아르곤 플라즈마 처리로 ZnO를 삽입하여 금속과 n-Ge 사이의 접촉 저항 감소

결과 및 토론

Al/ZnO/n-Ge의 재료 특성화

Ge/ZnO의 XPS 가전자대 스펙트럼과 ZnO의 투과 스펙트럼은 그림 1과 그림 2에 나와 있습니다. Al/ZnO/n-Ge 계면에서 페르미 레벨 디피닝 효과의 메커니즘을 조사하기 위해 각각 1 및 2를 사용했습니다. 두꺼운 ZnO 시료, ZnO/n-Ge 계면 시료, 순수한 Ge 시료에 대해 XPS 측정을 수행하여 그림 1과 같이 ZnO/Ge의 VBO(valence band offset)를 구했습니다. Zn 2 피 두꺼운 ZnO 샘플의 피크 위치와 VBM은 각각 1021.9eV와 2.59eV입니다. Zn 2p 및 Ge 3d ZnO/Ge 인터페이스 샘플의 피크 위치는 각각 1021.7 eV 및 29.1 eV입니다. Ge 3d 순수 Ge 샘플의 피크 위치 및 VBM은 각각 29eV 및 0.06eV입니다. 이는 ZnO/Ge의 VBO가 2.33eV임을 나타냅니다[30].

ZnO/Ge 샘플의 원자가 밴드에 대한 XPS 스펙트럼. 아 Zn 2p 그리고 b 두꺼운 ZnO 샘플의 원자가 밴드 스펙트럼 c ZnO 2p 그리고 d Ge 3d ZnO/Ge 인터페이스 샘플에 대한 스펙트럼 및 e Ge 3d 및 f 벌크 Ge 샘플의 가전자대 스펙트럼

아 E를 나타내는 증착된 ZnO 필름의 투과 스펙트럼 _g 3.21 eV의 ㄴ Al/ZnO/Ge 접촉을 위한 밴드 정렬

그림 2a는 두꺼운 ZnO 샘플에 대한 UV-VIS 분광법에서 얻은 투과율 플롯과 E _g 의 ZnO는 [28, 29]에 보고된 값과 일치하는 3.21eV로 결정됩니다. 획득한 E를 이용하여 _g 위의 ZnO와 VBO의 경우 그림 2b와 같이 ZnO와 Ge 사이에 0.22eV의 CBO가 결정됩니다. 이것은 낮은 R _ㄷ Al/ZnO/n-G 접점용.

그림 3은 ZnO의 두께가 3nm인 Al/ZnO/n-Ge 구조의 TEM 이미지를 보여줍니다. Al과 n-Ge 사이에 균일하고 등각적인 ZnO 층이 관찰됩니다. 오른쪽 상단 모서리에 삽입된 그림은 Al/ZnO/n-Ge 인터페이스를 확대한 HRTEM 이미지를 보여줍니다. ZnO막의 두께는 3nm로 측정되었으며 이는 SE 측정 결과와 일치하며 ZnO막은 비정질 형태입니다.

Al/ZnO/n-Ge 샘플에 대한 TEM 이미지는 Al과 Ge 사이의 균일한 ZnO 층을 보여줍니다. 오른쪽 상단 삽입은 Al/ZnO/n-Ge 인터페이스의 HRTEM 이미지를 보여주고 왼쪽 상단 삽입은 XPS Ge 3d를 보여줍니다. GeO_{x의 존재를 보여주는 샘플의 결과} 계면층

얇은 Geo_x Ge와 ZnO 사이에 계면층이 형성되는데, 이는 이 작업에서 사용된 낮은 증착 온도로 인해 [31]에 비해 훨씬 작습니다. 이것은 ZnO의 증착 동안 Ge가 O 전구체와 반응하여 GeO_{x를 형성한다는 사실에 기인합니다.} 일리노이 지리_x XPS Ge 3d에서도 입증되었습니다. 결과는 왼쪽 상단 모서리에 삽입됩니다.

ZnO막의 전기 전도도는 Ar 플라즈마 처리에 의해 향상될 수 있으며, 이는 산소 결손의 농도 증가를 유발합니다. V _오 , ZnO [32, 33]에서 공여체로 작용합니다. 그림 4는 O 1s의 XPS 결과를 보여줍니다. 증착된 상태의 ZnO 및 50W 전력, Ar 가스 흐름 60sccm, 지속 시간 45초로 Ar 플라즈마 처리한 샘플의 경우. O 1s 피크는 가우스 피팅을 사용하여 두 개의 피크로 디컨볼루션됩니다. ~ 530eV의 피크는 ZnO의 격자 산소에 해당합니다[34, 35]. 증착된 샘플의 경우 531.7 eV의 피크는 V에 해당합니다. _오 (~ 531.5 eV) 및 카보닐 및 하이드록실 그룹과 같은 ZnO 박막 표면의 화학 흡착된 산소 [35, 37]. Ar 플라즈마 처리된 샘플의 경우 피크는 ~ 531.5 eV에서 더 낮은 결합 에너지로 이동하고 증착된 샘플과 비교하여 훨씬 더 뚜렷해집니다. 이는 더 많은 V _오 Ar 플라즈마 처리에 의해 생성되며, 화학 흡착된 산소가 효과적으로 제거됩니다. ZnO에서 n형 도펀트의 증가는 더 얇은 터널링 장벽과 인터페이스에서 더 낮은 직렬 저항을 초래하여 R의 감소를 초래합니다. _ㄷ [36].

O 1s의 XPS 결과 증착된 상태(위쪽) 및 Ar 플라즈마 처리(아래쪽) ZnO(3nm)/n-Ge 샘플에 대한 분해된 결과

그림 5와 같이 두꺼운 ZnO 샘플과 ZnO/Ge 인터페이스 샘플을 사용하여 XPS 측정을 수행했습니다. 이는 Ar 플라즈마 처리 후 ZnO/Ge VBO가 약 2.38eV이고 CBO가 0.17eV임을 나타낼 수 있습니다.

Ar 플라즈마 처리가 있거나 없는 ZnO/Ge 인터페이스 샘플용 VBM. 아 Zn 2p 그리고 b 두꺼운 ZnO 샘플의 원자가 밴드 스펙트럼 c ZnO 2p ZnO/Ge 인터페이스 샘플에 대한 스펙트럼. d Ar 플라즈마 처리된 금속/ZnO/n-Ge의 밴드 정렬 다이어그램

Al/ZnO/n-Ge 접점의 전기적 성능

그림 6a는 측정된 전류 밀도 J를 보여줍니다. 인가 전압 V의 함수로 약하게 도핑된 n-Ge의 Al 접점에 대한 특성. Al/ZnO/n ⁻ -G 소자는 ZnO 층의 두께가 다릅니다. 장치의 개략도는 그림 6의 삽입된 부분에 나와 있습니다.

아 제 -V Al/n ⁻ 에 대한 특성 -Ge 제어, Al/ZnO/n ⁻ - ZnO 두께가 1nm, 2nm, 3nm인 Ge 및 Al/2nm Ar 플라즈마 처리된 ZnO/Ge, b 제 - 3개의 Al/2nm Ar 플라즈마 처리된 ZnO/Ge 장치의 V 특성

예측한 바와 같이, ZnO가 없는 Al/n-Ge 제어 장치는 Al/n ^- 에서 페르미 레벨 피닝으로 인해 전자에 대한 높은 장벽 높이로 정류 특성을 나타냅니다. -게[38]. ZnO가 없는 대조 Al/n-Ge 샘플과 비교하여 Al/ZnO/n-Ge 장치는 개선된 역 J를 나타냅니다. 이는 금속/Ge 계면에서 금속 유도 간극 상태(MIGS)의 감소에 의해 유도된 페르미 준위 디피닝 때문입니다[18, 19]. 이 개선은 더 많은 MIGS가 제거된다는 사실에 기인한 더 두꺼운 ZnO로 더욱 향상됩니다. 그러나 3nm ZnO 삽입 소자의 순방향 전류 밀도는 2nm 소자보다 작습니다. 이것은 다음과 같이 설명될 수 있다. Al/ZnO/n-Ge의 주요 전류 밀도는 터널링 전류입니다. ZnO가 충분히 두껍지 않으면 MIGS가 효과적으로 제거되지 않고 여전히 정류 특성을 보입니다. 그러나 ZnO가 너무 두꺼우면 ZnO의 직렬 저항이 전체 저항을 지배하게 되어 전류가 작아집니다. 따라서 MIGS의 제거와 ZnO의 직렬 저항 증가 사이에는 균형이 있으며 따라서 IL에 대한 임계 두께가 있습니다[19]. 결론적으로 2nm는 Al/ZnO/n-G 접점의 최적 두께로 간주됩니다.

Ar 플라즈마 처리로 Al/ZnO/n ^- 의 성능 -G 장치가 더욱 개선되었습니다. 인가 전압 V의 역방향 또는 순방향 스위프에 대한 모든 것 , Al/2nm ZnO/n ⁻ -Ar 플라즈마 처리된 Ge 장치는 향상된 J를 달성합니다. 2nm ZnO 또는 3nm ZnO를 사용하는 기기에 비해 V _오 Ar 플라즈마 처리 중에 ZnO 막에 생성됩니다. ZnO의 더 높은 도핑 농도는 ZnO의 직렬 저항을 효과적으로 줄이고 ZnO와 Al 사이의 계면에서 전자에 대한 터널링 장벽을 줄여 터널링 전류 밀도를 향상시킬 수 있습니다.

그림 6b는 J를 보여줍니다. -V 3개의 Al/2nm ZnO/n ^- 에 대한 특성 -Ar 플라즈마 처리된 Ge 장치. J 다른 소자에 대해 거의 동일하여 ALD 공정과 Ar 플라즈마 처리가 전류 밀도 향상에 균일한 영향을 미친다는 것을 나타냅니다.

Al/2nm ZnO/n ^- 에 대해 저항 접촉을 얻습니다. - 각각 15초, 30초, 45초, 60초의 서로 다른 Ar 플라즈마 처리 기간이 있는 것과 없는 것이 그림 7에 나와 있습니다.

나 –V Al/2nm ZnO/n ⁻ 에서의 곡선 - 다른 d 아 Ar 플라즈마 처리가 없고 Ar 플라즈마 처리 기간이 b인 경우 15초, c 30초, d 45초 및 e 60초

원시 총 저항 R _꼭 d가 감소함에 따라 두 접점 사이가 감소합니다. , 그리고 마지막 R _꼭 방정식 C로 계산되는 보정 계수 C에 의해 수정됩니다. =(L /d )·ln(1 + d /엘 ) [39], 여기서 L =25μm는 그림 8a의 삽입에 표시된 대로 내부 패드의 반경을 나타냅니다. R을 플로팅하여 _꼭 d의 함수로 그림 8a에서 면저항 R _쉿 n ⁻ 의 -G는 선 기울기에서 얻을 수 있으며, 그 다음 ρ _ㄷ 선형 피팅 라인과 수직 축의 절편에서 계산됩니다. Al/2nm ZnO/n ⁻ 의 경우 -Ar 플라즈마 처리가 없는 Ge 소자, ρ _ㄷ 6.87 × 10 ⁻² Ω cm ² , 그러나 45초의 Ar 플라즈마 처리 후 Ar 플라즈마 처리를 하지 않은 경우에 비해 17.2배 감소하고 접촉저항 ρ을 갖는다. _ㄷ 3.66 × 10 ⁻³ Ω cm ² . ρ 값을 비교합니다. _ㄷ Al/2nm ZnO/n ⁻ 의 경우 - 그림 8b에서 Ar 플라즈마 처리 기간이 다른 Ge 장치. ρ _ㄷ 최대 30초의 치료 시간에 따라 기기의 양이 감소합니다. 그러나 치료 시간이 30초 이상이므로 ρ _ㄷ 거의 동일하게 유지됩니다. ρ 감소 _ㄷ 이는 이전에 언급한 것처럼 ZnO의 도핑으로 인한 터널링 장벽 및 직렬 저항의 감소 때문일 수 있습니다. 그러나 n ⁻ 의 시트 저항에는 관찰 가능한 변화가 없습니다. -G는 n ^- 의 전도도에 영향이 없음을 나타냅니다. -Ge with Ar 플라즈마 처리

아 R _꼭 대 d Al/2nm ZnO /n ⁻ 이 있는 CTLM에 대한 곡선 -G는 Ar 플라즈마 처리 기간이 다른 접점, 그림 5a의 삽입은 이 작업에 사용된 CTLM 구조의 정보입니다. ㄴ ρ _ㄷ 다른 Ar 플라즈마 처리 기간 대비

고농도로 도핑된 Ge에 Al 접점이 있는 CTLM 구조는 Al/2nm ZnO/n ⁺ 의 접점 저항 특성을 조사하는 데 사용됩니다. -게. ZnO 층은 45초 동안 Ar 플라즈마 처리를 거쳤습니다. 그림 9a는 측정된 I를 보여줍니다. -V 다른 d를 갖는 Al 접점 사이의 곡선 , 우수한 옴 성능을 보여줍니다. 그림 9b는 R을 표시합니다. _꼭 d의 함수로 Al/2nm ZnO/n ⁺ 용 -Ge CTLM 및 R _쉿 및 ρ _ㄷ 64Ω/□ 및 2.86 × 10 ⁻⁵ 으로 추출됩니다. Ω cm ² , 각각.

아 나 –V Al/ZnO(2 nm)/n ⁺ 에서의 곡선 - 다른 d Ar 플라즈마를 사용하여 ZnO 처리. ㄴ R _꼭 대 d Al/ZnO(2nm)/n ⁺ 이 있는 CTLM에 대한 곡선 -G 연락처

ρ를 비교합니다. _ㄷ Ar 플라즈마 Al/ZnO/n ⁺ 으로 처리된 ZnO의 -이 장치의 Ge 장치는 그림 10과 같이 문헌에 보고된 장치와 작동합니다. 많이 도핑된 n ⁺ 의 경우 -G 접점 샘플, Al/ZnO/n ⁺ -G 연락처가 더 작은 ρ로 표시됨 _ㄷ Ni/GeSn[40, 41], Ni/Ge[42], Ti/n ⁺ 과 비교 -Ge in ref. [31], Ti/TiO₂ /GeO₂ /Ge [31], 탄소 주입 Ni/Ge [42] 및 Ti/n ⁺ -SiGe/n-Ge [43]. Ni/Ge, Ni/GeSn, Ti/Ge 및 탄소 주입 Ni/Ge와 같은 금속 오믹 접점은 심각한 페르미 레벨 피닝으로 인해 큰 ρ _ㄷ . Ti/TiO₂용 /GeO₂ /G 접촉, 1nm TiO₂의 이중층에 의해 큰 터널링 저항이 도입되었습니다. /1.5nm GeO₂ IL은 접촉 저항 특성을 저하시킵니다. 그러나 ρ _ㄷ 이 작품에서는 ref보다 큽니다. [44]. 이것은 4배 더 큰 P ⁺ 때문일 수 있다고 가정합니다. 우리 작업에서보다 주입 선량. 더 큰 주입량은 n ⁺ 의 더 무거운 표면 도핑을 가능하게 합니다. -G는 쇼트키 장벽이 더 얇아지고 ρ가 작아집니다. _ㄷ . 우리는 n ⁺ 의 더 많은 도핑으로 -Ge in Al/ZnO/n ⁺ -G 장치, 더 작은 ρ _ㄷ 결과를 초래할 것입니다.

ρ의 비교 _ㄷ Al/ZnO/n ⁺ -P ⁺ 를 사용하여 보고된 다른 연락처와 이 작업에 참여합니다. x로 주입 선량 축