저항 접촉을 형성하기 위해 p-GaN에 Al 도핑된 ZnO의 2단계 증착

초록

Al 도핑된 ZnO(AZO) 박막은 PAD(Polymer Assisted Deposition) 및 ALD(Atomic Layer Deposition) 방법으로 구성된 2단계 증착을 사용하여 p-GaN 기판에 직접 증착되었습니다. p-GaN에서 AZO의 옴 접촉이 형성되었습니다. 2단계로 준비된 AZO 필름의 가장 낮은 면저항은 145Ω/sq에 도달했고 비접촉 저항은 1.47 × 10^-2 으로 감소했습니다. Ω·cm² . AZO 필름의 투과율은 가시 영역에서 80% 이상으로 유지되었습니다. PAD와 ALD 기술의 조합은 광전자공학을 위한 p형 옴 접촉을 준비하는 데 사용할 수 있습니다.

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배경

현재 GaN 기반 화합물 반도체는 이미 상당한 진전을 이뤘으며 우수한 소자 성능을 위해 옴 접촉이 중요한 고온, 고전력 및 고주파 소자[1, 2]에 포괄적으로 활용되고 있습니다. 지금까지 p형 GaN에 대한 저항성 접촉을 구현하는 것은 여전히 매우 어렵습니다[3, 4]. 장기간에 걸쳐 산화된 Ni/Au[5], Ni/Pd/Au[6] 및 Pd/Ni[7] 등이 일반적인 솔루션이지만 Au 접점은 불투명하고 비싸고 고온에서 불안정합니다. 따라서 열적으로 안정적이고 투명한 대안을 찾는 것이 시급합니다. 지금까지 Al-doped ZnO(AZO) 및 Sn-doped In₂과 같은 투명 전도성 산화물(TCO) O₃ (ITO)는 전극 재료로 널리 사용되었습니다. 그러나 주석과 인듐은 모두 비용이 많이 들고 환경에 비우호적입니다. 대조적으로, AZO는 높은 투명도, 낮은 저항, 저비용 및 무독성으로 인해 유망합니다[8,9,10]. AZO 필름은 원자층 증착[8], 스퍼터링[11], e-빔 증발[12], 펄스 레이저 증착[13] 및 졸-겔[14]과 같은 많은 방법에 의해 제조될 수 있다고 보고되었습니다. AZO(4.7 eV)와 p-GaN(7.5 eV) 사이의 전자 친화도의 차이로 인해[15] AZO를 GaN에 직접 증착하여 옴 접촉을 달성하기가 어렵습니다[16]. p-GaN에 증착된 AZO 필름은 저항 거동을 일으켰습니다[17, 18]. 이 문제를 해결하기 위해 NiO[16], Ag 나노입자[19, 20], p-InGaN[21], Pt 층[22] 및 InON 나노닷[23]과 같은 여러 종류의 중간층이 도입되었습니다.

이 연구에서 AZO와 p-GaN 사이의 옴 접촉을 달성하기 위해 2단계 방법이 개발되었습니다. 첫 번째 단계는 PAD(Polymer Assisted Deposition)에 의해 중간층으로 AZO 박막을 성장시키는 것입니다. 알루미늄과 아연의 금속 양이온 몰비가 다른 AZO 필름(n_Al :n_Zn ) p-GaN에서 직접 성장되었습니다. 다양한 성장 온도와 어닐링 온도가 결정질 품질과 필름의 전도도에 미치는 영향이 광범위하게 연구되었습니다. 두 번째 단계는 PAD로 성장한 AZO 위에 ALD(Atomic Layer Deposition) 방식으로 AZO 박막을 성장시키는 것이다. AZO 필름은 좋은 결정질 품질, p-GaN에 대한 우수한 저항 거동 및 높은 투과율로 유리한 (002) 배향을 보여줍니다. PAD-AZO 층은 오믹 접촉을 보장하고 ALD-AZO 층은 비접촉 저항과 면저항을 감소시켜 사용할 수 있도록 했습니다.

방법

PAD는 최근 개발된 새로운 약액 증착법으로 매우 저렴한 비용으로 규칙적이고 불규칙한 대규모 표면에 우수한 결정질의 금속 산화막을 성장시키는 실용적인 방법으로 입증되었습니다[24,25,26, 27]. PAD-AZO 필름(약 30nm)은 PAD 방법의 표준 절차에 따라 p-GaN에서 직접 성장되었습니다[24]. PAD-AZO 필름의 용액은 폴리머에 결합된 Zn 및 Al의 두 가지 개별 용액을 혼합하여 제조되었습니다. Zn 농도(3.06 × 10⁻⁴ mol/mL) 및 Al(7.41 × 10⁻⁵ mol/mL)는 유도 결합 플라즈마-원자 방출 분광계(ICP-AES)로 특성화되었으며 두 용액의 다른 부피가 함께 혼합되어 Al 대 Zn의 몰비가 다른 AZO 전구체를 형성했습니다. 혼합 용액을 기판에 3000rpm으로 40초 동안 스핀 코팅한 다음 핫 플레이트에서 공기 중 60°C에서 10분 동안 예열했습니다. 그런 다음 필름을 공기 중에서 2시간 동안 500, 600, 700, 800°C로 가열했습니다. ALD 방법은 전도도를 증가시키기 위한 두 번째 단계로 사용되었습니다. ALD-AZO 필름(약 120nm)은 Beneq TFS-200을 사용하여 150°C에서 증착되었으며 ALD 공정에 대한 자세한 내용은 이전 작업[8,9,10]에서 찾을 수 있습니다. 이 실험의 기판은 p-GaN이었습니다(캐리어 농도는 약 1.2 × 10¹⁷ cm⁻³ ) 및 석영 유리. 표면 지형은 원자력 현미경(AFM, Bruker Multimode 8)으로 측정하였다. 이러한 필름의 결정도 및 배향은 x-선 회절(XRD, Bede D1)로 측정되었습니다. 필름의 투과율은 자외선-가시광선 분광광도계(UV-2550; Shimadzu, Kyoto, Japan)로 측정하였다. 전기 저항은 van der pauw 기하학을 사용하여 홀 측정(Model 7707A, Lake Shore, USA)에 의해 측정되었습니다. AZO 필름은 약 2분 동안 인산으로 에칭되었습니다(에칭 속도는 약 100nm/min). 사각형 모양을 형성하기 위해 그들에 마스크. 에칭 후, 4개의 정사각형 전극에 4개의 리드선을 연결하였다. 비접촉저항과 전류-전압(I-V) 곡선은 CTLM(Circular transmission line model) 방법을 사용하여 측정하였다. CTLM 패턴은 성장 전에 표준 포토리소그래피 기술을 사용하여 기판에 정의되었습니다.

결과 및 토론

그림 1은 PAD 방법에 의해 p-GaN 기판에 직접 증착된 AZO 필름의 XRD(x-ray diffraction) 스펙트럼을 보여줍니다. 성장 온도는 각각 500(그림 1a), 600(그림 1b), 700(그림 1c) 및 800°C(그림 1d)로 설정되었으며 모든 샘플의 조성은 동일하게 유지되었습니다(n _알 :n_Zn =9:100) 그림 1b에서 주 피크는 GaN(002)으로 표시되고 숄더는 AZO(002)로 표시됨을 확인할 수 있습니다. PAD법에 의해 성장한 AZO 필름은 양호한 c축 배향을 나타낸다. 500°C 및 600°C에서 성장한 AZO 필름은 우수한 결정성을 보여주며 (002) 로킹 곡선의 반치폭(FWHM)은 625 및 572 arcsec이었습니다. 분명히, 성장 온도는 AZO의 성장에 중요한 역할을 합니다. 500°C에서 폴리머가 소진되어 결정화에 영향을 미칠 수 있습니다. 온도가 700°C와 800°C일 때 AZO의 분해가 일어나서 숄더 피크가 소실되는 이유였다. AZO의 우수한 결정질 품질은 두 가지 요인에 기인한다고 설명할 수 있습니다. 첫 번째는 ZnO와 GaN 사이의 격자 일치와 관련이 있으며, 다음 공식에 따라 불일치가 2% 미만입니다. |a_{e − a_s |/a_e , 여기서 a_s GaN 기판의 격자 상수를 나타냅니다. a_e ZnO 에피층의 격자 상수를 나타냅니다. 두 번째는 폴리머가 분해되고 c축을 따라 ZnO가 결정화되는 600°C의 최적화된 성장 온도 때문입니다.}

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다른 온도에서 PAD 방법에 의해 p-GaN 기판에 직접 증착된 AZO 필름의 X선 회절 스펙트럼. 아 500°C ㄴ 600°C ㄷ 700°C 및 d 800°C (a의 내부 그래프 ) 및 (b ) AZO의 002 회절 피크의 요동 곡선을 보여줍니다.

그림 2a는 van der pauw 기하학 구조의 개략도를 보여줍니다. 보다 합리적인 결과를 얻기 위해 모든 전기 테스트 전에 AZO 표면에 인듐 전극을 스폿 용접했습니다. AZO는 n형 반도체로 AZO와 인듐 전극 사이의 오믹 접촉을 쉽게 달성할 수 있었습니다. 그림 2b와 2(b)의 내부 그래프는 서로 다른 온도(500, 600, 700, 800°C)에서 성장한 AZO 필름의 I-V 특성과 저항률을 보여줍니다. PAD-AZO의 성장 온도가 500, 600 및 700°C로 설정되었을 때 PAD-AZO와 p-GaN 사이의 접촉은 옴이었습니다. 성장 온도가 600°C일 때 성장 온도가 증가함에 따라 면저항이 감소하고, 성장 온도가 약 600°C일 때 면저항이 가장 낮은 값(740 Ω/sq)에 도달하고 증가함에 따라 면저항이 증가했습니다. 성장 온도의 증가. 기본적으로 전극의 저항은 가능한 한 낮아야 합니다. 그림 2c는 Al 대 Zn의 몰비가 다른 AZO 필름의 I-V 특성을 보여줍니다. 모든 샘플이 선형 I-V 특성을 나타냄을 관찰할 수 있으며, 이는 p-GaN에 증착된 AZO의 접촉이 옴임을 의미합니다. 그림 2d는 AZO 필름의 저항률과 캐리어 밀도 대 Al 대 Zn의 다른 몰비를 보여줍니다. PAD-AZO의 가장 낮은 면저항은 약 740Ω/sq였다. Al 대 Zn의 몰비가 9% 미만인 경우에는 Al 대 Zn의 몰비가 증가함에 따라 저항이 감소하고, Al 대 Zn의 몰비가 9%를 초과하면 저항이 증가함에 따라 저항이 증가하는 것으로 나타났다. Al 대 Zn의 몰비 증가. 그리고 AZO 필름의 변화 경향은 그림 2c와 유사하였다. 분명히 자기 보상은 높은 도핑 범위에서 발생했습니다. 전도성이 개선되어야 하는 것은 분명합니다. R_sh 방정식에서 알 수 있습니다. =ρ/t(여기서 ρ는 저항률을 나타내고 t는 필름 두께를 나타냄) 면 저항(R_sh )은 막의 두께가 증가함에 따라 감소하므로 저항률을 낮추기 위해서는 PAD-AZO의 두께를 증가시켜야 한다. PAD 공법의 특성상 AZO 박막의 두께를 향상시키기 위해서는 다중 스핀 코팅과 열처리가 불가피하다[28]. 그러나 여러 차례 열처리 후 저항이 증가하여 면저항이 7600Ω/sq에 도달함을 알 수 있었다. PAD-AZO의 두께가 약 150nm일 때. 저항 증가는 여러 번의 열처리로 인해 발생할 수 있으므로 다른 솔루션을 찾아야 합니다. 우리 그룹의 이전 작업은 ALD-AZO 필름의 저항이 상대적으로 낮을 수 있음을 나타내므로 [8,9,10] ALD 방법이 추가되었습니다.

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아 van der pauw 기하학을 보여주는 스케치 그래프. ㄴ 다양한 성장 온도(500, 600, 700, 800°C)를 가진 AZO 필름의 저항. (b의 내부 그래프 ) 저항의 온도 의존성을 보여줍니다. ㄷ Al과 Zn의 몰비에 따른 전류-전압 특성. d 저항률 및 캐리어 밀도 대 Al 대 Zn의 다른 몰비

그림 3a는 p-GaN에 증착된 PAD-AZO, ALD-AZO 및 2단계 AZO의 IV 특성을 보여주고, 내부 그래프는 N의 600°C에서 급속 열처리로 어닐링된 ALD-AZO 필름의 IV 특성을 보여줍니다. ₂ 60초 동안 ALD-AZO 필름의 저항이 PAD-AZO 필름의 저항보다 훨씬 작음을 나타냅니다. 그러나 ALD-AZO와 p-GaN 사이의 접촉은 non-ohmic이었다. ALD-AZO 필름은 N₂에서 RTA에 의해 어닐링되었습니다. (60초 동안은 데이터가 표시되지 않음) ALD-AZO와 p-GaN 사이의 접점은 여전히 비옴이므로 PAD-AZO 층이 필요했습니다. PAD-AZO(30 nm) 및 2단계 AZO(150 nm)의 저항은 2.221 × 10^-3 입니다. Ω·cm 및 2.175 × 10⁻³ Ω·cm. PAD 방식은 저항이 낮은 두꺼운 AZO 박막을 성장시키기 어려웠고 30nm의 두께는 전극에 비해 다소 얇을 수 있습니다. 따라서 이 경우 PAD-AZO를 사용하여 오믹 접촉을 형성하고 ALD-AZO를 추가하여 면저항을 줄였습니다. 저항률은 약간 개선되었지만 시트 저항은 145Ω/sq로 크게 감소했습니다. ALD 방법이 도입되었을 때. 옴 접촉의 중요한 매개변수는 특정 접촉 저항(R_c ). 그림 3b는 비접촉 저항을 추출하기 위한 PAD-AZO(ALD-AZO 없음) 및 2단계 AZO(ALD-AZO 포함)의 특정 접촉 원시 데이터를 보여주고, 내부 그래프는 내부 점인 CTLM의 구조를 보여줍니다. 반경은 100 um이고 내부와 외부 반경 사이의 공간은 5에서 30 um까지 다양했습니다. 특정 접촉 저항을 계산할 수 있는 데이터에서 방정식은 다음과 같습니다. R_m ≈ R_쉿 [ln((r + s)/r)]/2π +L_T R_쉬 ln[(2r + s)/r(r + s)]/2π 및 R_c ≈ R_쉿 ·L_T ² , 여기서 R_m 두 전극 사이의 저항, r은 내부 반경, L_T 그림 3b에서 c=(r/s)*ln((r + s)/r), s는 내부 접점과 외부 접점 사이의 간격을 나타냅니다. PAD-AZO 필름의 가장 낮은 비접촉 저항은 약 1.08 × 10⁻¹ 이었습니다. Ω·cm² , 그리고 2단계 증착된 AZO 필름의 가장 낮은 비접촉 저항은 약 1.47 × 10^-2 Ω·cm² . 비접촉 저항의 감소는 ALD-AZO 막의 저항이 PAD-AZO 막의 저항보다 낮기 때문이며, 이는 수소 원자의 도펀트에 기인할 수 있다[8, 29]. 동시에, 인듐 전극과 ALD-AZO 사이의 저항은 인듐 전극과 PAD-AZO 사이의 저항보다 작았다. IV 테스트(포함된 접촉 저항)에 의해 측정된 저항은 반 데르 포(van der pauw) 기하학에 의해 측정된 것보다 더 컸고, PAD-AZO(1200Ω)에서 이 두 저항 간의 차이는 ALD-AZO(300Ω)의 차이보다 컸습니다.

<사진>

아 p-GaN에서 성장한 PAD-AZO, ALD-AZO 및 2단계 AZO의 전류-전압 특성. (a의 내부 그래프 )는 N₂에서 RTA로 어닐링된 ALD-AZO의 I-V 곡선을 보여줍니다. 60초 동안 ㄴ 비접촉 저항을 추출하기 위해 PAD-AZO(ALD-AZO 없음) 및 2단계 AZO(ALD-AZO 있음)의 특정 접촉에 대한 원시 데이터 및 선형 피팅 데이터를 보여줍니다. 내부 그래프(b ) CTLM의 구조를 보여줍니다.

그림 4는 각기 다른 성장 온도(a) 500, (b) 600, (c) 700 및 (d) 800°C에서 PAD-AZO 필름의 표면 형상을 보여줍니다. AZO는 500°C에서 기판에 형성되기 시작했음을 관찰할 수 있습니다. AZO 입자는 성장 온도가 600°C일 때 균일하고 조밀했으며 평균 입자 크기는 약 70nm였습니다. 그러나 700°C에서 일부 곡물은 다른 곡물을 희생시키면서 자랐습니다. 성장 온도가 800°C에 도달하면 알갱이가 커집니다. 성장 온도와 저항률의 영향을 고려하여 적절한 성장 온도로 600°C를 선택했습니다. 그림 4e는 p-GaN 위의 ALD-AZO 막의 표면 지형을 보여주고, 그림 4f는 2단계 증착된 AZO 막의 표면 지형을 보여줍니다. (e)와 (f)로부터 결정립 크기는 변했지만 구조는 여전히 모자이크였다는 결론을 내릴 수 있다. 이러한 변화는 격자 불일치를 줄이기 위해 PAD-AZO 중간층을 삽입했기 때문일 수 있습니다.

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아 , b , ㄷ , d 각각 500, 600, 700, 800°C의 다양한 성장 온도에서 PAD-AZO 필름(1μm × 1μm)의 표면 형태. 이 p-GaN에 직접 연결된 ALD-AZO 필름의 표면 형태. 에 2단계 증착 AZO 필름의 표면 지형

그림 5는 ALD-AZO 층이 있거나 없는 AZO 필름의 투과율을 보여줍니다. 석영의 성장 조건은 p-GaN의 성장 조건과 동일하게 유지되었습니다. PAD-AZO 필름의 투과 스펙트럼은 가시광선에 해당하는 400~700nm의 파장 범위에서 90% 이상의 값을 가진 모든 샘플에서 거의 동일했습니다. ALD-AZO가 PAD-AZO 박막에 증착되었을 때 투과율이 약 80%로 감소했지만, 투과율은 여전히 산화된 Ni/Au 박막보다 훨씬 높았다(가시 영역에서 55-70%) [30] ITO 필름의 투과율과 거의 동일합니다[31].

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PAD-AZO 필름과 2단계 AZO 필름의 투과율

결론

이 연구에서 우리는 PAD와 ALD 방법을 조합하여 p-GaN 위에 AZO 박막을 성공적으로 준비했습니다. AZO 박막은 (002) 배향되었고 400-700nm의 파장 범위에서 매우 투명합니다(약 80%). 최적의 저항은 2.175 × 10⁻³ 이었습니다. Ω·cm 및 2단계 증착 AZO 필름의 가장 낮은 비접촉 저항은 약 1.47 × 10^-2 Ω·cm² . 우리의 결과는 2단계 방법을 사용하여 산업용 투명 전도성 AZO 전극을 준비할 수 있음을 보여줍니다.

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