等型和各向异性ZnO/4h-SiC异质结二极管的电性能外文翻译资料

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等型和各向异性ZnO/4h-SiC异质结二极管的电性能

Andrzej Taube,Mariusz Sochacki, Norbert Kwietniewski,Aleksander Werbowy,Sylwia Gierałtowska,Łukasz Wachnicki,Marek Godlewski,and Jan Szmidt

华沙科技大学微电子与光电子研究所，波兰科学院物理研究所，华沙75，00-662。波兰华沙32/46，02-668

(2017年2月1日收到；2017年3月27日接受；2017年4月6日在线公布)

研究和比较了n-ZnO/n-4H-SiC异质结二极管的电学性能，研究了ZnO中电子浓度对二极管参数的影响。采用原子层沉积法制备的ZnO/4h-SiC异质结具有较高的整流性能，漏电流小于〖10〗^(-11) A。同类型异质结二极管表现出比各向异性异质结二极管更好的电学性能，特别是理想因子值(1.13~1.2比1.36~1.52)、串联电阻(5-7X比66-80 X)、电容值(低2倍，在0V)，和内置电压(1.13-1.42V，而1.78-1.87V)。与低掺杂ZnO层的二极管相比，高掺杂ZnO层的二极管具有更低的串联电阻和内置电压。同型异质结和各向异性异质结二极管在紫外光照射下对反向电流电压特性表现出较强的fl效应，而n-4h-SiC的同型结构在青色(K^(1/4) 488 nm)光照下表现出较低的反向电流，与p型4h-SiC的各向异性结构相比，由于缺乏施主-受体对的吸收而表现出较低的反向电流。这使得ZnO/4h-SiC异质结二极管更适合用于可见光紫外光电探测器。由AIP出版公司出版。

氧化锌(ZnO)由于其独特的物理性质，是目前研究最广泛的半导体材料之一。其性质之一是可见光的吸收可忽略不计，这是由于其直接和宽的带隙3.37eV以及较大的激子结合能(室温下为60 meV)。这些物理性质在光电池、发光二极管、用于近紫外光谱范围的可见光盲区探测器、TFT、气体传感器和MEMS等方面有着广泛的应用。

在许多应用中，ZnO的p型掺杂仍是需要的.然而，尽管有大量的努力和有进展的结果，在氧化锌中获得稳定的p型导电性仍然是一个挑战。为了解决这一问题，人们提出了用n型氧化锌和其它p型半导体代替p型ZnO的p-n异质结构。关于p型半导体的ZnO基异质结，如4H-SiC或6H-SiC、Si、AlGaN或GaN等，已有一些报道。特别是在这种背景下，4H-SiC似乎更具有吸引力。4H-SiC的晶格失配率约为5%，具有相同的纤锌矿晶体结构，具有良好的力学和化学稳定性。此外，在碳化硅衬底上沉积ZnO层的方法很多，包括原子层沉积(ALD)、分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、热蒸发和溅射。

近年来，人们对n-ZnO/p-4H-SiC异质结二极管的性能进行了研究.所研究的异质结构具有优良的电参数，如低理想因子、低漏电流、高开关电流比和紫外传感能力。采用AlD法在碳化硅衬底上生长n型氧化锌，获得了较高的器件性能。本工作的目的是进一步提高ZnO/4H-SiC异质结二极管的电参数，方法是在n型4H-SiC衬底上制备n型ZnO异质结构，并将其与p型4H-SiC异质结构和n型异质结构进行比较。同类型的n-ZnO/n-4H-SiC异质结相比，n型ZnO/p-4H-SiC异质结具有较低的理想因子、串联电阻和内建电压以及较低的漏电流。此外，等型异质结二极管对可见光的响应较低，同时保持与观察到的各向异性异质结的相同水平的紫外光响应。我们还表明，通过选择合适的ZnO层掺杂水平，可以调谐二极管的电参数。

在商用衬底上制备了n-ZnO/p-4H-SiC和n-ZnO/n-4H-SiC异质结。对于p型和n型4H-SiC，10um厚外延层的有效掺杂密度分别为5*10^16cm^(-3)和1*10^16cm^(-3)。用标准RCA法对底物进行清洗。然后，在干燥的氧气环境中高温退火，得到约30 nm厚的SiO 2fiLMS。采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法，在外延层两侧另外沉积了300 nm厚的SiO 2层.为了在欧姆接触形成过程中保护它们的表面。在此基础上，对SiC的背面进行了干燥刻蚀，以去除先前热制备的SiO 2fiLMS。随后，采用磁控溅射方法在p型4H-SiC和Ni(100 Nm)上沉积了Ti和Al(10/75/20 nm厚Ti/Al/Ti)金属层。在Ar气氛下1050℃退火3 min，再加400 nm厚的Al层。最后，用PECVD SiO 2层保护欧姆触头。其次，在缓冲HF溶液中刻蚀外延层侧面，使ZnO层在原始碳化硅表面发生AlD沉积。然后，在SiC上沉积了90 nm厚的氧化锌(ZnO：Al)层，其标称电子浓度(Nd，ZnO)分别为1*10^19cm(-3)和1*10^20cm^(-3)。以二乙基锌(DEZ)和水(H2O)分别作为锌和氧的前驱体，在200℃沉积氧化锌层。对于ZnO：AlfiLMS，采用三甲基铝作为掺杂源。在ZnO：Al_2O的生长过程中，采用了TMA_2O/24 Dez H_2O循环。得到的ZnO层为多晶结构，呈六方柱状纤锌矿结构。有关ZnO和ZnO：Al由ALD生长的更多细节见参考文献。采用Al蒸发法制备了与ZnO的圆形欧姆接触。顶部接触直径为250mu;m。Al触头未退火，其电阻率一般为5*[10]^(-6)Omega;[cm]^2。在电测量之前，保护氧化物被从背面接触中移除。制作的异质结二极管的横截面图如图所示。1(A)和1(B)。用片上探针站和Keithley 4200 SCS SMU测量了室温电流电压(I-V)和电容电压(C-V)特性。

图1(A)和1(B)还显示了等型和各向异性ZnO/4H-SiC异质结的能带图(用Silvao TCAD计算)。对于各向异性异质结二极管，除了ZnO/4H-SiC界面的导电性和价带能突然增加外，其能带图与常规p-n结构相似。对于具有高掺杂ZnO的等型异质结，其能带图与肖特基结二极管相似，其中ZnO/4H-SiC界面处的势垒是由ZnO和4H-SiC之间的导带偏移引起的，根据实验确定，该势垒在1.3eV-1.61eV范围内。

图2(A)显示了制备的等型和各向异性ZnO/4H-SiC异质结二极管的典型电流电压特性。结果表明，同类型异质结相比，同类型异质结具有更低的正向电压和更高的导通电流。泄漏电流小于10 pa，这是测量装置中的噪声级。二极管参数的确定是通过fi将实验数据转化为具有串联电阻的理想二极管方程，其形式如下：

图2.(a)典型的电流-电压特性和(b)计算的ZnO/4H-SiC异质结二极管的电参数(G和Rs)。

表一ZnO/4h-SiC异质结二极管的平均提取电参数

这里Is是饱和电流，q是基本电荷的值，Rs是串联电阻，g是理想因子，kb是Boltzmann常数，T是温度。提取的二极管参数如图2(B)(g，Rs)所示，如表一所示。根据对几种器件的测量，确定了同类型Nd异质结二极管的平均理想因子约为1.13和1.2。ZnO分别等于1*10^19 cm^(-3)和1*10^20cm^(-3)，而对于Nd的异质结，ZnO等于1*10^19cm^(-3)和1*10^20cm^(-3)，平均理想因子分别为1.52和1.36。当ZnO层掺杂水平较高时，各向异性二极管的理想因子较低。在同型的情况下，则出现了完全相反的趋势。然而，在现阶段的调查中，原因尚不清楚。等型异质结二极管(Rs=5~7Omega;)的串联电阻明显低于非晶型异质结二极管(Rs=66~80Omega;)，而在每种类型的二极管中，电子浓度较高的器件的串联电阻较低。串联电阻主要来自低掺杂4H-SiC外延层的电阻.尽管p型4H-SiC外延层掺杂较高，但在Naasymp;5*10^16 cm^(-3)处空穴(110 cm^2/Vs)的迁移率远低于电子(760 cm^2/V s在Naasymp;1*10^16 cm^(-3)处的迁移率)，因此，在掺杂水平上，n型外延层的电阻比p型外延层的电阻低约3倍。但是，需要指出的是，现有p型4H-SiC材料的晶体质量比n型材料(本例中使用的)更差，可能会使孔洞运动恶化，导致电阻率值增大，从而导致各向异性二极管的串联电阻。各向异性异质结二极管的参数与目前报道的这类二极管的最佳值相似。到目前为止，只有一篇关于ZnO/4H-SiC异质结二极管的报道。研究中讨论的二极管是在n型4 HSiC上制备的，其掺杂水平与目前的工作相似，而ZnO层是通过热蒸发沉积在SiC上的。室温理想因子约为3，离子与Ioff之比约为3*10^5。我们的等型ZnO/4H-SiC二极管的电学参数优越，离子/Ioff比至少在10^10量级，理想因子低至1.08。

FIG 3.(A)典型的电容-电压特性，(B)1/c2-v图，(C)ZnO/4h-SiC异质结二极管的提取/Bi值。

图3(A)显示了在频率为1 MHz时测量到的典型电容电压特性，而图3(B)显示了为制作的二极管获得的典型1/C^2-V曲线。可以看出，由于n型外延层掺杂量较低，等型异质结二极管的电容比各向异性异质结二极管的电容要小。1/C^2-V图可用下列公式描述：

当A为二极管面积时，isin;ZnO和Nd分别为ZnO层的相对介电常数和施主浓度，isin;SiC和N_(A/D)分别是4H-SiC外延层的相对介电常数和施主或受体浓度，empty;_bi是二极管的内建势。如果背接触电阻和体串联电阻可以忽略不计，则方程(2)是有效的(与ZnO和高掺杂SiC衬底相比，背接触比顶部接触大)。当ZnO中的N_D值比4H-SiC中的N_(A/D)值高得多的情况下，可以将上述方程简化形式。

实验得到的1/C^2-V曲线被分配到Eq.(3)提取的和值如图3(C)()所示，如表一所示

由1/C^2-V曲线斜率计算的掺杂浓度与4 HSiC供应商提供的值接近。从1/C^2-V与电压轴的线性近似的截距中提取的内建电压分别为1.43V和1.13V。对于Nd，ZnO=1*[10]^19 cm^(-3)和1*[10]^20[cm]^(-3)的异质结二极管，其内建电压分别为1.43V和1.13V。而对于具有Nd，ZnO=1*[10]^19 cm^(-3)和1*[10]^20[cm]^(-3)的异质结，则分别为1.87和1.78。同类型异质结的内建电压低于各向异性异质结。还可以看出，对于Nd，ZnO=1*[10]^20[cm]^(-3)的ZnO层，/bi值较低。这可归因于费米能级相对于ZnO的导带的绝对位置的增加，或与ZnO：Al和4H-SiC之间的Dec的增加有关。对于等型异质结，它可以解释为随着掺杂水平的增加，准肖特基势垒高度的降低，即随着掺杂水平的增加，fi中费米能级的能量与4HSiC界面上4 HSiC导通带边缘底部能量的差值。

FIG.4.同型(A)和(B)和各向异性(C)和(D)型ZnO/4h-SiC异质结二极管的暗和照明(UV-k，1/4，488 nm)反向电流-电压特性的比较。

为了研究制作的二极管的紫外光传感能力，对其进行了暗电流和照明反向电流电压特性的测试。采用紫外半导体激光二极管(gamma;=375 nm)和氰基激光二极管(gamma;=488 nm(Osram)对二极管进行了照明。激光二极管的输出功率约为5mW，相当于功率密度的100 W/。激光束以离表面近45°的角度指向所研究的异质结二极管。由于顶部的Al触点不透明，光只能在Al接触的边缘进入结构的活性区域。图4显示了制作的二极管的暗和照明反向I-V特性。可以看出，所有二极管在黑暗和照明状态之间的电流水平都有很大的差异。当暗电流处于1*10^13-1*10^(-14)A的水平时，紫外光照射特性在1*10^(-8)-1*10^(-9)A水平上呈现反向电流。对于等型异质结，紫外和青色照度的反向电流比大于10^3，而对于各向异性异质结，无论ZnO层的掺杂水平如何，其反向电流比都在10]2以下。这种现象可能与施主-受体对(DAP)在4H-SiC中的可见光吸收有关，如N-Al(N-Al)或N-B(N-B)对在p型外延层中的吸收。许多报道表明，在p型碳化硅中，施主与受主能级的跃迁在1.4~3eV(400 nm~850 nm)范围内。在n-ZnO/p-SiC发光二极管的电致发光光谱中也观察到了这一现象.

总之，利用AlD沉积的ZnO薄膜制备了高质量的ZnO/4H-SiC异质结和异质结二极管。对于ZnO/4H-SiC异质结构，提取的二极管参数是迄今为止报道的最佳参数之一。同类型异质结二极管的电学性能优于各向异性异质结二极管，特别是理想因子、串联电阻、电容和内置电压值较低。从提高紫外探测器反应速度的角度看，等型二极管的低电阻和低电容尤为重要。由于n型4H-SiC中缺乏DAP跃迁，使得等型ZnO/4H-SiC异质结二极管更适合用于可见光盲紫外光电探测器。

这项工作得到波兰国家科学中心项目编号的支持。UMO-2012/06/A/ST7/00398“用于电子、光电子和光伏应用的氧化物纳米结构。

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