p-GaAs 나노와이어에 대한 저항 접촉 최적화

결과 및 토론

그림 1a는 샘플 P1~P5의 IV 특성을 보여주고, 그림 1b는 전송 특성화에 사용되는 전기 접점이 있는 Be 도핑된 GaAs NW의 SEM 이미지를 보여줍니다. 그림 1a에서 P1에서 P4에 대한 IV의 거의 대칭적인 비선형 모양은 접점이 각 접점에 대해 유사한 장벽 높이를 갖는 쇼트키 유형임을 나타냅니다[35]. 샘플 P1에 대한 IV의 비선형성은 P1에서와 같은 표준 p-GaAs 프로세스가 GaAs 평면 박막의 경우처럼 옴 접촉을 생성하지 않는다는 것을 분명히 보여줍니다. 일반적으로 도핑된 GaAs NW에서는 HCl 산화물 제거가 사용되며, 그 뒤에 (NH₄ )₂ S_x NH₄ 대신 Ohmic 접촉 형성 [20, 21, 36, 37]을 위한 금속 증발 전 표면 패시베이션 오. 또한 노출된 NW 표면의 산소 플라즈마 처리는 NW 측벽에서 잔류 레지스트를 제거하는 데 이전에 사용되었습니다[36, 38]. 그러나 부작용으로 이 프로세스는 As 공석과 같은 GaAs의 표면 결함을 유도하여 캐리어 보상을 담당하는 도너와 같은 트랩을 생성하여 공핍층 폭을 증가시킬 수 있습니다[5].

아 표 1에 설명된 대로 공정 P1~P5를 사용하여 제조된 전기 접점이 있는 Be-도핑된 GaAs NW의 IV. b 4개의 균일한 간격의 전기 접점이 있는 대표적인 Be-doped GaAs NW의 SEM 이미지. 눈금 막대는 1 μm

p-GaAs NW의 접촉 저항에 대한 산소 플라즈마 처리의 영향을 평가하기 위해 HCl 및 (NH₄ )₂ S_x 그림 1a에서. P2는 모든 샘플에서 최악의 IV 성능(동일한 인가 전압에 대한 전류 값으로 정의됨)을 생성하지만 샘플 P3은 차례로 표준 p-GaAs 프로세스 P1 및 산소 플라즈마 세정 P2보다 더 나은 IV 성능을 나타냅니다. 이것은 두 가지 중요한 결과를 의미합니다. (i) 산소 플라즈마 처리의 효과가 접촉 저항에 해롭다, (ii) (NH₄와 결합된 HCl 산화물 제거가 있는 P3) )₂ S_x 표면 패시베이션은 P1에 비해 금속-반도체 인터페이스의 쇼트키 장벽 높이를 추가합니다.

그림 1a에서 볼 수 있듯이 Ti/Pt/Au 다층 아래에 ​​5nm Pt 층을 추가하여 P3와 비교할 때 IV 성능 및 저항 특성(IV 선형성에 의해 정성적으로 평가됨)이 P4에서 크게 향상되었습니다. 접촉 저항은 400°C에서 RTA 30초 후 P5에서 추가로 감소하여 P4와 비교할 때 선형 IV 동작과 향상된 IV 성능을 달성합니다.

샘플 P1–P5(화학 처리, 금속 다층)의 접촉 저항에 대한 처리 매개변수의 영향을 정량화하기 위해 그림 2a에 더 작은 바이어스 범위를 사용하여 P1–P5의 IV를 표시합니다. 이 경우 IV는 선형 동작을 나타내며 주로 접촉 저항에 의해 제어됩니다[35]. 그림 2a의 100mV 범위에서 채널(접점 + NW)의 총 저항은 IV 특성 곡선의 선형 맞춤에서 계산되었으며 그 결과는 그림 2b에 나와 있습니다. 조사된 모든 NW의 직경은 유사하고 도펀트 농도의 전선 간 변동이 작기 때문에 이전에 보고한 바와 같이 [33], 총 저항의 모든 변화는 접촉 저항에 기인합니다. P1 및 P3에 비해 P2의 더 높은 저항은 그림 1a의 IV의 정성 분석에서 산소 플라즈마 처리의 해로운 영향을 확인합니다. 놀라운 결과는 총 저항이 P3에서 1400 kΩ에서 P4에서 72 kΩ으로 감소하고 P5에서 RTA 후에 40 kΩ으로 추가로 감소한다는 것입니다. 샘플 P1–P3.

아 100 mV 인가 전압 범위에서 P1에서 P5까지 IV. ㄴ a에서 IV의 선형 맞춤에서 얻은 P1–P5의 총 채널 저항

샘플 P1-P5에서 관찰된 접촉 저항 변화의 상관 관계를 설정하려면 접촉 제조 후 금속-반도체 계면 미세 구조에 대한 보다 포괄적인 이해가 필요합니다. GaAs에 대한 옴 접촉 제조에서 Ti 및 Pt의 사용은 이전에 보고되었으며[39, 40], 얇은 Ti 및 Pt 필름의 구조적 특성은 GaAs(100) 표면[41] 및 비정질 유리 기판[42, 43]으로 증발되었습니다. ]도 분석되었다. 그러나 GaAs(110) 표면에 대한 이러한 상세한 연구는 발견되지 않았다. 다른 표면 방향은 Ti 및 Pt 박막의 결정화 역학에 영향을 미칠 것으로 예상됩니다. 또한, (NH₄에 의한 표면 화학적 부동태화 )₂ S_x 생성된 박막에 추가로 영향을 미칠 수 있습니다. 구조적 특성에 대한 정보를 얻기 위해 도핑되지 않은 GaAs(110) 기판에 증착된 Pt(5 nm), Ti(20 nm) 및 Pt/Ti(5/20 nm) 박막의 결정화 정도를 GIXRD로 조사했습니다. P1–P5의 NW에 접촉하는 첫 번째 금속 층의 금속 증발 전에 GaAs(110) 기판은 HCl:H₂에 의한 자연 산화물 제거를 거쳤습니다. O 및 (NH₄ )₂ S_x NW 샘플 P3-P5로 표면 패시베이션 단계. GaAs(110) 기판에 증착된 표면 처리 및 금속 박막에 대한 자세한 내용은 표 2에 요약되어 있습니다.

샘플 S1-S4의 GIXRD 패턴은 그림 3a의 30~60° 회절각 범위와 그림 3b의 60~90° 범위에 나와 있습니다. 그림 3의 회절 패턴은 수직으로 이동되고 두 개의 회절 각도 범위로 분리되어 시각화를 위한 더 나은 크기 조정을 제공합니다. 먼저 (NH₄ )₂ S_x 샘플 S1과 S2를 비교하여 GaAs(110) 기판에서 증발된 Ti 막의 결정도에 대한 표면 패시베이션. 그림 3a에서 S1과 S2 모두에 대해 각각 38.4°와 40.2°를 중심으로 한 저강도 Ti(002)와 Ti(101) 피크가 중첩되는 것을 관찰했습니다. 또한 53.0 °를 중심으로 하는 상당히 넓은 Ti(102) 피크도 두 샘플 모두에서 관찰되어 비정질 특성을 시사합니다. 그림 3b의 70.6°에 중심을 둔 Ti(103) 피크는 S1에서만 관찰되며, 이는 샘플 간의 유일하게 유의미한 차이입니다. 일반적으로 S1과 S2의 낮은 강도와 ​​넓은 피크는 HCl 산화물 제거 후 GaAs(110) 표면에 증착될 때 (NH₄ )₂ S_x 패시베이션. S2와 동일한 표면 처리로 GaAs(110) 기판에 Pt를 증착한 S3의 경우 훨씬 더 뚜렷한 Pt(111), Pt(200), Pt(220), Pt(311), 및 Pt(222) 회절 피크는 각각 39.8°, 46.3°, 67.5°, 81.3° 및 85.7°를 중심으로 합니다. 이것은 S3의 Pt 막이 Ti 샘플과 비교하여 더 높은 정도의 결정화도를 나타냄을 나타냅니다. 그림 3a, b의 S3과 유사한 Pt 회절 시그니처를 나타내는 S4에도 동일하게 적용됩니다. Ti(002)-Ti(101)-Pt(111), Ti( 103)-Pt(220) 및 Ti(004)-Pt(311)-Pt(222) 회절 피크. S2, S3 및 S4의 GIXRD 패턴을 정성적으로 비교하면 S4에서 Ti의 결정화도가 S1에서와 같은 수준 이상임을 의미합니다. 70.6°에서 Ti(103) 피크는 그림 3b의 Pt(220) 피크에서 명확한 숄더로 관찰되고 그림 3a의 53.0° Ti(102) 피크는 S4에서 낮은 강도로 존재하지만 좁은 선폭으로 존재합니다. S1과 S2에서 매우 넓고 무정형의 피크를 나타냅니다. 이 결과는 GaAs(110) 표면 대신 Pt에 증착될 때 Ti의 개선된 정도의 결정화도를 제안하며, 이는 다음에서 도 1 및 도 2에 설명된 전기 접촉 특성과 직접적으로 연관될 것입니다. 1과 2.

a 샘플 S1–S4의 GIXRD 패턴 30 ~ 60° 회절 각도 범위 및 (b ) 60 ~ 90° 범위. 회색 점선은 확산 X선 산란에서 비롯된 지수 붕괴 기준선을 나타냅니다. 검은색 수직 점선은 a 상단에 표시된 Ti 및 Pt의 서로 다른 회절 평면에 해당합니다. 그리고 b

S1–S4의 금속층에 대한 GIXRD 분석을 통해 GaAs(110) 기판에 증착된 Ti 및 Pt의 결정도와 그림 2b의 P1–P5에서 얻은 총 저항 결과의 상관 관계를 파악할 수 있습니다. 이 작업에서 우리는 주로 S1-S4에서 얻은 GIXRD 데이터를 기반으로 P1-P5의 총 저항 변화의 상관 관계를 기반으로 한다는 점을 강조하는 것이 중요합니다. 우리는 NW 측벽의 육각형 기하학으로 인한 금속-NW 계면 품질과 같은 다른 요인이 P1-P5에서 관찰된 총 저항 변화에 무시할 수 있는 기여를 한다고 가정합니다. (NH₄ )₂ S_x 표면 패시베이션은 샘플 P1과 P3의 IV와 총 저항을 비교하여 보이는 것처럼 GaAs-금속 계면의 특성에 유익한 영향을 미치지만 GaAs(110) 표면에 직접 증착될 때 Ti 막의 결정도가 낮습니다. , S1 및 S2에서 관찰된 바와 같이. 이것은 황이 과도하게 자란 Ti와 반응한 결과일 수 있습니다. 또한 Ti는 금속 증착 동안 증착 챔버에 남아 있는 불순물과 반응성이 높아[41], 금속/GaAs 사이에 추가 층을 형성하여 접촉 저항을 증가시키는 것으로 보고되었습니다[5]. 앞서 논의한 바와 같이 P2의 접촉 저항 증가는 산소 플라즈마 세정으로 인한 가능한 표면 손상에 기인합니다. S4에서와 같이 Ti와 GaAs(110) 표면 사이에 얇은 Pt 층을 추가하면 S1 및 S2와 비교할 때 Ti 필름의 결정도가 더 높아집니다. 이 결과는 접촉 저항의 감소와 관련된 P3의 1400 kΩ에서 P4의 72 kΩ으로 총 채널 저항의 감소와 상관관계가 있을 수 있습니다. RTA는 그림 2a에 표시된 IV의 옴 특성 증가에 추가하여 P5에서 총 채널 저항을 40 kΩ으로 추가로 감소시킵니다. 이 결과는 열처리 온도와 사용 시간에서 Pt와 GaAs 표면 사이에 해로운 반응이 일어나지 않음을 나타냅니다[29,30,31].