Potential barrier heights at metal on oxygen-terminated diamond interfaces

Pierre Muret (1) , Aboulaye [e-mail] Traoré (1) , Aurélien Maréchal (1) , David Eon (1) , Julien Pernot (1, 2) , José Carlos Pinero (3) , Maria del Pilar Villar (3) , Daniel Araujo (3)

1 NEEL - SC2G - Semi-conducteurs à large bande interdite
2 IUF - Institut universitaire de France
3 Dpto. Ciencias de los Materiales, Universidad de Cadiz, Spain

Electrical properties of metal-semiconductor (M/SC) and metal/oxide/SC structures built with Zr or ZrO_2 deposited on oxygen-terminated surfaces of (001)-oriented diamond films, comprising a stack of lightly p-doped diamond on a heavily doped layer itself homoepitaxially grown on a Ib substrate, are investigated experimentally and compared to different models. In Schottky barrier diodes, the interfacial oxide layer evidenced by high resolution transmission electron microscopy and electron energy losses spectroscopy before and after annealing, and barrier height inhomogeneities accounts for the measured electrical characteristics until flat bands are reached, in accordance with a model which generalizes that of R.T. Tung [Phys. Rev. B 45, 13509 (1992)] and permits to extract physically meaningful parameters of the three kinds of interface: (a) unannealed ones; (b) annealed at 350°C; (c) annealed at 450°C, with characteristic barrier heights of 2.2-2.5 V in case (a) while as low as 0.96 V in case (c). Possible models of potential barriers for several metals deposited on well defined oxygen-terminated diamond surfaces are discussed and compared to experimental data. It is concluded that interface dipoles of several kinds present at these compound interfaces and their chemical evolution due to annealing are the suitable ingredients able to account for the Mott-Schottky behavior when the effect of the metal work function is ignored, and to justify the reverted slope observed regarding metal work function, in contrast to the trend always reported for all other metal-semiconductor interfaces.

Les propriétés électriques et structurales d'interfaces métal/diamant et métal/oxyde/diamant où le métal est le Zirconium et le semi-conducteur comporte un empilement de couches faiblement et fortement dopées au bore sur substrat Ib, sont étudiées expérimentalement et comparées à différents modèles. Dans le barrière de Schottky, une inter-couche d'oxyde d'environ 2 couches atomiques, mise en évidence par diverses techniques de microscopie électronique à transmission, est présente et ajoutée à la présence d'inhomogénéités de barrière de potentiel, est corrélée aux propriétés électriques simulées par un modèle qui généralise celui de R. T. Tung [Phys. Rev. B 45, 13509 (1992)] . Les paramètres physiquement caractéristiques des interfaces (a) non recuites, (b) recuite à 350°C et (c) recuite à 450°C peuvent ainsi être extraits, en particulier des hauteurs de barrière de 2.2-2.5 V dans le cas (a) et aussi basses que 0.96 V dans le cas (c). Les modèles possibles de fixation du niveau de Fermi aux interfaces métal/diamant sont examinés et confrontés aux données récemment publiées pour différents métaux sur la surface oxygénée du diamant. On conclue que les quantités physiques judicieuses sont l'affinité électronique du diamant, fonction de son état de surface, pour justifier l'allure générale conforme au modèle de Mott-Schottky et la force du dipole d'interface, dépendante des liaisons chimiques à l'interface, pour expliquer la pente de la variation de la barrière en fonction du travail de sortie du métal, qui est inversée par rapport à tous les autres semi-conducteurs.

Mots clés: metal-semiconductor interfaces; diamond; Schottky diode

Domaines: Micro et nanotechnologies/Microélectronique; Electronique; Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]

Pierre Muret, Aboulaye [e-mail] Traoré, Aurélien Maréchal, David Eon, Julien Pernot, et al.. Potential barrier heights at metal on oxygen-terminated diamond interfaces. Journal of Applied Physics, 2015, 118 (20), pp.204505. ⟨10.1063/1.4936317⟩. ⟨hal-01104188v5⟩