Mengurangi Resistensi Kontak Antara Logam dan n-Ge dengan Penyisipan ZnO dengan Perlakuan Plasma Argon

Hasil dan Diskusi

Karakterisasi Material Al/ZnO/n-Ge

Spektrum pita valensi XPS Ge / ZnO dan spektrum transmitansi ZnO disajikan pada Gambar. 1 dan 2, masing-masing, yang digunakan untuk menyelidiki mekanisme efek penentuan tingkat Fermi pada antarmuka Al/ZnO/n-Ge. Kami melakukan pengukuran XPS untuk sampel ZnO tebal, sampel antarmuka ZnO/n-Ge, dan sampel Ge murni, untuk mendapatkan offset pita valensi (VBO) ZnO/Ge, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1. Zn 2 p posisi puncak dan VBM untuk sampel ZnO tebal masing-masing adalah 1021,9 eV dan 2,59 eV. Zn 2p dan Ge 3d posisi puncak untuk sampel antarmuka ZnO/Ge masing-masing adalah 1021,7 eV dan 29,1 eV. Ge 3d posisi puncak dan VBM untuk sampel Ge murni masing-masing adalah 29 eV dan 0,06 eV. Hal ini menunjukkan bahwa VBO ZnO/Ge adalah 2,33 eV [30].

Spektrum XPS untuk pita valensi sampel ZnO/Ge. a Zn 2p dan b spektrum pita valensi untuk sampel ZnO tebal c ZnO 2p dan d Ge 3d spektrum untuk sampel antarmuka ZnO/Ge, dan e Ge 3d dan f spektrum pita valensi untuk sampel Ge massal

a Spektrum transmisi untuk film ZnO yang diendapkan menunjukkan E _g dari 3,21 eV. b Penjajaran pita untuk kontak Al/ZnO/Ge

Gambar 2a menunjukkan plot transmitansi yang diperoleh dari spektroskopi UV-VIS untuk sampel ZnO tebal, dan E _g ZnO ditentukan menjadi 3,21 eV, konsisten dengan nilai yang dilaporkan dalam [28, 29]. Dengan menggunakan E . yang diperoleh _g ZnO dan VBO di atas, CBO 0,22 eV antara ZnO dan Ge ditentukan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b. Hal ini menunjukkan bahwa penentuan level Fermi dapat dicapai pada antarmuka Al/n-Ge menggunakan lapisan penyisipan ZnO, yang dapat menghasilkan R yang rendah. _c untuk kontak Al/ZnO/n-Ge.

Gambar 3 menunjukkan gambar TEM struktur Al/ZnO/n-Ge dengan ketebalan ZnO 3 nm. Lapisan ZnO seragam dan konformal diamati antara Al dan n-Ge. Sisipan di sudut kanan atas menggambarkan gambar HRTEM dari tampilan antarmuka Al/ZnO/n-Ge yang diperbesar. Ketebalan film ZnO diukur menjadi 3 nm, yang konsisten dengan hasil yang diperoleh dengan pengukuran SE, dan film ZnO dalam bentuk amorf.

Gambar TEM untuk sampel Al/ZnO/n-Ge menunjukkan lapisan ZnO yang seragam antara Al dan Ge. Inset kanan atas menunjukkan gambar HRTEM antarmuka Al/ZnO/n-Ge, dan inset kiri atas menunjukkan XPS Ge 3d hasil sampel yang menunjukkan adanya GeO_x lapisan antarmuka

GeO tipis_x lapisan antarmuka terbentuk antara Ge dan ZnO, yang jauh lebih kecil dibandingkan dengan [31] karena suhu deposisi yang lebih rendah yang digunakan dalam pekerjaan ini. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa, selama pengendapan ZnO, Ge reaktif dengan prekursor O, yang mengarah pada pembentukan GeO_x IL. GeO_x juga ditunjukkan oleh XPS Ge 3d hasil inset di pojok kiri atas.

Konduktivitas listrik film ZnO dapat ditingkatkan dengan perlakuan plasma Ar, yang menyebabkan peningkatan konsentrasi kekosongan oksigen V _o , bertindak sebagai donor di ZnO [32, 33]. Gambar 4 menggambarkan hasil XPS dari O 1s untuk ZnO yang diendapkan dan sampel dengan perlakuan plasma Ar dengan daya 50 W, aliran gas Ar 60 sccm, dan durasi 45 detik. O 1s puncak didekonvolusi menjadi dua puncak dengan menggunakan fitting Gaussian. Puncak pada ~ 530 eV sesuai dengan oksigen kisi dalam ZnO [34, 35]. Untuk sampel yang diendapkan, puncak pada 531,7 eV sesuai dengan V _o (~ 531.5 eV) dan oksigen yang diserap secara kimiawi pada permukaan film tipis ZnO, seperti gugus karbonil dan hidroksil [35, 37]. Untuk sampel dengan perlakuan plasma Ar, puncaknya berada pada ~ 531.5 eV, yang bergeser ke energi ikat yang lebih rendah, dan menjadi jauh lebih jelas dibandingkan dengan sampel yang diendapkan, yang menunjukkan bahwa lebih banyak V _o dihasilkan karena pengobatan plasma Ar, dan oksigen yang diserap secara kimia dihilangkan secara efektif. Peningkatan dopan tipe-n di ZnO menghasilkan penghalang terowongan yang lebih tipis dan resistansi seri yang lebih rendah pada antarmuka, yang bertanggung jawab atas pengurangan R _c [36].

Hasil XPS dari O 1s dan hasil dekonvolusi untuk sampel ZnO (3 nm)/n-Ge yang diendapkan (atas) dan Ar yang diolah plasma (bawah)

Kami melakukan pengukuran XPS menggunakan sampel ZnO tebal dan sampel antarmuka ZnO/Ge dengan dan tanpa perlakuan plasma Ar, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. Kami menemukan bahwa setelah perlakuan plasma Ar, ada pergeseran 0,05 eV. Ini mungkin menunjukkan bahwa ZnO/Ge VBO sekitar 2,38 eV setelah pengobatan plasma Ar dan CBO 0,17 eV.

VBM untuk sampel antarmuka ZnO/Ge dengan dan tanpa perlakuan plasma Ar. a Zn 2p dan b spektrum pita valensi untuk sampel ZnO tebal c ZnO 2p spektrum untuk sampel antarmuka ZnO/Ge. d Diagram keselarasan pita untuk logam yang diolah plasma Ar/ZnO/n-Ge

Kinerja Listrik Kontak Al/ZnO/n-Ge

Gambar 6a menunjukkan kerapatan arus terukur J sebagai fungsi dari tegangan yang diberikan V karakteristik untuk kontak Al pada n-Ge yang didoping ringan. Al/ZnO/n ⁻ Perangkat -Ge memiliki ketebalan lapisan ZnO yang berbeda. Skema perangkat ditunjukkan pada sisipan Gbr. 6.

a J -V karakteristik untuk Al/n ⁻ -Kontrol Ge, Al/ZnO/n ⁻ -Ge dengan ketebalan ZnO 1 nm, 2 nm, dan 3 nm, dan ZnO/Ge yang diolah plasma Al/2 nm Ar, b J -V karakteristik untuk tiga perangkat ZnO/Ge yang diolah dengan plasma Al/2 nm Ar

Seperti yang diperkirakan, perangkat kontrol Al/n-Ge tanpa ZnO menunjukkan karakteristik penyearah dengan ketinggian penghalang yang tinggi untuk elektron karena penyematan level Fermi pada Al/n ⁻ -Ge [38]. Dibandingkan dengan sampel kontrol Al/n-Ge tanpa ZnO, perangkat Al/ZnO/n-Ge menunjukkan kebalikan yang lebih baik J , yang disebabkan oleh depinning tingkat Fermi yang diinduksi oleh reduksi keadaan celah yang diinduksi logam (MIGS) pada antarmuka logam/Ge [18, 19]. Peningkatan ini lebih ditingkatkan dengan ZnO yang lebih tebal, yang disebabkan oleh fakta bahwa lebih banyak MIGS yang dihilangkan. Namun rapat arus maju untuk perangkat yang disisipkan ZnO 3 nm lebih kecil daripada yang 2 nm. Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut. Densitas arus utama untuk Al/ZnO/n-Ge adalah arus tunneling. Jika ZnO tidak cukup tebal, MIGS tidak akan tereliminasi secara efektif, dan masih menunjukkan karakteristik penyearah. Tetapi jika ZnO terlalu tebal, hambatan seri ZnO akan mendominasi seluruh hambatan, dan arus semakin kecil. Jadi ada trade-off antara eliminasi MIGS dan peningkatan resistansi seri ZnO, dan dengan demikian ada ketebalan kritis untuk IL [19]. Kesimpulannya, 2 nm dianggap sebagai ketebalan optimal untuk kontak Al/ZnO/n-Ge.

Dengan perlakuan plasma Ar, kinerja Al/ZnO/n ⁻ Perangkat -Ge lebih ditingkatkan. Apa pun untuk penyapuan mundur atau maju dari tegangan yang diberikan V , Al/2 nm ZnO/n ⁻ -Perangkat Ge dengan pengobatan plasma Ar mencapai peningkatan J dibandingkan dengan perangkat dengan 2 nm ZnO atau 3 nm ZnO, yang disebabkan oleh sejumlah besar V _o dihasilkan dalam film ZnO selama pengobatan plasma Ar. Konsentrasi doping yang lebih tinggi dalam ZnO dapat secara efektif mengurangi resistansi seri ZnO dan mengurangi penghalang tunneling untuk elektron pada antarmuka antara ZnO dan Al, meningkatkan kerapatan arus tunneling.

Gambar 6b menunjukkan J -V karakteristik untuk tiga Al/2 nm ZnO/n ⁻ Perangkat -Ge dengan pengobatan plasma Ar. Jelas bahwa J untuk perangkat yang berbeda hampir sama, menunjukkan bahwa proses ALD dan perlakuan plasma Ar memiliki efek yang seragam pada peningkatan kerapatan arus.

Kontak ohmik diperoleh untuk Al/2 nm ZnO/n ⁻ -Ge tanpa dan dengan durasi perlakuan plasma Ar yang berbeda masing-masing 15 s, 30 s, 45 s, dan 60 s, yang ditunjukkan pada Gambar. 7.

Aku –V kurva pada Al/2 nm ZnO/n ⁻ -Ge dengan d different yang berbeda a tanpa pengobatan plasma Ar dan dengan durasi pengobatan plasma Ar b 15 d, c 30 d, h 45 s, dan e 60 s

Perlawanan total mentah R _tot antara dua kontak berkurang dengan penurunan d , dan R . terakhir _tot dimodifikasi oleh faktor koreksi C, yang dihitung dengan persamaan C = (L /d )·ln(1 + d /L ) [39], di mana L = 25 μm mewakili jari-jari bantalan bagian dalam, seperti yang digambarkan dalam sisipan pada Gambar. 8a. Dengan merencanakan R _tot sebagai fungsi dari d pada Gambar. 8a, resistansi lembaran R _sh dari n ⁻ -Ge dapat diperoleh dari kemiringan garis, lalu ρ _c dihitung dari perpotongan garis pas linier dengan sumbu vertikal. Untuk Al/2 nm ZnO/n ⁻ -Perangkat Ge tanpa perawatan plasma Ar, ρ _c adalah 6,87 × 10 ⁻²  cm ² , tetapi setelah 45 detik pengobatan plasma Ar, terjadi penurunan 17,2 kali dibandingkan dengan tanpa pengobatan plasma Ar dan memiliki resistivitas kontak ρ _c dari 3,66 × 10 ⁻³  cm ² . Kami membandingkan nilai ρ _c untuk Al/2 nm ZnO/n ⁻ -Perangkat Ge dengan durasi perawatan plasma Ar yang berbeda pada Gambar. 8b. Diamati bahwa ρ _c perangkat berkurang dengan waktu perawatan hingga 30 detik. Namun, karena waktu perawatan lebih dari 30 detik, ρ _c hampir tetap sama. Pengurangan ρ _c dapat dikaitkan dengan doping ZnO, sehingga pengurangan penghalang terowongan dan resistansi seri, seperti yang telah disebutkan sebelumnya. Tetapi tidak ada perubahan yang dapat diamati pada resistansi lembaran n ⁻ -Ge, menunjukkan bahwa tidak ada pengaruh pada konduktivitas n ⁻ -Ge dengan pengobatan plasma Ar.

a R _tot versus d kurva untuk CTLM dengan Al/2 nm ZnO /n ⁻ -Kontak Ge dengan durasi perlakuan plasma Ar yang berbeda, sisipan pada Gambar 5a adalah informasi struktur CTLM yang digunakan dalam pekerjaan ini. b ρ _c versus durasi pengobatan plasma Ar yang berbeda

Struktur CTLM dengan kontak Al pada Ge yang didoping berat digunakan untuk menyelidiki karakteristik resistansi kontak Al/2 nm ZnO/n ⁺ -Ge. Lapisan ZnO menjalani perlakuan plasma Ar selama 45 detik. Gambar 9a menunjukkan pengukuran I -V kurva antara kontak Al dengan d different yang berbeda , menunjukkan kinerja ohmik yang sangat baik. Gambar 9b memplot R _tot sebagai fungsi dari d untuk Al/2 nm ZnO/n ⁺ -Ge CTLM, dan R _sh dan ρ _c diekstraksi menjadi 64 Ω/□ dan 2.86 × 10 ⁻⁵  cm ² , masing-masing.

a Aku –V kurva pada Al/ZnO(2 nm)/n ⁺ -Ge dengan d different yang berbeda dengan ZnO diperlakukan menggunakan plasma Ar. b R _tot versus d kurva untuk CTLM dengan Al/ZnO(2 nm)/n ⁺ -Kontak Ge

Kami membandingkan ρ _c ZnO yang diolah dengan Ar plasma Al/ZnO/n ⁺ -Perangkat Ge dalam pekerjaan ini dengan yang dilaporkan dalam literatur, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 10. Untuk n ⁺ yang didoping berat -Contoh kontak Ge, Al/ZnO/n ⁺ -Kontak Ge ditampilkan lebih kecil ρ _c dibandingkan dengan Ni/GeSn [40, 41], Ni/Ge [42], Ti/n ⁺ -Ge di ref. [31], dan Ti/TiO₂ /GeO₂ /Ge [31], Ni/Ge yang ditanamkan karbon [42], dan Ti/n ⁺ -SiGe/n-Ge [43]. Kontak ohmik logam seperti Ni/Ge, Ni/GeSn, Ti/Ge, dan Ni/Ge yang diimplan karbon mengalami penjepitan tingkat Fermi yang parah, yang mengakibatkan ρ besar _c . Untuk Ti/TiO₂ /GeO₂ Kontak /Ge, resistensi tunneling besar diperkenalkan oleh bilayer 1 nm TiO₂ /1.5 nm GeO₂ IL, menurunkan karakteristik resistivitas kontak. Tapi ρ _c dalam pekerjaan ini lebih besar dari pada ref. [44]. Kami berasumsi bahwa ini mungkin karena P ⁺ four empat kali lebih besar dosis implantasi dari itu dalam pekerjaan kami. Dosis implantasi yang lebih besar akan memungkinkan doping permukaan yang lebih berat dari n ⁺ -Ge, menghasilkan penghalang Schottky yang lebih tipis dan ρ . yang lebih kecil _c . Kami percaya bahwa dengan doping n ⁺ . yang lebih berat -Ge di Al/ZnO/n ⁺ -Perangkat Ge, lebih kecil ρ _c akan menghasilkan.

Perbandingan ρ _c dari Al/ZnO/n ⁺ -Ge dalam pekerjaan ini dengan kontak lain yang dilaporkan, menggunakan P ⁺ dosis implantasi sebagai x sumbu