Polarisation de surface dans les hétérostructures GaN/AlGaN/GaN coiffées d'Al₂O₃ étudiée par spectroscopie photoélectronique X résolue en angle

Résumé

Nous utilisons la spectroscopie photoélectronique X résolue en angle (ARXPS) pour sonder la polarisation de surface d'hétérostructures GaN/AlGaN/GaN à face Ga coiffées de 1-3 nm d'Al₂O₃ déposés par dépôt atomique (ALD). Le profil de bord de bande évolue d'une courbure ascendante dans la région GaN nue à une courbure descendante près de l'interface Al₂O₃. Ce changement provient d'une couche interfaciale riche en Ga et d'une couche GaO_x qui se forment quand l'oxygène du précurseur ALD remplace l'azote dans les liaisons Ga-N. La couche GaO_x fournit des charges fixes positives qui neutralisent la polarisation négative intrinsèque du GaN, aplatissant la bande de conduction et causant finalement une courbure descendante. Un recuit post-dépôt sous N₂ à 400 °C favorise la croissance du GaO_x, augmentant la densité de charges positives et abaissant davantage le bord de bande.

Contexte

Le champ de claquage élevé, la mobilité électronique et la stabilité thermique du GaN en font un matériau de choix pour LEDs et électronique de puissance [1,2]. Dans les transistors à haute mobilité électronique (HEMT) à GaN, une grille Schottky introduit des états d'interface qui dégradent le courant de fuite et réduisent le champ de claquage [3]. La passivation de surface par un diélectrique haut-k comme l'Al₂O₃ atténue ces problèmes grâce à son large gap, sa constante diélectrique élevée et sa stabilité thermodynamique [4,5]. Cependant, l'ALD d'Al₂O₃ crée inévitablement une mince couche interfaciale à la surface du GaN [6-8]. Cette couche, souvent décrite comme GaO_x, influence fortement la stabilité de la tension de seuil, la densité de gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG) et le comportement de courbure de bande [9-12]. Bien que des études antérieures aient identifié l'existence de cette couche interfaciale, son rôle détaillé dans la modulation de la polarisation n'a pas été pleinement élucidé. Ici, nous employons l'ARXPS pour quantifier l'évolution de la courbure de bande et résoudre la structure atomique de la couche interfaciale dans les structures GaN/AlGaN/GaN coiffées d'Al₂O₃.

Méthodes

Les échantillons consistent en une couche de GaN de 2 nm, un canal AlGaN de 22 nm et un tampon GaN intrinsèque de 150 nm sur Si(111). Trois wafers (S1, S2, S3) ont été traités identiquement : nettoyés à l'acétone, alcool isopropylique et eau déionisée ; gravés à l'HCl dilué pour éliminer l'oxyde natif ; puis coiffés d'Al₂O₃ par ALD utilisant triméthylaluminium et H₂O. L'épaisseur d'Al₂O₃ était de 1 nm pour S1 et 3 nm pour S2 et S3 (vérifiée par ellipsométrie). S3 a subi un recuit de 5 min sous N₂ à 400 °C pour favoriser l'oxydation interfaciale.

Les mesures ARXPS ont été effectuées sur un Thermo Fisher Scientific Theta Probe équipé d'une source Al Kα monochromatique (1486,6 eV). L'étalonnage en énergie de liaison a utilisé des étalons Ni, Au, Ag, Cu. Les spectres ont été enregistrés à des angles d'incidence (θ) de 27,5° à 72,5° par rapport à la normale de l'échantillon, sans incliner celui-ci. Tous les spectres ont été référencés au pic C 1s à 285,0 eV pour corriger les effets de charge. L'analyse quantitative a employé les facteurs de sensibilité relatifs du logiciel Avantage.

Résultats et discussion

Les spectres de niveau cœur Ga 3d pour chaque échantillon révèlent des environnements de liaison distincts. S1 montre deux composantes (Ga-N et Ga-O), tandis que S2 et S3 exhibent un pic O 2s additionnel attribuable aux liaisons Ga-O et Al-O, plus proéminent aux angles de détection élevés.

Le décalage d'énergie de liaison du pic Ga-N (ΔBE) avec θ donne un aperçu direct de la courbure de bande. S1 affiche une diminution de 0,20 eV de θ = 27,5° à 72,5°, indiquant une courbure ascendante cohérente avec la littérature [13]. S2 montre une diminution plus faible de 0,10 eV, suggérant un profil de bande plus plat. En revanche, S3 exhibe une augmentation de 0,20 eV de BE, révélant une courbure descendante après recuit N₂.

Les spectres Al 2p restent inchangés pour tous les échantillons, confirmant que l'AlGaN n'influence pas les variations de BE du Ga-N. Le tableau 1 (résumé dans l'article) liste les valeurs BE pour Ga 3d et Al 2p à chaque θ avec incertitude ±0,1 eV.

Le rapport d'intensité Ga-O/Ga-N, calculé à partir des aires de pics et facteurs de sensibilité, passe de ~0,2 pour S1/S2 à ~0,3 pour S3, signalant une formation accrue de GaO_x post-recuit. Le rapport Ga/N chute de ~1,7 (riche en Ga) pour S1/S2 à ~1,0 (stœchiométrique) pour S3, indiquant que la couche interfaciale riche en Ga s'oxyde en GaO_x.

Considérant le libre parcours moyen inélastique des électrons (~3,4 nm pour Ga 3d dans Al₂O₃), la profondeur d'échantillonnage à chaque θ est 3λ cos θ moins l'épaisseur d'Al₂O₃. Ainsi, les θ plus élevés sondent des profondeurs moins grandes, accentuant le signal Ga-O et augmentant le rapport Ga-O/Ga-N. La transition de Ga-N à GaO_x élimine effectivement la polarisation négative intrinsèque du GaN, aplatissant la bande de conduction et introduisant des charges interfaciales positives qui abaissent le bord de bande.

Le recuit oxyde davantage la surface riche en Ga, épaississant le GaO_x et augmentant la densité de charges positives. Ces charges créent une couche de charge fixe qui modifie le champ électrique interne, transformant la courbure ascendante en courbure descendante. Le décalage BE observé avec θ pour S3 confirme ce mécanisme.

Important, la couche GaO_x élève la hauteur de barrière d'interface (Φ_b), améliorant la mobilité du 2DEG tout en réduisant sa densité, comme rapporté dans des études antérieures [14,15].

Conclusions

Les mesures ARXPS démontrent que le coiffage Al₂O₃ sur hétérostructures GaN/AlGaN/GaN génère une couche interfaciale riche en Ga et une couche GaO_x subséquente. Ces couches neutralisent la polarisation intrinsèque du GaN, introduisent des charges fixes positives et transforment le profil de bande de courbure ascendante à descendante à l'interface. Cette compréhension est cruciale pour concevoir des HEMTs GaN haute performance et stables.