS) forneceu perfis de profundidade elementais, enquanto espectroscopia de fotoelétrons por raios-X (XPS) com fonte Al Kα monocromática examinou química interfacial.

Resultados e Discussão

Verificação Estrutural

Seções transversais STEM confirmaram espessuras de AlN dentro de ±0,2 nm dos valores de elipsometria. O filme de 0,7 nm apareceu descontínuo em regiões localizadas, enquanto a camada de 7,4 nm foi uniforme e contínua.

Transporte em Polarização Direta

Curvas I-V semilog (Fig. 2a) mostram que o dispositivo de 0,7 nm exibe vazamento maior que o de referência, enquanto dispositivos de 1,5 e 7,4 nm suprimem corrente. Análise ET resulta em alturas de barreira de 0,77 eV (referência), 0,61 eV (0,7 nm), 0,83 eV (1,5 nm) e 1,00 eV (7,4 nm). Fatores de idealidade espelham esta tendência: 1,63 (ref), 4,19 (0,7 nm), 1,83 (1,5 nm), 1,57 (7,4 nm). A espessura de 0,7 nm representa, assim, ponto de inflexão onde a barreira cai e recombinação aumenta.

Comportamento Capacitância-Tensão

C-V de baixa frequência (≤10 kHz) para dispositivos de 0 e 0,7 nm mostra inversão, indicando depleção profunda induzida por defeitos — ausente em camadas de AlN mais espessas. Perfis de profundidade EDS revelam difusão de Pt em GaN para a referência, mas isto é suprimido quando AlN ≥1,5 nm, confirmando papel de barreira do AlN. Histerese C-V de alta frequência (Fig. 5 inseto) revela densidades de armadilhas de 4,2 × 10⁹ cm⁻² eV⁻¹ (referência), 9,3 × 10⁹ cm⁻² eV⁻¹ (1,5 nm) e 3,6 × 10¹¹ cm⁻² eV⁻¹ (7,4 nm). O filme de 7,4 nm abriga, portanto, as maiores armadilhas interfaciais e de óxido.

Química de Interface (XPS)

Para a amostra de 0,7 nm, o espectro Al 2p mostra picos a 74,1 e 75,6 eV (AlOₓ e Al-OH), indicando formação incompleta de AlN e ligação Al-O predominante. O filme de 7,4 nm exibe pico claro de AlN a 73,6 eV e componente menor de Al₂O₃ (~531,8 eV em O 1s). Espectros Ga 2p₃/₂ mostram componente a 1117,4 eV (ligação Ga-Al) para o filme espesso, enquanto o filme fino mostra picos a 1118,0 eV (GaN) e 1119,2 eV (Ga₂O₃). Concentração de oxigênio é marcadamente menor próximo à interface AlN/GaN na amostra de 7,4 nm, mas persiste através do filme, sugerindo estados de defeito relacionados a oxigênio que elevam D_it.

Vazamento em Polarização Reversa

Dados J-V dependentes de temperatura (Fig. 7) revelam que o vazamento reverso do dispositivo de 7,4 nm cresce mais steeply com temperatura que sua corrente direta. Gráficos de Richardson modificados confirmam que inhomogeneidade de barreira, modelada por ET, ajusta dados de 7,4 nm (σ₀ = 0,204 V) mas não o caso de 0,7 nm (σ₀ = 0,147 V). Tunelamento FN domina ambos dispositivos: alturas de barreira de 1,67 eV (0,7 nm) e 0,78 eV (7,4 nm) a 300 K. A barreira reduzida para o filme mais espesso alinha-se com sua maior densidade de armadilhas, facilitando tunelamento assistido por armadilhas. Ajuste Poole-Frenkel resulta em permitividades fisicamente grandes, descartando emissão PF como mecanismo primário de vazamento.

Implicações para Design de Dispositivos

Nossos achados sugerem que camadas de AlN ≥1 nm efetivamente suprimem difusão de Pt e reduzem armadilhas de nível profundo, ainda filme muito espesso (>5 nm) introduz armadilhas de interface e volume significativas que reduzem a barreira e aumentam vazamento FN. AlN de 1,5 nm fornece equilíbrio: modesta elevação de barreira, baixa densidade de armadilhas e vazamento aceitável. Estes insights informam otimização de camadas de passivação em HEMTs e dispositivos de potência baseados em GaN, especialmente quando integrados com processos CMOS.

Conclusões

Demonstramos que espessura de AlN governa criticamente qualidade de interface e vazamento em diodos MIS ALD-AlN/n-GaN. Filme de 7,4 nm apresenta as maiores densidades de armadilhas de interface/óxido, enquanto filme de 0,7 nm sofre de ligação Al-O e carece de camada robusta de AlN. Vazamento em polarização reversa é dominado por tunelamento Fowler-Nordheim para ambas espessuras, com filme mais espesso exibindo barreira efetiva menor devido a defeitos relacionados a oxigênio. Otimizar espessura de AlN — idealmente em torno de 1-1,5 nm — equilibra aumento de barreira contra formação de armadilhas, pavimentando caminho para dispositivos GaN de alto desempenho.

Abreviações

ALD

Deposição por Camadas Atômicas

AlN

Nitreto de Alumínio

C-V

Capacitância-Tensão

FN

Fowler-Nordheim

J-V

Densidade de Corrente-Tensão

PF

Poole-Frenkel

TE

Emissão Termoiônica

XPS

Espectroscopia de Fotoelétrons por Raios-X