[논문 리뷰] Using atom probe tomography to understand Schottky barrier height pinning at the ZnO:Al / SiO2 / Si interface

R. Jaramillo, Amanda Youssef외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 29.

Semiconductor materials and interfaces참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 원자 프로브 톰그래피와 전자적 전송 측정을 통해 ZnO:Al/SiO2/Si 이종접합에서의 슈트키 장벽 높이 고정 현상을 조사한다. ZnO:Al의 실리콘 농도가 두 계단 정도 변화함에도 불구하고, 이는 표면에서 알루미늄의 분리로 인해 절연체-금속 전이가 발생하고, 이로 인해 패피 수준이 고정되기 때문이다. 이 전이를 제어하면 산화물/실리콘 슈트키 장치의 성능 향상이 가능할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• ZnO:Al 도핑 농도가 변화함에도 불구하고 ZnO:Al/SiO2/Si 이종접합에서 슈트키 장벽 높이 고정 현상의 기원을 이해하는 것.
• 특히 알루미늄의 분리가 ZnO:Al/SiO2 인터페이스에서 전자적 성질에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 도핑된 ZnO:Al에서의 절연체-금속 전이가 접합부에서 패피 수준 고정에 기여하는지 확인하는 것.
• 도핑 유도 상전이를 제어함으로써 산화물/실리콘 슈트키 접합에서 패피 수준을 해제하는 전략을 탐색하는 것.

제안 방법

• 원자 프로브 톰그래피(APT)를 사용하여 ZnO:Al/SiO2 인터페이스에서 원자적 분포를 나노미터 이하의 해상도로 3차원적으로 매핑하였다.
• n형 및 p형 실리콘 기판에 제작된 ZnO:Al/SiO2/Si 슈트키 접합에서 전자적 전송 측정을 수행하였다.
• ZnO:Al의 전하 운반체 농도가 두 계단 정도 범위로 변화하는 필름을 제작하여 도핑에 따른 슈트키 장벽 높이 의존성을 탐구하였다.
• 측정된 장벽 높이와 인터페이스 화학 및 도핑 프ofile를 연관시켜 패피 수준 고정의 원인 요인을 규명하였다.
• 분석은 주로 알루미늄 분리의 탐지와 접합부에서 전자 구조에 미치는 영향 평가에 집중하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 ZnO:Al 전하 운반체 농도가 넓은 범위에서 변화함에도 불구하고 슈트키 장벽 높이가 일정하게 유지되는가?
• RQ2 ZnO:Al/SiO2 인터페이스에서 알루미늄 분리가 전자적 성질에 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ3 도핑된 ZnO:Al에서의 절연체-금속 전이가 이종접합에서 패피 수준 고정에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 ZnO:Al에서 도핑 유도 상전이를 제어하면 ZnO:Al/SiO2/Si 슈트키 접합에서 패피 수준을 해제할 수 있는가?

주요 결과

• ZnO:Al 전하 운반체 농도가 두 계단 정도 범위에서 변화함에도 불구하고 슈트키 장벽 높이가 일정하게 유지되어 강한 패피 수준 고정 현상이 나타났다.
• 원자 프로브 톰그래피는 조건이 충족되더라도 ZnO:Al/SiO2 인터페이스에 상당한 알루미늄 분리가 발생하고 있음을 밝혀냈다.
• 인터페이스 영역은 알루미늄 분리로 인해 금속적 성질을 띠며, 접합부에서 절연체-금속 전이가 발생하고 있음을 시사한다.
• 관측된 고정 현상은 표면에 금속성 인터페이스층이 형성되어 배경 도핑에 관계없이 패피 수준을 안정화시키기 때문으로 기인된다.
• 결과적으로 ZnO:Al/SiO2/Si 접합에서 패피 수준을 해제하기 위해서는 도핑 유도 상전이를 억제하거나 제어된 도핑 또는 인터페이스 공학이 필요할 수 있다.