Abstrak
Sebuah penyelidikan komprehensif tentang keseragaman sudut offcut pada permukaan substrat GaN vicinal dan dampaknya pada pertumbuhan epitaksial dan karakteristik listrik dari struktur heteroepitaxial AlGaN/GaN disajikan. Korelasi linear yang hampir terbalik dicatat antara sudut offcut substrat dan fraksi mol Al dalam lapisan AlGaN. T Selama pertumbuhan AlGaN, atom Ga jelas lebih banyak dimasukkan ke teras atom yang lebih kecil daripada atom Al. Saluran konduksi arus yang terlokalisasi dan tidak seragam di sepanjang tepi anak tangga yang dikelompokkan diamati. Offcut substrat yang lebih besar menghasilkan kemunculan garis-garis yang lebih tinggi dengan aliran arus yang lebih tinggi. Ini memengaruhi tinggi penghalang Schottky dioda yang mengandung kepadatan yang berbeda dari daerah tersebut. Dioda penghalang Schottky Ni/Au/AlGaN/GaN menunjukkan penurunan tinggi penghalang Schottky rata-rata di tempat-tempat tersebut. Perbedaan sudut offcut dari 0,29° menjadi 0,42° menghasilkan pengurangan sekitar 13 meV pada tinggi penghalang Schottky rata-rata. Hal ini menyoroti dampak signifikan yang dapat ditimbulkan oleh transisi morfologi permukaan bahkan pada tahap awal terhadap karakteristik listrik dioda penghalang Schottky. Akibatnya, menjadi penting untuk menilai secara akurat variasi sudut offcut di seluruh wafer guna menyelaraskan epitaksi dengan persyaratan kinerja spesifik perangkat target.
1 Pendahuluan
Substrat GaN sangat penting untuk realisasi transistor daya vertikal berbasis GaN berkinerja tinggi, dan perangkat optoelektronik seperti dioda laser. [ 1 – 3 ] Selain itu, perangkat lateral juga mendapat keuntungan dari kepadatan cacat yang rendah dari substrat GaN asli. Ini adalah keuntungan utama utama dari penggunaan substrat GaN karena pencocokan kisi yang sempurna, dibandingkan dengan pendekatan heteroepitaxial konvensional alternatif seperti GaN pada Si, safir atau SiC. [ 4 ] Keuntungan inheren ini secara signifikan meningkatkan sifat listrik, membuka jalan bagi pengembangan perangkat mutakhir. Substrat GaN komersial sebagian besar dibuat dengan epitaksi fase uap hidrida (HVPE) dan memiliki kerapatan dislokasi serendah 10 6 cm −2 . [ 5 – 8 ] Namun, busur kisi kristal besar sering diamati. Hal ini menyebabkan orientasi bidang kisi yang tidak seragam dalam kaitannya dengan permukaan—disebut sudut offcut berikut ini—di seluruh substrat. Mencapai morfologi permukaan epitaksial yang halus menjadi sulit pada substrat seperti itu karena pembentukan step-bundle atau hillock dapat terjadi. [ 9 ] Mengatasi masalah morfologi ini tergantung pada variasi sudut offcut adalah yang paling penting karena masalah ini juga dapat berdampak besar pada komposisi lapisan fungsional seperti misalnya AlGaN pada dioda pemancar cahaya berbasis GaN atau transistor mobilitas elektron tinggi. Akibatnya, sifat listrik dan keandalan perangkat secara keseluruhan terpengaruh. Telah dilaporkan sebelumnya bahwa sifat mengenai tingkat pengotor substrat GaN dari pemasok yang berbeda berperan dalam kinerja akhir perangkat. [ 10 ]
Penelitian ini menyajikan investigasi komprehensif terhadap pengaruh sudut offcut substrat GaN pada komposisi lapisan AlGaN di seluruh wafer. Substrat dari berbagai pemasok, yang menunjukkan berbagai variasi sudut offcut baik di antara wafer maupun di dalam setiap wafer, dipilih untuk penelitian ini. Penelitian ini menggunakan karakterisasi skala nano dan pengujian makroskopis dengan fabrikasi contoh dioda penghalang Schottky pada salah satu substrat. Selain itu, lapisan AlGaN berfungsi sebagai lapisan kualifikasi untuk substrat GaN. Dibandingkan dengan literatur sebelumnya tentang epitaksi AlGaN pada substrat asli AlN, [ 11 ] kondisi supersaturasi dioptimalkan secara signifikan berdasarkan variasi sudut offcut substrat dalam penelitian ini, dengan tujuan menghilangkan pengelompokan makro dan mikro. Dengan memeriksa komposisi AlGaN selama tahap awal terjadinya pengelompokan langkah, korelasi dapat dibuat dengan karakteristik listrik dioda sebagai perangkat uji. Penelitian ini menghasilkan wawasan berharga tentang berbagai variasi sudut offcut yang dapat diterima di seluruh wafer untuk desain perangkat selanjutnya. Penelitian ini berbeda dari literatur sebelumnya, karena adanya hubungan langsung antara analisis listrik makroskopik yang dilakukan pada dioda penghalang Schottky dan karakterisasi listrik skala nano yang dilakukan langsung pada lapisan epi. Kurangnya studi sistematis tersebut telah diidentifikasi sebagai hambatan untuk pemahaman yang lebih baik tentang aspek-aspek penting dari substrat asli, pertumbuhan epitaksial yang dioptimalkan, dan korelasi antara sifat listrik dan material.
2. Pengaturan Eksperimen dan Metode Pengukuran
Substrat GaN A, B, dan C, yang bersumber dari pemasok yang berbeda dipilih untuk penelitian ini. Wafer dari pemasok A dan B adalah wafer berukuran 2 inci penuh dan wafer dari pemasok C adalah setengah dari wafer berukuran 4 inci. Spesifikasi substrat dirangkum dalam Tabel 1 .
| substrat GaN | Ukuran | Ketebalan [µm] | TDD [cm −2 ] | FWHM-002 [detik busur] | Resistivitas pada 300 K [ohm cm] | Sudut potongan [°] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A | 2 inci. | 350 ± 25 | < 5e6 | 104 | < 0,5 | 0,38±0,10 |
| B | 2 inci. | 400 ± 25 | < 1e7 | 180 | < 0,02 | 0,28±0,20 |
| C | 4 inci. | 450 ± 30 | 2e6 | 45 | 0,017 tahun | 0,51±0,05 |
Alat ukur sudut offcut SDCOM (Freiberg Instruments, Freiberg, Jerman) digunakan, yang memungkinkan pengukuran simultan orientasi bidang kisi dengan difraksi sinar-X (XRD) dan geometri permukaan dengan refleksi laser. Sudut offcut dikarakterisasi dengan menerapkan kisi pengukuran diskret dengan jarak titik 3 mm yang membentang di seluruh area wafer. Pengukuran ini digunakan untuk penentuan lokal sudut offcut sebenarnya antara bidang-c GaN dan permukaan wafer. Perlu dicatat bahwa nilai sudut offcut yang diperoleh karenanya tidak terpengaruh oleh lengkungan geometris substrat atau oleh penyelarasan sampel yang miring selama pengukuran. Pengukuran kualitas kristal dilakukan dengan evaluasi FWHM-XRD pada refleksi (002) menggunakan sistem Panalytical X’Pert PRO MRD (Malvern Panalytical, Kassel, Jerman) yang dilengkapi dengan monokromator hibrida Ge (220) 4-bounce. Kepadatan dislokasi ulir yang disediakan oleh pemasok dikonfirmasi menggunakan spektrometer Cathodoluminescence (CL), sistem Gatan-MonoCL3, bersama dengan mikroskop elektron pemindaian (SEM) JEOL-7500F (JEOL Ltd., Tokyo, Jepang).
Substrat GaN dibersihkan secara kimia setelah karakterisasi awal, menggunakan proses pembersihan standar sebelum menggunakannya untuk epitaksi dalam reaktor deposisi uap kimia organik logam (MOCVD) tipe CCS. [ 12 ] Back-etching substrat in situ di bawah aliran gas H 2 pada sekitar 1060 °C sebelum pertumbuhan epitaxial dilakukan untuk mengondisikan permukaan dengan mengungkap langkah-langkah atomik. Selanjutnya, pertumbuhan homoepitaxial GaN dilakukan oleh MOCVD. Kondisi pertumbuhan sama untuk semua sampel yang dipelajari dalam pekerjaan ini. Sekitar 2 µm lapisan GaN tak terdoping tumbuh pada 1050 °C pada semua sampel yang diselidiki. Tidak ada doping kompensasi yang disengaja (seperti Fe) yang digunakan dalam penelitian ini. Sebaliknya, sifat semi-isolasi diwujudkan dengan mengoptimalkan kondisi pertumbuhan untuk meningkatkan penggabungan karbon secara intrinsik. Ini dicapai dengan mengendalikan laju pertumbuhan, suhu, dan aliran NH₃ secara hati-hati, sambil meminimalkan doping Si yang tidak disengaja. Di bagian atas, lapisan AlGaN dengan target kandungan Al 26% dan ketebalan sekitar 20 nm diendapkan pada suhu yang lebih tinggi yaitu 1080 °C, diikuti oleh lapisan penutup GaN 3 nm. Laju pertumbuhan epitaksial ditetapkan pada nilai rendah sekitar 0,35 µm/jam, untuk mengurangi risiko penumpukan bertahap secara umum.
Setelah pertumbuhan epitaksial, karakterisasi lapisan yang tumbuh dilakukan. Kandungan Al ditentukan dengan XRD menggunakan sistem Panalytical X’Pert PRO MRD (Malvern Panalytical, Kassel, Jerman) yang dilengkapi dengan monokromator hibrida Ge (220) 4-bounce dan penganalisa tiga sumbu. Pengukuran dilakukan dalam langkah 3 mm sepanjang garis melalui pusat wafer menggunakan titik sinar berukuran sekitar 2×8 mm 2 . Pengukuran mikroskopi gaya atom (AFM) dilakukan dengan Bruker Dimension Icon (Bruker, Billerica, MA, AS). Mode penyadapan dilakukan untuk menentukan topografi secara lokal untuk mengidentifikasi pengelompokan langkah dan AFM konduktif (C-AFM) untuk menyelidiki sifat listrik dalam hal arus bocor lokal. Dalam pengukuran seperti itu, ujung AFM yang konduktif secara listrik dan diarde membentuk kontak Schottky ke permukaan sampel dan bias negatif -1,5 V diterapkan ke sisi belakang substrat GaN. Dengan demikian, sistem seperti dioda Schottky pada ujung AFM dan permukaan sampel beroperasi dalam arah maju. [ 13 ]
Dioda Schottky Ni/Au/AlGaN/GaN bebas cekungan dibuat menggunakan pengendapan kontak logam untuk menghindari pengetsaan kimia mesa, yang memungkinkan fokus pada morfologi permukaan heterostruktur. Dengan demikian, kontak Schottky Ni/Au persegi panjang dengan ukuran 100×550 µm 2 dan jarak pemisahan 50 µm dibuat dengan pengendapan uap fisik (PVD) pada heterostruktur GaN/AlGaN yang tumbuh pada setengah substrat dari pemasok A.
3 Hasil dan Pembahasan
3.1 Komposisi AlGaN dalam Hubungannya dengan Sudut Lepasan Substrat GaN
Pada Gambar 1 , peta sudut offcut dari tiga substrat dari pemasok yang berbeda ditampilkan. Peta sudut offcut menunjukkan variasi yang berbeda di seluruh wafer tergantung pada pemasoknya. Dalam kasus substrat A dan C, arah sudut offcut tegak lurus terhadap bidang-m GaN, dan variasinya menunjukkan gradien homogen sepanjang bidang-m. Untuk substrat B, arah sudut offcut mengarah keluar secara radial dari nilai minimalnya yang terletak di luar pusat.
Sudut potongan substrat menentukan lebar teras atom rata-rata. Secara teoritis, hubungan antara sudut potongan substrat ( θ ) dan lebar teras atom yang diproyeksikan ( λ ₀), diperkirakan dengan Persamaan ( 1 )
Dalam persamaan ini, konstanta c melambangkan konstanta kisi di luar bidang, yang sesuai dengan tinggi langkah satu lapis GaN, sekitar 0,26 nm untuk GaN.
Setelah epitaksi, komposisi kimia lapisan AlGaN diukur dengan XRD dalam refleksi (006). Komposisi kimia AlGaN yang diperoleh kemudian dibandingkan dengan sudut offcut yang dirata-ratakan secara lokal. Hasil fraksi mol Al x dalam lapisan Al x Ga (1- x ) N versus sudut offcut disajikan dalam Gambar 2. Kesalahan pengukuran yang diperkirakan sebesar ±0,1% diperhitungkan saat menilai kandungan Al dalam lapisan AlGaN. Selain itu, kesalahan sistematis terkait regangan diharapkan, tetapi diasumsikan serupa untuk semua titik pengukuran karena kandungan Al sebanding. Keakuratan pengukuran sudut offcut adalah ±0,005°, sehingga batang kesalahan masing-masing berukuran simbol.
Sudut potongan yang diselidiki dari tiga substrat berkisar dari sekitar 0,05° hingga 0,60°. Seseorang dapat dengan jelas mengamati korelasi linier dalam hal fraksi mol Al x yang menurun dengan meningkatnya sudut potongan. Perilaku ini tidak hanya terlihat dalam setiap sampel, tetapi juga dalam hubungan konsisten umum di seluruh sampel seperti yang diamati pada Gambar 2. Ini menunjukkan bahwa penggabungan konten Al yang berbeda karena kondisi pertumbuhan run-to-run yang sedikit berbeda serta karena kondisi spasial yang sedikit berbeda dalam satu run dapat diabaikan dalam hal hasil keseluruhan dan mungkin hanya berkontribusi pada hamburan data.
Dapat disimpulkan bahwa teras atom yang lebih kecil menggabungkan lebih banyak atom Ga. Disimpulkan bahwa panjang difusi yang lebih pendek dari adatom Ga relatif terhadap adatom Al meningkatkan kemungkinan atom Ga mengikat ke anak tangga dengan lebar teras yang lebih kecil. Selain itu, pada sudut pemotongan yang lebih tinggi, fenomena penumpukan anak tangga lebih mungkin terjadi, yang selanjutnya meningkatkan ketidakhomogenan dengan rasio penggabungan Ga/Al yang lebih besar.
3.2 Modulasi Aliran Arus
Untuk mengeksplorasi pengaruh ketidakhomogenan sudut offcut substrat GaN pada sifat listrik lokal, kami melakukan studi di luar analisis tingkat material. Secara khusus, kami memeriksa sifat listrik heterostruktur AlGaN/GaN di daerah dengan sudut offcut tinggi, dengan fokus pada berbagai langkah atom yang mendekati pengelompokan. Hasilnya diilustrasikan dalam gambar AFM contoh yang ditunjukkan pada Gambar 3. Pengukuran C-AFM seperti yang dijelaskan di atas dilakukan pada sampel A. Hasilnya dipamerkan pada Gambar 3a,b , sebagai tinggi, kesalahan defleksi, dan sinyal arus, semuanya diukur secara bersamaan. Tinggi langkah dapat diekstraksi dari sinyal tinggi. Selain topografi, deviasi defleksi kantilever dari nilai target (disebut sebagai kesalahan defleksi) direkam, bersama dengan gambar arus yang diukur secara lokal yang dihasilkan dari tegangan listrik yang diberikan. Gambar arus memungkinkan identifikasi daerah lokal yang berbeda dalam aliran arus listrik dan memungkinkan korelasi dengan topografi. Gambar dalam Gambar 3a terkait dengan arah pemindaian ujung AFM dari kiri ke kanan (jejak), dan sebaliknya (retrace) seperti yang ditunjukkan pada (b). Apa yang membuat arah pemindaian dalam arah jejak dan retrace berbeda dari sudut pandang listrik adalah gaya kontak dan area kontak yang berbeda di tepi langkah, seperti yang diilustrasikan dalam skema pada Gambar 3. Kontras yang diamati dalam gambar sinyal kesalahan defleksi adalah konsekuensi langsung dari gaya kontak yang bervariasi secara lokal karena perubahan topografi. Lingkaran oranye pada Gambar 3 ditandai sebagai tepi langkah dan lingkaran merah sebagai minimum lokal topografi, di mana dampak pada aliran arus diharapkan karena arah pemindaian. Secara khusus, penurunan jejak dan peningkatan arah retrace dalam situasi geometris ini. Namun, dalam gambar arus, aliran arus yang sangat meningkat pada maksimum lokal topografi hanya diamati. Bermaksud untuk memastikan bahwa pengamatan pada gambar saat ini bukan merupakan efek topografi, diverifikasi bahwa posisi aliran arus yang ditingkatkan tidak berkorelasi secara langsung dengan posisi kesalahan defleksi yang lebih tinggi, seperti yang ditunjukkan oleh garis hijau pada gambar sebagai bagian depan tangga. Arus yang lebih tinggi jelas mengalir dekat dengan ujung atas tepi tangga yang bergerombol. Perlu dicatat bahwa hanya perubahan relatif aliran arus yang dinilai di sini, tetapi bukan nilai absolut, karena oksidasi permukaan dan geometri ujung atau pengukuran memainkan peran penting.
Hasilnya, percobaan ini menunjukkan bahwa aliran arus yang lebih besar dapat diamati di dekat tepi di atas teras atom yang bergerombol. Kehadiran garis-garis kaya Ga menyebabkan penurunan tinggi penghalang Schottky dan peningkatan lokal dalam aliran arus. Diduga bahwa luas wilayah kaya Ga ditentukan oleh titik di mana proses penggumpalan dimulai di dalam lapisan AlGaN dan meluas ke permukaannya di seluruh volume. Seperti yang ditunjukkan, penggumpalan bertahap secara langsung terkait dengan sudut potong dalam arti bahwa sudut potong yang lebih tinggi mendorong penggumpalan bertahap yang lebih kuat, yang pada gilirannya mendorong zona material kaya Ga yang lebih besar.
Pemeriksaan aliran arus melintasi langkah-langkah atomik berfungsi sebagai bukti yang mendukung hipotesis mengenai perlekatan kompetitif atom-atom Al dan Ga pada langkah-langkah atomik dengan lebar yang berbeda selama pertumbuhan epitaksial lapisan AlGaN. Setelah penemuan ini, penting untuk mempelajari efek potensial dari ketidakseragaman aliran arus tersebut pada kinerja listrik suatu perangkat. Untuk membuat penyelidikan ini dapat diprediksi semaksimal mungkin, kami memilih untuk mempelajari dioda penghalang Schottky sebagai perangkat uji dengan kompleksitas teknologi yang rendah.
3.3 Tinggi Penghalang Schottky Terkait dengan Sudut Lepas Substrat GaN
Pembuatan dioda dilakukan pada setengah substrat lain dari pemasok A, yang menunjukkan variasi sudut offcut yang besar mulai dari 0,48° hingga 0,28° seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 dan dengan demikian menjanjikan hasil korelasional pada berbagai sudut offcut. Dua kelompok dioda dari wilayah 1 dan 2 dengan sudut offcut rata-rata 0,29° dan 0,42° diperiksa.
Teknik AFM tapping digunakan untuk mengukur lebar rata-rata teras atom, dengan profil garis dari gambar AFM berfungsi untuk mengekstrak tinggi langkah atom. Untuk sudut offcut rata-rata 0,29°, lebar teras atom yang diharapkan secara teoritis adalah 45 nm, sedangkan untuk sudut 0,42°, sekitar 32 nm. Namun, secara eksperimental nilai 100±12 nm dan 85±8 nm diekstraksi. Akibatnya, nilai eksperimental menyimpang dari asumsi teoritis yang diuraikan dalam Persamaan 1 karena kepadatan peristiwa step clustering yang bervariasi di berbagai wilayah sampel. Step clustering di wilayah 2 sekitar tiga kali tinggi langkah monolayer, sementara itu lebih rendah di wilayah 1. Ukuran langkah atom yang bervariasi, dikaitkan dengan sudut offcut substrat dan step clustering yang berbeda, menyebabkan perbedaan kandungan Al di kedua wilayah ini.
Dioda penghalang Schottky di kedua wilayah sampel dipelajari dengan melakukan pengukuran arus–tegangan ( I – V ). Karakteristik maju I – V dioda ini diplot pada Gambar 5 .
Kumpulan data menunjukkan perilaku arus-tegangan yang jelas dan berbeda. Model emisi termal terbukti paling tepat untuk menjelaskan data yang diamati. Pendekatan yang banyak digunakan untuk menentukan tinggi penghalang Schottky dan faktor idealitas melibatkan analisis bagian linier dari plot arus-tegangan ( I – V ) pada skala semi-logaritmik. Dalam analisis ini, seluruh wilayah tegangan maju tidak dipertimbangkan, khususnya area tegangan sangat rendah dan sangat tinggi, di mana efek konduktansi paralel dan resistansi seri menjadi relevan. [ 14 ] Dengan demikian, persamaan berikut umumnya digunakan: [ 14 – 18 ]
Pada Persamaan 2 ,
singkatan dari tinggi penghalang Schottky, dengan
sebagai muatan elektron, A adalah luas dioda efektif, A* adalah konstanta Richardson efektif, k adalah konstanta Boltzmann, T adalah suhu absolut ( T = 298 K) dan
adalah faktor idealitas. Konstanta Richardson adalah parameter fundamental yang mencirikan emisi termionik dalam dioda penghalang Schottky. [ 19 ] Konstanta ini didefinisikan oleh persamaan berikut:
Di mana
merupakan fraksi mol Al dalam lapisan Al x GaN (1- x ) , k adalah konstanta Boltzmann, h adalah konstanta Planck,
= 0,35 m0 ,
= 0,22 m 0 , dan m 0 adalah massa diam elektron. [ 20 , 21 ] Konstanta Richardson di kedua wilayah 1 dan 2 telah diperkirakan sebesar 30,62 dan 30,46 A cm −2 K −2 masing-masing dengan menggunakan hukum Vegard dan data komposisi yang diukur dengan XRD. [ 19 , 22 ] Pengaruh variasi ini di bawah 0,1% terhadap penyesuaian dan evaluasi data.
Model ini memudahkan ekstraksi tinggi penghalang Schottky. Untuk memperoleh tinggi penghalang Schottky dalam kaitannya dengan faktor idealitas, analisis data I – V dilakukan dengan pencocokan linier. Parameter tinggi penghalang Schottky dan faktor idealitas disajikan pada Gambar 6 .
Terutama, hubungan linear antara tinggi penghalang dan faktor idealitas di kedua wilayah sampel terlihat. Dengan meningkatkan faktor idealitas, tinggi penghalang berkurang. Perilaku seperti itu sudah terlihat dalam penelitian lain, [ 23 , 24 ] umumnya dikaitkan dengan penyimpangan lokal pada tinggi penghalang. Penangkapan muatan pada cacat atau oksidasi permukaan yang tidak seragam biasanya digunakan untuk menjelaskan pengamatan ini, tetapi homogenitas komposisi penghalang paduan tidak diselidiki. Faktor idealitas di kedua wilayah sampel berkisar dari 2,4 hingga 3,2. Kisaran ini konsisten dengan sebagian besar literatur, di mana faktor idealitas dioda Schottky GaN biasanya berada di antara 2 dan 5. [ 25 , 26 ] Meskipun titik data tersebar, pemisahan dua wilayah berbeda dalam hal tinggi penghalang Schottky versus faktor idealitas adalah signifikan. Pemisahan ini tidak mengganggu penyebaran data dan karenanya dapat dikaitkan dengan sudut offcut, karena faktor-faktor lain tetap konstan antara kedua wilayah tersebut karena dioda dibuat dalam proses yang sama pada wafer yang sama. Secara khusus diamati bahwa titik data di wilayah 1, dengan sudut offcut rata-rata yang lebih rendah, secara sistematis bergeser ke nilai yang lebih tinggi dibandingkan dengan yang ada di wilayah 2. Membandingkan nilai rata-rata perbedaan tinggi penghalang Schottky, peningkatan sudut offcut sekitar 0,13°—dari 0,29° menjadi 0,42°—menggeser tinggi penghalang ke nilai sekitar 13 meV lebih rendah.
Dilihat dari sudut pandang fisik, lebar teras atom dengan ukuran yang lebih kecil karena sudut pemotongan substrat yang lebih besar, bersama dengan terjadinya penumpukan bertahap, menyebabkan rasio penggabungan Ga ke Al yang lebih tinggi selama pertumbuhan AlGaN. Efek ini pada akhirnya memengaruhi homogenitas komposisi AlGaN di bawah setiap dioda Schottky, mengurangi tinggi penghalang Schottky dalam kasus sudut pemotongan yang lebih tinggi dan menghasilkan peningkatan yang dapat diamati dalam aliran arus di area perangkat.
4 Ringkasan dan Kesimpulan
Efek dari berbagai sudut potongan substrat GaN di seluruh permukaan wafer GaN dipelajari baik pada tingkat material maupun secara elektrik melalui dioda penghalang Schottky. Kandungan Ga yang lebih tinggi pada lapisan AlGaN diamati pada substrat dengan sudut potongan yang lebih tinggi karena lebar teras atom yang lebih kecil. Selain itu, penumpukan langkah yang lebih besar, yang dikaitkan dengan sudut potongan substrat yang lebih besar, mengakibatkan peningkatan penggabungan Ga pada langkah-langkah yang dikelompokkan. Pengamatan ini dijelaskan oleh panjang difusi atom Ga yang relatif lebih pendek dibandingkan dengan atom Al, yang mengakibatkan pengurangan rasio Al terhadap Ga pada penghalang AlGaN. Hal ini dapat dikonfirmasi secara elektrik dengan mengamati tepi langkah-langkah yang dikelompokkan sebagai garis-garis dengan aliran arus yang lebih tinggi pada gambar C-AFM. Pengamatan ini menunjukkan bahwa sifat-sifat elektrik dari heterostruktur dipengaruhi oleh morfologi permukaan pada skala nano. Dioda penghalang Schottky makroskopik dibuat, menyelidiki efek sudut potongan substrat GaN dan cacat pada sifat-sifat elektrik heterostruktur AlGaN/GaN secara langsung. Dioda Schottky Ni/Au/AlGaN/GaN planar yang bebas cekung dibuat pada satu wafer. Variasi sudut offcut yang lebih besar pada satu substrat GaN memungkinkan perbandingan langsung perilaku listrik dioda tersebut dalam kaitannya dengan sifat substrat, sehingga mengecualikan pengaruh potensial dari berbagai kondisi pertumbuhan. Dioda menunjukkan perilaku penyearah dengan faktor idealitas berkisar antara 2,4 hingga 3,2 dan perbedaan tinggi penghalang Schottky sebesar 13 meV. Hal ini menunjukkan bahwa daerah dengan sudut offcut yang lebih rendah bergeser ke nilai yang lebih tinggi, kemungkinan karena pengurangan kepadatan situs ikatan terkait langkah saat sudut offcut menurun. Akibatnya, adatom Ga yang berdifusi lebih pendek memiliki peluang lebih besar untuk bergabung ke teras atom yang lebih kecil daripada yang lebih besar. Lebih jauh, pengelompokan langkah yang kurang jelas menyebabkan penggabungan Ga yang lebih rendah dibandingkan dengan Al, sehingga menghasilkan tinggi penghalang Schottky efektif yang lebih tinggi. Panjang difusi relatif Al dan Ga menunjukkan perbedaan dengan beberapa penelitian, yang menekankan ketergantungan kuat perilaku difusi pada kondisi dan mode pertumbuhan tertentu, seperti pertumbuhan area selektif atau pertumbuhan pada permukaan planar dengan sudut offcut yang bervariasi. [ 27 , 28 ] Faktor-faktor seperti kondisi pertumbuhan kaya Al atau kaya Ga, serta rezim pertumbuhan epitaksial (misalnya, pertumbuhan terbatas desorpsi), dapat memengaruhi perilaku difusi atom Ga dan Al secara berbeda karena tekanan uap kesetimbangannya yang berbeda. [ 29 ] Khususnya, penelitian oleh Bryan et al. menawarkan wawasan berharga yang sejalan dengan temuan kami, yang selanjutnya memperkuat kesimpulan kami bahwa waktu tinggal dan panjang difusi Ga lebih pendek daripada Al. [ 11 ]
Studi ini menyajikan wawasan berharga ke dalam hubungan antara sifat dasar substrat GaN dan sifat morfologi serta listrik lapisan epitaksial di atas. Keseragaman lebar teras atom di seluruh substrat sangat penting, karena sangat memengaruhi morfologi pertumbuhan. Penyimpangan dari aliran halus langkah bilayer dapat menyebabkan perilaku non-ideal dalam perangkat. Ini tidak hanya berlaku untuk dioda penghalang Schottky yang mengandung lapisan paduan terner tetapi berfungsi sebagai contoh bahwa efek tersebut dapat berdampak pada jenis perangkat lain juga. Topografi permukaan berundak memengaruhi kekasaran antarmuka logam-semikonduktor, yang menghasilkan perilaku listrik non-ideal dari dioda penghalang Schottky. [ 30 ] Oleh karena itu, ketika merancang dan mengoptimalkan perangkat elektronik atau optik berdasarkan substrat GaN, sangat penting untuk mempertimbangkan dengan hati-hati dan menyesuaikan rentang variasi sudut offcut untuk memenuhi spesifikasi kinerja yang diinginkan dari setiap jenis perangkat.
