β-Ga₂O₃薄膜上のMo/Auショットキー接合：逆バイアス輸送とブレークダウン特性の実験的・理論的知見

概要

298-423 Kの温度依存的電流-電圧（I-V）特性を通じて、Mo/β-Ga₂O₃ショットキーバリアダイオードの逆方向電流放出機構を調査した。逆方向電流の電界依存性から、逆バイアス下ではフレンケル-プールトラップ助長放出モデルではなく、ショットキー放出が主要キャリア輸送機構であることを示した。さらに、フロリナート雰囲気中で300 Vのブレークダウン電圧を得られ、Mo/β-Ga₂O₃ショットキーバリアダイオードで平均電界3 MV/cmを達成。TCADシミュレーションにより表面状態が電界分布に及ぼす影響も解析：負表面電荷密度増加に伴いピーク電界が単調に低下。また、順バイアス下でのショットキーバリア高さの不均一性についても議論した。

背景

近年、超ワイドバンドギャップ半導体β-Ga₂O₃は、高い化学安定性、4.8-4.9 eVの大きな直接ワイドバンドギャップ、8 MV/cmの高い理論ブレークダウン電界（E_BR）、SiCの約10倍、GaNの約4倍にあたる3400のバリガFOMなど、優れた特性で注目されている。溶融成長法による高品質・大面積・コスト効率の良いβ-Ga₂O₃基板とこれら特性の組み合わせにより、高電圧・高出力エレクトロニクス用途での優位性が期待される。有望デバイスとしてβ-Ga₂O₃ショットキーバリアダイオード（SBD）が、Cu、Pd、Pt、Au、Ni、TiNなど多様な陽極金属で作製され、順/逆特性（オン抵抗、I_on/I_off比、バリア高さ、逆漏れ電流、ブレークダウン電圧）が包括的に調査されてきた。β-Ga₂O₃ SBDでは不均一ショットキーバリア高さと非飽和逆バイアス電流が報告されているが、逆バイアス下のキャリア輸送機構については、ブレークダウン電圧向上に不可欠であるにもかかわらず、あまり知られていない。

さらに、Mo/β-Ga₂O₃接合の放出機構を分析した研究は存在しない。β-Ga₂O₃基板にトラップや欠陥があれば、漏れ電流はフレンケル-プール放出モデルに従い、逆電流は金属-半導体界面近くのトラップ準位からの電子放出となる。そうでなければ、ショットキー放出（電子がショットキーバリアを越えて逆電流を形成）が主要プロセスとなる。β-Ga₂O₃結晶は[100]方向に12.23 Åの大きな格子定数を持ち、薄いベルトやナノメンブレンへの容易な劈開を可能にする。本研究では、低転位密度バルク基板から大面積β-Ga₂O₃を機械的剥離で得て、初めて熱的に安定なモリブデン（Mo）を陽極電極として選び、垂直ショットキーバリアダイオードを作製。298-423 Kで逆バイアス下の電気伝導機構を議論し、β-Ga₂O₃ベースデバイスの機能向上に役立つキャリア輸送機構への知見を提供する。

方法・実験

図1a,bに示すように、Snドープβ-Ga₂O₃（100）膜（厚さ15 μm、電子濃度2×10¹⁷ cm^-3）上にショットキーバリアダイオードを作製。図1d,eに示すように、高分解能X線回折（HRXRD）と原子間力顕微鏡（AFM）測定により、FWHM 51.9 arcsec、RMS 0.19 nmと推定され、優れた結晶品質と平滑な表面が確認された。ウェット化学洗浄後、Ti/Au（20 nm/100 nm）金属スタックをEビーム蒸着で裏面に堆積し、窒素雰囲気下600℃、60秒の急速熱アニール（RTA）でオーミックコンタクトを形成。直径100 μmの円形ショットキー陽極電極を、Mo/Au（40 nm/100 nm）蒸着とリフトオフプロセスで表面に形成。図1cは本研究のβ-Ga₂O₃ SBDの概略断面構造を示す。

結果と考察

Mo/β-Ga₂O₃ショットキーバリアダイオードのI-V特性を、Keithley 4200半導体パラメータアナライザで298-423 Kで調査。図2aに示すように、298 KでI_on/I_off比は約10¹⁰に達し、良好な整流特性を示す。順バイアス0.1-0.7 Vでは、半対数I-V曲線はほぼ直線的で強い温度依存性を示す。順バイアスがさらに増加すると、直線性からの逸脱はSBDの直列抵抗に起因し、印加電圧と電流の関係は以下で表される：

$ I={I}_s\left\{\exp \left[\frac{q\left(V-{IR}_s\right)}{nkT}\right]-1\right\} $

ここで、Vは印加電圧、R_sは直列抵抗、Tは絶対温度、kはボルツマン定数、nは理想係数、I_sは逆飽和電流。nとI_sはln I-Vプロットの傾きと切片から決定。理想SBDではn=1。nが高いほど熱放出（TE）モデルからの逸脱が大きい。また、以下の式で各温度でのφ_b値も決定（図2b）：

$ {\phi}_b=\frac{kT}{q}\ln \left[\frac{AA^{\ast }{T}^2}{I_s}\right] $

φ_bはバリア高さ、Aはダイオード面積、A^*はβ-Ga₂O₃の有効リチャードソン定数40.8 A cm^-2 K^-2（有効質量m^*=0.34 m₀）。温度上昇に伴いφ_bは増加しnは減少し、TEモデル以外の輸送機構も電流輸送に寄与し、I-V特性が純粋TEモデルから逸脱することを示唆。これはβ-Ga₂O₃ SBDや他のワイドバンドギャップデバイスで以前報告されている。バリア高さ不均一性はガウス分布で記述可能：

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

平均バリア高さ$\overline{\phi_{b0}}$と標準偏差σ_sは図2cからそれぞれ1.55 eVと0.186 eVと抽出。さらにバリア高さ不均一性を考慮し、従来のリチャードソンプロットを修正：

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

図2cに示すように、修正プロットは直線となり、切片からA^*=44.7 A cm^-2 K^-2を得られ、β-Ga₂O₃の理論値40.8 A cm^-2 K^-2と極めて近い。したがって、β-Ga₂O₃ SBDの金属/半導体界面におけるバリア不均一性は、SBHのガウス分布を伴うTEで説明可能。

室温逆ブレークダウン測定をAgilent B1505A高電圧半導体アナライザで実施（図3）。ブレークダウン電圧は空気中で260 V、3M社製フロリナート™液中では300 V（高逆バイアス下の空気放電防止）。電界分布理解のためATLASソフトで数値シミュレーション実施（図4a,b）。半導体-陽極界面から約1 μmにかけて電界が徐々に減少。x=4 μm位置での平均電界は図4cから3 MV/cmと計算。図4dに示すように、y=1 nm位置でのブレークダウン電圧時のショットキーコンタクト端の最大電界は約8 MV/cmで、平均電界の約2.7倍。A.J. Greenら[31]とK. Zengら[32]の報告では、電極端のピーク/平均電界はそれぞれ5.3/3.8 MV/cmと6.1/4.4 MV/cmであり、Mo/Ga₂O₃ショットキーダイオードのピーク電界は比較的高い。機械的剥離で得られたβ-Ga₂O₃ナノメンブレンは多数のダングリングボンドと表面状態を持ち、逆バイアス下で陽極から陰極へキャリアを枯渇させる電子を捕獲すると推測[33]。負表面電荷を考慮したシミュレーションでは、負表面電荷密度を0.5×10¹³から3×10¹³ cm^-2へ増加させると、ショットキーコンタクト端の電界が低下。特に3×10¹³ cm^-2ではピーク電界が約5.2 MV/cmに低下。したがって、エッジ終端構造なしでN_D=3×10¹⁷ cm^-2のβ-Ga₂O₃ナノメンブレン上で300 Vの逆ブレークダウン電圧を達成可能。図4dに示すように、X位置2 μm以下の界面状態により電子がトラップされ、Y方向に空乏層と電界が形成。界面状態濃度増加に伴いY方向電界が増加し、X方向電界はゼロに近づく。したがってX位置2 μm以下で電界が増加。

一方、逆バイアスV_re増加に伴い、|V| > 3 k_BT/qで漏れ電流I_reが飽和せず増加（図5a）、TE理論と矛盾。したがって電界増強熱電子放出を考慮し、I_reのV_re依存性をプール-フレンケル放出とショットキー放出で議論[34,35]。プール-フレンケル放出では、電子がトラップ準位を介して金属から半導体へ輸送され：

$$ {I}_{re}\propto E\exp \left(\frac{q}{kT}\sqrt{\frac{qE}{{\pi \varepsilon}_S}}\right) \tag{3} $$

ショットキー放出では、電子が金属/半導体界面のバリアを越えて電流を形成：

$$ {I}_{re}\propto {T}^2\exp \left(\frac{q}{2 kT}\sqrt{\frac{qE}{{\pi \varepsilon}_S}}\right) \tag{4} $$

ε_sはβ-Ga₂O₃の誘電率（~10 ε₀）、Eは印加電界、$ E=\sqrt{\frac{2{qN}_D}{\varepsilon_S}\left(V+{V}_{bi}-\frac{k_BT}{q}\right)} $で計算。N_Dはドナー密度、V_biは内蔵電位。図5bに示すように、N_DとV_biは逆方向バイアスV_reに対する逆二乗容量（1/C²）プロットの傾きと切片から抽出：

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

ln(I/T²)対E^1/2が直線ならショットキー放出優占、ln(I/E)対E^1/2が直線ならプール-フレンケル放出優占。図5c,dに両プロットを示す。両者とも直線的で、両機構が存在することを示唆。主要輸送機構を明確化するため、曲線の傾き、すなわち放出係数を以下で表す[34,35,36]：

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

n=1でプール-フレンケル放出（S_PF）、n=2でショットキー放出（S_S）。実験値SをS_m-PF、S_m-Sで表す。実験値と理論値の比、N_PF（=S_m-PF/S_PF）とN_S（=S_m-S/S_S）を図6に示す。N_S値がN_PFより1に近いため、逆電流はショットキー放出が支配的。

結論

Snドープβ-Ga₂O₃基板から機械的剥離した（100）β-Ga₂O₃膜上に作製したMo/Auショットキーバリアダイオードの電気特性を調査。TEモデルベースで、φ_bとnは温度上昇に伴いそれぞれ増加と減少を示す。ガウス分布を仮定した不均一バリア高さ解析で、平均バリア高さ1.55 eV、標準偏差0.186 eVを取得。ln(I/T²)およびln(I/E)対E^1/2プロットから、ショットキー放出のパラメータN_Sが1に近く、逆電流の主要輸送機構がショットキー放出であることを実証。フロリナート中で300 Vのブレークダウン電圧（平均電界3 MV/cm）をMo/Au SBDで達成し、β-Ga₂O₃のパワーエレクトロニクス応用への大きな可能性を示した。