CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẤU TRÚC MOS-HEMT SỬ DỤNG LỚP ĐIỆN MÔI HIGH-K
4.3. Khảo sát cấu trúc MOS Au/ALD-HfO 2 /GaN
4.3.1. Ảnh hưởng chất lượng đế lên đặc trưng C-V của tụ MOS HfO 2 /GaN
Trong phần này, đặc trưng C-V của cấu trúc MOS có cùng chiều dày lớp ô-xít 5 nm trên ba phiến đế có mật độ sai hỏng khác nhau được khảo sát. Ba mẫu được kí
hiệu là HG1, HG2, HG3 được chế tạo trên các đế với mật độ sai hỏng lệch mạng trong đế tương ứng là 18,3 × 109; 2,3 × 109 và 1,3 × 109 cm−2.
Hình 4.10.(a) Đường đặc trưng C-V của mẫu HG3 GaN/5-nm HfO2/In. Mũi tên chỉ hướng quét khi đo. (b) đồ thị 1/C2-1/Cox2 phụ thuộc thế cực cửa VG, sử dụng để
tính thế dải phẳng (VFB) và nồng độ pha tạp đế bán dẫn.
Hình 4.10a biểu diễn đường C-V của tụ mẫu HG3 khi đo ở tần số 10 kHz, trong vùng điện áp từ -1 V tới 1,5 V. Trong hình này, độ trễ điện dung – điện áp nhỏ (∆𝑉𝐹𝐵 ≤ 0.1 V) cho thấy mức độ thấp của điện tích bẫy ô-xít trong lớp ô-xít. Đồ thị của (1/𝐶2 – 1/𝐶𝑜𝑥2 ) phụ thuộc vào điện áp cực cửa 𝑉𝐺 trong hình 4.10(b) cho ta một đường tuyến tính trong toàn bộ vùng nghèo. Thế dải phẳng (𝑉𝐹𝐵) được xác định từ giao điểm của đoạn tuyến tính với trục hoành có giá trị là 0,36 V. Từ độ dốc của vùng tuyến tính, nồng độ pha tạp 𝑁𝐷 được ước tính vào khoảng 7,0 × 1016 cm−3, sử dụng phương trình dưới đây:
106 𝑁𝐷 = −2 [𝑞𝜀0𝜅𝐺𝑎𝑁 𝑑𝑉𝑑
𝐺(𝐴𝐶22)]−1 (4.1)
trong đó, A là diện tích tiếp xúc cực cổng, hằng số điện môi của GaN, κGaN = 9,7.
Ngoài ra, chúng tôi cũng xác định độ trễ điện thế trên các đường quét C-V ở 300K để tính được điện tích bẫy trong lớp ô-xít 𝑄𝑜𝑡, và nồng độ bẫy ô-xít 𝑁𝑜𝑡. Kết quả được thể hiện trong bảng 4.1.
Bảng 4.1. Một vài thông số của bán dẫn và tính chất tại phân biên cấu trúc MOS HfO2/GaN rút ra từ đo đặc trưng C-V tại nhiệt phòng, tần số 10 kHz.
Mẫu HG1 HG2 HG3
Tên đế Run 425 Run 427 Run 429
Nồng độ lệch mạng biên
(× 109 cm-2) 18,3 2,3 1,3
ND (× 1016 cm-3) 9,2 8,2 7,0
VFB (V) 0,32 0,30 0,36
Độ trễ quét CV tại 300 K (V) 0,08 0,10 0,04 Nồng độ bẫy ô-xít (1012 cm-2) 1,40,1 1,80,1 0,70,1 Độ dịch Gray-Brown khi giảm nhiệt
độ từ 300 K xuống 200 K (V) 0,22 - 0,12 Nồng độ bẫy bề mặt (× 1011 cm-2) 22,9 - 5,2
Kỹ thuật dịch chuyển Gray-Brown dựa trên hiện tượng dịch chuyển thế dải phẳng khi thay đổi nhiệt độ làm việc của linh kiện. Ở đây, chúng tôi đo đặc trưng C- V của MOS ở nhiệt độ phòng T=300 K và nhiệt độ T=200 K (trong đá khô CO2).
Nếu không có bẫy bề mặt (hoặc nồng độ bẫy bề mặt không đáng kể), sự dịch chuyển 𝑉𝐹𝐵 khi hạ nhiệt độ sẽ ứng với sự dịch mức Fermi của bán dẫn. Nếu có bẫy bề mặt tại phân biên HfO2/GaN, thì kéo theo sự dịch chuyển mở rộng hơn của 𝑉𝐹𝐵.
Hình 4.11 so sánh đường cong C-V đo được của cả ba mẫu HG1, HG2 và HG3 tại nhiệt độ 300 K và 200 K. Chúng ta có thể nhận thấy rằng độ trễ C-V lớn tại mẫu HG1 thể hiện rằng mật độ của điện tích của các bẫy ô-xít là lớn. Điều này cũng khá phù hợp vì mẫu phiến RUN425- GaN có mật độ sai hỏng cao hơn phiến
107 RUN429-GaN. Ở hai mẫu HG1 và HG3, chúng tôi quan sát được độ dịch của đường cong C-V hướng về bên phải khi mẫu được làm lạnh, điều này chỉ ra các điện tích bẫy âm tại bề mặt GaN/HfO2. Tuy nhiên, đường CV của mẫu HG3 chỉ dịch chuyển nhỏ trong khi của mẫu HG1 lại dịch chuyển mạnh hơn về phía dương, của HG2 thì hầu như không dịch chuyển. Tính toán cụ thể điện áp dải phẳng của các mẫu ở từng nhiệt độ, chúng tôi tính được độ dịch Gray-Brown lần lượt là 0,22; 0,0 và 0,05 V cho mẫu HG1, HG2 và HG3 tương ứng. Độ dịch này liên quan đến nồng độ bẫy bề mặt
tại phân biên GaN/HfO2 với mức năng lượng nằm giữa mức Fermi tại nhiệt độ 300 K và 200 K. Từ độ chênh lệch điện áp dải phẳng ∆𝑉𝐹𝐵 ta tính được điện tích bề mặt 𝑄𝑖𝑡 nằm trong khoảng mức Fermi ở 300 K và 200 K theo công thức sau [119]:
[∆𝑉𝐹𝐵(200𝐾 − 300𝐾) −∆𝑉𝑓(200𝐾−300𝐾)
𝑞 ] × 𝐶𝑜𝑥 = 𝑄𝑖𝑡 (4.2)
Hình 4.11. Đồ thị C-V của tụ MOS GaN/HfO2/In tại tần số 10 kHz đo được tại nhiệt độ 300 K và 200 K của ba mẫu HG1, HG2 và HG3 cho thấy dịch chuyển nhiệt độ Gray-
Brown. Chiều mũi tên chỉ hướng quét.
Từ đó, chúng tôi ước tính ∆𝐸𝑓(200 𝐾 − 300 𝐾)~0,05 eV khi nồng độ pha tạp đế 𝑁𝐷 ~ (1016− 1017) 𝑐𝑚−3. Kết quả tính toán điện tích bẫy bề mặt được thể hiện trong bảng 4.1. Giá trị nồng độ này cùng cỡ với nồng độ bẫy bề mặt xuất hiện trên phân biên chuyển tiếp SiO2/Si điển hình với lớp SiO2 ô-xy hóa nhiệt [120]. Điều này cho thấy chất lượng mẫu nghiên cứu của chúng tôi khá tốt. Trên thực tế, để nâng cao chất lượng bề mặt phân biên và đặc tính linh kiện, mẫu có thể được xử lý thụ động hóa bằng cách ủ trong môi trường khí Hydro để giảm thiểu nồng độ bẫy bề mặt. Ngoài ra, so sánh các đường C-V tại 300 K và 200 K như trong hình 4.9, ta thấy
108 độ trễ của đường C-V hầu như không phụ thuộc vào nhiệt độ, điều này cũng chứng tỏ rằng độ trễ đó liên quan tới điện tích cố định trong lớp ô-xít.