Hoog-prestatie ohmische contacten: Tweestaps Al-gedopeerde ZnO depositie op p-GaN

Samenvatting

Al-gedopeerde ZnO (AZO) dunne films werden direct op p-GaN substraten gedeponeerd door een tweestaps depositie bestaande uit polymere-geassisteerde depositie (PAD) en atoomlaag depositie (ALD) methoden. Ohmische contacten van AZO op p-GaN zijn gevormd. De laagste vlakweerstand van de tweestaps bereide AZO films bereikte 145 Ω/□, en de specifieke contactweerstand reduzeerde tot 1,47 × 10⁻² Ω·cm². De doorlaatbaarheid van de AZO films bleef boven 80% in het zichtbare gebied. De combinatie van PAD en ALD techniek kan gebruikt worden om p-type ohmische contacten voor opto-elektronica te bereiden.

Achtergrond

Tegenwoordig hebben GaN-gebaseerde samengestelde halfgeleiders al substantiële vooruitgang geboekt en worden uitgebreid gebruikt in hoge-temperatuur, hoge-vermogen en hoge-frequentie apparaten, waarin ohmische contacten cruciaal zijn voor goede apparaatprestaties. Tot nu toe is het nog steeds erg moeilijk om ohmische contacten te realiseren tot p-type GaN. Langere tijd zijn geoxideerd Ni/Au, Ni/Pd/Au en Pd/Ni etc. veelvoorkomende oplossingen, hoewel Au contacten ondoorzichtig, duur en instabiel zijn bij hoge temperatuur. Daarom is het zoeken naar een alternatief dat thermisch stabiel en transparant is dringend. Tot nu toe zijn transparante geleidende oxiden (TCO) zoals Al-gedopeerde ZnO (AZO) en Sn-gedopeerde In₂O₃ (ITO) breed gebruikt als elektrodematerialen. Echter, zowel tin als indium zijn duur en onvriendelijk voor het milieu. In tegenstelling is AZO veelbelovend vanwege zijn hoge doorzichtigheid, lage weerstand, lage kosten en non-toxiciteit. Er is gerapporteerd dat AZO films kunnen worden bereid door veel methoden zoals atoomlaag depositie, sputteren, e-bundel verdamping, gepulste laser depositie en sol-gel. Vanwege het verschil in elektronaffiniteit tussen AZO (4,7 eV) en p-GaN (7,5 eV) is het moeilijk om ohmische contacten te bereiken door AZO direct op GaN te depositeren, hoewel gerapporteerd werd dat na aannealing de gedeponeerde AZO films op p-GaN resulteerden in ohmisch gedrag. Om het probleem op te lossen, zijn verschillende tussenlagen geïntroduceerd, bijv. NiO, Ag nanodeeltjes, p-InGaN, Pt laag en InON nanodots.

In dit werk werd een tweestaps methode ontwikkeld om ohmische contacten tussen AZO en p-GaN te bereiken. De eerste stap is het groeien van AZO dunne films als tussenlaag door polymere-geassisteerde depositie (PAD). AZO films met verschillende molaire verhoudingen van aluminium tot zink (n_Al : n_Zn) werden direct op p-GaN gegroeid. De invloed van verschillende groeitemperaturen en aannealtemperaturen op de kristallijne kwaliteit en de geleidbaarheid van de films werd uitgebreid bestudeerd. De tweede stap is het groeien van AZO dunne films door atoomlaag depositie (ALD) op de PAD-gegroeide AZO. De AZO films tonen een gunstige (002) orientatie met goede kristallijne kwaliteit, een goed ohmisch gedrag op p-GaN en hoge doorlaatbaarheid. De PAD-AZO laag zorgde voor ohmisch contact terwijl de ALD-AZO laag de specifieke contactweerstand en vlakweerstand verlaagde om het bruikbaar te maken.

Methoden

PAD is een nieuwe chemische-oplossing depositie methode die in de laatste jaren is ontwikkeld en is bewijs geleverd om een praktische methode te zijn om metaaloxide films met goede kristallijne kwaliteit op grote schaal van reguliere en irreguliere oppervlakken te groeien met zeer lage kosten. PAD-AZO films (ongeveer 30 nm) werden direct op p-GaN gegroeid volgens de standaard procedures van de PAD methode. De oplossing van de PAD-AZO films werd bereid door twee afzonderlijke oplossingen van Zn en Al gebonden aan polymeren te mengen. De concentraties van Zn (3,06 × 10⁻⁴ mol/mL) en Al (7,41 × 10⁻⁵ mol/mL) in deze twee oplossingen werden gekarakteriseerd door inductief gekoppelde plasma-atoomemissiespectrometrie (ICP-AES), en de verschillende volumes van de twee oplossingen werden samen gemengd, vormend AZO voorlopers met verschillende molaire verhoudingen van Al tot Zn. De gemengde oplossing werd gespincast op substraten bij 3000 rpm gedurende 40 s, en vervolgens voorverwarmd bij 60 °C in lucht voor 10 min op een hitteplaat. De films werden vervolgens verhit bij 500, 600, 700 en 800 °C gedurende 2 uur in lucht. ALD methode werd gebruikt als tweede stap om de geleidbaarheid te verhogen. De ALD-AZO films (ongeveer 120 nm) werden gedeponeerd bij 150 °C door gebruik te maken van Beneq TFS-200, en de details van het ALD proces kunnen in ons eerdere werk worden gevonden. De substraten in dit experiment waren p-GaN (de dragerconcentratie was ongeveer 1,2 × 10¹⁷ cm⁻³) en kwartsglas. Oppervlaktetopografie werd gemeten door atoomkrachtmicroscopie (AFM, Bruker Multimode 8). Kristalliniteit en oriëntatie van deze films werden gemeten door röntgendiffractie (XRD, Bede D1). Transmissie van de films werd gemeten door ultraviolet-zichtbaar spectrophotometer (UV-2550; Shimadzu, Kyoto, Japan). Elektrische resistiviteit werd gemeten door een Hall meting (Model 7707A, Lake Shore, USA) met behulp van een van der Pauw geometrie. De AZO films werden geëtst door fosforzuur voor ongeveer 2 min (de etssnelheid was ongeveer 100 nm/min) met een 1 cm² masker op hen om de vierkante vorm te vormen. Na etsen werden vier draaddraden aangesloten op de vier vierkante elektroden. Specifieke contactweerstand en stroom-spanning (I-V) curves werden gemeten door gebruik te maken van het circulaire transmissielijnmodel (CTLM) methode. CTLM patronen werden gedefinieerd op substraat door gebruik te maken van een standaard fotolithografische techniek voor de groei.

Resultaten en discussie

Figuur 1 toont de röntgendiffractie (XRD) spectra van de AZO films gedeponeerd direct op p-GaN substraten door de PAD methode. De groeitemperaturen waren ingesteld op 500 (Fig. 1a), 600 (Fig. 1b), 700 (Fig. 1c) en 800 °C (Fig. 1d), respectievelijk, en de samenstellingen van alle monsters werden hetzelfde gehouden (n_Al:n_Zn = 9:100). Uit Fig. 1b kan waargenomen worden dat de hoofdpiek geïndexeerd werd naar GaN (002), terwijl de schouder toegeschreven werd aan AZO (002). De AZO films gegroeid door PAD methode tonen een gunstige c-as oriëntatie. De AZO films gegroeid bij 500 °C en 600 °C tonen goede kristalliniteit, en de volledige breedte op half maximum (FWHM) van de (002) rocking curve waren 625 en 572 boogseconden. Duidelijk speelt de groeitemperatuur een cruciale rol voor de groei van AZO. Bij 500 °C brandde het polymer net uit en kan de kristallisatie beïnvloeden. Toen de temperaturen 700 °C en 800 °C waren, gebeurde ontbinding van AZO en dit was de reden van het verdwijnen van de schouder piek. Het kan worden verklaard dat de goede kristallijne kwaliteit van AZO toegeschreven wordt aan twee factoren: De eerste is gerelateerd aan de rooster match tussen ZnO en GaN, hun mismatch is minder dan 2% volgens de formule: |a_e − a_s|/a_e, waar a_s staat voor de roosterconstante van het substraat van GaN, a_e staat voor de roosterconstante van de epitaxiale laag van ZnO. De tweede is te danken aan de geoptimaliseerde groeitemperatuur van 600 °C waarop het polymer ontbond en ZnO kristalliseerde langs de c-as.

Figuur 2a toont schematische diagrammen van de structuren voor van der Pauw geometrie. Om meer redelijke resultaten te verkrijgen, voor alle elektrische tests, werden indium elektroden spot-geweld op AZO oppervlak. De AZO was n-type halfgeleider en ohmisch contact tussen AZO en indium elektrode was gemakkelijk te bereiken. Figuur 2b en de inzet van 2(b) toont I-V kenmerken en de resistiviteit van de AZO films die gegroeid zijn bij verschillende temperaturen (500, 600, 700 en 800 °C). Toen de groeitemperaturen van de PAD-AZO ingesteld waren op 500, 600 en 700 °C, waren de contacten tussen PAD-AZO en p-GaN ohmisch. Toen de groeitemperatuur bij 600 °C was, daalde de vlakweerstand met de toename van de groeitemperatuur, toen de groeitemperatuur ongeveer 600 °C was, bereikte de vlakweerstand de laagste waarde (740 Ω/□), en steeg het met de toename van de groeitemperatuur. Basisprincipe, de resistiviteit van de elektrode moet zo laag mogelijk zijn. Fig. 2c toont de I-V kenmerken van AZO films met verschillende molaire verhoudingen van Al tot Zn. Het kan waargenomen worden dat alle monsters lineaire I-V kenmerken vertoonden, wat impliceerde dat de contacten van de as-gedeponeerde AZO op p-GaN ohmisch waren. Figuur 2d toont de resistiviteit en dragerdichtheid van de AZO films versus verschillende molaire verhoudingen van Al tot Zn. De laagste vlakweerstand van de PAD-AZO was ongeveer 740 Ω/□. Het onthulde dat toen de molaire verhouding van Al tot Zn onder 9% was, de weerstand daalde met de toename van de molaire verhouding van Al tot Zn, en toen de molaire verhouding van Al tot Zn boven 9% was, steeg de weerstand dan met de toename van de molaire verhouding van Al tot Zn. En de variatietendens van de AZO films was vergelijkbaar met Fig. 2c. Duidelijk trad zelfcompensatie op bij hoge dopingsbereik. Het is duidelijk dat de geleidbaarheid verbeterd moet worden. Uit de vergelijking R_sh = ρ/t (waar ρ staat voor resistiviteit en t staat voor dikte van de film) kan bekend zijn dat de vlakweerstand (R_sh) daalt met de toename van de dikte van de film, dus de dikte van de PAD-AZO moet worden verhoogd om de resistiviteit te verlagen. Vanwege de kenmerken van de PAD methode, om de dikte van AZO films te verbeteren, waren meerdere spincasting en warmtebehandelingen onvermijdelijk. Echter, na diverse keren warmtebehandeling, werd gevonden dat de weerstand steeg, de vlakweerstand bereikte 7600 Ω/□. toen de dikte van PAD-AZO ongeveer 150 nm was. De toename van de weerstand kan worden veroorzaakt door meerdere warmtebehandelingen, dus andere oplossingen moeten worden gevonden. Ons groep's eerdere werk gaf aan dat de resistiviteit van ALD-AZO films relatief laag kan zijn, dus ALD methode werd toegevoegd.

Figuur 3a toont I-V kenmerken van de PAD-AZO, de ALD-AZO en tweestaps AZO gedeponeerd op p-GaN, de inzet toont I-V kenmerken van de ALD-AZO film die geanneald werd door snelle thermische anealing bij 600 °C in N₂ voor 60 s. Het gaf aan dat de weerstand van de ALD-AZO film veel kleiner was dan die van de PAD-AZO film. Echter, het contact tussen ALD-AZO en p-GaN was niet-ohmisch. De ALD-AZO films werden geanneald door RTA in N₂ (niet alleen 60 s, data niet getoond), de contacten tussen ALD-AZO en p-GaN waren nog steeds niet-ohmisch, dus de PAD-AZO laag was nodig. De resistiviteit van PAD-AZO (30 nm) en tweestaps AZO (150 nm) waren 2,221 × 10⁻³ Ω·cm en 2,175 × 10⁻³ Ω·cm. Het was moeilijk voor PAD methode om dikke AZO films met lage weerstand te groeien en de dikte van 30 nm kan een beetje dun zijn voor elektrodzen. Dus in dit geval werd PAD-AZO gebruikt om ohmisch contact te vormen, en ALD-AZO werd toegevoegd om de vlakweerstand te verlagen. Hoewel er een lichte verbetering was in resistiviteit, was de vlakweerstand aanzienlijk verlaagd tot 145 Ω/□. toen ALD methode werd geïntroduceerd. Een belangrijke parameter van ohmisch contact is gerelateerd aan de specifieke contactweerstand (R_c). Figuur 3b toont de ruwe data van de specifieke contact van de PAD-AZO (zonder ALD-AZO) en tweestaps AZO (met ALD-AZO) om specifieke contactweerstand te extraheren, de inzet toont de structuur van CTLM, de inwendige straal was 100 µm, en de ruimte tussen de inwendige en uitwendige straal varieerde van 5 tot 30 µm. Uit de data kan de specifieke contactweerstand worden berekend, de vergelijkingen zijn R_m ≈ R_sh[ln((r + s)/r)]/2π + L_T R_sh ln[(2r + s)/r(r + s)]/2π en R_c ≈ R_sh·L_T², waar R_m staat voor de weerstand tussen twee elektrodelen, r staat voor inwendige straal, L_T staat voor overdrachtslengte, in Fig. 3b, c = (r/s)*ln((r + s)/r), s staat voor de spacing tussen inwendige en uitwendige contact. De laagste specifieke contactweerstand van de PAD-AZO films was ongeveer 1,08 × 10⁻¹ Ω·cm², en de laagste specifieke contactweerstand van de tweestaps gedeponeerde AZO film was ongeveer 1,47 × 10⁻² Ω·cm². Ons inziens was de reductie van de specifieke contactweerstand toe te schrijven aan dat de resistiviteit van ALD-AZO films lager was dan die van PAD-AZO films, wat kan worden veroorzaakt door de dopant van waterstofatomen. Tegelijkertijd was de weerstand tussen indium elektrode en ALD-AZO kleiner dan die tussen indium elektrode en PAD-AZO. De weerstand gemeten door I-V test (bevat contactweerstand) was groter dan die gemeten door van der Pauw geometrie, het verschil tussen deze twee weerstanden in PAD-AZO (1200 Ω) was groter dan het verschil in ALD-AZO (300 Ω).

Figuur 4 toont de oppervlaktetopografie van de PAD-AZO films bij verschillende groeitemperaturen (a) 500, (b) 600, (c) 700 en (d) 800 °C, respectievelijk. Het kan waargenomen worden dat AZO begon te vormen op het substraat bij 500 °C. De AZO korrels waren uniform en compact toen de groeitemperatuur 600 °C was, met een gemiddelde korrelgrootte van ongeveer 70 nm. Echter bij 700 °C groeiden sommige korrels ten koste van anderen. Toen de groeitemperatuur 800 °C bereikte, werden de korrels groter. Overwegend het effect van groeitemperatuur en resistiviteit, werd 600 °C gekozen als de juiste groeitemperatuur. Figuur 4e toont de oppervlaktetopografie van de ALD-AZO film direct op p-GaN, en Fig. 4f toont de oppervlaktetopografie van de tweestaps gedeponeerde AZO film. Het kan geconcludeerd worden uit (e) en (f) dat hoewel de korrelgrootte veranderde, de structuur nog steeds mozaïek was. Deze verandering kan worden toegeschreven aan de invoeging van de PAD-AZO tussenlaag om de roostermismatch te verminderen.

Figuur 5 toont de doorlaatbaarheden van de AZO films met en zonder ALD-AZO laag. De groeicondities op kwarts werden hetzelfde gehouden als die op p-GaN. De doorlaatbaarheidsspectra voor de PAD-AZO films waren bijna hetzelfde voor alle monsters met de waarde boven 90% in het golflengtebereik van 400–700 nm, corresponderend met zichtbaar licht. Hoewel de doorlaatbaarheid daalde tot ongeveer 80% toen de ALD-AZO op de PAD-AZO films werd gedeponeerd, waren de doorlaatbaarheden nog steeds veel hoger dan die van geoxideerde Ni/Au films (55–70% in het zichtbare bereik) en bijna hetzelfde als de doorlaatbaarheid van ITO films.

Conclusies

In deze studie hebben we met succes AZO dunne films op p-GaN bereid door een combinatie van PAD en ALD methode. De AZO dunne films waren (002) georiënteerd, en hoog transparent (ongeveer 80%) in het golflengtebereik van 400–700 nm. De optimale resistiviteit was 2,175 × 10⁻³ Ω·cm en de laagste specifieke contactweerstand van de tweestaps gedeponeerde AZO film was ongeveer 1,47 × 10⁻² Ω·cm². Onze resultaten tonen aan dat de tweestaps methode kan worden gebruikt om transparante en geleidende AZO elektrodelen voor industriële toepassing te bereiden.