Zweistufige Abscheidung von Al-dotiertem ZnO auf p-GaN zur Bildung ohmscher Kontakte

Hintergrund

Heutzutage haben GaN-basierte Verbindungshalbleiter bereits erhebliche Fortschritte erzielt und werden umfassend in Hochtemperatur-, Hochleistungs- und Hochfrequenzbauelementen eingesetzt [1, 2], in denen ohmsche Kontakte für eine gute Bauelementleistung entscheidend sind. Bisher ist es noch sehr schwierig, ohmsche Kontakte zu p-GaN zu realisieren [3, 4]. Über einen langen Zeitraum sind oxidierte Ni/Au [5], Ni/Pd/Au [6] und Pd/Ni [7] usw. übliche Lösungen, obwohl Au-Kontakte opak, teuer und bei hohen Temperaturen instabil sind. Daher steht die Suche nach einer Alternative, die thermisch stabil und transparent ist, unmittelbar bevor. Bisher transparente leitfähige Oxide (TCO) wie Al-dotiertes ZnO (AZO) und Sn-dotiertes In₂ O₃ (ITO) sind als Elektrodenmaterialien weit verbreitet. Sowohl Zinn als auch Indium sind jedoch teuer und umweltschädlich. Im Gegensatz dazu ist AZO aufgrund seiner hohen Transparenz, geringen Resistenz, geringen Kosten und Ungiftigkeit vielversprechend [8,9,10]. Es wurde berichtet, dass AZO-Filme durch viele Methoden wie Atomlagenabscheidung [8], Sputtern [11], Elektronenstrahlverdampfung [12], gepulste Laserabscheidung [13] und Sol-Gel [14] hergestellt werden können. Aufgrund der unterschiedlichen Elektronenaffinitäten zwischen AZO (4,7 eV) und p-GaN (7,5 eV) [15] ist es schwierig, ohmsche Kontakte durch direktes Abscheiden von AZO auf GaN zu erreichen [16], obwohl berichtet wurde, dass nach dem Tempern die abgeschiedenen AZO-Filme auf p-GaN führten zu ohmschem Verhalten [17, 18]. Um das Problem zu lösen, wurden verschiedene Arten von Zwischenschichten eingeführt, zB NiO [16], Ag-Nanopartikel [19, 20], p-InGaN [21], Pt-Schicht [22] und InON-Nanodots [23].

In dieser Arbeit wurde eine zweistufige Methode entwickelt, um ohmsche Kontakte zwischen AZO und p-GaN herzustellen. Der erste Schritt besteht darin, AZO-Dünnfilme als Zwischenschicht durch polymerunterstützte Abscheidung (PAD) zu züchten. AZO-Filme mit unterschiedlichen Metallkationen-Molverhältnissen von Aluminium zu Zink (n_Al : n_Zn ) wurden direkt auf p-GaN gezüchtet. Der Einfluss unterschiedlicher Wachstumstemperaturen und Glühtemperaturen auf die kristalline Qualität und die Leitfähigkeit der Filme wurde ausführlich untersucht. Der zweite Schritt besteht darin, AZO-Dünnfilme durch Atomlagenabscheidung (ALD) auf der Oberseite des PAD-gewachsenen AZO zu züchten. Die AZO-Filme zeigen eine günstige (002)-Orientierung bei guter kristalliner Qualität, ein gutes ohmsches Verhalten auf p-GaN und eine hohe Transmission. Die PAD-AZO-Schicht stellte einen ohmschen Kontakt sicher, während die ALD-AZO-Schicht den spezifischen Kontaktwiderstand und den Schichtwiderstand verringerte, um sie verwendbar zu machen.

Methoden

PAD ist ein neues chemisches Lösungsabscheidungsverfahren, das in den letzten Jahren entwickelt wurde und sich als praktisches Verfahren erwiesen hat, um Metalloxidfilme mit guter kristalliner Qualität auf großen, regelmäßigen und unregelmäßigen Oberflächen mit sehr geringen Kosten zu wachsen [24,25,26, 27]. PAD-AZO-Filme (ca. 30 nm) wurden direkt auf p-GaN nach den Standardverfahren der PAD-Methode [24] gezüchtet. Die Lösung der PAD-AZO-Filme wurde durch Mischen von zwei getrennten Lösungen von Zn und Al, die an Polymere gebunden sind, hergestellt. Die Konzentrationen von Zn (3,06 × 10 ⁻⁴ mol/ml) und Al (7,41 × 10 ^–5 mol/ml) in diesen beiden Lösungen wurden mit einem induktiv gekoppelten Plasma-Atomemissionsspektrometer (ICP-AES) charakterisiert und die unterschiedlichen Volumina der beiden Lösungen wurden miteinander vermischt, wodurch AZO-Vorstufen mit unterschiedlichen Molverhältnissen von Al zu Zn gebildet wurden. Die gemischte Lösung wurde 40 s lang bei 3000 U/min auf Substrate schleuderbeschichtet und dann auf einer Heizplatte 10 Minuten lang bei 60 °C in Luft vorgewärmt. Anschließend wurden die Filme 2 h an der Luft auf 500, 600, 700 und 800°C erhitzt. Als zweiter Schritt wurde die ALD-Methode verwendet, um die Leitfähigkeit zu erhöhen. Die ALD-AZO-Filme (ca. 120 nm) wurden bei 150 °C unter Verwendung von Beneq TFS-200 abgeschieden, und die Details des ALD-Prozesses finden sich in unserer früheren Arbeit [8,9,10]. Die Substrate in diesem Experiment waren p-GaN (die Trägerkonzentration betrug etwa 1,2 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ ) und Quarzglas. Die Oberflächentopographie wurde durch Rasterkraftmikroskopie (AFM, Bruker Multimode 8) gemessen. Kristallinität und Orientierung dieser Filme wurden durch Röntgenbeugung (XRD, Bede D1) gemessen. Die Transmission der Filme wurde mit einem Ultraviolett-Vis-Spektrophotometer (UV-2550; Shimadzu, Kyoto, Japan) gemessen. Der spezifische elektrische Widerstand wurde durch eine Hall-Messung (Modell 7707A, Lake Shore, USA) unter Verwendung einer Van-der-Pauw-Geometrie gemessen. Die AZO-Filme wurden mit Phosphorsäure etwa 2 Minuten lang (die Ätzgeschwindigkeit betrug etwa 100 nm/min) mit einer 1 cm ² . geätzt Maske auf ihnen, um die quadratische Form zu bilden. Nach dem Ätzen wurden vier Zuleitungsdrähte mit den vier quadratischen Elektroden verbunden. Spezifischer Kontaktwiderstand und Strom-Spannungs-(I-V)-Kurven wurden unter Verwendung des Circular Transmission Line Model (CTLM)-Verfahrens gemessen. CTLM-Muster wurden auf dem Substrat unter Verwendung einer standardmäßigen photolithographischen Technik vor dem Wachsen definiert.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1 zeigt die Röntgenbeugungsspektren (XRD) der AZO-Filme, die mit der PAD-Methode direkt auf p-GaN-Substraten abgeschieden wurden. Die Wachstumstemperaturen wurden auf 500 (Abb. 1a), 600 (Abb. 1b), 700 (Abb. 1c) bzw. 800 °C (Abb. 1d) eingestellt, und die Zusammensetzungen aller Proben wurden gleich gehalten (n _Al :n_Zn = 9:100) Aus Abb. 1b ist ersichtlich, dass der Hauptpeak auf GaN (002) indiziert war, während die Schulter auf AZO (002) zurückgeführt wurde. Die nach dem PAD-Verfahren gewachsenen AZO-Filme zeigen eine günstige c-Achsen-Orientierung. Die bei 500°C und 600°C gewachsenen AZO-Filme zeigen eine gute Kristallinität und die Halbwertsbreite (FWHM) der (002) Rocking Curve betrug 625 und 572 Bogensekunden. Offensichtlich spielt die Wachstumstemperatur eine entscheidende Rolle für das Wachstum von AZO. Bei 500 °C ist das Polymer gerade ausgebrannt und könnte die Kristallisation beeinträchtigen. Bei Temperaturen von 700 °C und 800 °C kam es zur Zersetzung von AZO und dies war der Grund für das Verschwinden des Schulterpeaks. Es lässt sich erklären, dass die gute kristalline Qualität von AZO auf zwei Faktoren zurückgeführt wird:Der erste hängt mit der Gitteranpassung zwischen ZnO und GaN zusammen, ihre Fehlanpassung beträgt weniger als 2% nach folgender Formel:|a_e − a_s |/a_e , wobei a_s steht für die Gitterkonstante des Substrats von GaN, a_e steht für die Gitterkonstante der Epischicht von ZnO. Der zweite ist auf die optimierte Wachstumstemperatur von 600 °C zurückzuführen, bei der das Polymer zersetzt wurde und ZnO entlang der c-Achse kristallisierte.

Röntgenbeugungsspektren von AZO-Filmen, die direkt auf einem p-GaN-Substrat durch das PAD-Verfahren bei verschiedenen Temperaturen abgeschieden wurden. a 500 °C; b 600 °C; c 700 °C und d 800 °C. Die inneren Graphen von (a ) und (b ) zeigen die Rocking-Kurve des 002-Beugungspeaks von AZO

Abbildung 2a zeigt schematische Diagramme der Strukturen für die Van-der-Pauw-Geometrie. Um vernünftigere Ergebnisse zu erhalten, wurden vor allen elektrischen Tests Indiumelektroden auf die AZO-Oberfläche punktgeschweißt. Das AZO war ein Halbleiter vom n-Typ und ein ohmscher Kontakt zwischen AZO und Indiumelektrode war leicht zu erreichen. Abbildung 2b und das innere Diagramm von 2 (b) zeigen die I-V-Eigenschaften und den spezifischen Widerstand der AZO-Filme, die bei verschiedenen Temperaturen (500, 600, 700 und 800 °C) gewachsen sind. Als die Wachstumstemperaturen des PAD-AZO auf 500, 600 und 700 °C eingestellt wurden, waren die Kontakte zwischen PAD-AZO und p-GaN ohmsch. Bei einer Wachstumstemperatur von 600 °C nahm der Schichtwiderstand mit steigender Wachstumstemperatur ab, bei einer Wachstumstemperatur von etwa 600 °C erreichte der Schichtwiderstand den niedrigsten Wert (740 Ω/sq) und stieg mit die Erhöhung der Wachstumstemperatur. Grundsätzlich muss der spezifische Widerstand der Elektrode so gering wie möglich sein. Die Fig. 2c zeigt die I-V-Eigenschaften von AZO-Filmen mit unterschiedlichen Molverhältnissen von Al zu Zn. Es kann beobachtet werden, dass alle Proben lineare I-V-Eigenschaften aufwiesen, was implizierte, dass die Kontakte des so abgeschiedenen AZO auf p-GaN ohmsch waren. Abbildung 2d zeigt den spezifischen Widerstand und die Ladungsträgerdichte der AZO-Filme gegenüber unterschiedlichen Molverhältnissen von Al zu Zn. Der niedrigste Schichtwiderstand des PAD-AZO betrug etwa 740 Ω/sq. Es zeigte sich, dass, wenn das Molverhältnis von Al zu Zn unter 9% lag, der Widerstand mit zunehmendem Molverhältnis von Al zu Zn abnahm, und wenn das Molverhältnis von Al zu Zn über 9% lag, stieg der Widerstand dann mit die Erhöhung des Molverhältnisses von Al zu Zn. Und die Variationstendenz der AZO-Filme war ähnlich wie in Fig. 2c. Offensichtlich trat im hohen Dotierungsbereich Selbstkompensation auf. Es ist offensichtlich, dass die Leitfähigkeit noch verbessert werden muss. Es kann aus der Gleichung R_sh . erkannt werden = ρ/t (wobei ρ für den spezifischen Widerstand und t für die Dicke des Films steht), dass der Schichtwiderstand (R_sh ) nimmt mit zunehmender Dicke des Films ab, daher sollte die Dicke des PAD-AZO erhöht werden, um den spezifischen Widerstand zu verringern. Aufgrund der Eigenschaften des PAD-Verfahrens waren zur Verbesserung der Dicke von AZO-Filmen mehrfaches Aufschleudern und Wärmebehandlung unvermeidlich [28]. Nach mehrmaliger Wärmebehandlung wurde jedoch festgestellt, dass der Widerstand anstieg, der Flächenwiderstand 7600 Ω/sq erreichte. wenn die Dicke von PAD-AZO etwa 150 nm betrug. Die Erhöhung des Widerstands kann durch mehrere Wärmebehandlungen verursacht werden, daher müssen andere Lösungen gefunden werden. Die frühere Arbeit unserer Gruppe zeigte, dass der spezifische Widerstand von ALD-AZO-Filmen relativ niedrig sein kann [8,9,10], daher wurde die ALD-Methode hinzugefügt.

a Die Skizzendiagramme demonstrieren die Van-der-Pauw-Geometrie. b Der spezifische Widerstand von AZO-Filmen mit unterschiedlichen Wachstumstemperaturen (500, 600, 700 und 800 °C). Der innere Graph von (b ) zeigt die Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstands. c Strom-Spannungs-Kennlinien verschiedener Molverhältnisse von Al zu Zn. d Der spezifische Widerstand und die Ladungsträgerdichte im Vergleich zu verschiedenen Molverhältnissen von Al zu Zn

Abbildung 3a zeigt die IV-Eigenschaften des PAD-AZO, des ALD-AZO und des zweistufigen AZO, die auf p-GaN abgeschieden wurden, das innere Diagramm zeigt die IV-Eigenschaften des ALD-AZO-Films, der durch schnelles thermisches Tempern bei 600 °C in N . getempert wurde ₂ für 60 s. Es zeigte, dass der Widerstand des ALD-AZO-Films viel geringer war als der des PAD-AZO-Films. Der Kontakt zwischen ALD-AZO und p-GaN war jedoch nicht ohmsch. Die ALD-AZO-Filme wurden durch RTA in N₂ . getempert (nicht nur für 60 s, Daten nicht gezeigt), waren die Kontakte zwischen ALD-AZO und p-GaN immer noch nicht ohmsch, sodass die PAD-AZO-Schicht benötigt wurde. Der spezifische Widerstand von PAD-AZO (30 nm) und zweistufigem AZO (150 nm) betrug 2,221 × 10 ⁻³ Ω·cm und 2,175 × 10 ⁻³ ·cm. Für das PAD-Verfahren war es schwierig, dicke AZO-Filme mit niedrigem Widerstand zu züchten, und die Dicke von 30 nm kann für Elektroden etwas dünn sein. In diesem Fall wurde also PAD-AZO verwendet, um einen ohmschen Kontakt zu bilden, und ALD-AZO wurde hinzugefügt, um den Schichtwiderstand zu reduzieren. Während es eine leichte Verbesserung des spezifischen Widerstands gab, war der Flächenwiderstand stark auf 145 Ω/sq reduziert worden. als die ALD-Methode eingeführt wurde. Ein wichtiger Parameter des ohmschen Kontakts bezieht sich auf den spezifischen Kontaktwiderstand (R_c ). Abbildung 3b zeigt die Rohdaten des spezifischen Kontakts des PAD-AZO (ohne ALD-AZO) und des zweistufigen AZO (mit ALD-AZO) zur Extraktion des spezifischen Kontaktwiderstands, der innere Graph zeigt die Struktur von CTLM, der innere Punkt Der Radius betrug 100 µm, und der Abstand zwischen dem Innen- und dem Außenradius wurde von 5 bis 30 µm variiert. Aus den Daten kann der spezifische Kontaktwiderstand berechnet werden, die Gleichungen lauten R_m ≈ R_sch [ln((r + s)/r)]/2π +L_T R_sch ln[(2r + s)/r(r + s)]/2π und R_c ≈ R_sch ·L_T ² , wobei R_m steht für den Widerstand zwischen zwei Elektroden, r steht für Innenradius, L_T steht für die Übertragungslänge, in der Abb. 3b, c = (r/s)*ln((r + s)/r), s steht für den Abstand zwischen Innen- und Außenkontakt. Der niedrigste spezifische Kontaktwiderstand der PAD-AZO-Filme betrug etwa 1,08 × 10 ^–1 . Ω·cm ² , und der niedrigste spezifische Kontaktwiderstand des zweistufig abgeschiedenen AZO-Films betrug etwa 1,47 × 10 ^–2 . Ω·cm ² . Die Verringerung des spezifischen Kontaktwiderstandes wurde unserer Meinung nach darauf zurückgeführt, dass der spezifische Widerstand von ALD-AZO-Filmen geringer war als der von PAD-AZO-Filmen, was möglicherweise auf den Dotierstoff von Wasserstoffatomen zurückzuführen ist [8, 29]. Gleichzeitig war der Widerstand zwischen Indiumelektrode und ALD-AZO kleiner als zwischen Indiumelektrode und PAD-AZO. Der durch IV-Test gemessene Widerstand (enthaltener Kontaktwiderstand) war größer als der durch die Van-der-Pauw-Geometrie gemessene, der Unterschied zwischen diesen beiden Widerständen in PAD-AZO (1200 ) war größer als der Unterschied in ALD-AZO (300 ).

a Strom-Spannungs-Kennlinien von PAD-AZO, ALD-AZO und zweistufigem AZO aufgewachsen auf p-GaN. Der innere Graph von (a ) zeigt die I-V-Kurve von ALD-AZO, das durch RTA in N₂ . getempert wurde für 60 s. b zeigt die Rohdaten und linearen Anpassungsdaten des spezifischen Kontakts des PAD-AZO (ohne ALD-AZO) und des zweistufigen AZO (mit ALD-AZO), um den spezifischen Kontaktwiderstand zu extrahieren, den inneren Graphen von (b ) zeigt die Struktur von CTLM

Abbildung 4 zeigt die Oberflächentopographie der PAD-AZO-Filme bei verschiedenen Wachstumstemperaturen (a) 500, (b) 600, (c) 700 bzw. (d) 800 °C. Es ist zu beobachten, dass sich bei 500 °C AZO auf dem Substrat zu bilden begann. Die AZO-Körner waren bei einer Wachstumstemperatur von 600 °C einheitlich und kompakt mit einer durchschnittlichen Korngröße von etwa 70 nm. Bei 700 °C wuchsen jedoch einige der Körner auf Kosten der anderen. Als die Wachstumstemperatur 800 °C erreichte, wurden die Körner größer. Unter Berücksichtigung des Einflusses der Wachstumstemperatur und des spezifischen Widerstands wurden 600 °C als geeignete Wachstumstemperatur gewählt. 4e zeigt die Oberflächentopographie des ALD-AZO-Films direkt auf p-GaN, und 4f zeigt die Oberflächentopographie des zweistufig abgeschiedenen AZO-Films. Aus (e) und (f) kann geschlossen werden, dass die Struktur trotz der Änderung der Korngröße immer noch mosaikartig war. Diese Änderung kann der Einfügung der PAD-AZO-Zwischenschicht zugeschrieben werden, um die Gitterfehlanpassung zu reduzieren.

a , b , c , d Oberflächenmorphologien von PAD-AZO-Filmen (1 μm × 1 μm) bei unterschiedlichen Wachstumstemperaturen von 500, 600, 700 bzw. 800 °C. e die Oberflächenmorphologien von ALD-AZO-Filmen direkt auf p-GaN. f die Oberflächentopographie eines zweistufig abgeschiedenen AZO-Films

Abbildung 5 zeigt die Transmissionsgrade der AZO-Filme mit und ohne ALD-AZO-Schicht. Die Wachstumsbedingungen auf Quarz wurden dieselben wie auf p-GaN gehalten. Die Transmissionsspektren für die PAD-AZO-Filme waren für alle Proben mit dem Wert über 90 % im Wellenlängenbereich von 400–700 nm, entsprechend dem sichtbaren Licht, nahezu gleich. Obwohl die Transmission auf etwa 80% reduziert wurde, wenn das ALD-AZO auf den PAD-AZO-Filmen abgeschieden wurde, waren die Transmissionsgrade immer noch viel höher als die der oxidierten Ni/Au-Filme (55–70% im sichtbaren Bereich) [30] und fast das gleiche mit der Transmission von ITO-Filmen [31].

Die Transmissionen der PAD-AZO-Filme und der zweistufigen AZO-Filme

Schlussfolgerungen

In dieser Studie haben wir erfolgreich AZO-Dünnschichten auf p-GaN durch eine Kombination von PAD- und ALD-Methode hergestellt. Die AZO-Dünnfilme waren (002) orientiert und hochtransparent (etwa 80 %) im Wellenlängenbereich von 400–700 nm. Der optimale spezifische Widerstand betrug 2,175 × 10 ⁻³ Ω·cm und der niedrigste spezifische Kontaktwiderstand des zweistufig abgeschiedenen AZO-Films betrug etwa 1,47 × 10 ^–2 Ω·cm ² . Unsere Ergebnisse zeigen, dass mit dem zweistufigen Verfahren transparente und leitende AZO-Elektroden für die industrielle Anwendung vorbereitet werden können.