[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究利用原子探针穿刺术和电子输运测量，探究ZnO:Al/SiO2/Si异质结中肖特基势垒高度的钉扎现象。尽管ZnO:Al的载流子浓度变化达两个数量级，势垒高度仍保持恒定，这是由于界面处铝的偏析导致绝缘体-金属转变，进而引起费米能级钉扎；通过控制该转变，可能实现氧化物/Si肖特基器件中费米能级的去钉扎。

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.

研究动机与目标

• 理解在ZnO:Al掺杂水平变化的情况下，ZnO:Al/SiO2/Si异质结中肖特基势垒高度钉扎的起源。
• 研究界面化学，特别是铝偏析在影响ZnO:Al/SiO2界面电子性质方面的作用。
• 确定掺杂ZnO:Al中的绝缘体-金属转变是否导致异质结处费米能级钉扎。
• 探索通过控制掺杂诱导的相变，实现氧化物/Si肖特基结中费米能级去钉扎的策略。

提出的方法

• 利用原子探针穿刺术（APT）在亚纳米分辨率下测绘ZnO:Al/SiO2界面处元素的三维原子分布。
• 在n型和p型Si衬底上制备的ZnO:Al/SiO2/Si肖特基结上进行了电子输运测量。
• 制备了载流子浓度跨度达两个数量级的ZnO:Al薄膜，以探究肖特基势垒高度对掺杂的依赖性。
• 将界面化学和掺杂分布与测得的势垒高度相关联，以识别费米能级钉扎的因果因素。
• 分析重点在于检测铝偏析，并评估其对结处电子结构的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何肖特基势垒高度在ZnO:Al载流子浓度广泛变化范围内保持恒定？
• RQ2 铝在ZnO:Al/SiO2界面的偏析在决定电子性质方面起什么作用？
• RQ3 掺杂ZnO:Al中的绝缘体-金属转变如何影响异质结处的费米能级钉扎？
• RQ4 通过控制ZnO:Al中的掺杂诱导相变，能否实现ZnO:Al/SiO2/Si肖特基结中费米能级的去钉扎？

主要发现

• 肖特基势垒高度在ZnO:Al载流子浓度变化两个数量级的范围内保持恒定，表明存在强烈的费米能级钉扎。
• 原子探针穿刺术揭示，即使体相ZnO:Al仍为半导体，铝在ZnO:Al/SiO2界面处也存在显著偏析。
• 由于铝偏析，界面区域表现出金属性质，表明结处发生了绝缘体-金属转变。
• 观察到的钉扎归因于形成了金属态界面层，该层使费米能级稳定，与体相掺杂无关。
• 结果表明，通过控制掺杂或界面工程抑制绝缘体-金属转变，可能实现ZnO:Al/SiO2/Si结中费米能级的去钉扎。