Kontak Ohmik Berkinerja Tinggi: Penyapuran Dua Tahap ZnO Diropi Al pada p-GaN

Abstrak

Lapisan tipis ZnO diropi Al (AZO) ditetapkan langsung pada substrat p-GaN menggunakan penyetoran dua tahap yang terdiri dari metode penyetoran bantu polimer (PAD) dan penyetoran lapis atom (ALD). Kontak ohmik AZO pada p-GaN telah terbentuk. Resistensi lapis terendah dari film AZO yang disiapkan dua tahap mencapai 145 Ω/sq, dan resistensi kontak spesifik turun menjadi 1,47 × 10⁻² Ω·cm². Transmitansi film AZO tetap di atas 80% dalam wilayah terlihat. Kombinasi teknik PAD dan ALD dapat digunakan untuk menyiapkan kontak ohmik tipe p untuk optoelektronika.

Latar Belakang

Saat ini, semiconductor kompad berbasis GaN telah mencapai kemajuan yang signifikan dan telah digunakan secara luas dalam 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 waktu yang lama, Ni/Au yang teroksidasi [5], Ni/Pd/Au [6] dan Pd/Ni [7] adalah solusi umum, meskipun kontak Au tidak transparan, mahal, dan tidak stabil pada suhu tinggi. Oleh karena itu, mencari alternatif yang stabil termal dan transparan adalah mendesak. Hingga saat ini, oksida konduktif transparan (TCO) seperti ZnO diropi Al (AZO) dan In₂O₃ diropi Sn (ITO) telah digunakan secara luas sebagai bahan elektrode. Namun, baik timbal maupun indium mahal dan tidak ramah lingkungan. Sebaliknya, AZO menjanjikan karena transparansi tinggi, resistensi rendah, biaya rendah, dan tidak beracun [8,9,10]. Telah dilaporkan bahwa film AZO dapat disiapkan dengan banyak metode seperti penyetoran lapis atom [8], sputtering [11], e-beam evaporation [12], penyetoran laser terpuls [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 langsung menetapkan AZO pada GaN [16], meskipun dilaporkan bahwa setelah pemanasan film AZO yang ditetapkan pada p-GaN menghasilkan perilaku ohmik [17, 18]. Untuk memecahkan masalah ini, beberapa lapisan antar diperkenalkan, misalnya, NiO [16], nanopartikel Ag [19, 20], p-InGaN [21], lapis Pt [22] dan nanodot InON [23].

Dalam pekerjaan ini, metode dua tahap dikembangkan untuk mencapai kontak ohmik antara AZO dan p-GaN. Langkah pertama adalah menumbuhkan lapis tipis AZO sebagai lapisan antar dengan PAD. Film AZO dengan rasio mol kation logam aluminium terhadap seng yang berbeda (n_Al : n_Zn) ditumbuhkan langsung pada p-GaN. Pengaruh suhu pertumbuhan dan suhu pemanasan yang berbeda terhadap kualitas kristal dan konduktivitas film dipelajari secara luas. Langkah kedua adalah menumbuhkan lapis tipis AZO dengan ALD di atas lapis AZO yang ditumbuhi PAD. Film AZO menunjukkan orientasi (002) yang menguntungkan dengan kualitas kristal yang baik, perilaku ohmik yang baik pada p-GaN dan transmitansi tinggi. Lapisan PAD-AZO memastikan kontak ohmik sementara lapisan ALD-AZO menurunkan resistensi kontak spesifik dan resistensi lapis untuk membuatnya dapat digunakan.

Metode

PAD adalah metode penyetoran 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 teratur dan tidak teratur dengan biaya sangat rendah [24,25,26,27]. Film PAD-AZO (sekitar 30 nm) ditumbuhkan langsung pada p-GaN mengikuti prosedur standar metode PAD [24]. Larutan film PAD-AZO disiapkan dengan mencampur 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 dikarakterisasi oleh spektrometer emisi plasma terikat-atom (ICP-AES), dan volume yang berbeda dari dua larutan dicampur bersama, membentuk prekursor AZO dengan rasio mol Al terhadap Zn yang berbeda. Larutan campuran dicelupkan pada substrat pada 3000 rpm selama 40 detik, dan kemudian dipanaskan pra pada 60 °C di udara selama 10 min pada panci panas. Film kemudian dipanaskan pada 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) ditetapkan pada 150 °C menggunakan Beneq TFS-200, dan detail proses ALD dapat ditemukan dalam pekerjaan kami sebelumnya [8,9,10]. Substrat dalam eksperimen ini adalah p-GaN (konsentrasi pembawa muatan sekitar 1,2 × 10¹⁷ cm⁻³) dan kaca kuarsa. Topografi permukaan diukur oleh mikroskopi gaya atom (AFM, Bruker Multimode 8). Kristalinitas dan orientasi film ini diukur oleh difraksi sinar X (XRD, Bede D1). Transmitansi film diukur oleh spektrofotometer ultraviolet-terlihat (UV-2550; Shimadzu, Kyoto, Jepang). Resistansi listrik diukur oleh pengukuran hall (Model 7707A, Lake Shore, USA) menggunakan geometri van der pauw. Film AZO diikis oleh asam fosfat selama sekitar 2 menit (kecepatan pengikisan sekitar 100 nm/min) dengan masker 1 cm² pada mereka untuk membentuk bentuk persegi. Setelah pengikisan, empat kawat kait dihubungkan pada empat elektroda persegi. Resistensi kontak spesifik dan kurva arus-tegangan (I-V) diukur menggunakan metode model garis transmisi sirkular (CTLM). Pola CTLM ditetapkan pada substrat dengan teknik fotolitografi standar sebelum ditumbuhi.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1 menunjukkan spektrum difraksi sinar X (XRD) dari film AZO yang ditetapkan langsung pada substrat p-GaN oleh metode PAD. Suhu pertumbuhan diatur pada 500 (Gambar 1a), 600 (Gambar 1b), 700 (Gambar 1c) dan 800 °C (Gambar 1d), masing-masing, dan komposisi semua sampel dipertahankan sama (n_Al:n_Zn = 9:100). dapat diamati dari Gambar 1b bahwa puncak utama diindeks ke GaN (002), sementara bahu diatribusikan ke AZO (002). Film AZO yang tumbuh dengan metode PAD menunjukkan orientasi c-axis yang menguntungkan. Film AZO yang ditumbuhi pada 500 °C dan 600 °C menunjukkan kristalinitas yang baik, dan lebar setengah maksimum (FWHM) dari kurva berayun (002) adalah 625 dan 572 arcsec. Jelas, suhu pertumbuhan memainkan peran yang penting untuk pertumbuhan AZO. Pada 500 °C, polimer hanya terbakar dan mungkin mempengaruhi kristalisasi. Ketika suhu adalah 700 °C dan 800 °C, dekomposisi AZO terjadi dan ini adalah alasan hilangnya puncak bahu. Dapat dijelaskan bahwa kualitas kristal yang baik dari AZO disebabkan oleh dua faktor: yang pertama terkait dengan kecocokan jaringan antara ZnO dan GaN, ketidakcocokannya kurang dari 2% sesuai dengan rumus berikut: |a_e − a_s|/a_e, dimana a_s adalah konstanta jaringan substrat GaN, a_e adalah konstanta jaringan epilayer ZnO. Yang kedua adalah karena suhu pertumbuhan yang dioptimalkan sebesar 600 °C di mana polimer terdekomposisi dan ZnO kristal berorientasi sepanjang c-axis.

Spektrum difraksi sinar X film AZO yang ditetapkan langsung pada substrat p-GaN oleh metode PAD pada suhu yang berbeda. a 500 °C; b 600 °C; c 700 °C dan d 800 °C. Grafik dalam (a) dan (b) menunjukkan kurva berayun puncak difraksi 002 AZO

Gambar 2a menunjukkan skema struktur untuk geometri van der pauw. Untuk mendapatkan hasil yang lebih wajar, sebelum semua pengujian listrik, elektroda indium dipasang spot-welded pada permukaan AZO. AZO adalah semiconductor tipe n dan kontak ohmik antara AZO dan elektroda indium mudah dicapai. Gambar 2b dan grafik dalam 2 (b) menunjukkan karakteristik I-V dan resistansi film AZO yang ditumbuhi 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. Ketika suhu pertumbuhan adalah 600 °C, resistensi lapis menurun dengan meningkatnya suhu pertumbuhan, ketika suhu pertumbuhan sekitar 600 °C, resistensi lapis mencapai nilai terendah (740 Ω/sq), dan meningkat dengan meningkatnya suhu pertumbuhan. Secara dasar, resistansi elektroda perlu sekecil mungkin. Gambar 2c menunjukkan karakteristik I-V film AZO dengan berbagai rasio mol Al terhadap Zn. dapat diamati bahwa semua sampel menunjukkan karakteristik I-V linier, yang menyiratkan bahwa kontak AZO yang ditetapkan pada p-GaN adalah ohmik. Gambar 2d menunjukkan resistansi dan densitas pembawa muatan film AZO terhadap berbagai rasio mol Al terhadap Zn. Resistensi lapis terendah PAD-AZO sekitar 740 Ω/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 melebihi 9%, resistansi kemudian meningkat dengan meningkatnya rasio mol Al terhadap Zn. Dan kecenderungan variasi film AZO mirip dengan Gambar 2c. Jelas, kompensasi sendiri terjadi pada rentang doping tinggi. Jelas bahwa konduktivitas masih perlu ditingkatkan. Dapat diketahui dari persamaan R_sh = ρ/t (dimana ρ adalah resistansi dan t adalah tebal film) bahwa resistensi lapis (R_sh) menurun dengan meningkatnya tebal film, oleh karena itu tebal PAD-AZO harus ditingkatkan untuk menurunkan resistansi. Karena karakteristik metode PAD, untuk meningkatkan tebal film AZO, beberapa kali celup dan pemanasan panas tidak dapat dihindari [28]. Namun, setelah beberapa kali pemanasan panas, ditemukan bahwa resistansi meningkat, resistensi lapis mencapai 7600 Ω/sq. ketika tebal PAD-AZO sekitar 150 nm. Peningkatan resistansi mungkin disebabkan oleh beberapa kali pemanasan panas, sehingga solusi lain perlu ditemukan. Pekerjaan kelompok kami sebelumnya menunjukkan bahwa resistansi film ALD-AZO dapat relatif rendah [8,9,10], sehingga metode ALD ditambahkan.

a Grafik sketsa yang menunjukkan geometri van der pauw. b Resistansi film AZO dengan berbagai suhu pertumbuhan (500, 600, 700 dan 800 °C). Grafik dalam (b) menunjukkan ketergantungan suhu resistansi. c Karakteristik arus-tegangan dari berbagai rasio mol Al terhadap Zn. d Resistansi dan densitas pembawa muatan versus berbagai rasio mol Al terhadap Zn

Gambar 3a menunjukkan karakteristik I-V dari PAD-AZO, ALD-AZO dan AZO dua tahap yang ditetapkan pada p-GaN, grafik dalam menunjukkan karakteristik I-V film ALD-AZO yang dipanaskan oleh pemanasan cepat termal pada 600 °C dalam N₂ selama 60 detik. Ini menunjukkan bahwa resistansi film ALD-AZO jauh lebih kecil daripada film PAD-AZO. Namun, kontak antara ALD-AZO dan p-GaN adalah non-ohmik. Film ALD-AZO dipanaskan oleh RTA dalam N₂ (bukan hanya selama 60 detik, data tidak ditampilkan), kontak antara ALD-AZO dan p-GaN masih non-ohmik, sehingga lapisan PAD-AZO diperlukan. Resistansi PAD-AZO (30 nm) dan AZO dua tahap (150 nm) adalah 2,221 × 10⁻³ Ω·cm dan 2,175 × 10⁻³ Ω·cm. Sulit bagi metode PAD untuk menumbuhkan film AZO tebal dengan resistansi rendah dan tebal 30 nm mungkin sedikit tipis untuk elektroda. Dalam hal ini, PAD-AZO digunakan untuk membentuk kontak ohmik, dan ALD-AZO ditambahkan untuk mengurangi resistensi lapis. Meskipun ada perbaikan ringan dalam resistansi, resistensi lapis telah sangat diturunkan menjadi 145 Ω/sq. ketika metode ALD diperkenalkan. Parameter penting dari kontak ohmik terkait dengan resistensi kontak spesifik (R_c). Gambar 3b menunjukkan data mentah dari kontak spesifik PAD-AZO (tanpa ALD-AZO) dan AZO dua tahap (dengan ALD-AZO) untuk mengekstrak resistensi kontak spesifik, grafik dalam menunjukkan struktur CTLM, jari-jari dalam titik adalah 100 um, dan jarak antara jari-jari dalam dan luar bervariasi dari 5 hingga 30 um. Dari data, resistensi kontak spesifik dapat dihitung, persamaan adalah R_m ≈ R_sh[ln((r + s)/r)]/2π + L_T R_sh ln[(2r + s)/r(r + s)]/2π dan R_c ≈ R_sh · L_T², dimana R_m adalah resistansi antara dua elektroda, r adalah jari-jari dalam, L_T adalah panjang transfer, pada Gambar 3b, c = (r/s)*ln((r + s)/r), s adalah jarak antara kontak dalam dan luar. Resistensi kontak spesifik terendah film PAD-AZO sekitar 1,08 × 10⁻¹ Ω·cm², dan resistensi kontak spesifik terendah film AZO yang disetor dua tahap sekitar 1,47 × 10⁻² Ω·cm². Menurut kami, penurunan resistensi kontak spesifik dikaitkan dengan resistansi film ALD-AZO yang lebih rendah daripada film PAD-AZO, yang mungkin disebabkan oleh dopant atom hidrogen [8, 29]. Pada saat yang sama, resistansi antara elektroda indium dan ALD-AZO lebih kecil daripada antara elektroda indium dan PAD-AZO. Resistansi yang diukur oleh tes I-V (mengandung resistansi kontak) lebih besar daripada yang diukur oleh geometri van der pauw, perbedaan antara dua resistansi ini pada PAD-AZO (1200 Ω) lebih besar daripada perbedaan pada ALD-AZO (300 Ω).

a Karakteristik arus-tegangan PAD-AZO, ALD-AZO dan AZO dua tahap yang ditumbuhi pada p-GaN. Grafik dalam (a) menunjukkan kurva I-V ALD-AZO yang dipanaskan oleh RTA dalam N₂ selama 60 detik. b menunjukkan data mentah dan data fitting linier dari kontak spesifik PAD-AZO (tanpa ALD-AZO) dan AZO dua tahap (dengan ALD-AZO) untuk mengekstrak resistensi kontak spesifik, grafik 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, masing-masing. dapat diamati bahwa AZO mulai terbentuk pada substrat pada 500 °C. Butir AZO seragam dan padat ketika suhu pertumbuhan adalah 600 °C, dengan ukuran butir rata-rata sekitar 70 nm. Namun pada 700 °C, beberapa butir tumbuh dengan mengorbankan yang lainnya. Ketika suhu pertumbuhan mencapai 800 °C, butir menjadi lebih besar. Mempertimbangkan efek suhu pertumbuhan dan resistansi, 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 disetor dua tahap. Dapat disimpulkan dari (e) dan (f) bahwa meskipun ukuran butir berubah, struktur masih berupa mosaik. Perubahan ini mungkin disebabkan oleh penyisipan lapisan antar PAD-AZO untuk mengurangi ketidakcocokan jaringan.

a, b, c, d Morfologi permukaan film PAD-AZO (1 μm × 1 μm) pada suhu pertumbuhan yang berbeda 500, 600, 700 dan 800 °C, masing-masing. e morfologi permukaan film ALD-AZO yang langsung pada p-GaN. f topografi permukaan film AZO yang disetor dua tahap

Gambar 5 menunjukkan transmitansi film AZO dengan dan tanpa lapisan ALD-AZO. Kondisi pertumbuhan pada kaca kuarsa dipertahankan sama dengan pada p-GaN. Spektrum transmitansi film PAD-AZO hampir sama untuk semua sampel dengan nilai di atas 90% dalam rentang panjang gelombang 400–700 nm, yang sesuai dengan cahaya terlihat. Meskipun transmitansi menurun menjadi sekitar 80% ketika lapisan ALD-AZO ditetapkan pada film PAD-AZO, transmitansinya masih jauh lebih tinggi daripada film Ni/Au yang teroksidasi (55–70% dalam rentang terlihat) [30] dan hampir sama dengan transmitansi film ITO [31].

Transmitansi film PAD-AZO dan film AZO dua tahap

Kesimpulan

Dalam studi ini kami telah berhasil menyiapkan 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. Resistansi optimal adalah 2,175 × 10⁻³ Ω·cm dan resistensi kontak spesifik terendah film AZO yang disetor dua tahap sekitar 1,47 × 10⁻² Ω·cm². Hasil kami menunjukkan bahwa metode dua tahap dapat digunakan untuk menyiapkan elektroda AZO transparan dan konduktif untuk aplikasi industri.