Impact de l'épaisseur de couche AlN sur l'interface et la performance électrique d'AlN ALD sur GaN plan c

Résumé

Nous avons examiné comment l'épaisseur d'AlN déposé par couches atomiques (ALD) influence les caractéristiques interfaciales et électriques de diodes MIS Pt/AlN/n-GaN. Une couche AlN de 7,4 nm produisait les densités de pièges d'interface et d'oxyde les plus élevées, tandis qu'un film de 0,7 nm exhibait une liaison Al-O dominante et aucun pic AlN clair dans les spectres XPS. La présence d'oxygène à travers la couche AlN contribuait à l'accumulation d'états d'interface, surtout pour les films plus épais. L'analyse par émission thermionique (TE) décrivait le comportement en polarisation directe du dispositif 7,4 nm, tandis que l'échantillon 0,7 nm nécessitait un modèle de transport différent. La fuite en polarisation inverse pour les deux épaisseurs était mieux décrite par le tunnel Fowler-Nordheim (FN) plutôt que l'émission Poole-Frenkel (PF), soulignant le rôle de l'inhomogénéité de barrière et du tunnel assisté par défauts dans ces structures.

Contexte

Les semi-conducteurs III-nitrures, avec leurs larges gaps de bande, vitesses de saturation électronique élevées et champs de rupture robustes, sont pivots pour les dispositifs optoélectroniques (LED, diodes laser, détecteurs UV) et électroniques de puissance (HEMT, interrupteurs de puissance) [1-4]. Atteindre des interfaces métal/semiconducteur à faible densité et haute qualité est essentiel pour minimiser les pièges électroniques qui verrouillent le niveau de Fermi et entravent la modulation de barrière [5, 6]. L'AlN, avec son gap de 6,2 eV, haute conductivité thermique et désaccord de réseau de seulement 1,1 % avec GaN, est un candidat de passivation convaincant. L'ALD d'AlN à ~300 °C offre une compatibilité CMOS et permet la croissance de couches diélectriques high-k uniformes [12-15]. Cependant, l'AlN croissant par ALD contient souvent d'importantes impuretés d'oxygène, qui peuvent dégrader la performance électrique [15, 16]. Bien que des oxydes high-k comme Al₂O₃ et HfO₂ aient été employés comme couches de passivation, ils peuvent introduire des états d'interface profonds via formation de liaisons Ga-O [19]. En contraste, de fines couches AlN ont montré qu'elles modulaient les hauteurs de barrière dans les contacts GaN [20-23], pourtant des études systématiques sur les propriétés interfaciales dépendantes de l'épaisseur restent rares. Ce travail comble cette lacune en déposant des films AlN de 0,7, 1,5 et 7,4 nm sur n-GaN et en évaluant leur chimie interfaciale et comportement électrique.

Méthodes

Matériaux et Fabrication de Dispositifs

Des wafers GaN plan-c massifs commerciaux (300 µm, 5 × 10¹⁴ cm⁻³, densité de dislocation de filetage 1,5 × 10⁷ cm⁻²) étaient découpés en puces 5 mm × 5 mm. Après nettoyage 1:1 HCl:H₂O, les échantillons étaient chargés dans un réacteur ALD thermique CN-1 (précurseurs triméthylaluminium et NH₃) à 350 °C. L'épaisseur AlN était ajustée en variant les cycles ALD, produisant des films de 0,7, 1,5 et 7,4 nm, confirmés par ellipsométrie FS-1. Des diodes MIS étaient formées par évaporation de 50 nm Pt (diamètre 500 µm) comme électrode Schottky supérieure et 100 nm Al comme contact arrière. Des diodes Schottky Pt/n-GaN de référence étaient aussi fabriquées.

Caractérisation

Les courbes I-V dépendantes de la température (−5 V à +5 V, 80-400 K) étaient mesurées avec un analyseur HP 4155B sur une plaque chauffante. Les données capacitance-tension (C-V) (0,1-1 MHz) étaient acquises avec un HP 4284A LCR meter. Des images STEM en coupe transversale étaient obtenues pour vérifier les épaisseurs de couches. La spectroscopie à dispersion d'énergie par rayons X (EDS) fournissait des profils de profondeur élémentaires, tandis que la spectroscopie photoélectronique par rayons X (XPS) avec source Al Kα monochromatique examinait la chimie interfaciale.

Résultats et Discussion

Vérification structurale

Les coupes transversales STEM confirmaient les épaisseurs AlN dans ±0,2 nm des valeurs ellipsométriques. Le film 0,7 nm apparaissait discontinu dans des régions localisées, tandis que la couche 7,4 nm était uniforme et continue.

Transport en polarisation directe

Les courbes I-V semi-log (Fig. 2a) montrent que le dispositif 0,7 nm présente une fuite plus élevée que la référence, tandis que les dispositifs 1,5 et 7,4 nm suppriment le courant. L'analyse TE donne des hauteurs de barrière de 0,77 eV (référence), 0,61 eV (0,7 nm), 0,83 eV (1,5 nm) et 1,00 eV (7,4 nm). Les facteurs d'idéalité reflètent cette tendance : 1,63 (réf), 4,19 (0,7 nm), 1,83 (1,5 nm), 1,57 (7,4 nm). L'épaisseur 0,7 nm représente ainsi un point de bascule où la barrière chute et la recombinaison augmente.

Comportement Capacitance-Tension

Les C-V basses fréquences (≤10 kHz) pour dispositifs 0 et 0,7 nm montrent une inversion, indiquant un appauvrissement profond induit par défauts — absent dans les couches AlN plus épaisses. Les profils de profondeur EDS révèlent une diffusion Pt dans GaN pour la référence, mais ceci est supprimé quand AlN ≥1,5 nm, confirmant le rôle barrière d'AlN. L'hystérésis C-V haute fréquence (Fig. 5 encadré) révèle des densités de pièges de 4,2 × 10⁹ cm⁻² eV⁻¹ (référence), 9,3 × 10⁹ cm⁻² eV⁻¹ (1,5 nm) et 3,6 × 10¹¹ cm⁻² eV⁻¹ (7,4 nm). Le film 7,4 nm héberge donc les plus grands pièges d'interface et d'oxyde.

Chimie d'interface (XPS)

Pour l'échantillon 0,7 nm, le spectre Al 2p montre des pics à 74,1 et 75,6 eV (AlOₓ et Al-OH), indiquant une formation AlN incomplète et une liaison Al-O prédominante. Le film 7,4 nm affiche un pic AlN clair à 73,6 eV et un composant Al₂O₃ mineur (~531,8 eV dans O 1s). Les spectres Ga 2p₃/₂ montrent un composant 1117,4 eV (liaison Ga-Al) pour le film épais, tandis que le film mince montre des pics 1118,0 eV (GaN) et 1119,2 eV (Ga₂O₃). La concentration en oxygène est marquantement plus basse près de l'interface AlN/GaN dans l'échantillon 7,4 nm, mais persiste à travers le film, suggérant des états de défaut liés à l'oxygène qui élèvent D_it.

Fuite en polarisation inverse

Les données J-V dépendantes de la température (Fig. 7) révèlent que la fuite inverse du dispositif 7,4 nm croît plus abruptement avec la température que son courant direct. Les diagrammes de Richardson modifiés confirment que l'inhomogénéité de barrière, modélisée par TE, correspond aux données 7,4 nm (σ₀ = 0,204 V) mais pas au cas 0,7 nm (σ₀ = 0,147 V). Le tunnel FN domine les deux dispositifs : hauteurs de barrière de 1,67 eV (0,7 nm) et 0,78 eV (7,4 nm) à 300 K. La barrière réduite pour le film plus épais s'aligne avec sa densité de pièges plus élevée, facilitant le tunnel assisté par pièges. L'ajustement Poole-Frenkel donne des permittivités physiquement irréalistes, excluant l'émission PF comme mécanisme principal de fuite.

Implications pour la conception de dispositifs

Nos résultats suggèrent que les couches AlN ≥1 nm suppriment efficacement la diffusion Pt et réduisent le piégeage profond, pourtant un film trop épais (>5 nm) introduit des pièges d'interface et volumiques significatifs qui abaissent la barrière et augmentent la fuite FN. Une AlN de 1,5 nm fournit un équilibre : élévation de barrière modérée, faible densité de pièges et fuite acceptable. Ces aperçus informent l'optimisation des couches de passivation dans les HEMTs et dispositifs de puissance basés GaN, surtout lors d'intégration avec procédés CMOS.

Conclusions

Nous avons démontré que l'épaisseur AlN gouverne critique la qualité d'interface et la fuite dans les diodes MIS ALD-AlN/n-GaN. Un film 7,4 nm présente les plus hautes densités de pièges d'interface/oxyde, tandis qu'un film 0,7 nm souffre de liaison Al-O et manque une couche AlN robuste. La fuite en polarisation inverse est dominée par le tunnel Fowler-Nordheim pour les deux épaisseurs, le film plus épais exhibant une barrière effective plus basse due aux défauts liés à l'oxygène. Optimiser l'épaisseur AlN — idéalement autour de 1-1,5 nm — équilibre l'amélioration de barrière contre la formation de pièges, ouvrant la voie à des dispositifs GaN haute performance.

Abréviations

ALD

Dépôt de couches atomiques

AlN

Nitrure d'aluminium

C-V

Capacitance-Tension

FN

Fowler-Nordheim

J-V

Densité de courant-Tension

PF

Poole-Frenkel

TE

Émission thermionique

XPS

Spectroscopie photoélectronique par rayons X