Al2O3/n-GaN MOS二极管界面特性研究

界面缺陷态表征的基本原理是界面缺陷电荷与半导体发生载流子交换，只有界面缺陷捕获和发射电子，才能在C-V曲线中体现出来。但室温状态下，GaN由于较大的禁带宽度，禁带中间能级以下的界面缺陷态无法正常捕获和发射电子，所以须借助外加光照来提供光生载流子与界面缺陷态发生交换。

1. GaN深能级电子发射时间及少子产生速率
GaN为宽禁带半导体，介质层与其界面存在深能级缺陷态。外加偏压时，费米能级快速扫过深能级缺陷态，被深能级缺陷态捕获的电子具有极长的电子发射时间，无法在有限的测量时间内发射到导带中去。因此传统的C-V法无法表征深能级缺陷态密度。根据Shockley-Read-Hall理论，电子发射时间τ可表示为：

(1)

式中，Vth为电子热运动速度约为2.6×10⁷cm/s，σth为电子捕获截面约为10^-19cm^-2，NC为GaN导带有效态密度约为1.2×10¹⁸cm^-3，EC、ET分别为导带和缺陷态能级。

图1给出了公式(1)计算所得的τ与缺陷态能级深度(EC-ET)的关系。可以看出，距导带底0.5eV处的缺陷态中电子发射至导带需要时间约70s，而禁带中间能级的电子发射时间高达10²¹s。

图1 室温下GaN中电子发射时间常数与能级深度的关系

此外，GaN的少子热产生速率极低，深能级被陷电子与反型空穴的复合速率极低。室温平衡状态下少子的热产生速率可表示为：

G_th=βn_n₀P_p0 (2)

式中，复合系数β室温下约为10^-14cm³s^-1，n_n0和p_p0分别为热平衡下n型GaN中的电子和空穴浓度。可计算得室温下GaN中的少子热产生速率约为10⁶cm^-3s^-1，远低于Si的10¹⁷cm^-3s^-1。

  综上所述，由于室温下GaN中电子发射时间极长、少子产生速率极低，传统的低频法、Terman法等无法准确地表征Al₂O₃/GaN的深能级缺陷密度，因此需要开发新的方法表征Al₂O₃/GaN的界面缺陷。

  2. 变波长光辅助高频C-V技术
  基于GaN材料的特性，无法在室温下获得禁带中间及禁带以下的缺陷态密度分布，只能通过变波长光辅助C-V法估计部分能级的界面缺陷态密度平均分布值。我们的测量方法为：首先在室温无光环境下，从积累区(正偏压)向耗尽区(负偏压)扫描偏压，获得无光条件下的C-V曲线；然后保持样品在耗尽区状态下，使用能量为Eλ1=hv1(能量低于禁带宽度)的光垂直照射样品表面1分钟，再在室温无光环境下从耗尽区扫描回积累区，获得C-V曲线1；继续保持样品在耗尽区状态下，使用能量为Eλ2=hv2(hv2>hv1)的光垂直照射样品表面1分钟，再在室温无光环境下从耗尽区扫描回积累区，获得C-V曲线2，以此类推，所使用光的波长分别为1168nm、1003nm、932nm、650nm、435nm，获得如图2所示的C-V曲线图。

  光的能量与波长之间的关系如式(3)所示：

E=hc/λl (3)

其中h=4.14×10^-15eV·S为普朗克常量，c为光速，λ为光波长。通过计算得不同的波长对应的能量为：Eλ1=1eV，Eλ2=1.2eV，Eλ3=1.3eV，Eλ4=2.0eV，Eλ5=2.8eV。

图2 变波长光辅助法C-V曲线

图2中，最下面的黑色实线为无光条件下测得的样品C-V特性曲线。我们发现，当负偏压进一步增大时，样品并没有出现反型的现象，而是继续表现出耗尽行为，这就是宽禁带半导体中常见的深耗尽行为。GaN中少子产生速率极慢，当偏压进入反型区时，反型层无法形成。少子产生速率极慢意味着电子的准费米能级将随着偏压上下移动，而空穴的准费米能级由于较长的产生时间而保持不变，即少子的热产生速率极低，无法跟上偏压的扫描速度和半导体表面势的变化速度。

n型GaN的施主掺杂浓度可表示为：

(4)

式中，q为电子电量，εs为GaN的介电常数。作出样品耗尽区1/C²_D与V关系应为一条直线，如图3所示，将直线延长与横坐标交点为平带电压0.2V，求出Nd为1×10¹⁷cm^-3，与设计参数基本一致。

图3 室温无光下样品的1/C²-V关系

光照后，样品的C-V曲线均沿负偏压方向延伸，且能量越高的光，C-V曲线延伸现象越明显，表明系统中引入了正电荷。具体的物理过程可描述为：在正偏压时，样品处于积累区，界面缺陷态都在电子费米能级以下，缺陷能级全部被电子占据，能带图如图4(a)所示。当光入射耗尽状态下的Al₂O₃/GaN界面时，负偏压下GaN表面的能级向上弯曲，半导体界面附近会产生大量的电子-空穴对，在内建电场的作用下，电子带负电向中性区移动，空穴带正电向界面处移动，这样界面处被陷的缺陷电子能与空穴复合，能带图如图4(b)所示；当直流偏压从耗尽区向积累区扫描时，被排空的缺陷态重新捕获GaN中的电子，系统中引入正电荷，电容曲线沿负偏压方向延伸能带图如图4(c)所示。

图4 不同状态下Al₂O₃/n-GaN结构能带图，(a)积累区界面缺陷态被电子占满；(b)光照时产生电子-空穴对；(c)从耗尽区扫描回积累区，界面缺陷捕获GaN导带中电子能带图；其中实心黑点为电子，圆圈为光生空穴

3. 界面缺陷态平均值计算
在忽略氧化层缺陷电荷的情况下，当使用能量为Eλ1的光照射耗尽状态下的Al₂O₃/n-GaN时，E=Eλ1以上的缺陷态被光生空穴复合，E=Eλ1以下的缺陷态状态保持不变，从耗尽区向积累区扫描时，只有E=Eλ1以上的界面缺陷态捕获GaN导带中电子，引入正电荷使C-V曲线1向负偏压方向延伸；当使用能量为E=Eλ2(Eλ2>Eλ1)的光进行照射时，光生空穴复合能级E=Eλ2以上的界面缺陷态，使得C-V曲线2继续向负偏压方向延伸，此时曲线2相较于曲线1的延伸变化量即为能级Eλ1<E<Eλ2间的界面缺陷电荷引起的，能带图如图5所示。

图5 变波长光辅助C-V法能带示意图

界面缺陷态的平均值计算公式为：

(5)

式中，Ctotal为Al₂O₃和GaN的电容值总和，ΔV为能级Eλ1和Eλ2光照后C-V曲线相同电容下的电压平移量，EAV为平均界面能级且EAV=Eλ1+ΔEλ/2，ΔEλ为能量差(hv2-hv1)。式(5)计算出界面缺陷态平均值如图6所示。可以看出，在禁带宽度范围内，界面缺陷态平均值呈衰减趋势，且最高值数量级为10¹²eV^-1cm^-2，最低数量级为10¹¹eV^-1cm^-2。

图6 变波长光辅助C-V法计算界面缺陷态平均分布值

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