Mo/Au 肖特基接触在机械剥离 β-Ga2O3 薄膜上的实验和理论研究

方法/实验

如图 1a、b 所示，肖特基势垒二极管制作在从掺杂 Sn 的 β-Ga2O3 衬底机械剥离的 β-Ga2O3 (100) 薄膜上，厚度为 15 μm，电子浓度为 2 × 10 ¹⁷ cm ^{− 3} .如图 1d、e 所示，通过高分辨率 X 射线衍射 (HRXRD) 和原子能谱估计，半高全宽 (FWHM) 和均方根 (RMS) 分别为 51.9 弧秒和 0.19 纳米。力显微镜 (AFM) 测量。测量证实了优良的晶体质量和光滑的表面。湿法化学清洗后，使用电子束蒸发在背面沉积 Ti/Au（20 纳米/100 纳米）金属叠层，然后在 600°C 下在氮气氛下进行 60 秒的快速热退火 (RTA)形成欧姆接触。通过蒸发 Mo/Au (40 nm/100 nm) 金属和剥离工艺，在正面形成直径为 100 μm 的圆形肖特基阳极电极。图 1c 显示了本工作中 β-Ga2O3 SBD 的横截面示意图。

一 厚度为 300 μm 的 Sn 掺杂 β-Ga2O3 衬底。 b 肖特基阳极电极形成在正面，直径为 100 微米。 c β-Ga2O3 SBD 横截面示意图。 d XRD摇摆曲线和e (100) β-Ga2O3衬底机械剥离的β-Ga2O3漂移层的AFM图像

结果与讨论

使用 Keithley 4200 半导体表征系统在 298 和 423 K 之间研究了 Au/Mo/β-Ga2O3 肖特基势垒二极管的电流-电压 (I-V) 特性。如图 2a 所示，I 在/我 关闭比接近 10 ¹⁰ 在 298 K，表明良好的整流行为。对于 0.1 到 0.7 V 的正向偏置，半对数 I-V 曲线几乎是线性的，并显示出强烈的温度依赖性行为。随着正向偏置的进一步增加，IV曲线的线性偏差归因于肖特基势垒二极管的串联电阻，施加的电压与电流之间的关系可以表示为\( I={I}_s\left \{\exp \left[\frac{q\left(V-{IR}_s\right)}{nkT}\right]-1\right\} \) [21,22,23]，其中 V 是施加的电压，R s 串联电阻，T 绝对温度，k 玻尔兹曼常数，n 理想因子，I s 是反向饱和电流。 n 和我 s 可以从 ln 的斜率和截距确定 分别为 I-V 图。对于理想的肖特基势垒二极管，理想因子 n 应该等于统一。 n 越高 ，与热辐射 (TE) 模型的偏差越大。此外，根据方程 \( {\phi}_b=\frac{kT}{q}\ln \left[\frac{AA^{\ast}{T}^2}{I_s}\right] \ ) [21,22,23]，φ的值 b 还确定了在不同温度下，如图 2b 所示，其中 φ b 是障碍高度，A 是二极管面积，A ^* 是有效的理查德常数 40.8 A cm ⁻² K ^{− 2} β-Ga2O3 有效质量为 m ^* = 0.34 米 0 [5, 24]。随着温度从 298 K 升高到 423 K，φ b n 时增加 减少，表明另一种传输机制也有助于电流传输并导致 IV 特性与纯 TE 模型的偏差，这在先前在 β-Ga2O3 肖特基势垒二极管 [25] 和其他宽带隙器件 [26， 27,28,29,30]。势垒高度不均匀性分析可以用势垒高度的高斯分布来描述，

一 Mo/β-Ga2O3 肖特基势垒二极管在不同温度下的正向 I-V 特性。 b β-Ga2O3 肖特基势垒二极管的理想因子和肖特基势垒高度的温度依赖性。 c ϕ的图 ap 与 q/2k T 和修正的理查森图与 1/k β-Ga2O3肖特基势垒二极管的T

平均障碍高度值 \( \overline{\phi_{b0}} \) 和标准偏差 σ s 从图 2c 中分别提取为 1.55 eV 和 0.186 eV。此外，考虑到势垒高度的不均匀性，常规的Richardson图修改如下：

如图 2c 所示，修改后的 \( \ln \left({I}_{\mathrm{s}}/{T}^2\right)-\left({q}^2{\sigma}_ {\mathrm{s}}^2/2{k}^2{T}^2\right) \) 与 1/kT 是一条直线。曲线的截距用于获得A ^* 44.7 A cm ⁻² K ⁻² ，这非常接近于 40.8 A cm ⁻² 的 β-Ga2O3 理论值 k ⁻² .因此，β-Ga2O3 SBD在金属/半导体界面处的势垒不均匀性可以用TE和SBH上势垒的高斯分布来解释。

室温反向击穿测量也是使用Agilent B1505A高压半导体分析仪系统进行的，如图3所示。击穿电压为260 V，样品浸没在3M公司生产的Fluorinert™中为300 V可防止高反向偏压下的空气击穿。为了了解电场的分布，使用 ATLAS 软件进行数值模拟，如图 4a、b 所示。随着从半导体和阳极之间的界面的距离增加到约 1 μm，电场逐渐减小。在 x 的位置 =4 μm，平均电场为 3 MV/cm，由图 4c 计算。同样如图4d所示，在y的位置 =1 nm，肖特基接触边缘的击穿电压最大电场约为 8 MV/cm，约为平均电场的 2.7 倍。正如 AJ Green 等人 [31] 和 K. Zeng 等人 [32] 报道的那样，电极边缘的峰值电场和平均电场分别为 5.3、3.8 MV/cm 和 6.1、4.4 MV/cm， Mo/Ga2O3肖特基二极管的峰值电场较高。据推测，通过机械剥离获得的 β-Ga2O3 纳米膜具有大量的悬空键和表面状态，它们将捕获电子以在反向偏压下耗尽从阳极到阴极的载流子 [33]。考虑到表面负电荷，仿真结果表明肖特基接触边缘的电场随着负表面电荷密度从0.5 × 10 ¹³ 增加而减小。 cm ⁻² 到 3 × 10 ¹³ cm ⁻² ， 分别。特别是负表面电荷密度为 3 × 10 ¹³ cm ⁻² ，肖特基接触边缘的峰值电场约为 5.2 MV/cm。因此，具有N的β-Ga2O3纳米膜可以实现300 V的反向击穿电压 D =3 × 10 ¹⁷ cm ⁻² 没有任何边缘终止结构。如图4d所示，由于X处存在界面态 -位置低于 2 μm，可以捕获电子并形成耗尽区，从而在 Y 中产生电场 方向。随着界面态浓度的增加，Y中的电场 方向增加，尽管 X 中的电场 方向接近于零。所以电场在 X 处增加 -位置低于 2 μm。

室温下β-Ga2O3样品分别在Fluorinert和空气中的反向I-V特性

一 肖特基势垒二极管在 - 300 V 偏置下的断态 TCAD 电场模拟。 b 绿色虚线框内选定区域的电场模拟。 y 沿线的潜力 x 处的轴 =4 μm 存在于 (c )，并且肖特基接触边缘处的电场随着不同的有效负表面电荷密度而降低，存在于 (d )

另一方面，随着反向偏置 V 重新 增加，漏电流I 重新 增加而不是饱和 |V |> 3k B T/q ，如图 5a 所示，这与 TE 理论不一致。因此，考虑电场增强的热电子发射来讨论 I 重新 在 V 重新 , 包括普尔-弗伦克尔发射和肖特基发射 [34, 35]。在普尔-弗伦克尔发射中，电子通过俘获态和 I 从金属传输到半导体 重新 由

而在肖特基发射中，电子将获得足够的能量来克服金属/半导体的势垒以形成电流和 I 重新 可以表示为

一 Mo/β-Ga2O3 肖特基势垒二极管在不同温度下的反向 I-V 特性。 b 1/C ² 的温度依赖性 Mo/β-Ga2O3 肖特基势垒二极管的特性。不同机理下Mo/β-Ga2O3肖特基接触的电场依赖性分析。 c Poole-Frenkel 机制 (I /E ) 与 E ^1/2 和 d 肖特基机制ln (我 /T ² ) 与 E ^1/2

其中 ε s 是 β-Ga2O3 (~ 10 ε0) 和 E 的介电常数 是外加电场，计算公式为 \( E\kern0.5em =\kern0.5em \sqrt{\frac{2{qN}_D}{\varepsilon_S}\left(V+{V}_{bi}-\frac {k_BT}{q}\right)} \), N D 是 β-Ga2O3 的施主密度，V 双 是内在的潜力。如图5b所示，N D 和 V 双 可以从平方反比电容 (1/C ² ) 与 V 重新 使用以下表达式绘图

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

如果ln的曲线 (I/T ² ) 与 E ^1/2 是线性的，肖特基发射机制占主导地位。如果 ln 的情节 (我 /E ) 与 E ^1/2 是线性的，Poole-Frenkel 发射在反向电流传输中占主导地位。图 5c、d 描绘了 ln 的图 (我 /E ) 和 ln (我 /T ² ) 与 E ^1/2 ， 分别。两组曲线都是线性的，表明不仅存在 Poole-Frenkel 发射，而且还存在肖特基发射。为了阐明主导载流子传输机制，曲线的斜率或发射系数可以表示为[34,35,36]。

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

其中 n =1 是 Poole-Frenkel 发射 (S PF ) 和 n =2 对于肖特基发射 (S S ）。 S的实验值 表示为 S m-PF 和 S m-S 对于 Poole-Frenkel 和肖特基发射，分别由图 5c、d 中的曲线斜率给出。实验值与理论值的比值，N PF (=S m-PF /S PF ) 和 N S (=S m-S /S S )，如图 6 所示。由于 N 的值 S 比 N 更接近统一 PF ，反向电流以肖特基发射为主。

<图片>

Poole-Frenkel 发射 N 的相对系数图 PF (=S m-PF /S PF ) 和肖特基发射 N S (=S m-S /S S ) 与温度的关系

结论

我们研究了在从掺杂 Sn 的 β-Ga2O3 衬底机械剥离的 (100) β-Ga2O3 膜上制造的 Mo/Au 肖特基势垒二极管的电气特性。在TE模型的基础上，提取的φ b 和 n 分别随温度升高而升高和降低。通过假设非均匀势垒高度的高斯分布，获得了 1.55 eV 的平均势垒高度和 0.186 eV 的标准偏差。 最后，根据ln (我 /T ² ) 和 ln (我 /E ) 与 E ^1/2 绘图，参数 N S 肖特基发射接近统一，说明肖特基发射是反向电流的主要传输机制。在平均电场为 3 MV/cm 的 Mo/Au 肖特基势垒二极管中，在 Fluorinert 样品中获得了 300 V 的击穿电压，表明 β-Ga2O3 在电力电子应用中的巨大潜力。

缩写

I-V：

电流-电压

莫：

钼

RTA：

快速热退火

SBD：

肖特基势垒二极管

TE：

热电子发射