mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577j.met202306.556mateltech-556Research ArticleЭпитаксиальные слои и многослойные композицииEPITAXIAL LAYERS AND MULTILAYERED COMPOSITIONSПроцессы образования дефектов, формирующих глубоких уровни в структурах SiON/AlGaN/GaNModeling the processes of formation of defects that form deep levels in SiON/AlGaN/GaNЕнишерловаК. Л.ЕnisherlovaK. L.

Окружной проезд, д. 27, Москва, 105187

Енишерлова Кира Львовна — доктор техн. наук, начальник лаборатории

27 Okruzhnoy Passage, Moscow 105187

Kira L. Еnisherlova — Dr. Sci. (Eng.), Head of the Laboratory

enisherlova@pulsarnpp.ruМихайловИ. А.MikhaylovI. A.

Ленинский просп., д. 32а, Москва, 119334

Михайлов Иван Андреевич — младший научный сотрудник, отдел структурного анализа и метрологии

32A Leninsky Ave., Moscow 119334

Ivan A. Mikhaylov — Junior Researcher, Department of Structural Analysis and Metrology

enisherlova@pulsarnpp.ruСейдманЛ. А.SeidmanL. A.

Окружной проезд, д. 27, Москва, 105187

Сейдман Лев Александрович — канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник

27 Okruzhnoy Passage, Moscow 105187

Lev A. Seidman — Cand. Sci. (Eng.), Leading Researcher

seid@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1435-1605КириленкоЕ. П.KirilenkoE. P.

Ленинский просп., д. 32а, Москва, 119334

Кириленко Елена Петровна — инженер, отдел системной аналитики и метрологии

32A Leninsky Ave., Moscow 119334

Elena P. Kirilenko — Engineer, System Analytics and Metrology Department

enisherlova@pulsarnpp.ruКолковскийЮ. В.KolkovskyYu. V.

Окружной проезд, д. 27, Москва, 105187

Колковский Юрий Владимирович — доктор техн. наук, профессор, заместитель генерального директора

27 Okruzhnoy Passage, Moscow 105187

Yuri V. Kolkovsky — Dr. Sci. (Eng.), Professor, Deputy General Director

kolk@pulsarnpp.ruАО «Научно-производственное предприятие «Пульсар»РоссияJSC “S&PE “Pulsar”Russian FederationИнститут нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наукРоссияInstitute of Nanotechnology of Microelectronics of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202330092023263204216Copyright © Енишерлова К.Л., Михайлов И.А., Сейдман Л.А., Кириленко Е.П., Колковский Ю.В., 20232023Енишерлова К.Л., Михайлов И.А., Сейдман Л.А., Кириленко Е.П., Колковский Ю.В.Еnisherlova K.L., Mikhaylov I.A., Seidman L.A., Kirilenko E.P., Kolkovsky Y.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/556

Исследовано влияние на электрические параметры структур SiON/AlGaN/GaN обработки разной продолжительности низкоэнергетической азотной плазмой. Обработки плазмой подвергалась поверхность AlGaN в рабочей камере установки плазмохимического осаждения перед запуском моносилана для формирования пленки SiОN. Изучено изменение транспортных свойств (проводимости и подвижности) слоя двумерного электронного газа и емкостных свойств структур. Экспериментально показано, что такая обработки приводит к изменению величины поляризационных зарядов как на границе «изолятор—AlGaN», так и на границе AlGaN/GaN. С помощью С—V-измерений в режиме гистерезиса установлено, что при управляющем напряжении (U > +4÷+5 В) происходит захват части канальных электронов на глубоких центрах границы SiON/AlGaN, причем с увеличением продолжительности воздействия плазмой наблюдается резкий рост заряда, формируемого электронными граничными состояниями. Использование дополнительной обработки азотной плазмой переводит для нитридных структур работу из D-режима (Vth = –4 В) в Е-режим (Vth = +0,9 В).

С помощью Оже-измерений показано, что обработка плазмой приводит к изменению количества кислорода в слое SiON и в нанообластях барьерного слоя, причем с увеличением продолжительности воздействия плазмой наблюдается резкое уменьшение количества кислорода в этих слоях. Обнаружено также, что при обработке азотной плазмой происходит перераспределение Ga и Al на границе AlGaN/GaN т. е. в области слоя двумерного электронного газа. С помощью Оже-измерений вблизи границы SiON/AlGaN со стороны изолятора обнаружена локализация атомов азота, химически связанных с кремнием N(Si), с образованием на границе раздела пика, размер которого растет с увеличением продолжительности воздействия плазмой.

The effect on the electrical parameters of the SiON/AlGaN/GaN structures of treatment of different durations of low-energy nitrogen plasma was studied. The AlGaN surface was subjected to plasma treatment in the working chamber of the plasma-chemical deposition unit before starting the monosilane to form the SiON film. Changes in the transport properties (conductivity and mobility) of the canal and capacitive properties of the structures were evaluated. It has been experimentally shown that such treatment leads to a change in the magnitude of polarization charges both at the insulator-AlGaN interface and at the AlGaN/GaN interface. With the help of C–V measurements-in the hysteresis mode, it is shown that at the control voltage U > +4 — +5 V ), some of the channel electrons are captured at deep centers at the SiON-AlGaN interface, and with an increase in the duration of exposure to plasma time, a sharp increase is observed charge Qit, formed by electronic boundary states. The use of additional treatment with nitrogen plasma transfers work for nitride structures from the D-mode (Vth = –4 V) to the E-mode (Vth = +0.9 V).Using Auger-measurements, it was shown that plasma treatment leads to a change in the amount of oxygen in the SiON layer and in nano-regions of the barrier layer, and with an increase in the duration of plasma exposure, a sharp decrease in the amount of oxygen in these layers is observed. Also, when using plasma treatment, the redistribution of Ga and Al at the AlGaN–GaN interface i.e. in the channel area. Using Auger measurements near the SiON–AlGaN interface from the side of the insulator, the localization of nitrogen atoms chemically bonded with silicon N(Si) with the formation of a peak at the interface, the size of which increases with increasing duration of plasma exposure.

нитридные структурынизкоэнергетическая азотная плазмаполяризационный зарядглубокие центры канальные электроныОже-исследованияnitride structureslow-energy nitrogen plasmapolarization chargeconnection of central electron channelsAuger studiesАвторы выражают глубокую признательность за помощь в проведении экспериментальных работ и за участие в обсуждении полученных результатов старшему научному сотруднику Э.М. Темпер, а также за помощь в оформлении статьи инженеру С.А. Капилину.The authors express their deep gratitude to senior researcher E.M. Temper for assistance in conducting experimental work and for participation in the discussion of the results obtained, as well as engineer S.A. Kapilin for assistance in preparing the article.ReferencesMorkoç H. Handbook of nitride semiconductors and devices: materials properties, physics and growth. In 3 vol. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.; 2009. Vol. 1. P. 111—812. http://dx.doi.org/10.1002/9783527628438Morkoç H. Handbook of nitride semiconductors and devices: materials properties, physics and growth. In 3 vol. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.; 2009. Vol. 1. P. 111—812. http://dx.doi.org/10.1002/9783527628438Lyons J.L., Wickramaratne D., Van de Walle C. A first-principles understanding of point defects and impurities in GaN. Journal of Applied Physics. 2021; 129(11): 111101. http://doi.org/10.1063/5.0041506Lyons J.L., Wickramaratne D., Van de Walle C. A first-principles understanding of point defects and impurities in GaN. Journal of Applied Physics. 2021; 129(11): 111101. http://doi.org/10.1063/5.0041506Asubar J., Yatabe Z., Gregusova D., Hashizume T. Controlling surface / interface states in GaN-based transistors: Surface model, insulated gate, and surface passivation. Journal of Applied Physics. 2021; 129(12): 121102. http://doi.org/10.1063/5.0039564Asubar J., Yatabe Z., Gregusova D., Hashizume T. Controlling surface / interface states in GaN-based transistors: Surface model, insulated gate, and surface passivation. Journal of Applied Physics. 2021; 129(12): 121102. http://doi.org/10.1063/5.0039564Chan Ch.-Y., Hsu Sh.S.H., Lin Y.-S., Chen L. Impacts of gate recess and passivation on AlGaN/GaN high electron mobility transistor. Japanese Journal of Applied Physics. 2007; 46(2): 478—484. http://doi.org/10.1143/JJAP.46.478Chan Ch.-Y., Hsu Sh.S.H., Lin Y.-S., Chen L. Impacts of gate recess and passivation on AlGaN/GaN high electron mobility transistor. Japanese Journal of Applied Physics. 2007; 46(2): 478—484. http://doi.org/10.1143/JJAP.46.478Zhang A., Zhang S.L., Tang Z., Cheng X., Wang Y., Chen K.J., Chan M. Modeling of capacitances for GaN HEMTs, including parasitic components. IEEE Transactions on Electron Devices. 2014; 61(3): 755—761. http://doi.org/10.1109/TED.2014.2298255Zhang A., Zhang S.L., Tang Z., Cheng X., Wang Y., Chen K.J., Chan M. Modeling of capacitances for GaN HEMTs, including parasitic components. IEEE Transactions on Electron Devices. 2014; 61(3): 755—761. http://doi.org/10.1109/TED.2014.2298255Енишерлова К.Л., Сейдман Л.А., Темпер Э.М., Концевой Ю.А. Влияние особенностей PECVD процессов осаждения SiNx на электрические параметры структур SiNx/AlGaN/GaN. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2021; 24(2): 107—118. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2021-2-107-118Еnisherlova K.L., Seidman L.A., Temper E.T., Kontsevoy Yu.A. Influence of PECVD features of SiNx deposition processes on electrical parameters of SiNx/AlGaN/GaN structures. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2021; 24(2): 107—118. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/1609-3577-2021-2-107-118Ganguly S., Verma J., Li G., Zimmermann T., Xing H., Jena D. Presence and origin of interface charges at atomic-layer deposited Al2O3/III-nitride heterojunctions. Applied Physics Letters. 2011; 99(24): 193504. https://doi.org/10.1063/1.3671324Ganguly S., Verma J., Li G., Zimmermann T., Xing H., Jena D. Presence and origin of interface charges at atomic-layer deposited Al2O3/III-nitride heterojunctions. Applied Physics Letters. 2011; 99(24): 193504. https://doi.org/10.1063/1.3671324Cai Y., Zhou Y., Lau K.M., Chen K.J. Control of threshold voltage of AlGaN/GaN HEMTs by fluoride-based plasma treatment: From depletion mode to enhancement mode. IEEE Transactions on Electron Devices. 2006; 53(9): 2207—2215. https://doi.org/0.1109/TED.2006.881054Cai Y., Zhou Y., Lau K.M., Chen K.J. Control of threshold voltage of AlGaN/GaN HEMTs by fluoride-based plasma treatment: From depletion mode to enhancement mode. IEEE Transactions on Electron Devices. 2006; 53(9): 2207—2215. https://doi.org/0.1109/TED.2006.881054Yamaji K., Noborio M., Suda J., Kimoto T. Improvement of channel mobility in inversion-type n-channel GaN metal-oxide-semiconductor field-effect transistor by high-temperature annealing. Japanese Journal of Applied Physics. 2008; 47(10): 7784—7787. https://doi.org/10.1143/JJAP.47.7784Yamaji K., Noborio M., Suda J., Kimoto T. Improvement of channel mobility in inversion-type n-channel GaN metal-oxide-semiconductor field-effect transistor by high-temperature annealing. Japanese Journal of Applied Physics. 2008; 47(10): 7784—7787. https://doi.org/10.1143/JJAP.47.7784Enisherlova K.L., Seidman L.A., Bogolyubova S.Yu. Effect of treatment in nitrogen plasma on the electrical parameters of AlGaN/GaN heterostructures. Russian Microelectronics. 2022; 51(8): 686—695. https://doi.org/10.1134/S1063739722080133Enisherlova K.L., Seidman L.A., Bogolyubova S.Yu. Effect of treatment in nitrogen plasma on the electrical parameters of AlGaN/GaN heterostructures. Russian Microelectronics. 2022; 51(8): 686—695. https://doi.org/10.1134/S1063739722080133Анализ поверхности методами оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Под ред. Д. Бриггса и М.П. Сиха. М.: Мир; 1987. 598 с.Briggs D., Seeh M.P., eds. Practical surface analysis by Auger- and X-ray photoelectron spectroscopy. Chichester ect., 1983. 674 p. (Russ. Transl.: Briggs D., Seeh M.P., eds. Analiz poverkhnosti metodami ozhe- i rentgenovskoi fotoelektronnoi spektroskopii. Moscow: Mir; 1987. 1987. 598 p.)Hofmann S. Auger- and X-ray photoelectron spectroscopy in materials science: a user-oriented guide. Springer Science & Business Media; 2013. Vol. 49. 528 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-27381-0Hofmann S. Auger- and X-ray photoelectron spectroscopy in materials science: a user-oriented guide. Springer Science & Business Media; 2013. Vol. 49. 528 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-27381-0Matsunaga F., Kakibayashi H., Mishima T., Kawase S. Influence of ion sputtering on Auger electron spectroscopy depth-profiling of GaAs/AlGaAs superstructure. Japanese Journal of Applied Physics. 1988; 27(1R): 149—150. https://doi.org/10.1143/JJAP.27.149Matsunaga F., Kakibayashi H., Mishima T., Kawase S. Influence of ion sputtering on Auger electron spectroscopy depth-profiling of GaAs/AlGaAs superstructure. Japanese Journal of Applied Physics. 1988; 27(1R): 149—150. https://doi.org/10.1143/JJAP.27.149Mroczkowski S., Lichtman D. Calculated Auger sensitivity factors compared to experimental handbook values. Surface Science. 1983; 131(1): 159—166.Mroczkowski S., Lichtman D. Calculated Auger sensitivity factors compared to experimental handbook values. Surface Science. 1983; 131(1): 159—166.Монахова Ю.Б., Муштакова С.П. Математическая обработка спектров при анализе смесей методом независимых компонент: идентификация и количественный анализ. Журнал аналитической химии. 2012; 67(12): 1044—1051. https://elibrary.ru/pddpipMonakhova Yu.B., Mushtakova S.P. Mathematical processing of spectra in the analysis of mixtures by the method of independent components: Identification and quantitative analysis. Journal of Analytical Chemistry. 2012; 67(12): 1044—1051. (In Russ.). https://elibrary.ru/pddpipEnisherlova K.L., Temper E.M., Kolkovskij Yu.V., Medvedev B.K., Kapilin S.A. The ALD films of Al2O3, SiNx, and SiON as passivation coatings in AlGaN/GaN HEMT. Russian Microelectronics. 2020; 49(8): 603—611. https://doi.org/10.1134/S106373972008003XEnisherlova K.L., Temper E.M., Kolkovskij Yu.V., Medvedev B.K., Kapilin S.A. The ALD films of Al2O3, SiNx, and SiON as passivation coatings in AlGaN/GaN HEMT. Russian Microelectronics. 2020; 49(8): 603—611. https://doi.org/10.1134/S106373972008003XGreco G., Giannazzo F., Frazzetto A., Raineri V., Roccaforte F. Near-surface processing on AlGaN/GaN. Nanoscale Research Letters. 2011; 6(1): 132. https://doi.org/10.1186/1556-276X-6-132Greco G., Giannazzo F., Frazzetto A., Raineri V., Roccaforte F. Near-surface processing on AlGaN/GaN. Nanoscale Research Letters. 2011; 6(1): 132. https://doi.org/10.1186/1556-276X-6-132Liu X., Wang X., Zhang Y., Wei K., Zheng Y., Kang X., Jiang H., Li J., Wang W., Wu X., Wang X.P., Huang S. Insight into the near-conduction band states at the crystallized interface between GaN and SiNx grown by low-pressure chemical vapor deposition. ACS Applied Materials & Interfaces. 2018; 10(25): 21078—21103. https://doi.org/10.1021/acsami.8b04694.s001Liu X., Wang X., Zhang Y., Wei K., Zheng Y., Kang X., Jiang H., Li J., Wang W., Wu X., Wang X.P., Huang S. Insight into the near-conduction band states at the crystallized interface between GaN and SiNx grown by low-pressure chemical vapor deposition. ACS Applied Materials & Interfaces. 2018; 10(25): 21078—21103. https://doi.org/10.1021/acsami.8b04694.s001

The authors declare that there are no conflicts of interest present.