Высококачественные омические контакты: двухстадийное осаждение Al-допингированного ZnO на p-GaN

Аннотация

Тонкие пленки Al-допингированного оксида цинка (AZO) осаждались непосредственно на подложки p-GaN двухстадийным методом, сочетающим полимер-ассистированное осаждение (PAD) и атомно-слойное осаждение (ALD). Сформированы омические контакты AZO на p-GaN. Минимальное поверхностное сопротивление двухстадийных AZO-пленок составило 145 Ом/кв., а удельное контактное сопротивление снизилось до 1,47 × 10⁻² Ом·см². Прозрачность AZO-пленок оставалась выше 80% в видимом диапазоне. Сочетание методов PAD и ALD применимо для подготовки p-типа омических контактов в оптоэлектронике.

Введение

В настоящее время соединения на базе GaN достигли значительного прогресса и широко используются в высокотемпературных, высокомощных и высокочастотных устройствах, где омические контакты критичны для производительности. До сих пор реализация омических контактов к p-GaN остается серьезной проблемой. Долгое время стандартными решениями служили окисленные Ni/Au, Ni/Pd/Au, Pd/Ni и др., однако Au-контакты непрозрачны, дороги и нестабильны при высоких температурах. Поэтому поиск альтернативы — термически стабильной и прозрачной — острее некуда. Прозрачные проводящие оксиды (TCO), такие как AZO и ITO, широко применяются как электродные материалы. Однако олово и индий дороги и экологически небезопасны. В отличие от них, AZO перспективен благодаря высокой прозрачности, низкому сопротивлению, низкой стоимости и нетоксичности. Известно, что AZO-пленки можно получать множеством методов: ALD, спуттеринг, электронно-лучевое испарение, лазерное осаждение, сол-гель. Из-за разницы электронных сродств AZO (4,7 эВ) и p-GaN (7,5 эВ) прямое осаждение AZO на GaN не дает омического контакта, хотя отжиг осажденных пленок на p-GaN мог приводить к омическому поведению. Для решения проблемы вводили промежуточные слои: NiO, Ag-нанчастицы, p-InGaN, Pt-слой, InON-нан-точки.

В данной работе разработан двухстадийный метод получения омических контактов AZO/p-GaN. Первый этап — рост AZO-пленок как промежуточного слоя методом PAD. AZO-пленки с разными молярными соотношениями Al:Zn выращивались непосредственно на p-GaN. Изучалось влияние температур роста и отжига на кристаллическое качество и проводимость. Второй этап — рост AZO методом ALD поверх PAD-слоя. Полученные пленки демонстрируют благоприятную (002) ориентацию, хорошее кристаллическое качество, омическое поведение на p-GaN и высокую прозрачность. PAD-слой обеспечивает омический контакт, а ALD-слой снижает удельное контактное и поверхностное сопротивления до пригодных значений.

Методы

PAD — новый метод химического осаждения из раствора, разработанный в последние годы, доказавший себя для роста оксидных металлических пленок с хорошим кристаллическим качеством на больших площадях регулярных и нерегулярных поверхностей при очень низкой стоимости. PAD-AZO (~30 нм) растили непосредственно на p-GaN по стандартной процедуре. Раствор готовили смешиванием 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) характеризовали ИСП-АЭС. Разные объемы смешивали, формируя предшественники AZO с различными молярными соотношениями Al:Zn. Смесь наносили центрифугированием 3000 об/мин 40 с, предварительно нагревали 60 °C 10 мин на горячей пластине. Затем калили при 500, 600, 700 и 800 °C по 2 ч в воздухе. ALD использовали как второй этап для повышения проводимости. ALD-AZO (~120 нм) осаждали при 150 °C на Beneq TFS-200 (детали в предыдущих работах). Подложки: p-GaN (концентрация носителей ~1,2 × 10¹⁷ см⁻³) и кварцевое стекло. Топографию измеряли АФМ (Bruker Multimode 8). Кристалличность и ориентацию — рентгеновской дифракцией (XRD, Bede D1). Пропускание — УФ-виз спектрофотометром (UV-2550, Shimadzu, Япония). Сопротивление — Холлом (Model 7707A, Lake Shore, США) по схеме ван дер Пау. Пленки травили фосфорной кислотой ~2 мин (скорость ~100 нм/мин) с маской 1 см² для формирования квадратных электродов. После травли припаивали четыре вывода. Удельное контактное сопротивление и ВАХ измеряли методом круговой линии передачи (CTLM). CTLM-структуры формировали фотолитографией до осаждения.

Результаты и обсуждение

Рис. 1 показывает XRD-спектры AZO-пленок, осажденных методом PAD непосредственно на p-GaN. Температуры роста: 500 (а), 600 (б), 700 (в), 800 °C (г), состав везде одинаков (n_Al:n_Zn = 9:100). На рис. 1б основной пик соответствует GaN (002), плечо — AZO (002). PAD-AZO показывает благоприятную c-ориентацию. Пленки при 500 и 600 °C имеют хорошую кристалличность, FWHM качки (002) — 625 и 572 угл. сек. Температура роста критична: при 500 °C полимер только сгорает, влияя на кристаллизацию; при 700 и 800 °C происходит декомпозиция AZO, плечо исчезает. Хорошее качество AZO обусловлено двумя факторами: (1) малым несоответствием решеток ZnO и GaN (<2% по формуле |a_e - a_s|/a_e), (2) оптимальной температурой 600 °C, при которой полимер разлагается, а ZnO кристаллизуется вдоль c-оси.

Рис. 2а — схемы структур для геометрии ван дер Пау. Перед электрическими тестами индиевые электроды точечно приваривали к поверхности AZO. AZO — n-типа, омический контакт с индием легко достигается. Рис. 2б и вложение показывают ВАХ и удельное сопротивление AZO при разных температурах роста. При 500, 600, 700 °C контакты PAD-AZO/p-GaN омические. При 600 °м поверхностное сопротивление минимально (740 Ом/кв.), при 700 и 800 °C растет. Рис. 2в — ВАХ для разных соотношений Al:Zn. Все образцы показывают линейные ВАХ, т.е. контакты асай-депозитед AZO на p-GaN омические. Рис. 2г — удельное сопротивление и концентрация носителей vs соотношение Al:Zn. Минимум поверхностного сопротивления PAD-AZO ~740 Ом/кв. При Al:Zn < 9% сопротивление падает с ростом донирования, при > 9% — растет (самоскомпенсация). Проводимость требует улучшения. Из R_ш = ρ/t следует, что увеличение толщины снижает поверхностное сопротивление. Но многократное центрифугирование и отжиг для увеличения толщины PAD-AZO приводят к росту сопротивления: при ~150 нм R_ш достигало 7600 Ом/кв. Причиной могут быть многократные отжиги. Предыдущие работы группы показывали низкое удельное сопротивление ALD-AZO, поэтому добавили ALD-этап.

Рис. 3а — ВАХ PAD-AZO, ALD-AZO и двухстадийного AZO на p-GaN. Вложение — ВАХ ALD-AZO после быстрого термического отжига (RTA) 600 °C в N₂ 60 с. Сопротивление ALD-AZO значительно ниже PAD-AZO. Однако контакт ALD-AZO/p-GaN неомический. ALD-AZO после RTA в N₂ (не только 60 с) все равно неомический, поэтому нужен PAD-слой. Удельное сопротивление PAD-AZO (30 нм) и двухстадийного AZO (150 нм) — 2,221 × 10⁻³ и 2,175 × 10⁻³ Ом·см. PAD не позволяет вырастить толстые низкорезистивные пленки, 30 нм мало для электродов. PAD-AZO формирует омический контакт, ALD-AZO снижает поверхностное сопротивление. При незначительном улучшении удельного сопротивления поверхностное резко упало до 145 Ом/кв. при внедрении ALD. Важный параметр омического контакта — удельное контактное сопротивление (R_c). Рис. 3б — исходные данные для извлечения R_c для PAD-AZO (без ALD) и двухстадийного AZO (с ALD). Вложение — структура CTLM: внутренний радиус 100 мкм, зазор между внутренним и внешним радиусом 5–30 мкм. Из данных рассчитывают R_c по формулам R_m ≈ R_ш[ln((r+s)/r)]/2π + L_T R_ш ln[(2r+s)/r(r+s)]/2π и R_c ≈ R_ш·L_T². Минимум R_c для PAD-AZO ~1,08 × 10⁻¹ Ом·см², для двухстадийного AZO ~1,47 × 10⁻² Ом·см². Снижение R_c атрибуируют более низкому удельному сопротивлению ALD-AZO (возможно, за счет водородного легирования) и меньшему контактному сопротивлению индий/ALD-AZO vs индий/PAD-AZO. Сопротивление по ВАХ (с контактным) больше, чем по ван дер Пау; разница для PAD-AZO (1200 Ом) больше, чем для ALD-AZO (300 Ом).

Рис. 4 — топография PAD-AZO при разных температурах роста: (а) 500, (б) 600, (в) 700, (г) 800 °C. При 500 °C AZO начинает формироваться. При 600 °C зерна равномерные и компактные, средний размер ~70 нм. При 700 °C некоторые зерна растут за счет других. При 800 °C зерна становятся крупнее. Учитывая температуру и резистивность, 600 °C выбрана оптимальной. Рис. 4е — топография ALD-AZO прямо на p-GaN, 4ф — двухстадийного AZO. Из (е) и (ф): хотя размер зерен меняется, структура остается мозаичной. Это может быть связано с вставкой PAD-промежуточного слоя для снижения несоответствия решеток.

Рис. 5 — пропускание AZO-пленок с и без ALD-слоя. Условия роста на кварце те же, что на p-GaN. Пропускание PAD-AZO почти одинаково для всех образцов >90% при 400–700 нм (видимый свет). При добавлении ALD-AZO пропускание снижается до ~80%, но все равно значительно выше оксидированных Ni/Au (55–70%) и сравнимо с ITO.

Заключение

Успешно получены AZO-пленки на p-GaN комбинацией PAD и ALD. Пленки (002)-ориентированы, высокопрозрачны (~80% при 400–700 нм). Оптимальное удельное сопротивление 2,175 × 10⁻³ Ом·см, минимальное удельное контактное сопротивление двухстадийного AZO ~1,47 × 10⁻² Ом·см². Двухстадийный метод применим для подготовки прозрачных проводящих AZO-электродов для промышленного применения.