Contato Schottky Mo/Au em Filme Fino de β-Ga2O3: Insights Experimentais e Teóricos sobre Transporte em Polarização Reversa e Características de Ruptura

Resumo

Estudamos o mecanismo de emissão de corrente reversa do diodo de barreira Schottky Mo/β-Ga₂O₃ através de características corrente-tensão (I-V) dependentes de temperatura de 298 a 423 K. A variação da corrente reversa com o campo elétrico indica que a emissão Schottky é o mecanismo dominante de transporte de portadores sob polarização reversa, em vez do modelo de emissão Frenkel-Poole assistida por armadilhas. Além disso, tensão de ruptura de 300 V foi obtida em ambiente Fluorinert com campo elétrico médio de 3 MV/cm no diodo Schottky Mo/β-Ga₂O₃. Os efeitos de estados de superfície na distribuição de campo elétrico também foram analisados por simulação TCAD. Com o aumento de densidades de carga superficial negativa, o campo elétrico de pico reduz monotonicamente. Ademais, a inhomogeneidade da altura da barreira Schottky sob polarização direta também foi discutida.

Introdução

Recentemente, o semicondutor de banda proibida ultra-larga β-Ga₂O₃ atraiu grande interesse por suas excelentes características, como alta estabilidade química, grande banda proibida direta de 4,8–4,9 eV, alto campo elétrico teórico de ruptura (E_BR) de 8 MV/cm, e alto fator de mérito de Baliga de 3400, cerca de dez vezes maior que SiC e quatro vezes maior que GaN. A combinação de todas essas propriedades com substratos β-Ga₂O₃ de alta qualidade, grande área e custo-efetivos cultivados por técnicas de crescimento por fusão torna β-Ga₂O₃ material preferido para aplicações em eletrônica de alta tensão e alta potência. Como dispositivo eletrônico promissor, diodos de barreira Schottky (SBD) de β-Ga₂O₃ foram fabricados com vários metais de eletrodo ânodo, incluindo Cu, Pd, Pt, Au, Ni e TiN, e suas características elétricas diretas e reversas, como resistência específica ligada, razão I_on/I_off, alturas de barreira, corrente de fuga reversa e tensão de ruptura, foram investigadas compreensivamente. Altura de barreira Schottky inhomogênea e corrente reversa não saturante foram relatadas em SBDs β-Ga₂O₃, enquanto muito menos se sabia sobre mecanismo de transporte de portadores sob polarização reversa, essencial para aumento da tensão de ruptura.

Além disso, nenhuma investigação analisou mecanismos de emissão do contato Mo/β-Ga₂O₃. Se houver armadilhas ou defeitos no substrato β-Ga₂O₃, a corrente de fuga concordará com modelo de emissão Frenkel-Poole, e a corrente reversa será emissão de elétrons de estado aprisionado próximo à interface metal-semicondutor. Caso contrário, o principal processo na corrente reversa será dominado pela emissão Schottky, onde elétrons superam a barreira Schottky resultando em corrente reversa. O cristal β-Ga₂O₃ também tem propriedade única, grande constante de rede de 12,23 Å na direção [100], permitindo clivagem fácil em fitas finas ou nano-membranas. Neste trabalho, esfoliamos mecanicamente β-Ga₂O₃ em larga escala a partir de substrato bulk com baixa densidade de discordâncias, e pela primeira vez, o Molibdênio (Mo) termicamente estável foi escolhido como metal de eletrodo ânodo para fabricar diodos de barreira Schottky verticais de β-Ga₂O₃. O mecanismo de condução elétrica sob polarização reversa foi discutido na faixa de temperatura de 298 a 423 K. Este trabalho fornece insights sobre mecanismos de transporte de portadores que podem ajudar a melhorar funcionalidades de dispositivos baseados em β-Ga₂O₃.

Materiais e Métodos

Como mostrado na Fig. 1a, b, o diodo de barreira Schottky foi fabricado no filme β-Ga₂O₃ (100) esfoliado mecanicamente do substrato β-Ga₂O₃ dopado com Sn, com espessura de 15 μm e concentração de elétrons de 2 × 10¹⁷ cm⁻³. Conforme apresentado na Fig. 1d, e, a largura a meia altura (FWHM) e raiz quadrada média (RMS) foram estimadas em 51,9 arcsec e 0,19 nm, respectivamente, por medições de difração de raios X de alta resolução (HRXRD) e microscópio de força atômica (AFM). Excelente qualidade cristalina e superfície lisa foram confirmadas. Após limpeza química úmida, a pilha metálica Ti/Au (20 nm/100 nm) foi depositada por evaporação E-beam no lado posterior e seguida por recozimento térmico rápido (RTA) a 600 °C por 60 s sob atmosfera de nitrogênio para formar contato Ôhmico. Eletrodos ânodo Schottky circulares com diâmetros de 100 μm foram formados no lado frontal por evaporação de metais Mo/Au (40 nm/100 nm) e processo lift-off. Figura 1c mostra estrutura de seção transversal esquemática do SBD β-Ga₂O₃ neste trabalho.

a Substrato β-Ga₂O₃ dopado com Sn com espessura de 300 μm. b Eletrodos ânodo Schottky formados no lado frontal com diâmetros de 100 μm. c Estrutura do esquema de seção transversal do SBD β-Ga₂O₃. d Curva de balanço XRD e e imagem AFM da camada drift β-Ga₂O₃ esfoliada mecanicamente do substrato (100) β-Ga₂O₃.

Resultados e Discussão

As características corrente-tensão (I-V) de diodos de barreira Schottky Au/Mo/β-Ga₂O₃ foram investigadas usando sistema de caracterização de semicondutor Keithley 4200 entre 298 e 423 K. Conforme mostrado na Fig. 2a, a razão I_on/I_off é próxima a 10¹⁰ a 298 K, indicando bom comportamento retificador. Para polarização direta de 0,1 a 0,7 V, as curvas I-V semilogarítmicas são quase lineares e exibem forte comportamento de dependência de temperatura. Com aumento adicional da polarização direta, o desvio da linearidade das curvas I-V é atribuído à resistência série do diodo de barreira Schottky e a relação entre tensão aplicada e corrente pode ser expressa como \( I={I}_s\left\{\exp \left[\frac{q\left(V-{IR}_s\right)}{nkT}\right]-1\right\} \), onde V é tensão aplicada, R_s resistência série, T temperatura absoluta, k constante de Boltzmann, n fator de idealidade, e I_s corrente de saturação reversa. n e I_s podem ser determinados da inclinação e intercepto dos gráficos lnI-V, respectivamente. Para diodo Schottky ideal, fator de idealidade n deve ser igual a unidade. Quanto maior n, maior desvio do modelo de emissão termiônica (TE). Além disso, segundo a equação \( {\phi}_b=\frac{kT}{q}\ln \left[\frac{AA^{\ast }{T}^2}{I_s}\right] \), valores de ϕ_b em diferentes temperaturas foram determinados, como mostrado na Fig. 2b, onde ϕ_b é altura da barreira, A área do diodo e A^* constante efetiva de Richardson 40,8 A cm⁻² K⁻² com massa efetiva de β-Ga₂O₃ m^* = 0,34 m₀. Com temperatura aumentando de 298 a 423 K, ϕ_b aumenta enquanto n diminui, indicando outro mecanismo de transporte também contribuindo para transporte de corrente e levando ao desvio das características I-V do modelo TE puro, relatado previamente em diodos Schottky β-Ga₂O₃ e outros dispositivos de banda proibida larga. Análise de inhomogeneidade de altura de barreira pode ser descrita por distribuição gaussiana em alturas de barreira,

$$ {\phi}_b=\overline{\phi_{b0}}\left(T=0\right)-\frac{q{\sigma}_s^2}{2 kT} $$ (1)

a Características I-V diretas de diodos Schottky Mo/β-Ga₂O₃ em diferentes temperaturas. b Dependência de temperatura do fator de idealidade e altura da barreira Schottky do diodo β-Ga₂O₃. c Gráficos de ϕ_ap versus q/2kT e gráfico Richardson modificado versus 1/kT para diodos Schottky β-Ga₂O₃.

Os valores de altura média de barreira \( \overline{\phi_{b0}} \) e desvio padrão σ_s são extraídos como 1,55 eV e 0,186 eV, respectivamente, da Fig. 2c. Além disso, considerando inhomogeneidades de altura de barreira, o gráfico Richardson convencional é modificado:

$$ \ln \left(\frac{I_{\mathrm{s}}}{T^2}\right)-\left(\frac{q^2{\sigma}_{\mathrm{s}}^2}{2{k}^2{T}^2}\right)=\ln \left({AA}^{\ast}\right)-\frac{q\overline{\phi_{b0}}}{kT} $$ (2)

Conforme mostrado na Fig. 2c, o ln modificado ({I}_s/{T}^2)−({q}^2{\sigma}_{\mathrm{s}}^2/2{k}^2{T}^2) versus 1/kT é linha reta. O intercepto da curva obtém A^* de 44,7 A cm⁻² K⁻², muito próximo ao valor teórico de β-Ga₂O₃ de 40,8 A cm⁻² K⁻². Portanto, inhomogeneidades de barreira na interface metal/semicondutor para SBD β-Ga₂O₃ podem ser explicadas por TE com distribuição gaussiana de barreira sobre SBHs.

A medição de ruptura reversa a temperatura ambiente também foi realizada usando analisador de semicondutor de alta tensão Agilent B1505A, como mostrado na Fig. 3. A tensão de ruptura foi 260 V enquanto foi 300 V com a amostra submersa em Fluorinert™ produzido pela 3M que previne ruptura do ar sob alta polarização reversa. Para entender distribuição do campo elétrico, simulação numérica foi realizada com software ATLAS, como mostrado na Fig. 4a, b. Com distância aumentando da interface entre semicondutor e ânodo para cerca de 1 μm, o campo elétrico diminui gradualmente. Na posição x = 4 μm, o campo elétrico médio é 3 MV/cm, calculado da Fig. 4c. Também mostrado na Fig. 4d, na posição y = 1 nm, o campo elétrico máximo na tensão de ruptura foi cerca de 8 MV/cm na borda do contato Schottky, cerca de 2,7 vezes o campo elétrico médio. Conforme relatado por A. J. Green et al e K. Zeng et al, o campo de pico e médio da borda do eletrodo foram 5,3, 3,8 MV/cm e 6,1, 4,4 MV/cm, respectivamente, e o campo de pico do diodo Schottky Mo/Ga₂O₃ é relativamente alto. Supõe-se que a nano-membrana β-Ga₂O₃ obtida por esfoliação mecânica tem grande número de ligações pendentes e estados de superfície que capturam elétrons para depletar portadores do ânodo ao cátodo sob polarização reversa. Considerando carga superficial negativa, resultado da simulação mostrou campo elétrico na borda do contato Schottky reduzido com densidades de carga superficial negativa aumentando de 0,5 × 10¹³ cm⁻² a 3 × 10¹³ cm⁻², respectivamente. Especialmente com densidades de carga superficial negativa de 3 × 10¹³ cm⁻², o campo de pico na borda do contato Schottky é cerca de 5,2 MV/cm. Portanto, tensão de ruptura reversa 300 V pode ser alcançada na nano-membrana β-Ga₂O₃ com N_D = 3 × 10¹⁷ cm⁻² sem estruturas de terminação de borda. Conforme mostrado na Fig. 4d, devido à existência de estado de interface na posição X abaixo de 2 μm, elétrons podem ser aprisionados e região de depleção pode ser formada, resultando em campo elétrico na direção Y. À medida que concentração de estado de interface aumenta, campo elétrico na direção Y aumenta, embora campo elétrico na direção X aproxime-se de zero. Então campo elétrico aumenta na posição X abaixo de 2 μm.

Características I-V reversas das amostras β-Ga₂O₃ a temperatura ambiente respectivamente em Fluorinert e ar

a Simulação TCAD de campo elétrico off-state dos diodos de barreira Schottky sob polarização −300 V. b Simulação de campo elétrico das regiões selecionadas em caixa tracejada verde. O potencial ao longo do eixo y em x = 4 μm está em (c), e o campo elétrico na borda do contato Schottky reduzido com diferentes densidades efetivas de carga superficial negativa estão em (d).

Por outro lado, com polarização reversa V_re aumentando, a corrente de fuga I_re aumenta em vez de saturar para |V| > 3 k_BT/q, como mostrado na Fig. 5a, inconsistente com teoria TE. Portanto, emissão termiônica realçada por campo elétrico foi considerada para discutir dependência de I_re em V_re, incluindo emissão Poole-Frenkel e Schottky. Na emissão Poole-Frenkel, elétrons transportam do metal para o semicondutor via estado aprisionado e I_re é dada por

$$ {I}_{re}\propto E\exp \left(\frac{q}{kT}\sqrt{\frac{qE}{{\pi \varepsilon}_S}}\right) $$ (3)

enquanto na emissão Schottky, elétrons ganham energia suficiente para superar barreira na interface metal/semicondutor formando corrente e I_re pode ser expressa por

$$ {I}_{re}\propto {T}^2\exp \left(\frac{q}{2 kT}\sqrt{\frac{qE}{{\pi \varepsilon}_S}}\right) $$ (4)

a Características I-V reversas de diodos Schottky Mo/β-Ga₂O₃ em diferentes temperaturas. b Dependência de temperatura de características 1/C² dos diodos Schottky Mo/β-Ga₂O₃. Análise de dependência de campo elétrico do contato Schottky Mo/β-Ga₂O₃ com diferentes mecanismos. c Mecanismo Poole-Frenkel (I/E) versus E^1/2 e d Mecanismo Schottky ln(I/T²) versus E^1/2.

onde ε_s é permitividade do β-Ga₂O₃ (~ 10 ε₀) e E é campo elétrico aplicado, calculado por \( E\kern0.5em =\kern0.5em \sqrt{\frac{2{qN}_D}{\varepsilon_S}\left(V+{V}_{bi}-\frac{k_BT}{q}\right)} \), N_D densidade de doadores do β-Ga₂O₃, e V_bi potencial built-in. Conforme mostrado na Fig. 5b, N_D e V_bi podem ser extraídos da inclinação e intercepto dos gráficos de capacitância inversa ao quadrado (1/C²) versus V_re usando a expressão

$$ \frac{1}{C^2}=\frac{2\left({V}_{\mathrm{bi}}- kT/q-V\right)}{q{\varepsilon}_s{A}^2{N}_D} $$ (5)

Se curva de ln(I/T²) versus E^1/2 for linear, mecanismo de emissão Schottky é dominante. E se gráfico de ln(I/E) versus E^1/2 for linear, emissão Poole-Frenkel domina transporte de corrente reversa. Figura 5c, d retrata gráficos de ln(I/E) e ln(I/T²) versus E^1/2, respectivamente. Ambos conjuntos de curvas são lineares, indicando não apenas emissão Poole-Frenkel mas também emissão Schottky estão presentes. Para esclarecer mecanismo dominante de transporte de portadores, a inclinação das curvas, ou coeficiente de emissão pode ser expressa como.

$$ S=\frac{q}{nkT}\sqrt{\frac{q}{\pi \varepsilon}} $$ (6)

onde n = 1 para emissão Poole-Frenkel (S_PF) e n = 2 para emissão Schottky (S_S). Valores experimentais de S são denotados S_m-PF e S_m-S para emissão Poole-Frenkel e Schottky dados pela inclinação das curvas na Fig. 5c, d, respectivamente. Razões do valor experimental para teórico, N_PF (=S_m-PF/S_PF) e N_S (=S_m-S/S_S), são mostrados na Fig. 6. Como valores de N_S estão mais próximos da unidade que N_PF, a corrente reversa é dominada pela emissão Schottky.

Gráficos de coeficiente relativo de emissão Poole-Frenkel N_PF (=S_m-PF/S_PF) e emissão Schottky N_S (=S_m-S/S_S) versus temperatura.

Conclusões

Investigamos características elétricas de diodos de barreira Schottky Mo/Au fabricados em filme (100) β-Ga₂O₃ esfoliado mecanicamente do substrato β-Ga₂O₃ dopado com Sn. Baseado no modelo TE, ϕ_b e n extraídos aumentam e diminuem com temperatura crescente, respectivamente. Assumindo distribuição gaussiana de altura de barreira inhomogênea, altura média de barreira de 1,55 eV e desvio padrão de 0,186 eV foram obtidos. Finalmente, segundo gráficos ln(I/T²) e ln(I/E) versus E^1/2, parâmetro N_S de emissão Schottky está próximo da unidade, ilustrando emissão Schottky como mecanismo dominante de transporte da corrente reversa. Tensão de ruptura de 300 V com amostras em Fluorinert é obtida em diodos de barreira Schottky Mo/Au com campo elétrico médio de 3 MV/cm, indicando grande potencial de β-Ga₂O₃ para aplicações em eletrônica de potência.

Abreviações

I-V:

Corrente-tensão

Mo:

Molibdênio

RTA:

Recozimento térmico rápido

SBD:

Diodo de barreira Schottky

TE:

Emissão termiônica