Двухэтапное осаждение ZnO, легированного алюминием, на p-GaN с образованием омических контактов

Фон

В настоящее время составные полупроводники на основе GaN уже достигли значительного прогресса и широко используются в высокотемпературных, высокомощных и высокочастотных устройствах [1, 2], в которых омические контакты имеют решающее значение для хорошей работы устройства. Реализовать омические контакты к GaN p-типа пока очень сложно [3,4]. В течение длительного периода времени окисленные Ni / Au [5], Ni / Pd / Au [6] и Pd / Ni [7] и т. Д. Являются обычными растворами, хотя контакты Au непрозрачны, дороги и нестабильны при высоких температурах. Следовательно, неизбежен поиск альтернативы, которая была бы термически стабильной и прозрачной. До сих пор прозрачные проводящие оксиды (TCO), такие как ZnO, легированный алюминием (AZO) и In ₂ , легированный оловом О ₃ (ITO) широко используются в качестве электродных материалов. Однако как олово, так и индий являются дорогостоящими и вредными для окружающей среды. Напротив, AZO является многообещающим из-за его высокой прозрачности, низкой резистентности, низкой стоимости и нетоксичности [8,9,10]. Сообщалось, что пленки AZO могут быть получены многими методами, такими как осаждение атомных слоев [8], распыление [11], электронно-лучевое испарение [12], импульсное лазерное осаждение [13] и золь-гель [14]. Из-за разницы сродства к электрону между AZO (4,7 эВ) и p-GaN (7,5 эВ) [15] трудно достичь омических контактов путем прямого нанесения AZO на GaN [16], хотя сообщалось, что после отжига осаждение пленок AZO на p-GaN приводило к омическому поведению [17,18]. Для решения этой проблемы было введено несколько видов прослоек, например, NiO [16], наночастицы Ag [19, 20], p-InGaN [21], слой Pt [22] и наноточки InON [23].

В этой работе был разработан двухэтапный метод достижения омических контактов между AZO и p-GaN. Первым шагом является выращивание тонких пленок AZO в качестве промежуточного слоя путем осаждения с помощью полимера (PAD). Пленки AZO с различными мольными отношениями катионов металлов алюминия к цинку (n _Al :N _Zn ) были выращены непосредственно на p-GaN. Влияние различных температур роста и отжига на кристаллическое качество и проводимость пленок было тщательно изучено. Второй шаг заключается в выращивании тонких пленок AZO путем осаждения атомных слоев (ALD) на поверхность AZO, выращенного на основе PAD. Пленки AZO демонстрируют благоприятную ориентацию (002) с хорошим кристаллическим качеством, хорошим омическим поведением на p-GaN и высоким коэффициентом пропускания. Слой PAD-AZO обеспечивал омический контакт, в то время как слой ALD-AZO уменьшал удельное контактное сопротивление и сопротивление листа, делая его пригодным для использования.

Методы

PAD - это новый метод осаждения из химического раствора, разработанный в последние годы и зарекомендовавший себя как практичный метод выращивания пленок оксидов металлов с хорошим кристаллическим качеством в больших масштабах на регулярных и нерегулярных поверхностях с очень низкими затратами [24,25,26, 27]. Пленки PAD-AZO (около 30 нм) выращивали непосредственно на p-GaN, следуя стандартным процедурам метода PAD [24]. Раствор пленок PAD-AZO был приготовлен путем смешивания двух отдельных растворов Zn и Al, связанных с полимерами. Концентрации Zn (3,06 × 10 ⁻⁴ моль / мл) и Al (7,41 × 10 ⁻⁵ моль / мл) в этих двух растворах были охарактеризованы атомно-эмиссионным спектрометром с индуктивно связанной плазмой (ICP-AES), и различные объемы двух растворов были смешаны вместе, образуя предшественники AZO с различными мольными отношениями Al к Zn. Смешанный раствор наносили центрифугированием на подложки при 3000 об / мин в течение 40 с, а затем предварительно нагревали при 60 ° C на воздухе в течение 10 минут на горячей плите. Затем пленки нагревали при 500, 600, 700 и 800 ° C в течение 2 ч на воздухе. Метод ALD был использован в качестве второго шага для увеличения проводимости. Пленки ALD-AZO (около 120 нм) были нанесены при 150 ° C с использованием Beneq TFS-200, и подробности процесса ALD можно найти в нашей предыдущей работе [8,9,10]. В качестве подложек в этом эксперименте использовался p-GaN (концентрация носителей составляла около 1,2 × 10 ¹⁷ см ⁻³ ) и кварцевое стекло. Топографию поверхности измеряли с помощью атомно-силовой микроскопии (AFM, Bruker Multimode 8). Кристалличность и ориентацию этих пленок измеряли с помощью дифракции рентгеновских лучей (XRD, Bede D1). Пропускание пленок измеряли спектрофотометром в ультрафиолетовой и видимой области (UV-2550; Shimadzu, Киото, Япония). Удельное электрическое сопротивление измеряли методом Холла (модель 7707A, Лейк-Шор, США) с использованием геометрии Ван-дер-Пау. Пленки AZO протравливались фосфорной кислотой в течение примерно 2 мин (скорость травления составляла примерно 100 нм / мин) с размером 1 см ² замаскируйте на них, чтобы сформировать квадратную форму. После травления к четырем квадратным электродам подсоединяли четыре выводных провода. Удельное контактное сопротивление и кривые вольт-амперной характеристики (I-V) были измерены с использованием метода кольцевой модели линии передачи (CTLM). Картины CTLM были определены на подложке с использованием стандартной фотолитографической техники перед выращиванием.

Результаты и обсуждение

На рис. 1 показаны спектры рентгеновской дифракции (XRD) пленок AZO, нанесенных непосредственно на подложки p-GaN методом PAD. Температуры выращивания были установлены на уровне 500 (рис. 1a), 600 (рис. 1b), 700 (рис. 1c) и 800 ° C (рис. 1d), соответственно, и состав всех образцов сохранялся одинаковым (n _Аль :n _Zn =9:100). Из рис. 1b видно, что основной пик был отнесен к GaN (002), а плечо - к AZO (002). Пленки AZO, выращенные методом PAD, показывают благоприятную ориентацию оси c. Пленки AZO, выращенные при 500 ° C и 600 ° C, демонстрируют хорошую кристалличность, а полная ширина на полувысоте (FWHM) кривой качания (002) составляла 625 и 572 угловых секунды. Очевидно, что повышение температуры играет решающую роль для роста AZO. При 500 ° C полимер просто выгорел и мог повлиять на кристаллизацию. При температурах 700 ° C и 800 ° C произошло разложение AZO, что явилось причиной исчезновения плечевого пика. Можно объяснить, что хорошее кристаллическое качество AZO объясняется двумя факторами:первый связан с соответствием решеток между ZnO и GaN, их несоответствие составляет менее 2% согласно следующей формуле:| a _e - _s | / а _e , где a _s обозначает постоянную решетки подложки GaN, a _e обозначает постоянную решетки эпитаксиального слоя ZnO. Во-вторых, благодаря оптимизированной температуре роста 600 ° C, при которой полимер разложился и ZnO кристаллизовался вдоль оси c.

Спектры рентгеновской дифракции пленок AZO, осажденных непосредственно на подложку p-GaN методом PAD, при различной температуре. а 500 ° С; б 600 ° С; c 700 ° C и d 800 ° С. Внутренние графики ( a ) и ( b ) показывают кривую качания дифракционного пика 002 AZO

На рис. 2а показаны схематические изображения структур для геометрии Ван-дер-Пау. Для получения более приемлемых результатов перед всеми электрическими испытаниями индиевые электроды приваривали точечной сваркой к поверхности АЗО. AZO был полупроводником n-типа, и омический контакт между AZO и индиевым электродом был легко достигнут. На рис. 2b и на внутреннем графике 2 (b) показаны ВАХ и удельное сопротивление пленок AZO, выращенных при различных температурах (500, 600, 700 и 800 ° C). Когда температуры роста PAD-AZO были установлены на 500, 600 и 700 ° C, контакты между PAD-AZO и p-GaN были омическими. Когда температура роста составляла 600 ° C, сопротивление листа уменьшалось с увеличением температуры роста, когда температура роста составляла около 600 ° C, сопротивление листа достигало самого низкого значения (740 Ом / кв. повышение температуры роста. По сути, удельное сопротивление электрода должно быть как можно более низким. На рис. 2в показаны ВАХ пленок AZO с различным мольным отношением Al к Zn. Можно заметить, что все образцы демонстрировали линейные ВАХ, из чего следовало, что контакты осажденного AZO на p-GaN были омическими. На рис. 2d показаны удельное сопротивление и плотность носителей пленок AZO в зависимости от различных мольных отношений Al к Zn. Наименьшее сопротивление листа PAD-AZO составило около 740 Ом / кв. Было обнаружено, что, когда мольное отношение Al к Zn было ниже 9%, сопротивление снижалось с увеличением мольного отношения Al к Zn, а когда мольное отношение Al к Zn превышало 9%, сопротивление затем увеличивалось с увеличением молярного отношения Al к Zn. увеличение мольного отношения Al к Zn. И тенденция изменения пленок AZO была аналогична рис. 2c. Очевидно, самокомпенсация происходила при большом диапазоне допирования. Очевидно, что проводимость еще предстоит улучшить. Это можно узнать из уравнения R _sh =Ρ / t (где ρ - удельное сопротивление, а t - толщина пленки), что сопротивление листа (R _sh ) уменьшается с увеличением толщины пленки, следовательно, толщина PAD-AZO должна быть увеличена для уменьшения удельного сопротивления. Из-за характеристик метода PAD, чтобы улучшить толщину пленок AZO, было неизбежно многократное центрифугирование и термообработка [28]. Однако после нескольких раз термообработки было обнаружено, что сопротивление увеличилось, сопротивление листа достигло 7600 Ом / кв. когда толщина PAD-AZO составляла около 150 нм. Повышение сопротивления может быть вызвано многократной термообработкой, поэтому необходимо найти другие решения. Предыдущая работа нашей группы показала, что удельное сопротивление пленок ALD-AZO может быть относительно низким [8,9,10], поэтому был добавлен метод ALD.

а Эскизные графики, демонстрирующие геометрию Ван дер Пау. б Удельное сопротивление пленок AZO с разной температурой роста (500, 600, 700 и 800 ° C). Внутренний график ( b ) показывает температурную зависимость удельного сопротивления. c Вольт-амперные характеристики различных мольных отношений Al к Zn. г Удельное сопротивление и плотность носителей в зависимости от различных мольных отношений Al к Zn

На рисунке 3a показаны ВАХ PAD-AZO, ALD-AZO и двухступенчатого AZO, нанесенных на p-GaN, внутренний график показывает ВАХ пленки ALD-AZO, отожженной путем быстрого термического отжига при 600 ° C в N ₂ на 60 с. Это указывало на то, что сопротивление пленки ALD-AZO было намного меньше, чем сопротивление пленки PAD-AZO. Однако контакт между ALD-AZO и p-GaN был неомическим. Пленки ALD-AZO отжигались методом RTA в N ₂ (не только в течение 60 с, данные не показаны) контакты между ALD-AZO и p-GaN все еще были неомическими, поэтому слой PAD-AZO был необходим. Удельное сопротивление PAD-AZO (30 нм) и двухступенчатого AZO (150 нм) составляло 2,221 × 10 ⁻³ Ом · см и 2,175 × 10 ⁻³ Ом · см. Методу PAD было сложно выращивать толстые пленки AZO с низким сопротивлением, а толщина 30 нм может быть немного тонкой для электродов. В этом случае PAD-AZO использовался для формирования омического контакта, а ALD-AZO был добавлен для уменьшения сопротивления листа. Несмотря на небольшое улучшение удельного сопротивления, сопротивление листа значительно снизилось до 145 Ом / кв. когда был введен метод ALD. Важный параметр омического контакта связан с удельным сопротивлением контакта (R _c ). На рисунке 3b показаны необработанные данные конкретного контакта PAD-AZO (без ALD-AZO) и двухступенчатого AZO (с ALD-AZO) для извлечения удельного сопротивления контакта, внутренний график показывает структуру CTLM, внутренняя точка радиус составлял 100 мкм, а расстояние между внутренним и внешним радиусом варьировалось от 5 до 30 мкм. По данным можно рассчитать удельное контактное сопротивление, уравнения:R _m ≈ R _sh [ln ((r + s) / r)] / 2π + L _T Р _ш ln [(2r + s) / r (r + s)] / 2π и R _c ≈ R _sh · L _T ² , где R _m обозначает сопротивление между двумя электродами, r обозначает внутренний радиус, L _T обозначает длину переноса, на рис. 3b c =(r / s) * ln ((r + s) / r), s обозначает расстояние между внутренним и внешним контактом. Наименьшее удельное контактное сопротивление пленок PAD-AZO составляло около 1,08 × 10 ^-1 . Ом · см ² , а наименьшее удельное контактное сопротивление двухступенчатой ​​осажденной пленки AZO составляло около 1,47 × 10 ^-2 Ом · см ² . По нашему мнению, снижение удельного контактного сопротивления было связано с тем, что удельное сопротивление пленок ALD-AZO было ниже, чем у пленок PAD-AZO, что может быть вызвано добавкой атомов водорода [8, 29]. В то же время сопротивление между индиевым электродом и ALD-AZO было меньше, чем сопротивление между индиевым электродом и PAD-AZO. Сопротивление, измеренное с помощью испытания IV (содержащееся контактное сопротивление), было больше, чем сопротивление, измеренное с помощью геометрии Ван дер Пау, разница между этими двумя сопротивлениями в PAD-AZO (1200 Ом) была больше, чем разница в ALD-AZO (300 Ом).

а Вольт-амперные характеристики PAD-AZO, ALD-AZO и двухступенчатого AZO, выращенных на p-GaN. Внутренний график ( a ) показывает ВАХ ALD-AZO, отожженного RTA в N ₂ на 60 с. б показаны необработанные данные и данные линейной подгонки конкретного контакта PAD-AZO (без ALD-AZO) и двухступенчатого AZO (с ALD-AZO) для извлечения удельного сопротивления контакта, внутренний график ( b ) показывает структуру CTLM

На рис. 4 показана топография поверхности пленок PAD-AZO при различных температурах роста (а) 500, (б) 600, (в) 700 и (г) 800 ° C, соответственно. Можно заметить, что AZO начал образовываться на подложке при 500 ° C. Зерна AZO были однородными и компактными, когда температура роста составляла 600 ° C, со средним размером зерна около 70 нм. Однако при 700 ° C одни зерна выросли за счет других. Когда температура роста достигала 800 ° C, зерна становились крупнее. Принимая во внимание влияние температуры роста и удельного сопротивления, в качестве надлежащей температуры роста была выбрана 600 ° C. На рисунке 4e показана топография поверхности пленки ALD-AZO непосредственно на p-GaN, а на рисунке 4f показана топография поверхности двухступенчатой ​​осажденной пленки AZO. Из (e) и (f) можно сделать вывод, что, хотя размер зерна изменился, структура все еще оставалась мозаичной. Это изменение может быть связано с введением промежуточного слоя PAD-AZO для уменьшения несоответствия решеток.

а , b , c , d Морфология поверхности пленок PAD-AZO (1 мкм × 1 мкм) при различных температурах роста 500, 600, 700 и 800 ° C соответственно. е морфология поверхности пленки ALD-AZO непосредственно на p-GaN. е топография поверхности двухступенчатой ​​осажденной пленки AZO

На рис. 5 показаны коэффициенты пропускания пленок AZO со слоем ALD-AZO и без него. Условия выращивания на кварце были такими же, как и на p-GaN. Спектры пропускания пленок PAD-AZO были практически одинаковыми для всех образцов со значением более 90% в диапазоне длин волн 400–700 нм, соответствующем видимому свету. Хотя коэффициент пропускания снизился примерно до 80%, когда ALD-AZO был нанесен на пленки PAD-AZO, коэффициент пропускания все еще был намного выше, чем у окисленных пленок Ni / Au (55–70% в видимом диапазоне) [30] и почти то же самое с коэффициентом пропускания пленок ITO [31].

Коэффициенты пропускания пленок PAD-AZO и двухступенчатых пленок AZO

Выводы

В этом исследовании мы успешно приготовили тонкие пленки AZO на p-GaN с помощью комбинации метода PAD и ALD. Тонкие пленки AZO имели ориентацию (002) и имели высокую прозрачность (около 80%) в диапазоне длин волн 400–700 нм. Оптимальное сопротивление составляло 2,175 × 10 ⁻³ . Ом · см, а наименьшее удельное контактное сопротивление двухступенчатой ​​осажденной пленки AZO составляло около 1,47 × 10 ^-2 . Ом · см ² . Наши результаты показывают, что двухэтапный метод можно использовать для изготовления прозрачных и проводящих электродов AZO для промышленного применения.