Impacto da temperatura nas propriedades de materiais e dispositivos de AlN +
PAM-XIAMEN pode oferecer modelos AlN para dispositivos de energia de alta temperatura/alta frequência. Para mais especificações consulte em[email protected]
AlN, com seu amplo bandgap de 6,1eV, alta condutividade térmica e alto campo elétrico de ruptura, é um candidato ideal para aplicações em temperaturas extremas. No entanto, a aplicação prática do AlN enfrenta dois desafios principais: (i) tensão residual decorrente da heteroepitaxia (por exemplo, em substratos de safira) devido à incompatibilidade de rede (13,2%) e incompatibilidade de coeficiente de expansão térmica (45,4%); e (ii) baixa eficiência de dopagem do tipo n limitada pelo efeito de autocompensação (centros DX) dos doadores de Si. Ambas as questões estão intimamente relacionadas com a temperatura - a temperatura afeta a liberação e evolução do estresse e determina a taxa de ionização do doador e o comportamento do transporte do transportador.
Nos últimos anos, Wei et al. conduziram análises aprofundadas da evolução do estresse e das mudanças nas propriedades ópticas de filmes de AlN cultivados com MOCVD acima de 80-850K, revelando o papel positivo dos substratos nanopadronizados na liberação do estresse térmico. Enquanto isso, Okumura et al. investigou sistematicamente as propriedades elétricas de camadas de AlN implantadas com Si na faixa de temperatura de 300-1150K, demonstrando com sucesso a operação de diodos de barreira AlN Schottky e MESFETs em temperaturas superiores a 1000K.
1. Influência da temperatura nas propriedades fundamentais dos materiais AlN
1.1 Evolução da Temperatura da Tensão Residual
Wei et al. cresceram camadas epitaxiais de AlN em substratos de safira planos convencionais (CSS) e substratos de safira nano-padronizados (NPSS) por MOCVD (referidos como Amostra A e Amostra B, respectivamente), e estudaram a dependência da temperatura do estresse residual por meio de espectroscopia Raman dependente da temperatura (80–300K). O deslocamento Raman do modo fônon E₂ (alto) exibe um desvio para o vermelho com o aumento da temperatura, que inclui contribuições de ambas as mudanças constantes da rede devido à expansão térmica e efeitos anarmônicos.
Usando a relação tensão-deslocamento Raman σ = (ω – ω₀)/κ (onde κ = 4,04cm⁻¹/GPa, ω₀ = 657,4cm⁻¹), a tensão biaxial em função da temperatura foi calculada. Conforme mostrado na figura, a tensão de compressão na amostra de AlN no CSS é tão alta quanto 1,59GPa a 80K, diminuindo para 0,60GPa à medida que a temperatura sobe para 300K. Para a amostra de AlN em NPSS, a tensão de compressão diminui de 0,90GPa a 80K para 0,38GPa a 300K. Isto indica que com o aumento da temperatura, a expansão térmica compensa parcialmente a tensão compressiva acumulada durante o crescimento, e a estrutura nanopadrão fornece canais adicionais de liberação de tensão através de nanoporos.
Fig. 1 Espectros Raman de filmes de AlN/safira na faixa de temperatura de 80–300K, mostrando desvio para o vermelho e alargamento do pico E₂ (alto) com o aumento da temperatura
Fig. 2 Dependência da tensão biaxial em AlN com a temperatura em substrato plano convencional (amostra A) e substrato padronizado (amostra B)
A análise de difração de raios X confirmou ainda mais a tendência acima. O pico de difração (0002) do AlN no CSS está localizado em 35,9810°, enquanto o do NPSS está em 35,9931°, mais próximo do valor teórico para AlN livre de deformação. A dependência da temperatura da deformação residual do eixo c é consistente com os resultados de Raman.
Fig. 3 Análise de difração de raios X de amostras de AlN em substratos de safira
1.2 Dependência de temperatura de constantes ópticas e bandgap
Wei et al. investigou a dependência da temperatura das constantes ópticas e bandgap de filmes de AlN usando elipsometria espectroscópica dependente da temperatura (300-850K). Os resultados mostram que o índice de refração n aumenta ligeiramente com a temperatura na região de baixa energia, enquanto seu pico sofre um desvio para o vermelho na região de alta energia; a borda de absorção do coeficiente de extinção k muda para energias mais baixas, refletindo diretamente o estreitamento do bandgap.
A dependência do bandgap com a temperatura foi obtida por extrapolação linear de (αhν)² versus hν. O bandgap da amostra CSS diminui de 6,16eV em 300K para 5,73eV em 850K, enquanto o da amostra NPSS diminui de 6,06eV para 5,64eV. Esta variação pode ser descrita com precisão pela fórmula de Varshni Eg(T)=E0-αT²/(T+b). Os parâmetros ajustados são: para a amostra CSS, E0=6,24eV, α=8,73×10⁻⁴eV/K, b=857K; para a amostra NPSS, E0=6,19eV, α=7,84×10⁻⁴eV/K, b=672K. Os mecanismos físicos de estreitamento do bandgap incluem o aumento no espaçamento interatômico devido à expansão térmica e às interações elétron-fônon.
Figura 4 (a) (b) Parâmetros elipsométricos Δ de amostras CSS e NPSS em diferentes temperaturas; (c) (d) Dependência do índice de refração n e do coeficiente de extinção k com a temperatura para a amostra CSS; (e) gráfico (αhν)² versus hν para extração de bandgap; (f) Ajustes Varshni do bandgap em função da temperatura
A UE de energia de Urbach é um parâmetro chave que caracteriza o grau de desordem cristalina e a densidade do defeito; sua variação com a temperatura reflete a estabilidade térmica da qualidade do cristal. O valor EU é 0,27eV para a amostra CSS e 0,23eV para a amostra NPSS. O EU mais baixo indica uma densidade mais baixa de estados de cauda de banda na amostra NPSS, o que está relacionado à sua liberação de tensão mais completa. Os espectros de transmissão mostram um mínimo de transmitância local na faixa de 220-245 nm para a amostra NPSS, atribuído à dispersão de luz por nanoporos.
Figura 5 Gráfico de ln(α) versus hν; uma inclinação menor indica menor desordem cristalina
2. Influência da temperatura nas propriedades elétricas do AlN e no desempenho do dispositivo
2.1 Transporte de transportadores e características de contato de camadas de AlN implantadas em Si
Okumura et al. obteve dopagem de Si em camadas de AlN por implantação iônica ([Si]=2×10¹⁹cm⁻³), seguida de recozimento a 1500°C por 30 minutos. Medições de efeito Hall revelaram que à medida que a temperatura aumenta de 500K para 900K, a concentração de elétrons aumenta significativamente de 2,5×10¹⁶cm⁻³ para 1,9×10¹⁸cm⁻³, atribuída à excitação térmica que promove a ionização do doador; a mobilidade do elétron diminui de 19cm² V⁻¹ s⁻¹ para 3cm² V⁻¹ s⁻¹, principalmente devido ao melhor espalhamento de fônons em altas temperaturas. Mesmo a 900K, a concentração de elétrons permanece uma ordem de grandeza menor que a concentração de Si implantada. Okumura et al. atribuiu isso à formação de centros DX⁻ em AlN pelo Si, com energia de ionização de 320meV. Ajustar a condição de neutralidade de carga produz uma taxa de ativação do doador de apenas 10% e uma taxa de compensação de 5.
A resistência da folha e a resistividade específica de contato medidas pelo método da linha de transmissão são mostradas na figura a seguir. Na faixa de 500–1100K, a resistência da folha diminui de aproximadamente 10⁶Ω/sq para 1×10⁵Ω/sq, e a resistividade de contato específica diminui de cerca de 10⁻¹Ω·cm² para 4,0×10⁻³Ω·cm². Esta diminuição é atribuída à emissão termiônica aprimorada e aos mecanismos de emissão de campo termiônico. Notavelmente, a degradação irreversível dos eletrodos de Ti/Al/Ti/Au ocorre em 1150K, indicando que os esquemas de metalização existentes enfrentam desafios de estabilidade acima de 1100K.
6 (a) Dependência da resistência da folha com a temperatura e resistividade de contato específica de camadas de AlN implantadas com Si (500–1100K); (b) Dependência da concentração de elétrons e mobilidade de elétrons com a temperatura (500–900K)
2.2 Características de retificação de alta temperatura dos diodos de barreira AlN Schottky
Okumura et al. fabricou diodos de barreira AlN Schottky com ânodos Ni / Au e cátodos Ti / Al / Ti / Au e testou suas características de densidade-tensão de corrente acima de 300–1100K. Os dispositivos apresentam características claras de retificação em todas as temperaturas testadas. A tensão de ativação diminui de 1,47 V a 500 K para 1,16 V a 1000 K, principalmente devido ao estreitamento do bandgap de AlN com o aumento da temperatura.
Figura 7 (a) Características de densidade de corrente-tensão dos diodos de barreira AlN Schottky; (b) Dependência do fator de idealidade com a temperatura e altura aparente da barreira
O fator de idealidade n diminui de valores muito maiores que 1 em 300K para 1,01 em 1000K e 1100K, indicando que a interface Ni/AlN permanece estável em altas temperaturas. A altura aparente da barreira aumenta de 1,31eV a 300K para cerca de 3,5eV em temperaturas elevadas, atribuída à distribuição não homogênea da altura da barreira interfacial. O ajuste com um modelo de distribuição gaussiano produz uma altura média da barreira de polarização zero φB0 = 3,5eV. O diodo de barreira Schottky exibe uma tensão de ruptura de 610V a 300K, e a relação liga/desliga permanece na ordem de ~10⁵ na faixa de 600–1000K. Os cálculos mostram que a concentração intrínseca de portadores de AlN em 1100K é de apenas 6×10⁸cm⁻³, muito inferior à concentração de elétrons, que é a razão fundamental para manter uma alta relação liga/desliga.
2.3 Operação em alta temperatura de AlN MESFETs
Okumura et al. fabricou AlN MESFETs com comprimento de porta de 2μm e largura de porta de 100μm. Os dispositivos apresentam boas características de saturação e capacidade de modulação de tensão de porta em 1000K. A corrente de drenagem máxima é 2,2mA/mm (em Vgs = +20V), a relação liga/desliga excede 10² e a tensão de ruptura de três terminais é 176V (em Vgs = -34V).
Fig. 8 (a) Esquema transversal do AlN MESFET e (b) características de saída em 1000K
Fig. 9 (a) Características de transferência em diferentes temperaturas e (b) dependência da temperatura da transcondutância máxima e tensão limite
A análise das características de transferência mostra que a oscilação subliminar degrada de 0,42 V/década a 300 K para 15 V/década a 1000 K, principalmente devido ao aumento do vazamento através da camada inferior de AlN dopada involuntariamente com o aumento da temperatura. A transcondutância máxima gm, máx.aumenta de 7,5×10⁻⁹S/mm em 300K para 2,8×10⁻⁵S/mm em 1000K, refletindo que o aumento induzido pela temperatura na concentração de elétrons aumenta a corrente mais do que o impacto negativo da mobilidade reduzida. A tensão limite muda de -3,2 V (300 K) para -34 V (1000 K), consistente com os cálculos teóricos.
Em resumo, o aumento da temperatura libera significativamente a tensão de compressão nas camadas epitaxiais de AlN e estreita seu bandgap. Além disso, a temperatura elevada aumenta exponencialmente a concentração de elétrons nas camadas de AlN implantadas com Si, permitindo que os diodos de barreira AlN Schottky mantenham uma relação liga/desliga de cerca de 10⁴ e uma alta altura de barreira de 3,5eV a 1100K, e permitindo modulação de tensão de porta estável de MESFETs baseados em AlN a 1000K.
Se você precisa de modelos AlN para pesquisa ou para aplicações industriais, entre em contato conosco pelo e-mail[email protected] e [email protected].
Referências:
- Wei, W., Peng, Y., Wang, J., Farooq Saleem, M., Wang, W., Li, L.,… & Sun, W. (2021). Dependência de tensão e propriedades ópticas em filmes de AlN cultivados por MOCVD. Nanomateriais, 11(3), 698.
- Okumura, H., Watanabe, Y. e Shibata, T. (2023). Dependência da temperatura das características elétricas de camadas de AlN implantadas com Si em substratos de safira. Física Aplicada Express, 16(6), 064005.