β-Ga₂O₃ 박막 위 Mo/Au 쇼트키 콘택트: 역바이어스 수송 및 브레이크다운 특성에 대한 실험적·이론적 통찰

요약

298-423K 범위에서 온도 의존적 전류-전압(I-V) 특성을 통해 Mo/β-Ga₂O₃ 쇼트키 장벽 다이오드의 역전류 방출 메커니즘을 연구했습니다. 역전류의 전기장 의존성 변화는 쇼트키 방출이 프렌켈-풀 트랩 보조 방출 모델이 아닌 역바이어스 하에서 지배적인 캐리어 수송 메커니즘임을 나타냅니다. 또한 플루오린서트 분위기에서 300V의 브레이크다운 전압을 얻었으며, Mo/β-Ga₂O₃ 쇼트키 장벽 다이오드에서 평균 전기장은 3MV/cm였습니다. 표면 상태가 전기장 분포에 미치는 영향도 TCAD 시뮬레이션으로 분석했습니다. 음의 표면 전하 밀도가 증가함에 따라 피크 전기장이 단조롭게 감소했습니다. 또한 순방향 바이어스 하에서 쇼트키 장벽 높이의 불균일성도 논의했습니다.

배경

최근 초광대역갭 반도체 β-Ga₂O₃는 높은 화학적 안정성, 4.8-4.9eV의 큰 직접 광대역갭, 8MV/cm의 높은 이론적 브레이크다운 전기장(E_BR), SiC의 약 10배, GaN의 약 4배에 달하는 3400의 발리가 지표(Baliga's figure-of-merit) 등 우수한 특성으로 큰 관심을 끌고 있습니다. 용융 성장 기술로 성장한 고품질, 대면적, 비용 효율적인 β-Ga₂O₃ 기판과의 조합은 고전압, 고전력 전자 응용에 선호되는 소재로 만듭니다. 유망한 전자 소자로서 β-Ga₂O₃ 쇼트키 장벽 다이오드(SBD)는 Cu, Pd, Pt, Au, Ni, TiN 등 다양한 양극 전극 금속으로 제작되었으며, 특성 온저항, I_on/I_off 비율, 장벽 높이, 역누설 전류, 브레이크다운 전압 등 순방향 및 역방향 전기 특성이 종합적으로 조사되었습니다. β-Ga₂O₃ SBD에서 불균일한 쇼트키 장벽 높이와 비포화 역바이어스 전류가 보고되었으나, 역바이어스 하 캐리어 수송 메커니즘에 대한 정보는 훨씬 적었으며, 이는 브레이크다운 전압 향상에 필수적입니다.

또한 Mo/β-Ga₂O₃ 콘택트의 방출 메커니즘을 분석한 연구는 없었습니다. β-Ga₂O₃ 기판에 트랩이나 결함이 있다면 누설 전류가 프렌켈-풀 방출 모델과 일치할 것이며, 역전류는 금속-반도체 계면 근처 트랩 상태에서 전자 방출이 됩니다. 그렇지 않으면 역전류의 주된 과정은 쇼트키 장벽을 넘는 전자에 의한 쇼트키 방출이 지배적입니다. β-Ga₂O₃ 결정은 [100] 방향에서 12.23Å의 큰 격자 상수를 가져 박막이나 나노막으로 쉽게 쪼개집니다. 따라서 본 연구에서는 낮은 전위 밀도 벌크 기판에서 기계적 박리로 대규모 β-Ga₂O₃를 박리했고, 최초로 열적으로 안정한 몰리브덴(Mo)을 양극 전극 금속으로 선택해 β-Ga₂O₃ 수직 쇼트키 장벽 다이오드를 제작했습니다. 298-423K 온도 범위에서 역바이어스 하 전기 전도 메커니즘을 논의했습니다. 이 연구는 β-Ga₂O₃ 기반 소자 기능 향상에 도움이 될 캐리어 수송 메커니즘 통찰을 제공합니다.

실험 방법

그림 1a,b와 같이 쇼트키 장벽 다이오드는 Sn 도핑 β-Ga₂O₃ 기판에서 기계적으로 박리된 β-Ga₂O₃ (100) 박막(두께 15μm, 전자 농도 2×10¹⁷cm^-3) 위에 제작되었습니다. 그림 1d,e와 같이 고분해능 X선 회절(HRXRD)과 원자력 현미경(AFM) 측정으로 FWHM(최대 반폭)과 RMS(제곱평균제곱근)는 각각 51.9 아크초와 0.19nm로 추정되어 우수한 결정 품질과 매끄러운 표면이 확인되었습니다. 습식 화학 세정 후, Ti/Au(20nm/100nm) 금속 스택을 E-빔 증착으로 후면에 증착하고 질소 분위기에서 600°C, 60초 급속 열 어닐링(RTA)으로 옴접촉을 형성했습니다. 직경 100μm의 원형 쇼트키 양극 전극은 Mo/Au(40nm/100nm) 금속 증착과 리프트오프 공정으로 전면에 형성했습니다. 그림 1c는 본 연구의 β-Ga₂O₃ SBD 개략 단면 구조를 보여줍니다.

결과 및 논의

Mo/β-Ga₂O₃ 쇼트키 장벽 다이오드의 전류-전압(I-V) 특성은 키슬리 4200 반도체 특성 분석 시스템으로 298-423K 사이에서 조사했습니다. 그림 2a와 같이 298K에서 I_on/I_off 비율은 10¹⁰에 가까워 양호한 정류 거동을 보입니다. 0.1-0.7V 순방향 바이어스에서 반로그 I-V 곡선은 거의 선형이며 강한 온도 의존성을 보입니다. 순방향 바이어스가 더 증가하면 쇼트키 장벽 다이오드의 직렬 저항으로 인해 I-V 곡선의 선형성에서 벗어납니다. 적용 전압과 전류 관계는 \( I={I}_s\left\{\exp \left[\frac{q\left(V-{IR}_s\right)}{nkT}\right]-1\right\} \)로 표현되며, 여기서 V는 적용 전압, R_s는 직렬 저항, T는 절대 온도, k는 볼츠만 상수, n은 이상성 인자, I_s는 역포화 전류입니다. n과 I_s는 lnI-V 그래프의 기울기와 절편에서 결정됩니다. 이상적인 쇼트키 장벽 다이오드에서 이상성 인자 n은 1이어야 합니다. n이 높을수록 열방출(TE) 모델에서의 편차가 큽니다. 또한 \( {\phi}_b=\frac{kT}{q}\ln \left[\frac{AA^{\ast }{T}^2}{I_s}\right] \) 식에 따라 다른 온도에서의 ϕ_b 값도 결정했습니다(그림 2b). 여기서 ϕ_b는 장벽 높이, A는 다이오드 면적, A^*는 β-Ga₂O₃ 유효 리차드슨 상수 40.8A cm^-2K^-2(유효 질량 m*=0.34m₀)입니다. 온도가 298-423K로 상승함에 따라 ϕ_b는 증가하고 n은 감소해, 순수 TE 모델에서의 편차를 유도하는 또 다른 수송 메커니즘이 기여함을 나타냅니다. 이는 이전 β-Ga₂O₃ SBD 및 다른 광대역갭 소자에서도 보고되었습니다. 장벽 높이 불균일성 분석은 장벽 높이의 가우시안 분포로 기술됩니다:

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

평균 장벽 높이 \( \overline{\phi_{b0}} \)와 표준 편차 σ_s는 그림 2c에서 각각 1.55eV와 0.186eV로 추출되었습니다. 또한 장벽 높이 불균일성을 고려해 기존 리차드슨 플롯을 다음과 같이 수정했습니다:

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

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 그래프는 직선입니다. 절편에서 A^*=44.7A cm^-2K^-2를 얻었으며, 이는 β-Ga₂O₃ 이론값 40.8A cm^-2K^-2와 매우 가깝습니다. 따라서 β-Ga₂O₃ SBD의 금속/반도체 계면 장벽 불균일성은 SBH의 가우시안 분포를 가진 TE로 설명됩니다.

실온 역방향 브레이크다운 측정도 Agilent B1505A 고전압 반도체 분석 시스템으로 수행했습니다(그림 3). 공기 중에서는 브레이크다운 전압이 260V였으나, 3M사의 플루오린서트™에 시료를 담그면 공기 브레이크다운을 방지해 300V를 얻었습니다. 전기장 분포 이해를 위해 ATLAS 소프트웨어로 수치 시뮬레이션을 수행했습니다(그림 4a,b). 반도체-양극 계면에서 약 1μm 거리까지 전기장이 점차 감소합니다. x=4μm 위치에서 평균 전기장은 그림 4c로부터 3MV/cm로 계산되었습니다. 또한 그림 4d에서 y=1nm 위치에서 브레이크다운 전압 시 쇼트키 콘택트 가장자리의 최대 전기장은 약 8MV/cm로 평균 전기장의 약 2.7배였습니다. A.J. Green 등[31]과 K. Zeng 등[32]에 따르면 전극 가장자리의 피크 및 평균 전기장은 각각 5.3, 3.8MV/cm와 6.1, 4.4MV/cm로 보고되었으며, Mo/Ga₂O₃ 쇼트키 다이오드의 피크 전기장은 상대적으로 높습니다. 기계적 박리로 얻은 β-Ga₂O₃ 나노막은 수많은 댕글링 본드와 표면 상태를 가져 역바이어스 하에서 양극에서 음극으로 캐리어를 고갈시키는 전자를 포획할 것으로 추정됩니다[33]. 음의 표면 전하를 고려한 시뮬레이션 결과, 음의 표면 전하 밀도가 0.5×10¹³cm^-2에서 3×10¹³cm^-2로 증가함에 따라 쇼트키 콘택트 가장자리의 전기장이 감소했습니다. 특히 3×10¹³cm^-2에서 쇼트키 콘택트 가장자리의 피크 전기장은 약 5.2MV/cm입니다. 따라서 N_D=3×10¹⁷cm^-2인 β-Ga₂O₃ 나노막에서 에지 터미네이션 구조 없이도 300V 역방향 브레이크다운 전압을 달성할 수 있습니다. 그림 4d에 따르면 X-위치 2μm 아래 계면 상태 존재로 전자가 포획되고 고갈 영역이 형성되어 Y 방향 전기장이 발생합니다. 계면 상태 농도 증가 시 Y 방향 전기장은 증가하지만 X 방향 전기장은 0에 접근합니다. 따라서 X-위치 2μm 아래에서 전기장이 증가합니다.

한편 역바이어스 V_re 증가 시 누설 전류 I_re는 |V| > 3k_BT/q에서 포화되지 않고 증가합니다(그림 5a). 이는 TE 이론과 모순됩니다. 따라서 전계 강화 열전자 방출을 고려해 I_re의 V_re 의존성을 논의했습니다. 풀-프렌켈 방출과 쇼트키 방출을 포함합니다[34,35]. 풀-프렌켈 방출에서 전자는 트랩 상태를 통해 금속에서 반도체로 수송되며 I_re는 $$ {I}_{re}\propto E\exp \left(\frac{q}{kT}\sqrt{\frac{qE}{{\pi \varepsilon}_S}}\right) $$ (3)로 주어집니다. 쇼트키 방출에서는 전자가 금속/반도체 계면의 장벽을 넘어 전류를 형성하며 I_re는 $$ {I}_{re}\propto {T}^2\exp \left(\frac{q}{2 kT}\sqrt{\frac{qE}{{\pi \varepsilon}_S}}\right) $$ (4)로 표현됩니다.

여기서 ε_s는 β-Ga₂O₃의 유전율(~10ε₀)이고 E는 적용 전기장으로 \( E=\sqrt{\frac{2{qN}_D}{\varepsilon_S}\left(V+{V}_{bi}-\frac{k_BT}{q}\right)} \)로 계산됩니다. N_D는 β-Ga₂O₃의 도너 밀도, V_bi는 내장 전위입니다. 그림 5b와 같이 N_D와 V_bi는 역바이어스 V_re에 대한 역제곱 정전용량(1/C²) 플롯의 기울기와 절편에서 다음 식을 사용해 추출할 수 있습니다:

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

ln(I/T²) 대 E^1/2 곡선이 선형이면 쇼트키 방출 메커니즘이 지배적입니다. ln(I/E) 대 E^1/2 플롯이 선형이면 풀-프렌켈 방출이 역전류 수송을 지배합니다. 그림 5c,d는 각각 ln(I/E)와 ln(I/T²) 대 E^1/2 플롯을 보여줍니다. 두 곡선 세트 모두 선형이어서 풀-프렌켈 방출과 쇼트키 방출 모두 존재함을 나타냅니다. 지배적인 캐리어 수송 메커니즘을 명확히 하기 위해 곡선의 기울기인 방출 계수를 다음과 같이 표현했습니다[34,35,36]:

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

여기서 n=1은 풀-프렌켈 방출(S_PF), n=2는 쇼트키 방출(S_S)입니다. 그림 5c,d 곡선의 기울기에서 얻은 실험적 S 값은 풀-프렌켈과 쇼트키 방출에 대해 각각 S_m-PF와 S_m-S로 표기합니다. 실험값과 이론값의 비율 N_PF(=S_m-PF/S_PF)와 N_S(=S_m-S/S_S)는 그림 6에 표시했습니다. N_S 값이 N_PF보다 1에 더 가까우므로 역전류는 쇼트키 방출이 지배적입니다.

결론

Sn 도핑 β-Ga₂O₃ 기판에서 기계적으로 박리된 (100) β-Ga₂O₃ 박막 위에 제작된 Mo/Au 쇼트키 장벽 다이오드의 전기적 특성을 조사했습니다. TE 모델 기반으로 추출한 ϕ_b와 n은 온도 상승에 따라 각각 증가하고 감소했습니다. 불균일 장벽 높이의 가우시안 분포를 가정해 평균 장벽 높이 1.55eV와 표준 편차 0.186eV를 얻었습니다. 마지막으로 ln(I/T²)와 ln(I/E) 대 E^1/2 플롯에 따르면 쇼트키 방출의 파라미터 N_S가 1에 가까워 역전류의 지배적 수송 메커니즘이 쇼트키 방출임을 보여줍니다. 플루오린서트 중 시료에서 300V 브레이크다운 전압을 얻었으며 평균 전기장은 3MV/cm로, β-Ga₂O₃의 전력 전자 응용 잠재력을 입증합니다.

약어

I-V:

전류-전압

Mo:

몰리브덴

RTA:

급속 열 어닐링

SBD:

쇼트키 장벽 다이오드

TE:

열전자 방출