Optimalisatie van ohmse contacten naar p-GaAs nanodraden

Resultaten en discussie

Figuur 1a toont de IV-kenmerken voor monsters P1 tot P5, en figuur 1b een SEM-afbeelding van een Be-gedoteerde GaAs NW met elektrische contacten die worden gebruikt voor transportkarakterisering. De bijna symmetrische, niet-lineaire vorm van de IV's voor P1 tot P4 in Fig. 1a geeft aan dat de contacten van het Schottky-type zijn met vergelijkbare barrièrehoogten voor elk contact [35]. De niet-lineariteit van de IV voor monster P1 toont duidelijk aan dat het standaard p-GaAs-proces zoals in P1 geen Ohmse contacten oplevert zoals het geval is voor vlakke dunne GaAs-films. Gewoonlijk wordt in gedoteerde GaAs NW's HCl-oxideverwijdering gebruikt, mogelijk gevolgd door (NH₄ )₂ S_x oppervlaktepassivering voorafgaand aan metaalverdamping voor ohmse contactvorming [20, 21, 36, 37] in plaats van NH₄ OH. Bovendien is eerder een zuurstofplasmabehandeling van het blootgestelde NW-oppervlak gebruikt om de resterende resist van de NW-zijwanden te verwijderen [36, 38]. Als bijwerking kan dit proces echter oppervlaktedefecten in GaAs veroorzaken, zoals As-vacatures, wat resulteert in donorachtige vallen die verantwoordelijk zijn voor compensatie van de drager en daardoor de uitputtingslaagbreedte vergroten [5].

een IV van Be-gedoteerde GaAs NW's met elektrische contacten vervaardigd met behulp van de processen P1-P5 zoals beschreven in tabel 1. b SEM-afbeelding van een representatieve Be-gedoteerde GaAs NW met vier gelijkmatig verdeelde elektrische contacten. De schaalbalk is 1 μm

Om het effect van de zuurstofplasmabehandeling op de contactweerstand van p-GaAs NW's te evalueren, vergelijken we de IV van een monster met (P2) en zonder (P3) zuurstofplasmareiniging voorafgaand aan de oppervlaktebehandeling door HCl en (NH₄ )₂ S_x in afb. 1a. P2 levert de slechtste IV-prestatie (gedefinieerd als de elektrische stroomwaarde voor dezelfde aangelegde spanning) in alle monsters, maar monster P3 vertoont op zijn beurt een betere IV-prestatie dan het standaard p-GaAs-proces P1, en het met zuurstofplasma gereinigde P2. Dit impliceert twee significante resultaten:(i) het effect van de zuurstofplasmabehandeling is nadelig voor de contactweerstand, en (ii) de P3 met HCl-oxideverwijdering gecombineerd met (NH₄ )₂ S_x oppervlaktepassivering zorgt voor een lagere Schottky-barrièrehoogte van de metaal-halfgeleiderinterface in vergelijking met P1.

De IV-prestaties en het Ohmse karakter (kwalitatief beoordeeld door de IV-lineariteit) waren sterk verbeterd in P4 in vergelijking met P3 door een 5-nm Pt-laag toe te voegen onder de Ti/Pt/Au-multilaag, zoals te zien is in figuur 1a. De contactweerstand is verder verlaagd in P5 na RTA 30 s bij 400 ° C, waardoor een lineair IV-gedrag en verbeterde IV-prestaties worden bereikt in vergelijking met P4.

Om het effect van de verwerkingsparameters op de contactweerstand van monsters P1-P5 (chemische behandelingen, metallische meerlaagse lagen) te kwantificeren, tonen we in Fig. 2a de IV's van P1-P5 met een kleiner biasbereik; in dit geval vertonen de IV's lineair gedrag en worden ze voornamelijk bepaald door de contactweerstand [35]. De totale weerstand van het kanaal (contacten + NW) in het bereik van 100 mV uit figuur 2a werd berekend op basis van een lineaire passing van de IV-karakteristiekencurve, en de resultaten worden getoond in figuur 2b. Omdat de diameters van alle onderzochte NW's vergelijkbaar zijn en er slechts een kleine variatie van draad tot draad in de doteringsconcentratie is, zoals we eerder hebben gemeld [33], werden eventuele veranderingen van de totale weerstand toegeschreven aan de contactweerstand. De hogere weerstand in P2 in vergelijking met P1 en P3 bevestigt het nadelige effect van zuurstofplasmabehandeling uit de kwalitatieve analyse van de IV's in figuur 1a. Een opmerkelijk resultaat is de afname van de totale weerstand van 1400 kΩ in P3 tot 72 kΩ in P4 en een verdere afname tot 40 kΩ na RTA in P5, bereikt door een extra Pt-laag aan te brengen voorafgaand aan de Ti/Pt/Au-multilaag die wordt gebruikt in monsters P1-P3.

een IV van P1 tot P5 in het 100 mV toegepaste spanningsbereik. b Totale kanaalweerstand van de P1-P5 verkregen uit lineaire passing van de IV's in a

Een meer uitgebreid begrip van de microstructuur van de metaal-halfgeleiderinterface na de contactproductie is vereist om een ​​correlatie vast te stellen van de veranderingen in de contactweerstand waargenomen in monsters P1-P5. Het gebruik van Ti en Pt in Ohmse contactfabricage met GaAs is eerder gerapporteerd [39, 40], en de structurele eigenschappen van dunne Ti- en Pt-films zijn verdampt tot GaAs (100) oppervlak [41] en amorfe glassubstraten [42, 43] ] zijn ook geanalyseerd. Er werden echter geen dergelijke gedetailleerde studies gevonden voor GaAs (110) -oppervlak. Verwacht wordt dat de verschillende oppervlakteoriëntatie de kristallisatiedynamiek van de Ti- en Pt-dunne films zal beïnvloeden. Bovendien is de oppervlaktechemische passivering door (NH₄ )₂ S_x zou de resulterende dunne films verder kunnen beïnvloeden. De mate van kristallisatie van Pt (5 nm), Ti (20 nm) en Pt/Ti (5/20 nm) dunne films afgezet op ongedoteerd GaAs (110) substraat werd onderzocht door GIXRD om informatie te verkrijgen over de structurele eigenschappen van de eerste metaallagen in contact met de NW's in P1-P5. Voorafgaand aan de metaalverdamping ondergingen de GaAs (110)-substraten de natuurlijke oxideverwijdering door HCl:H₂ O en de (NH₄ )₂ S_x oppervlaktepassiveringstappen als de NW-monsters P3-P5. De details van de oppervlaktebehandelingen en metallische dunne films die zijn verdampt op GaAs (110)-substraat zijn samengevat in tabel 2.

De GIXRD-patronen van monsters S1-S4 worden getoond in het diffractiehoekbereik van 30 tot 60 ° in figuur 3a en in het bereik van 60 tot 90 ° in figuur 3b. De diffractiepatronen in figuur 3 zijn verticaal verschoven en gescheiden in twee diffractiehoekbereiken om een ​​betere schaling voor visualisatie te bieden. Eerst richten we ons op het effect van (NH₄ )₂ S_x oppervlaktepassivering op de mate van kristalliniteit van Ti-films verdampt op GaAs (110) substraat door monsters S1 en S2 te vergelijken. In Fig. 3a zien we overlappende lage intensiteit Ti (002) en Ti (101) pieken gecentreerd op respectievelijk 38,4 en 40,2 ° voor zowel S1 als S2. Verder wordt voor beide monsters ook een significant bredere Ti (102)-piek gecentreerd op 53,0 ° waargenomen, wat een amorf karakter suggereert. De Ti (103)-piek gecentreerd op 70,6 ° in figuur 3b wordt alleen waargenomen voor S1, wat de enige significante ongelijkheid tussen de monsters is. In het algemeen duiden de lage intensiteiten en brede pieken van S1 en S2 op een slechte kristalliniteit van de Ti-films wanneer ze worden afgezet op GaAs (110) oppervlak na verwijdering van HCl-oxide en ongeacht het gebruik van (NH₄ )₂ S_x passivering. In het geval van S3, waarvoor Pt werd afgezet op GaAs (110)-substraat met dezelfde oppervlaktebehandeling als in S2, zien we veel meer uitgesproken Pt (111), Pt (200), Pt (220), Pt (311), en Pt (222) diffractiepieken gecentreerd op respectievelijk 39,8°, 46,3°, 67,5°, 81,3° en 85,7°. Dit geeft aan dat de Pt-film in S3 een hogere mate van kristalliniteit vertoont in vergelijking met de Ti-monsters. Hetzelfde geldt voor S4 die vergelijkbare Pt-diffractiesignaturen vertoont als S3 in Fig. 3a, b. De brede en asymmetrische pieken tussen 35°–45°, 65°–75° en 75°–90° voor S4 worden gevormd door de overlapping van Ti (002)-Ti (101)-Pt (111), Ti ( respectievelijk 103)-Pt (220), en Ti (004)-Pt (311)-Pt (222) diffractiepieken. Een kwalitatieve vergelijking van de GIXRD-patronen van S2, S3 en S4 impliceert dat de kristalliniteitsgraad van Ti in S4 minstens op hetzelfde niveau ligt als in S1. De Ti (103)-piek bij 70,6 ° wordt waargenomen als een duidelijke schouder op de Pt (220)-piek in Fig. 3b en de Ti (102)-piek bij 53,0 ° in Fig. 3a is aanwezig met een lage intensiteit maar smalle lijnbreedte in S4 terwijl het een zeer brede, amorfe piek vertoont in S1 en S2. Dit resultaat suggereert een verbeterde mate van kristalliniteit van Ti wanneer het wordt afgezet op Pt in plaats van op het GaAs (110)-oppervlak, wat in het volgende direct zal worden gecorreleerd met de elektrische contacteigenschappen beschreven in Fig. 1 en 2.

GIXRD-patronen uit samples S1-S4 van de a 30 tot 60° diffractiehoekbereik en (b ) 60 tot 90 ° bereik. De gestippelde grijze lijnen vertegenwoordigen exponentiële vervalbasislijnen die afkomstig zijn van diffuse röntgenverstrooiing. De verticale gestippelde zwarte lijnen komen overeen met de verschillende diffractievlakken van Ti en Pt, aangeduid bovenaan a en b

De GIXRD-analyse van de metaallagen in S1-S4 stelt ons in staat om de mate van kristalliniteit van Ti en Pt afgezet op GaAs (110) -substraat en de totale weerstandsresultaten van P1-P5 in figuur 2b te correleren. Het is belangrijk om te benadrukken dat we in dit werk onze correlaties van de veranderingen in de totale weerstand van P1-P5 voornamelijk baseren op de GIXRD-gegevens verkregen van S1-S4. We nemen aan dat andere factoren, zoals de kwaliteit van de metaal-NW-interface vanwege de hexagonale geometrie van de NW-zijwanden, een verwaarloosbare bijdrage leveren aan de totale weerstandsveranderingen die worden waargenomen in P1-P5. De (NH₄ )₂ S_x oppervlaktepassivering heeft een gunstig effect op de eigenschappen van het GaAs-metaalgrensvlak, zoals blijkt uit vergelijking van de IV en totale weerstand van monsters P1 en P3, maar met een lage mate van kristalliniteit van de Ti-film wanneer deze rechtstreeks op het GaAs-oppervlak (110) wordt afgezet , zoals waargenomen in S1 en S2. Dit zou het gevolg kunnen zijn van een reactie van zwavel met het overgroeide Ti. Bovendien is gemeld dat Ti zeer reactief is met de resterende onzuiverheden in de verdampingskamer tijdens metaalafzetting [41], waardoor extra lagen tussen het metaal/GaAs worden gevormd en daardoor de contactweerstand toeneemt [5]. Zoals eerder besproken, werd de toename van de contactweerstand in P2 toegeschreven aan de mogelijke oppervlaktebeschadigingen veroorzaakt door de zuurstofplasmareiniging. De toevoeging van een dunne Pt-laag tussen het Ti- en GaAs (110)-oppervlak zoals in S4 resulteert in een hogere mate van kristalliniteit van de Ti-film in vergelijking met S1 en S2. Dit resultaat kan worden gecorreleerd met de afname van de totale kanaalweerstand van 1400 kΩ in P3 naar 72 kΩ in P4, wat gepaard gaat met een afname van de contactweerstand. De RTA verlaagt verder de totale kanaalweerstand tot 40 kΩ in P5 naast de toename van het Ohmse karakter van de IV getoond in Fig. 2a. Dit resultaat geeft aan dat er geen schadelijke reacties optreden tussen Pt en GaAs-oppervlak in de gebruikte gloeitemperatuur en tijd [29,30,31].