通过角分辨 X 射线光电子能谱研究 Al2O3 封端的 GaN/AlGaN/GaN 异质结构的表面极化

背景

氮化镓 (GaN) 被认为是从 LED 行业到电力电子行业的许多领域中最具吸引力的半导体材料之一 [1, 2]。其受欢迎的原因在于硅具有许多优点：高击穿电场、高电子迁移率和出色的热稳定性 [3, 4]。 GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 被广泛研究用于高功率和高频应用 [1, 5, 6]。在 HEMT 中，如果采用肖特基栅极，该栅极界面会带来大的界面态，从而加剧了大漏电流和低击穿场 [7]。作为表面钝化层和栅极电介质的绝缘体可以帮助缓解上述问题[8,9,10]。

与 Ga2O3 相比，Al2O3 具有大的带隙、高介电常数和更多的负吉布斯自由能，因此更适合这种绝缘体应用，因此认为 Al2O3 可以钝化表面状态并改善击穿场 [5]。然而，在沉积 Al2O3 之后，在 GaN/Al2O3 界面上不可避免地会形成界面层 [11, 12]。该界面层被认为与阈值电压的可靠性和二维电子气（2DEG）的性质有关，并在控制能带弯曲中起关键作用[2, 13,14,15,16]。

虽然界面层已经被多个研究小组研究过，但界面层所起的作用还没有被深入开发 [12, 17]。因此，在本文中，我们使用角分辨X射线光电子能谱（ARXPS）来检测能带弯曲的逐渐变化并获得界面层的原子结构[11]。通过原子层沉积 (ALD) 在 GaN 样品上沉积不同厚度的 Al2O3。 ALD 利用低温逐层沉积技术，限制了 GaN 和 Al2O3 之间的热反应。因此，ALD 因其高一致性和均匀性、厚度控制精度、高薄膜质量和低缺陷密度而受到工业界的青睐，用于沉积高 k 电介质 [4]。这可以实现平滑和低缺陷的 Al2O3/GaN 界面。在 Al2O3 沉积之后，还准备了 400 °C 的沉积后退火 (PDA) 样品，以加强界面层反应，促进界面层的形成。基于 ARXPS 结果，发现由于极化引起的负电荷，带最初从 GaN 衬底向上弯曲到近界面。然而，随着检测角θ的增加 ，由于正电荷的形成，带逐渐向下弯曲[5, 11,12,13]。

方法

Ga 面 GaN/AlGaN/GaN-on-Si(111) 晶片购自商业公司 (Enkris.com)。外延纤锌矿结构包括在 22-nm AlGaN 层顶部的 2-nm GaN 层，并且两个外延层生长在 150-nm i-GaN 层上。缓冲层用作连接 GaN 外延层和 Si 衬底的过渡层。制备三个样品，S1、S2 和 S3。所有样品首先在丙酮中减少 5 分钟，然后浸入异丙醇中并在流动的去离子 (DI) 水中冲洗。然后通过将其浸入稀 HCl 溶液 (HCl:H2O =1:10) 约 1 分钟来蚀刻掉天然氧化物，然后在去离子水中冲洗。 Al2O3 通过 ALD 沉积在 GaN 顶部，三甲基铝 (TMA) 和 H2O 分别作为金属前体和氧化剂。样品 S1 的 Al2O3 厚度为 1 nm，样品 S2 和 S3 的 Al2O3 厚度为 3 nm。厚度由椭偏仪测量。此外，S3 在 N2 中于 400 °C 下进行 PDA 处理 5 min。

ARXPS 测量在配备单色微聚焦 Al Kα (1486.6 eV) X 射线源和半球形电子能量分析仪的 Thermo Fisher Scientific Theta Probe 系统中进行。结合能 (BE) 校准是使用纯 Ni、Au、Ag 和 Cu 标准样品通过设置 Ni Fermi 边缘，Au 4f 进行的 7/2, Ag 3d 5/2 和 Cu 2p 3/2 峰值分别位于 0.00 ± 0.02、83.98 ± 0.02、368.26 ± 0.02 和 932.67 ± 0.02 eV。给定组分光谱的 FWHM 只允许在窄范围内变化 (± 0.1 eV)。使用最少数量的成分光谱来获得可接受的低残留值 [11]。在不同的检测角度（θ )，范围为 27.5° 到 72.5°，相对于样品法线平行，不倾斜样品。为了消除可能的正电荷引起的 BE 偏移，获得的 XPS 光谱参考了 C 1s 峰值为 285.0 eV。使用嵌入在 Avantage 软件中的相对灵敏度因子和算法进行定量分析，包括元素/键比的测定 [11]。

结果与讨论

Ga 3d S1-S3 在不同光电子检测角度的核心级光谱分别如图 1a-c 所示。对于 S1，每个 Ga 3d 光谱可以拟合两个峰，对应于 Ga-N 和 Ga-O 键。 Ga-O 键是由于 ALD 中暴露于氧化剂而形成的氧化物，并且氧化剂渗透到最初的薄 Al2O3 层中 [3]。对于 S2 和 S3，可以识别三个峰，记为 Ga-N、Ga-O 和 O 2s ， 分别。 O 2s 峰归因于 Ga-O 和 Al-O 键，并且当检测角变大时变得明显。由于本文不关注该峰，因此不再进一步讨论。图 2 显示了 Ga-N 峰的 BE 作为 θ 的函数 对于 S1-S3。从 θ 获得 0.2-eV 的降低 =S1 为 27.5° 至 72.5°。它表明带向上弯曲，这与出版物 [3, 11] 一致。对于 S2，BE 呈现 0.1 eV 的降低，表明与 S1 相比，界面附近有温和的向上带弯曲，或者考虑到实验误差，没有带弯曲的平坦能带。然而，对于 S3，BE 增加了 0.2-eV，这与样品 S1 和 S2 形成对比，建议向下弯曲带。图3记录了Al 2p 所有样品的光谱，BE 没有变化。此外，峰被记录为 Al-O 键，因此，AlGaN 层对 Ga-N BE 变化的影响可以忽略不计。表 1 总结了 Ga 3d 的 BE 和 Al 2p 所有样品在不同检测角度下，误差为± 0.1 eV。

XPS Ga 3d a 的核心级光谱 S1，b S2 和 c S3

Ga-N 谱峰的 BE 作为检测角的函数 θ （相对于正常）S2。误差线为± 0.1 eV

XPS Al 2p a 的核心级光谱 S1，b S2 和 c S3，峰表示 Al-O 键。此外，没有显着的BE变异

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表 2 中给出了所有样品的 Ga-O 与 Ga-N 峰的比率。样品 S1 和 S2 的比率约为 0.2，这与之前的结果一致 [3]。然而，在PDA处理后，该比率增加到~ 0.3并且表示GaO x 的增加 界面层。此外，Ga/N比值也列于表2中。该比值是通过比较Ga 3d的积分强度来计算的 和 N 1s 具有原子灵敏度因子的峰值 [18]。对于样品 S1 和 S2，大约 1.7 的比率表明富含 Ga 的界面层。然而，在 N2 退火后，该比率降低到~ 1.0。此外，每个角度的采样深度也在表2中给出。由于光电子的指数衰减，63% 和 95% 的检测到的电子分别来自表面的 1λ（即，λ 表示电子的非弹性平均自由程 (IMFP)）和 3λ 的距离内。因此，XPS 采样深度定义为样品表面下方 3λ 纳米。在我们的例子中，Al2O3 是覆盖层，Ga 3d 的 λ Al2O3 中的光电子估计为 ~ 3.4 nm。对于粗略估计，不同角度的采样深度为 3λcosθ .但是实际的Ga-N BE采样深度要考虑Al2O3的厚度，所以采样深度估计为3λcosθ 减去封盖 Al2O3 厚度。因为 GaO x 层位于 GaN 异质结构的顶部，该层的信号包含在每个检测角度。然而，随着探测角度的增加，Ga-N键的信号强度降低，导致Ga-O/Ga-N比值增加。比较 S2 和 S3，Ga-O/Ga-N 比的增加和 Ga/N 比的降低表明富 Ga 层已被氧化形成 GaO x .

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为了说明此处提供的实验数据，图 4 中示意性地提出了一个模型。在 XPS 测量期间，GaN/AlGaN/GaN 衬底的费米能级被校准为 0 eV [19]。给出了导带最大值 (CBM)、价带最大值 (VBM) 和核心能级。 BE 是核能级和费米能级之间的能量差。在 ALD 沉积中，氧化剂中的 O 可以代替 Ga-N 键中的 N 来氧化 GaN，周围的 N 原子可以形成 N2 分子 [20]，从而形成富 Ga 层和氧化镓(GaO x ) 界面层 [11, 18]。这得到表 2 中大于 1 的 Ga/N 比率的支持。该比率表明 GaN 化学计量的变化，GaN 的固有自发极化效应应该消失 [21,22,23]。结果，富含Ga的层，作为GaN-to-GaO x 过渡层，消除极化引起的负电荷，导致平坦的导带[11]，如图4所示。

在界面区域，O 取代 Ga-N 键中的 N 形成富 Ga 层和 GaO x 层。富含 Ga 的层充当 GaN-to-GaO x 过渡层。 Ga-O 形成消除了 GaN 的极化并充当正电荷。结果，导带逐渐从上向下弯曲，BE相应变化

此外，在退火过程中，富含Ga的表面被氧化形成更厚的GaOx 层。因为氧化是动力学受限的反应，并且仅限于大约两个表面单层，所以主体不会受到强烈干扰 [24]。因此，Ga-N 键信号主要来自未氧化的底层体，导致 S3 的 Ga/N 化学计量比为 1。 GaO x 据报道，该层会带来正电荷，这些正电荷可能是界面固定电荷，其能态介于天然氧化物和 GaN 的导带最小值之间，这会使带向下弯曲 [4, 11, 13, 14]。因此，在 GaO x 附近的区域，Ga 富集层的导带开始减小 层。较厚的 GaO x 预计会带来更大密度的正电荷。关于 S3 中 Ga-O 和 Al-O 的常数 BE，表明正电荷应位于富 Ga 层/GaO x 的界面 层。正电荷和极化引起的负电荷建立了一个内部电场，将带弯曲从向上带弯曲修改为向下带弯曲，如图4所示。由于向下带弯曲，BE随着检测角度的增加而增加.

GaO x 界面层带来正电荷，增加界面势垒高度 ɸb。 ɸb 被定义为费米能级与表面或界面处导带最小值之间的能量差 [25]。结果，A2O3沉积后，2DEG的迁移率增加，2DEG的电子密度降低[16,25,26]。

随着 Al2O3 厚度的增加，XPS 信号更多地反映在封端的 Al2O3 和 GaN/AlGaN/GaN 之间的界面区域，这由表 2 所示的 XPS 采样深度验证。这解释了只有部分能带弯曲可以检测到 S2 [27] 的配置文件。结果，BE 变化为 0.1 eV，小于 S1 的 0.2 eV。对于S3，界面层较厚，正电荷密度增加，导致能带向下弯曲。

结论

总之，通过 ARXPS 研究了 Al2O3 封端的 GaN/AlGaN/GaN 的界面极化。由于富含 Ga 层和 GaO x，GaN 的本征极化被消除 层形成。此外，来自 GaO x 的 Ga-O 键 层带来正的界面固定电荷。由于这种极化变化，能带在界面区域从向上弯曲变为向下弯曲。