Optimasi Kontak Ohmic ke p-GaAs Nanowires

Hasil dan Diskusi

Gambar 1a menunjukkan karakteristik IV untuk sampel P1 hingga P5, dan Gambar 1b gambar SEM dari GaAs NW yang didoping-Be dengan kontak listrik yang digunakan untuk karakterisasi transportasi. Bentuk IV yang hampir simetris dan nonlinier untuk P1 hingga P4 pada Gambar 1a menunjukkan bahwa kontak adalah tipe Schottky dengan ketinggian penghalang yang sama untuk setiap kontak [35]. Ketidaklinieran IV untuk sampel P1 jelas menunjukkan bahwa proses p-GaAs standar seperti pada P1 tidak menghasilkan kontak Ohmik seperti halnya untuk film tipis planar GaAs. Biasanya, dalam NWs GaAs yang didoping, penghilangan oksida HCl digunakan, mungkin diikuti oleh (NH₄ )₂ S_x pasif permukaan sebelum penguapan logam untuk pembentukan kontak Ohmik [20, 21, 36, 37] bukan NH₄ OH. Selain itu, pengobatan plasma oksigen dari permukaan NW yang terpapar sebelumnya telah digunakan untuk menghilangkan resistensi residu dari dinding samping NW [36, 38]. Namun, sebagai efek samping, proses ini dapat menyebabkan cacat permukaan pada GaAs seperti kekosongan As, menghasilkan jebakan seperti donor yang bertanggung jawab atas kompensasi pembawa dan oleh karena itu meningkatkan lebar lapisan penipisan [5].

a IV dari GaAs NWs yang didoping-Be dengan kontak listrik yang dibuat menggunakan proses P1–P5 seperti yang dijelaskan pada Tabel 1. b Gambar SEM dari perwakilan Be-doped GaAs NW dengan empat kontak listrik yang berjarak sama. Bilah skala adalah 1 μm

Untuk mengevaluasi efek perawatan plasma oksigen pada resistansi kontak p-GaAs NWs, kami membandingkan IV sampel dengan (P2) dan tanpa (P3) pembersihan plasma oksigen sebelum perawatan permukaan dengan HCl dan (NH₄ )₂ S_x pada Gambar. 1a. P2 menghasilkan kinerja IV terburuk (didefinisikan sebagai nilai arus listrik untuk tegangan yang sama) di semua sampel tetapi sampel P3 pada gilirannya menunjukkan kinerja IV yang lebih baik daripada proses p-GaAs standar P1, dan plasma oksigen membersihkan P2. Ini menyiratkan dua hasil yang signifikan:(i) efek pengobatan plasma oksigen merugikan pada resistansi kontak, dan (ii) P3 dengan penghilangan oksida HCl dikombinasikan dengan (NH₄ )₂ S_x pasif permukaan menambahkan hingga ketinggian penghalang Schottky yang lebih rendah dari antarmuka logam-semikonduktor dibandingkan dengan P1.

Performa IV dan karakter Ohmik (dievaluasi secara kualitatif dengan linearitas IV) sangat ditingkatkan di P4 jika dibandingkan dengan P3 dengan menambahkan lapisan Pt 5-nm di bawah multilayer Ti/Pt/Au, seperti yang dapat dilihat dari Gambar 1a. Resistansi kontak semakin berkurang di P5 setelah RTA 30 dtk pada 400 °C, mencapai perilaku IV linier dan meningkatkan kinerja IV bila dibandingkan dengan P4.

Untuk mengukur pengaruh parameter pemrosesan pada resistansi kontak sampel P1–P5 (perlakuan kimia, multilayer logam), kami menunjukkan pada Gambar 2a IV dari P1–P5 menggunakan rentang bias yang lebih kecil; dalam hal ini, infus menunjukkan perilaku linier dan terutama diatur oleh resistansi kontak [35]. Resistansi total dari saluran (kontak + NW) dalam kisaran 100 mV dari Gambar 2a dihitung dari kecocokan linier kurva karakteristik IV, dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 2b. Karena diameter semua NW yang diselidiki serupa, dan hanya ada sedikit variasi kawat-ke-kawat dalam konsentrasi dopan, seperti yang telah kami laporkan sebelumnya [33], setiap perubahan resistansi total dianggap berasal dari resistansi kontak. Resistensi yang lebih tinggi pada P2 dibandingkan dengan P1 dan P3 menegaskan efek merugikan dari pengobatan plasma oksigen dari analisis kualitatif infus pada Gambar 1a. Hasil yang luar biasa adalah penurunan resistansi total dari 1400 kΩ di P3 menjadi 72 kΩ di P4 dan penurunan lebih lanjut menjadi 40 kΩ setelah RTA di P5, dicapai dengan mendepositkan lapisan Pt tambahan sebelum multilayer Ti/Pt/Au yang digunakan dalam sampel P1–P3.

a IV dari P1 ke P5 dalam kisaran tegangan yang diterapkan 100 mV. b Resistensi saluran total P1–P5 diperoleh dari kecocokan linier infus di a

Pemahaman yang lebih komprehensif tentang mikrostruktur antarmuka logam-semikonduktor setelah pembuatan kontak diperlukan untuk menetapkan korelasi perubahan resistansi kontak yang diamati pada sampel P1–P5. Penggunaan Ti dan Pt dalam fabrikasi kontak Ohmik ke GaAs telah dilaporkan sebelumnya [39, 40], dan sifat struktural film tipis Ti dan Pt menguap ke permukaan GaAs (100) [41] dan substrat kaca amorf [42, 43 ] juga telah dianalisis. Namun, tidak ada studi rinci yang ditemukan untuk permukaan GaAs (110). Orientasi permukaan yang berbeda diperkirakan akan mempengaruhi dinamika kristalisasi lapisan tipis Ti dan Pt. Selain itu, pasivasi kimia permukaan oleh (NH₄ )₂ S_x selanjutnya dapat mempengaruhi film tipis yang dihasilkan. Derajat kristalisasi lapisan tipis Pt (5 nm), Ti (20 nm), dan Pt/Ti (5/20 nm) yang diendapkan pada substrat GaAs (110) yang tidak didoping diselidiki oleh GIXRD untuk mendapatkan informasi sifat struktural lapisan logam pertama yang bersentuhan dengan NWs di P1-P5. Sebelum penguapan logam, substrat GaAs (110) melewati penghilangan oksida asli oleh HCl:H₂ O dan (NH₄ )₂ S_x langkah pasif permukaan sebagai sampel NW P3–P5. Detail perawatan permukaan dan lapisan tipis metalik yang diuapkan pada substrat GaAs (110) dirangkum dalam Tabel 2.

Pola GIXRD dari sampel S1–S4 ditunjukkan dalam rentang sudut difraksi 30 hingga 60° pada Gambar. 3a dan dalam kisaran 60 hingga 90° pada Gambar. 3b. Pola difraksi pada Gambar. 3 digeser secara vertikal dan dipisahkan dalam dua rentang sudut difraksi untuk memberikan skala visualisasi yang lebih baik. Pertama, kami fokus pada efek (NH₄ )₂ S_x pasivasi permukaan terhadap derajat kristalinitas film Ti diuapkan pada substrat GaAs (110) dengan membandingkan sampel S1 dan S2. Pada Gambar. 3a, kami mengamati tumpang tindih intensitas rendah puncak Ti (002) dan Ti (101) yang berpusat pada 38,4 dan 40,2°, masing-masing, untuk S1 dan S2. Selanjutnya, puncak Ti (102) yang lebih luas secara signifikan berpusat pada 53,0 ° juga diamati untuk kedua sampel, yang menunjukkan karakter amorf. Puncak Ti (103) yang berpusat pada 70,6° pada Gambar 3b hanya diamati untuk S1, yang merupakan satu-satunya perbedaan yang signifikan antara sampel. Secara umum, intensitas rendah dan puncak lebar S1 dan S2 menunjukkan kristalinitas film Ti yang buruk ketika diendapkan pada permukaan GaAs (110) setelah penghilangan oksida HCl dan terlepas dari penggunaan (NH₄ )₂ S_x pasif. Dalam kasus S3, di mana Pt diendapkan pada substrat GaAs (110) dengan perlakuan permukaan yang sama seperti pada S2, kami mengamati Pt (111), Pt (200), Pt (220), Pt (311), yang jauh lebih jelas. dan puncak difraksi Pt (222) berpusat pada 39,8°, 46,3°, 67,5°, 81,3°, dan 85,7°. Ini menunjukkan bahwa film Pt di S3 menunjukkan tingkat kristalinitas yang lebih tinggi dibandingkan dengan sampel Ti. Hal yang sama berlaku untuk S4 yang menunjukkan tanda difraksi Pt yang mirip dengan S3 pada Gambar 3a, b. Puncak lebar dan asimetris antara 35°–45°, 65°–75°, dan 75°–90° untuk S4 terbentuk karena tumpang tindih Ti (002)-Ti (101)-Pt (111), Ti ( 103)-Pt (220), dan Ti (004)-Pt (311)-Pt (222) puncak difraksi, masing-masing. Perbandingan kualitatif pola GIXRD dari S2, S3, dan S4 menyiratkan bahwa derajat kristalinitas Ti di S4 setidaknya pada level yang sama seperti di S1. Puncak Ti (103) pada 70,6° diamati sebagai bahu yang jelas pada puncak Pt (220) pada Gambar. 3b dan puncak Ti (102) pada 53.0° pada Gambar 3a hadir dengan intensitas rendah tetapi lebar garis yang sempit di S4 sambil menunjukkan puncak yang sangat luas, seperti amorf, di S1 ​​dan S2. Hasil ini menunjukkan peningkatan derajat kristalinitas Ti ketika diendapkan pada Pt alih-alih permukaan GaAs (110), yang berikut ini akan secara langsung berkorelasi dengan sifat kontak listrik yang dijelaskan pada Gambar. 1 dan 2.

Pola GIXRD dari sampel S1–S4 dari a Rentang sudut difraksi 30 hingga 60° dan (b ) kisaran 60 hingga 90 °. Garis abu-abu putus-putus mewakili garis dasar peluruhan eksponensial yang berasal dari hamburan sinar-X difus. Garis hitam putus-putus vertikal sesuai dengan bidang difraksi yang berbeda dari Ti dan Pt, diberi label di bagian atas a dan b

Analisis GIXRD dari lapisan logam di S1-S4 memungkinkan kita untuk mengkorelasikan tingkat kristalinitas Ti dan Pt yang diendapkan pada substrat GaAs (110) dan hasil resistansi total dari P1-P5 pada Gambar 2b. Penting untuk ditekankan bahwa dalam pekerjaan ini, kami mendasarkan korelasi kami tentang perubahan resistansi total P1–P5 terutama pada data GIXRD yang diperoleh dari S1–S4. Kami berasumsi bahwa faktor lain, seperti kualitas antarmuka logam-NW karena geometri heksagonal dinding samping NW, memiliki kontribusi yang dapat diabaikan dalam perubahan resistansi total yang diamati pada P1–P5. (NH₄ )₂ S_x pasif permukaan memiliki efek menguntungkan pada sifat-sifat antarmuka logam GaAs seperti yang terlihat dengan membandingkan IV dan resistansi total sampel P1 dan P3, tetapi dengan tingkat kristalinitas film Ti yang rendah ketika diendapkan langsung pada permukaan GaAs (110). , seperti yang diamati pada S1 dan S2. Ini bisa menjadi hasil dari reaksi belerang dengan Ti yang ditumbuhi. Selain itu, telah dilaporkan bahwa Ti sangat reaktif dengan pengotor yang tersisa di ruang penguapan selama pengendapan logam [41], membentuk lapisan tambahan antara logam/GaAs dan oleh karena itu meningkatkan resistansi kontak [5]. Seperti yang telah dibahas sebelumnya, peningkatan resistansi kontak di P2 dianggap berasal dari kemungkinan kerusakan permukaan yang disebabkan oleh pembersihan plasma oksigen. Penambahan lapisan tipis Pt antara permukaan Ti dan GaAs (110) seperti pada S4 menghasilkan derajat kristalinitas film Ti yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan S1 dan S2. Hasil ini dapat dikorelasikan dengan penurunan resistansi saluran total dari 1400 kΩ di P3 menjadi 72 kΩ di P4 yang dikaitkan dengan penurunan resistansi kontak. RTA selanjutnya menurunkan resistansi saluran total menjadi 40 kΩ di P5 selain peningkatan karakter Ohmik dari IV yang ditunjukkan pada Gambar. 2a. Hasil ini menunjukkan bahwa tidak terjadi reaksi merugikan antara permukaan Pt dan GaAs pada temperatur annealing dan waktu yang digunakan [29,30,31].