Deposisi dua langkah ZnO yang didoping Al pada p-GaN untuk membentuk kontak ohmik
Abstrak
Lapisan tipis ZnO (AZO) yang didoping Al diendapkan langsung pada substrat p-GaN dengan menggunakan metode deposisi dua tahap yang terdiri dari metode deposisi berbantuan polimer (PAD) dan deposisi lapisan atom (ALD). Kontak ohmik AZO pada p-GaN telah terbentuk. Resistansi lembaran terendah dari film AZO dua langkah yang disiapkan mencapai 145 /sq, dan resistansi kontak spesifik berkurang menjadi 1,47 × 10
−2
·cm
2
. Transmisi film AZO tetap di atas 80% di wilayah yang terlihat. Kombinasi teknik PAD dan ALD dapat digunakan untuk menyiapkan kontak ohmik tipe-p untuk optoelektronika.
Latar Belakang
Saat ini semikonduktor senyawa berbasis GaN telah mencapai kemajuan substansial dan telah digunakan secara komprehensif pada perangkat suhu tinggi, daya tinggi, dan frekuensi tinggi [1, 2], di mana kontak ohmik sangat penting untuk kinerja perangkat yang baik. Sejauh ini, masih sangat sulit untuk merealisasikan kontak ohmik pada GaN tipe-p [3, 4]. Selama periode waktu yang lama, teroksidasi Ni/Au [5], Ni/Pd/Au [6] dan Pd/Ni [7] dll adalah solusi umum, meskipun kontak Au buram, mahal dan tidak stabil pada suhu tinggi. Oleh karena itu, mencari alternatif yang stabil secara termal dan transparan sudah dekat. Sampai sekarang, oksida konduktif transparan (TCO) seperti Al-doped ZnO (AZO) dan Sn-doped In2 O3 (ITO) telah banyak digunakan sebagai bahan elektroda. Namun, timah dan indium keduanya mahal dan tidak ramah lingkungan. Sebaliknya, AZO menjanjikan karena transparansinya yang tinggi, resistansi rendah, biaya rendah dan tidak beracun [8,9,10]. Telah dilaporkan bahwa film AZO dapat dibuat dengan banyak metode seperti deposisi lapisan atom [8], sputtering [11], penguapan e-beam [12], deposisi laser berdenyut [13] dan sol-gel [14]. Karena perbedaan afinitas elektron antara AZO (4,7 eV) dan p-GaN (7,5 eV) [15], sulit untuk mencapai kontak ohmik dengan mendepositkan AZO secara langsung ke GaN [16], meskipun dilaporkan bahwa setelah anil film AZO yang disimpan pada p-GaN menghasilkan perilaku ohmik [17, 18]. Untuk mengatasi masalah tersebut, beberapa jenis interlayer telah diperkenalkan, misalnya, NiO [16], nanopartikel Ag [19, 20], p-InGaN [21], lapisan Pt [22] dan nanodot InON [23].
Dalam karya ini, metode dua langkah dikembangkan untuk mencapai kontak ohmik antara AZO dan p-GaN. Langkah pertama adalah menumbuhkan film tipis AZO sebagai interlayer dengan polymer-assisted deposition (PAD). Film AZO dengan rasio mol kation logam yang berbeda dari aluminium terhadap seng (nAl : nZn ) ditanam langsung pada p-GaN. Pengaruh suhu tumbuh yang berbeda dan suhu anil pada kualitas kristal dan konduktivitas film dipelajari secara ekstensif. Langkah kedua adalah menumbuhkan film tipis AZO dengan deposisi lapisan atom (ALD) di atas AZO yang ditumbuhkan PAD. Film AZO menunjukkan orientasi (002) yang baik dengan kualitas kristal yang baik, perilaku ohmik yang baik pada p-GaN dan transmitansi yang tinggi. Lapisan PAD-AZO memastikan kontak ohmik sementara lapisan ALD-AZO menurunkan resistansi kontak spesifik dan resistansi lembaran agar dapat digunakan.
Metode
PAD adalah metode deposisi larutan kimia baru yang dikembangkan dalam beberapa tahun terakhir dan telah terbukti menjadi metode praktis untuk menumbuhkan film oksida logam dengan kualitas kristal yang baik pada skala besar permukaan beraturan dan tidak beraturan dengan biaya yang sangat rendah [24,25,26, 27]. Film PAD-AZO (sekitar 30 nm) ditanam langsung pada p-GaN mengikuti prosedur standar metode PAD [24]. Larutan film PAD-AZO dibuat dengan mencampurkan dua larutan terpisah Zn dan Al yang terikat pada polimer. Konsentrasi Zn (3,06 × 10
−4
mol/mL) dan Al (7,41 × 10
−5
mol/mL) dalam dua larutan ini dicirikan oleh spektrometer emisi atom plasma (ICP-AES) yang digabungkan secara induktif, dan volume yang berbeda dari kedua larutan tersebut dicampur bersama, membentuk prekursor AZO dengan rasio mol Al terhadap Zn yang berbeda. Larutan campuran tersebut dilapisi spin ke substrat pada 3000 rpm selama 40 detik, dan kemudian dipanaskan pada 60 °C di udara selama 10 menit di atas hot plate. Film kemudian dipanaskan pada suhu 500, 600, 700 dan 800 °C selama 2 jam di udara. Metode ALD digunakan sebagai langkah kedua untuk meningkatkan konduktivitas. Film ALD-AZO (sekitar 120 nm) diendapkan pada 150 °C dengan menggunakan Beneq TFS-200, dan detail proses ALD dapat ditemukan dalam pekerjaan kami sebelumnya [8,9,10]. Substrat dalam percobaan ini adalah p-GaN (konsentrasi pembawa sekitar 1,2 × 10
17
cm
−3
) dan kaca kuarsa. Topografi permukaan diukur dengan mikroskop gaya atom (AFM, Bruker Multimode 8). Kristalinitas dan orientasi film ini diukur dengan difraksi sinar-x (XRD, Bede D1). Transmisi film diukur dengan spektrofotometer ultraviolet-tampak (UV-2550; Shimadzu, Kyoto, Jepang). Resistivitas listrik diukur dengan pengukuran hall (Model 7707A, Lake Shore, USA) menggunakan geometri van der pauw. Film AZO digores dengan asam fosfat selama sekitar 2 menit (kecepatan pengetsaan sekitar 100 nm/menit) dengan 1 cm
2
topeng pada mereka untuk membentuk bentuk persegi. Setelah etsa, empat kabel timah dihubungkan ke empat elektroda persegi. Resistensi kontak spesifik dan kurva arus-tegangan (I-V) diukur dengan menggunakan metode model saluran transmisi melingkar (CTLM). Pola CTLM ditentukan pada substrat dengan menggunakan teknik fotolitografi standar sebelum ditumbuhkan.
Hasil dan diskusi
Gambar 1 menunjukkan spektrum difraksi sinar-x (XRD) dari film AZO yang diendapkan langsung pada substrat p-GaN dengan metode PAD. Suhu tumbuh ditetapkan pada 500 (Gbr. 1a), 600 (Gbr. 1b), 700 (Gbr. 1c) dan 800 °C (Gbr. 1d), masing-masing, dan komposisi semua sampel tetap sama (n Al :nZn = 9:100) Dapat diamati dari Gambar 1b bahwa puncak utama diindeks ke GaN (002), sedangkan bahu dikaitkan dengan AZO (002). Film AZO tumbuh dengan metode PAD menunjukkan orientasi sumbu c yang menguntungkan. Film AZO yang ditumbuhkan pada 500 °C dan 600 °C menunjukkan kristalinitas yang baik, dan lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM) dari kurva goyang (002) adalah 625 dan 572 busur. Jelas, suhu tumbuh memainkan peran penting untuk pertumbuhan AZO. Pada 500 °C, polimer baru saja terbakar dan mungkin berdampak pada kristalisasi. Ketika suhu 700 °C dan 800 °C, dekomposisi AZO terjadi dan inilah penyebab hilangnya puncak bahu. Dapat dijelaskan bahwa kualitas kristal AZO yang baik disebabkan oleh dua faktor:Yang pertama terkait dengan kecocokan kisi antara ZnO dan GaN, ketidaksesuaiannya kurang dari 2% sesuai dengan rumus berikut:|ae as |/ae , di mana as singkatan dari konstanta kisi substrat GaN, ae singkatan dari konstanta kisi epilayer ZnO. Yang kedua adalah karena suhu pertumbuhan yang dioptimalkan 600 °C di mana polimer terdekomposisi dan ZnO mengkristal sepanjang sumbu-c.
Spektrum difraksi sinar-X film AZO diendapkan langsung pada substrat p-GaN dengan metode PAD pada temperatur yang berbeda. a 500 °C; b 600 °C; c 700 °C dan h 800 °C. Grafik bagian dalam dari (a ) dan (b ) menunjukkan kurva goyang dari puncak difraksi 002 AZO
Gambar 2a menunjukkan diagram skematik struktur untuk geometri van der pauw. Untuk mendapatkan hasil yang lebih masuk akal, sebelum semua pengujian listrik, elektroda indium dilas pada permukaan AZO. AZO adalah semikonduktor tipe-n dan kontak ohmik antara AZO dan elektroda indium mudah dicapai. Gambar 2b dan grafik bagian dalam dari 2 (b) menunjukkan karakteristik I-V dan resistivitas film AZO yang ditumbuhkan pada suhu yang berbeda (500, 600, 700 dan 800 °C). Ketika suhu pertumbuhan PAD-AZO diatur pada 500, 600 dan 700 °C, kontak antara PAD-AZO dan p-GaN adalah ohmik. Pada suhu pertumbuhan 600 °C, resistensi lembaran menurun dengan meningkatnya suhu pertumbuhan, ketika suhu pertumbuhan sekitar 600 °C, resistensi lembaran mencapai nilai terendah (740 /sq), dan meningkat dengan kenaikan suhu pertumbuhan. Pada dasarnya, resistivitas elektroda harus serendah mungkin. Gambar 2c menunjukkan karakteristik IV film AZO dengan rasio mol Al terhadap Zn yang berbeda. Dapat diamati bahwa semua sampel menunjukkan karakteristik I-V linier, yang menyiratkan bahwa kontak AZO yang diendapkan pada p-GaN adalah ohmik. Gambar 2d menunjukkan resistivitas dan densitas pembawa film AZO versus rasio mol Al terhadap Zn yang berbeda. Resistansi lembaran terendah dari PAD-AZO adalah sekitar 740 /sq. Ini mengungkapkan bahwa ketika rasio mol Al terhadap Zn di bawah 9%, resistansi menurun dengan meningkatnya rasio mol Al terhadap Zn, dan ketika rasio mol Al terhadap Zn lebih dari 9%, resistansi kemudian meningkat dengan meningkatnya perbandingan mol Al terhadap Zn. Dan kecenderungan variasi film AZO mirip dengan Gambar 2c. Jelas, kompensasi diri terjadi pada kisaran doping tinggi. Jelas bahwa konduktivitas masih harus ditingkatkan. Dapat diketahui dari persamaan Rsh = ρ/t (di mana adalah resistivitas dan t adalah ketebalan film) bahwa resistansi lembaran (Rsh ) menurun dengan bertambahnya ketebalan film, maka ketebalan PAD-AZO harus ditingkatkan untuk mengurangi resistivitas. Karena karakteristik metode PAD, untuk meningkatkan ketebalan film AZO, pelapisan multipel dan perlakuan panas tidak dapat dihindari [28]. Namun, setelah beberapa kali perlakuan panas, ternyata resistansi meningkat, resistansi lembaran mencapai 7600 /sq. ketika ketebalan PAD-AZO sekitar 150 nm. Peningkatan resistensi mungkin disebabkan oleh beberapa perlakuan panas, sehingga solusi lain perlu ditemukan. Pekerjaan kelompok kami sebelumnya menunjukkan bahwa resistivitas film ALD-AZO dapat relatif rendah [8,9,10], sehingga metode ALD ditambahkan.
a Grafik sketsa menunjukkan geometri van der pauw. b Resistivitas film AZO dengan suhu pertumbuhan yang berbeda (500, 600, 700 dan 800 °C). Grafik dalam dari (b ) menunjukkan ketergantungan suhu dari resistivitas. c Karakteristik arus-tegangan rasio mol yang berbeda dari Al untuk Zn. d Resistivitas dan densitas pembawa vs rasio mol yang berbeda dari Al ke Zn
Gambar 3a menunjukkan karakteristik IV dari PAD-AZO, ALD-AZO dan AZO dua langkah yang diendapkan pada p-GaN, grafik bagian dalam menunjukkan karakteristik IV dari film ALD-AZO yang dianil dengan anil termal cepat pada 600 °C di N 2 selama 60 dtk. Hal ini menunjukkan bahwa resistansi film ALD-AZO jauh lebih kecil dibandingkan dengan film PAD-AZO. Namun, kontak antara ALD-AZO dan p-GaN adalah non-ohmik. Film ALD-AZO dianil oleh RTA di N2 (tidak hanya 60 detik, data tidak ditampilkan), kontak antara ALD-AZO dan p-GaN masih non-ohmik, sehingga lapisan PAD-AZO diperlukan. Resistivitas PAD-AZO (30 nm) dan AZO dua langkah (150 nm) adalah 2,221 × 10
−3
·cm dan 2.175 × 10
−3
·cm. Metode PAD sulit untuk menumbuhkan film AZO tebal dengan resistansi rendah dan ketebalan 30 nm mungkin sedikit tipis untuk elektroda. Jadi dalam hal ini, PAD-AZO digunakan untuk membentuk kontak ohmik, dan ALD-AZO ditambahkan untuk mengurangi resistansi lembaran. Meskipun ada sedikit peningkatan resistivitas, resistansi lembaran telah sangat berkurang menjadi 145 /sq. ketika metode ALD diperkenalkan. Parameter penting dari kontak ohmik terkait dengan resistansi kontak spesifik (Rc ). Gambar 3b menunjukkan data mentah dari kontak spesifik PAD-AZO (tanpa ALD-AZO) dan AZO dua langkah (dengan ALD-AZO) untuk mengekstrak resistansi kontak spesifik, grafik bagian dalam menunjukkan struktur CTLM, titik bagian dalam radius 100 um, dan jarak antara radius dalam dan luar bervariasi dari 5 hingga 30 um. Dari data resistansi kontak spesifik dapat dihitung, persamaannya adalah Rm Rsh [ln((r + s)/r)]/2π +LT Rsh ln[(2r + s)/r(r + s)]/2π dan Rc Rsh ·LT
2
, di mana Rm singkatan dari resistansi antara dua elektroda, r adalah jari-jari dalam, LT singkatan dari panjang transfer, pada Gambar. 3b, c = (r/s)*ln((r + s)/r), s adalah jarak antara kontak dalam dan luar. Resistensi kontak spesifik terendah dari film PAD-AZO adalah sekitar 1,08 × 10
−1
·cm
2
, dan resistansi kontak spesifik terendah dari film AZO endapan dua langkah adalah sekitar 1,47 × 10
−2
·cm
2
. Menurut pendapat kami, pengurangan resistansi kontak spesifik dikaitkan dengan bahwa resistivitas film ALD-AZO lebih rendah daripada film PAD-AZO, yang mungkin disebabkan oleh dopan atom hidrogen [8, 29]. Pada saat yang sama, resistansi antara elektroda indium dan ALD-AZO lebih kecil daripada antara elektroda indium dan PAD-AZO. Tahanan yang diukur dengan uji IV (tahanan kontak berisi) lebih besar dari yang diukur dengan geometri van der pauw, selisih kedua tahanan ini pada PAD-AZO (1200 ) lebih besar dari pada selisih ALD-AZO (300 ).
a Karakteristik tegangan arus PAD-AZO, ALD-AZO dan AZO dua langkah yang ditumbuhkan pada p-GaN. Grafik bagian dalam dari (a ) menunjukkan kurva IV ALD-AZO yang dianil dengan RTA di N2 selama 60 dtk. b menunjukkan data mentah dan data pemasangan linier dari kontak spesifik PAD-AZO (tanpa ALD-AZO) dan AZO dua langkah (dengan ALD-AZO) untuk mengekstrak resistansi kontak spesifik, grafik bagian dalam (b ) menunjukkan struktur CTLM
Gambar 4 menunjukkan topografi permukaan film PAD-AZO pada suhu pertumbuhan yang berbeda (a) 500, (b) 600, (c) 700 dan (d) 800 °C. Dapat diamati bahwa AZO mulai terbentuk pada substrat pada suhu 500 °C. Butir AZO seragam dan kompak ketika suhu pertumbuhan 600 °C, dengan ukuran butir rata-rata sekitar 70 nm. Namun pada 700 °C, beberapa biji-bijian tumbuh dengan mengorbankan yang lain. Ketika suhu pertumbuhan mencapai 800 °C, butir menjadi lebih besar. Mempertimbangkan pengaruh suhu pertumbuhan dan resistivitas, 600 °C dipilih sebagai suhu pertumbuhan yang tepat. Gambar 4e menunjukkan topografi permukaan film ALD-AZO langsung pada p-GaN, dan Gambar 4f menunjukkan topografi permukaan film AZO yang diendapkan dua langkah. Dari (e) dan (f) dapat disimpulkan bahwa meskipun ukuran butir berubah, strukturnya masih berupa mosaik. Perubahan ini dapat dikaitkan dengan penyisipan interlayer PAD-AZO untuk mengurangi ketidakcocokan kisi.
a , b , c , d Morfologi permukaan film PAD-AZO (1 μm × 1 μm) pada suhu pertumbuhan yang berbeda masing-masing 500, 600, 700 dan 800 °C. e morfologi permukaan film ALD-AZO yang langsung pada p-GaN. f topografi permukaan film AZO yang diendapkan dua langkah
Gambar 5 menunjukkan transmisi film AZO dengan dan tanpa lapisan ALD-AZO. Kondisi pertumbuhan pada kuarsa tetap sama seperti pada p-GaN. Spektrum transmitansi untuk film PAD-AZO hampir sama untuk semua sampel dengan nilai lebih dari 90% dalam rentang panjang gelombang 400–700 nm, sesuai dengan cahaya tampak. Meskipun transmitansi berkurang menjadi sekitar 80% ketika ALD-AZO diendapkan pada film PAD-AZO, transmitansi masih jauh lebih tinggi daripada film Ni/Au teroksidasi (55-70% dalam rentang yang terlihat) [30] dan hampir sama dengan transmisi film ITO [31].
Transmisi film PAD-AZO dan film AZO dua langkah
Kesimpulan
Dalam penelitian ini kami telah berhasil membuat film tipis AZO pada p-GaN dengan kombinasi metode PAD dan ALD. Film tipis AZO berorientasi (002), dan sangat transparan (sekitar 80%) dalam rentang panjang gelombang 400–700 nm. Resistivitas optimal adalah 2,175 × 10
−3
Ω·cm dan resistansi kontak spesifik terendah dari film AZO endapan dua langkah adalah sekitar 1,47 × 10
−2
·cm
2
. Hasil kami menunjukkan bahwa metode dua langkah dapat digunakan untuk menyiapkan elektroda AZO transparan dan konduktor untuk aplikasi industri.
