기계적으로 박리된 β-Ga2O3 박막에 대한 Mo/Au 쇼트키 접촉의 실험 및 이론 연구

결과 및 토론

Au/Mo/β-Ga₂의 전류-전압(I-V) 특성 O₃ 쇼트키 장벽 다이오드는 298과 423K 사이의 Keithley 4200 반도체 특성화 시스템을 사용하여 조사되었습니다. 그림 2a에서 볼 수 있듯이 I _켜기 /나 _꺼짐 비율이 10에 가깝습니다 ¹⁰ 298K에서 양호한 정류 동작을 나타냅니다. 0.1~0.7V의 순방향 바이어스의 경우 반대수 I-V 곡선은 거의 선형이며 강한 온도 의존성 동작을 나타냅니다. 순방향 바이어스가 더 증가함에 따라 IV 곡선의 선형성 편차는 쇼트키 배리어 다이오드의 직렬 저항에 기인하며 인가 전압과 전류 사이의 관계는 \( I={I}_s\left \{\exp \left[\frac{q\left(V-{IR}_s\right)}{nkT}\right]-1\right\} \) [21,22,23], 여기서 V 인가 전압, R _s 직렬 저항, T 절대 온도, k 볼츠만 상수, n 이상 요소, 그리고 나 _s 역포화전류이다. n 그리고 나 _s ln의 기울기와 절편에서 결정할 수 있습니다. I-V 플롯, 각각. 이상적인 쇼트키 장벽 다이오드의 경우 이상 계수 n 단일성과 같아야 합니다. n이 높을수록 , 열 방출(TE) 모델과의 편차가 커집니다. 또한 방정식 \( {\phi}_b=\frac{kT}{q}\ln \left[\frac{AA^{\ast }{T}^2}{I_s}\right] \ ) [21,22,23], ϕ의 값 _b ϕ _b 장벽 높이, A 는 다이오드 영역이고 A ^* 유효 Richard 상수는 40.8A cm ⁻² 입니다. K ^{− 2} β-Ga₂ O₃ m의 유효 질량 ^* = 0.34 m ₀ [5, 24]. 온도가 298K에서 423K로 증가함에 따라 ϕ _b n 동안 증가 감소하여 현재 전송에 기여하고 이전에 β-Ga₂에서 보고된 순수 TE 모델에서 I-V 특성의 편차로 이어지는 또 다른 전송 메커니즘을 나타냅니다. O₃ 쇼트키 장벽 다이오드[25] 및 기타 넓은 밴드갭 장치[26,27,28,29,30]. 장벽 높이 불균일성 분석은 장벽 높이의 가우스 분포로 설명할 수 있습니다.

아 Mo/β-Ga₂의 순방향 I-V 특성 O₃ 다양한 온도에서의 쇼트키 배리어 다이오드. ㄴ β-Ga₂의 이상 계수와 쇼트키 장벽 높이의 온도 의존성 O₃ 쇼트키 배리어 다이오드. ㄷ ϕ의 플롯 _ap 대 q/2k T 및 수정된 Richardson 플롯 대 1/k β-Ga₂에 대한 T O₃ 쇼트키 배리어 다이오드

평균 장벽 높이 \( \overline{\phi_{b0}} \) 및 표준 편차 σ 값 _s 그림 2c에서 각각 1.55eV 및 0.186eV로 추출됩니다. 또한 장벽 높이의 불균일성을 고려하여 기존 Richardson 플롯을 다음과 같이 수정합니다.

그림 2c와 같이 수정된 \( \ln \left({I}_{\mathrm{s}}/{T}^2\right)-\left({q}^2{\sigma}_ {\mathrm{s}}^2/2{k}^2{T}^2\right) \) 대 1/kT 직선이다. 곡선의 절편은 A를 얻는 데 사용됩니다. ^* 44.7 A cm ⁻² K ⁻² , 이는 β-Ga₂의 이론적인 값에 매우 가깝습니다. O₃ 40.8A cm ⁻² k ⁻² . 따라서 β-Ga₂에 대한 금속/반도체 계면의 장벽 불균일 O₃ SBD는 TE에 의해 SBH에 대한 장벽의 가우스 분포로 설명될 수 있습니다.

상온 역항복 측정 역시 Fig. 3과 같이 Agilent B1505A 고전압 반도체 분석기 시스템을 이용하였다. 항복전압은 260V, 300V로 3M사의 Fluorinert™에 시료를 담근 상태에서 측정하였다. 이는 높은 역방향 바이어스에서 공기 파괴를 방지할 수 있습니다. 전기장의 분포를 이해하기 위해 그림 4a, b와 같이 ATLAS 소프트웨어를 사용하여 수치 시뮬레이션을 수행했습니다. 반도체와 양극 사이의 계면에서 약 1μm까지 거리가 증가함에 따라 전기장은 점차 감소합니다. x 위치에서 =4μm, 평균 전기장은 그림 4c에서 계산된 3MV/cm입니다. 또한 y 위치에서 그림 4d에 표시됨 =1 nm일 때, 항복 전압에서 최대 전기장은 쇼트키 접점의 가장자리에서 약 8 MV/cm로 평균 전기장의 약 2.7배입니다. AJ Green et al[31]과 K. Zeng et al[32]에 의해 보고된 바와 같이 전극 가장자리의 피크 전계와 평균 전계는 각각 5.3, 3.8 MV/cm 및 6.1, 4.4 MV/cm, Mo/Ga₂의 피크 전계 O₃ 쇼트키 다이오드는 상대적으로 높습니다. β-Ga₂ O₃ 기계적 박리로 얻은 나노막은 많은 수의 댕글링 결합(dangling bond)과 표면 상태를 갖고 있어 전자를 포획하여 역 바이어스(reverse bias) 하에서 양극에서 음극으로 캐리어를 고갈시킵니다[33]. 음의 표면 전하를 고려하면 시뮬레이션 결과는 음의 표면 전하 밀도가 0.5 × 10 ¹³ 에서 증가함에 따라 감소된 쇼트키 접점 가장자리의 전기장을 보여주었습니다. cm ⁻² ~ 3 × 10 ¹³ cm ⁻² , 각각. 특히 음의 표면 전하 밀도가 3 × 10 ¹³ 인 경우 cm ⁻² , 쇼트키 접점 가장자리의 피크 전계는 약 5.2MV/cm입니다. 따라서 역 항복 전압 300V는 β-Ga₂에서 달성할 수 있습니다. O₃ N이 있는 나노막 _D =3 × 10 ¹⁷ cm ⁻² 에지 종단 구조가 없습니다. X에 인터페이스 상태가 존재하기 때문에 Fig. 4d와 같이 -2μm 미만의 위치에서 전자가 포획될 수 있고 공핍 영역이 형성될 수 있으며, 결과적으로 Y에 전기장이 발생합니다. 방향. 계면 상태 농도가 증가함에 따라 Y 방향이 증가하지만 X 방향이 0에 가까워집니다. 따라서 전기장은 X에서 증가합니다. -2μm 미만의 위치

β-Ga₂의 역 I-V 특성 O₃ Fluorinert 및 공기에서 각각 실온에서 샘플

아 - 300 V 바이어스에서 쇼트키 배리어 다이오드의 오프 상태 TCAD 전기장 시뮬레이션. ㄴ 녹색 점선 상자에서 선택한 영역의 전기장 시뮬레이션. y에 따른 잠재력 x 축 =4μm는 (c에 있음) ), 다른 유효 음의 표면 전하 밀도로 감소된 쇼트키 접점 가장자리의 전기장은 (d )

반면에 역 바이어스 V _다시 증가, 누설 전류 I _다시 |V에 대해 포화되지 않고 증가합니다. |> 3k _나 T/Q , 그림 5a와 같이 TE 이론과 일치하지 않습니다. 따라서 I _다시 V에서 _다시 , Poole-Frenkel 방출 및 Schottky 방출 포함 [34, 35]. Poole-Frenkel 방출에서 전자는 트랩된 상태를 통해 금속에서 반도체로 이동하고 I _다시 에 의해 주어집니다

쇼트키 방출에서 전자는 금속/반도체의 장벽을 극복하여 전류를 형성하고 I _다시

아 Mo/β-Ga₂의 역 I-V 특성 O₃ 다른 온도에서의 쇼트키 배리어 다이오드. ㄴ 1/C ² 의 온도 의존성 Mo/β-Ga₂의 특성 O₃ 쇼트키 배리어 다이오드. Mo/β-Ga₂의 전기장 의존성 분석 O₃ 다른 메커니즘과의 쇼트키 접촉. ㄷ Poole-Frenkel 메커니즘(I /이 ) 대 E ^1/2 그리고 d 쇼트키 메커니즘 ln (나 /T ² ) 대 E ^1/2

여기서 ε _s 는 β-Ga₂의 유전율입니다. O₃ (~ 10 ε₀ ) 및 E 는 적용된 전기장이며 \( E\kern0.5em =\kern0.5em \sqrt{\frac{2{qN}_D}{\varepsilon_S}\left(V+{V}_{bi}-\frac {k_BT}{q}\right)} \), N _디 는 β-Ga₂의 도너 밀도입니다. O₃ , 및 V _바이 내재된 잠재력이다. 도 5b에 도시된 바와 같이, N _디 및 V _바이 역제곱 커패시턴스(1/C ² ) 대 V _다시 다음 표현식을 사용한 플롯

ln의 곡선 (I/T ² ) 대 E ^1/2 선형이고 쇼트키 방출 메커니즘이 지배적입니다. 그리고 ln의 플롯이라면 (나 /이 ) 대 E ^1/2 라이너인 경우 Poole-Frenkel 방출은 역전류 전송을 지배합니다. 그림 5c, d는 ln의 플롯을 나타냅니다. (나 /이 ) 및 ln (나 /T ² ) 대 E ^1/2 , 각각. 두 곡선 세트는 모두 선형이며 Poole-Frenkel 방출뿐만 아니라 Schottky 방출도 존재함을 나타냅니다. 지배적인 캐리어 수송 메커니즘을 명확히 하기 위해 곡선의 기울기 또는 방출 계수는 [34,35,36]과 같이 표현될 수 있습니다.

여기서 n =1은 Poole-Frenkel 방출에 대한 것입니다(S _PF ) 및 n =2 쇼트키 방출(S _S ). S의 실험값 S로 표시됩니다. _m-PF 그리고 S _m-s Poole-Frenkel 및 Schottky 방출에 대해 각각 그림 5c, d의 곡선 기울기에 의해 제공됩니다. 실험값과 이론값의 비율 N _PF (=S _m-PF /S _PF ) 및 N _S (=S _m-s /S _S ), 그림 6에 나와 있습니다. N _S N보다 화합에 가깝습니다. _PF , 역전류는 쇼트키 방출에 의해 지배됩니다.

Poole-Frenkel 방출 N의 상대 계수 플롯 _PF (=S _m-PF /S _PF ) 및 쇼트키 방출 N _S (=S _m-s /S _S ) 대 온도