[論文レビュー] Using atom probe tomography to understand Schottky barrier height pinning at the ZnO:Al / SiO2 / Si interface

R. Jaramillo, Amanda Youssef+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2015

Semiconductor materials and interfaces参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、原子プローブトモグラフィーと電子的輸送測定を用いて、ZnO:Al/SiO2/Siヘテロジャンクションにおけるシュットキー準位のピン留まりを調査した。ZnO:Alのキャリア濃度を2桁変化させても、界面におけるAlの分離が原因で絶縁体から金属への遷移が生じ、フェルミ準位のピン留まりが生じる。この遷移を制御することで、酸化物/Siシュットキー素子の性能向上に寄与する未ピン留まり化が可能になる可能性がある。

ABSTRACT

We use electronic transport and atom probe tomography to study ZnO:Al / SiO2 / Si Schottky junctions on lightly-doped n- and p-type Si. We vary the carrier concentration in the the ZnO:Al films by two orders of magnitude but the Schottky barrier height remains constant, consistent with Fermi level pinning seen in metal / Si junctions. Atom probe tomography shows that Al segregates to the interface, so that the ZnO:Al at the junction is likely to be metallic even when the bulk of the ZnO:Al film is semiconducting. We hypothesize that Fermi level pinning is connected to the insulator-metal transition in doped ZnO, and that controlling this transition may be key to un-pinning the Fermi level in oxide / Si Schottky junctions.

研究の動機と目的

• ZnO:Alのドーピングレベルを変化させてもシュットキー準位の高さが一定である理由を解明すること。
• 界面化学、特にアルミニウムの分離がZnO:Al/SiO2界面における電子的性質に与える影響を調査すること。
• ドーパー付ZnO:Alにおける絶縁体-金属遷移が、ヘテロジャンクションにおけるフェルミ準位のピン留まりに寄与しているかどうかを特定すること。
• ドーピング誘発相転移を制御することで、酸化物/Siシュットキージャンクションにおけるフェルミ準位の未ピン留まり化を実現する戦略を検討すること。

提案手法

• 原子プローブトモグラフィー（APT）を用いて、ZnO:Al/SiO2界面における元素の三次元原子配置を、サブナノメートル分解能でマッピングした。
• n型およびp型Si基板上に作製されたZnO:Al/SiO2/Siシュットキー・ジャンクションを対象に、電子的輸送測定を実施した。
• キャリア濃度が2桁の範囲で変化するZnO:Al膜を調製し、ドーピング依存のシュットキー準位の高さの変化を調査した。
• 測定された準位の高さと界面化学・ドーピングプロファイルを照合することで、フェルミ準位のピン留まりの因果要因を同定した。
• 分析は、Alの分離の検出と、そのジャンクションにおける電子構造への影響の評価に焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜZnO:Alキャリア濃度の広い範囲にわたりシュットキー準位の高さが一定に保たれるのか？
• RQ2 ZnO:Al/SiO2界面におけるアルミニウムの分離が、電子的性質に果たす役割は何か？
• RQ3 ドーパー付ZnO:Alにおける絶縁体-金属遷移が、ヘテロジャンクションにおけるフェルミ準位のピン留まりにどのように影響するのか？
• RQ4 ZnO:Alにおけるドーピング誘発相転移を制御することで、ZnO:Al/SiO2/Siシュットキー・ジャンクションにおけるフェルミ準位の未ピン留まり化を実現できるか？

主な発見

• ZnO:Alキャリア濃度を2桁変化させてもシュットキー準位の高さが一定であり、フェルミ準位の強いピン留まりが示された。
• 原子プローブトモグラフィーにより、バルクZnO:Alが半導体のままでも、ZnO:Al/SiO2界面に顕著なアルミニウム分離が確認された。
• 界面領域はAl分離により金属的性質を示しており、ジャンクションで絶縁体-金属遷移が発生していると示唆された。
• 観察されたピン留まりは、フェルミ準位を安定化させる金属的界面層の形成に起因するとされ、バルクドーピングとは無関係に成立する。
• ZnO:Al/SiO2/Siジャンクションにおけるフェルミ準位の未ピン留まり化は、ドーピング制御または界面工学により、絶縁体-金属遷移を抑制することで実現可能であると示唆された。