p-GaN 위 2단계 Al-도핑 ZnO 증착으로 고성능 옴 접촉 구현

초록

고분자 보조 증착(PAD)과 원자층 증착(ALD)의 2단계 증착법으로 Al-도핑 ZnO(AZO) 박막을 p-GaN 기판 위에 직접 증착했습니다. AZO/p-GaN 옴 접촉이 형성되었습니다. 2단계법으로 제조된 AZO 박막의 최저 시트 저항은 145 Ω/sq에 달했으며, 비접촉 저항은 1.47 × 10⁻² Ω·cm²로 감소했습니다. AZO 박막의 가시광선 영역 투과율은 80% 이상을 유지했습니다. PAD와 ALD 기술의 조합은 광전자 소자용 p형 옴 접촉 제조에 활용될 수 있습니다.

배경

현재 GaN 기반 화합물 반도체는 고온, 고전력, 고주파 소자에서 상당한 진전을 이루며 포괄적으로 활용되고 있습니다[1, 2], 여기서 옴 접촉은 우수한 소자 성능에 필수적입니다. 그러나 여전히 p형 GaN에 옴 접촉을 구현하는 것은 매우 어렵습니다[3, 4]. 오랫동안 산화된 Ni/Au[5], Ni/Pd/Au[6], Pd/Ni[7] 등이 일반적인 해결책이었으나, Au 접촉은 불투명하고 비싸며 고온에서 불안정합니다. 따라서 열적으로 안정적이고 투명한 대안을 찾는 것이 시급합니다. 지금까지 투명 전도성 산화물(TCO)인 Al-도핑 ZnO(AZO)과 Sn-도핑 In₂O₃(ITO)가 전극 재료로 널리 사용되어 왔습니다. 그러나 주석과 인듐은 고가이고 환경에 해롭습니다. 반면 AZO는 높은 투명도, 낮은 저항, 저비용, 무독성으로 유망합니다[8,9,10]. AZO 박막은 원자층 증착[8], 스퍼터링[11], 전자빔 증착[12], 펄스 레이저 증착[13], 졸겔법[14] 등 다양한 방법으로 제조할 수 있다고 보고되었습니다. AZO(4.7 eV)와 p-GaN(7.5 eV)의 전자 친화도 차이[15]로 인해 AZO를 GaN에 직접 증착해 옴 접촉을 달성하기는 어렵습니다[16], 비록 증착된 AZO 박막을 p-GaN 위에서 어닐링하면 옴 거동을 보인다는 보고도 있습니다[17, 18]. 이 문제를 해결하기 위해 NiO[16], Ag 나노입자[19, 20], p-InGaN[21], Pt 층[22], InON 나노도트[23] 등 여러 종류의 중간층이 도입되었습니다.

본 연구에서는 AZO와 p-GaN 사이의 옴 접촉을 달성하기 위한 2단계법을 개발했습니다. 첫 단계는 고분자 보조 증착(PAD)으로 AZO 박막을 중간층으로 성장시키는 것입니다. 알루미늄과 아연의 금속 양이온 몰비(n_Al : n_Zn)가 다른 AZO 박막을 p-GaN 위에 직접 성장시켰습니다. 다양한 성장 온도와 어닐링 온도가 박막의 결정 품질과 전도도에 미치는 영향을 광범위하게 연구했습니다. 두 번째 단계는 PAD로 성장한 AZO 위에 원자층 증착(ALD)으로 AZO 박막을 성장시키는 것입니다. AZO 박막은 양호한 (002) 배향과 좋은 결정 품질, p-GaN 위에서의 좋은 옴 거동, 높은 투과율을 보입니다. PAD-AZO 층이 옴 접촉을 보장하고 ALD-AZO 층이 비접촉 저항과 시트 저항을 낮춰 실용화합니다.

연구 방법

PAD는 최근 개발된 새로운 화학 용액 증착법으로, 매우 저비용으로 정칙 및 부정칙 표면에서 대규모로 좋은 결정 품질의 금속 산화물 박막을 성장시키는 실용적 방법임이 입증되었습니다[24,25,26,27]. 표준 PAD 절차[24]에 따라 PAD-AZO 박막(약 30 nm)을 p-GaN 위에 직접 성장시켰습니다. PAD-AZO 박막 용액은 Zn과 Al을 고분자에 결합시킨 두 개의 별도 용액을 혼합해 제조했습니다. 이 두 용액에서 Zn(3.06 × 10⁻⁴ mol/mL)과 Al(7.41 × 10⁻⁵ mol/mL)의 농도는 유도 결합 플라즈마 원자 방출 분광기(ICP-AES)로 특성화했으며, 두 용액의 다른 부피를 혼합해 Al과 Zn의 다양한 몰비를 가진 AZO 전구체를 형성했습니다. 혼합 용액을 3000 rpm으로 40초간 스핀 코팅한 후 핫플레이트에서 60°C 공기 중 10분간 예열했습니다. 이후 500, 600, 700, 800°C에서 2시간 동안 공기 중 가열했습니다. ALD법을 두 번째 단계로 사용해 전도도를 높였습니다. ALD-AZO 박막(약 120 nm)은 Beneq TFS-200을 사용해 150°C에서 증착했으며, ALD 공정 세부사항은 선행 연구[8,9,10]에서 확인할 수 있습니다. 본 실험의 기판은 p-GaN(캐리어 농도 약 1.2 × 10¹⁷ cm⁻³)과 석영 유리였습니다. 표면 조도는 원자 힘 현미경(AFM, Bruker Multimode 8)으로 측정했습니다. 결정성과 배향은 X선 회절(XRD, Bede D1)로 측정했습니다. 박막 투과율은 자외선-가시광 분광광도계(UV-2550, Shimadzu, 교토, 일본)로 측정했습니다. 전기 저항률은 홀 측정(Model 7707A, Lake Shore, USA)으로 반데르파우 기하학을 사용해 측정했습니다. AZO 박막을 인산으로 약 2분간 에칭(에칭 속도 약 100 nm/min)하고 1 cm² 마스크로 사각형 전극을 형성했습니다. 에칭 후 네 개의 리드 와이어를 네 사각 전극에 연결했습니다. 비접촉 저항과 전류-전압(I-V) 곡선은 원형 전송 선 모델(CTLM)법으로 측정했습니다. CTLM 패턴은 성장 전 표준 포토리소그래피 기술로 기판에 정의했습니다.

결과 및 논의

그림 1은 PAD법으로 p-GaN 기판 위에 직접 증착된 AZO 박막의 X선 회절(XRD) 스펙트럼을 보여줍니다. 성장 온도는 각각 500°C(그림 1a), 600°C(그림 1b), 700°C(그림 1c), 800°C(그림 1d)로 설정했고, 모든 시료의 조성은 동일하게 유지했습니다(n_Al:n_Zn = 9:100). 그림 1b에서 주 피크는 GaN (002)로 인덱싱되며, 어깨 피크는 AZO (002)에 기인합니다. PAD법으로 성장한 AZO 박막은 유리한 c축 배향을 보입니다. 500°C와 600°C에서 성장한 AZO 박막은 좋은 결정성을 보이며, (002) 로킹 커브의 반치 최대 폭(FWHM)은 각각 625와 572 아크초였습니다. 분명히 성장 온도는 AZO 성장에 중요한 역할을 합니다. 500°C에서는 고분자가 막 타버려 결정화에 영향을 미칠 수 있습니다. 700°C와 800°C에서는 AZO 분해가 일어나 어깨 피크가 사라진 이유입니다. AZO의 좋은 결정 품질은 두 가지 요인에 기인한다고 설명할 수 있습니다: 첫째, ZnO와 GaN의 격자 매칭, 이들의 불일치는 공식 |a_e - a_s|/a_e에 따라 2% 미만입니다(a_s는 GaN 기판의 격자 상수, a_e는 ZnO 에피층의 격자 상수). 둘째, 고분자가 분해되고 ZnO가 c축을 따라 결정화하는 최적 성장 온도 600°C 덕분입니다.

그림 2a는 반데르파우 기하학의 구조 개요도입니다. 더 합리적인 결과를 얻기 위해 모든 전기 테스트 전에 인듐 전극을 AZO 표면에 스팟 용접했습니다. AZO는 n형 반도체이며 AZO와 인듐 전극 사이의 옴 접촉은 쉽게 달성됩니다. 그림 2b와 2b 내부의 그래프는 다양한 성장 온도(500, 600, 700, 800°C)에서 성장한 AZO 박막의 I-V 특성과 저항률을 보여줍니다. PAD-AZO 성장 온도가 500, 600, 700°C로 설정되었을 때, PAD-AZO와 p-GaN 사이의 접촉은 옴적이었습니다. 성장 온도가 600°C일 때 시트 저항이 성장 온도 증가에 따라 감소하다가 600°C 부근에서 최저값(740 Ω/sq)에 도달한 후 다시 증가했습니다. 기본적으로 전극의 저항률은 가능한 한 낮아야 합니다. 그림 2c는 Al과 Zn의 다양한 몰비를 가진 AZO 박막의 I-V 특성을 보여줍니다. 모든 시료가 선형 I-V 특성을 보여 증착된 AZO가 p-GaN 위에서 옴 접촉임을 암시합니다. 그림 2d는 Al과 Zn의 다양한 몰비에 따른 AZO 박막의 저항률과 캐리어 밀도를 보여줍니다. PAD-AZO의 최저 시트 저항은 약 740 Ω/sq였습니다. Al/Zn 몰비가 9% 미만일 때 저항이 몰비 증가에 따라 감소하다가 9%를 넘으면 증가했습니다. AZO 박막의 변동 경향은 그림 2c와 유사했습니다. 명백히 고도핑 영역에서 자기 보상이 발생했습니다. 전도도 개선이 여전히 필요함을 알 수 있습니다. R_sh = ρ/t 식(ρ는 저항률, t는 박막 두께)에서 시트 저항(R_sh)은 박막 두께 증가에 따라 감소하므로, PAD-AZO 두께를 늘려 저항률을 낮춰야 합니다. PAD법의 특성상 AZO 박막 두께를 늘리려면 다중 스핀 코팅과 열처리가 불가피합니다[28]. 그러나 여러 번 열처리 후 저항이 증가해 PAD-AZO 두께가 약 150 nm일 때 시트 저항이 7600 Ω/sq에 달했습니다. 저항 증가는 다중 열처리 때문일 수 있으므로 다른 해결책이 필요합니다. 우리 그룹의 선행 연구에서 ALD-AZO 박막의 저항률이 상대적으로 낮을 수 있음을 보였습니다[8,9,10], 그래서 ALD법을 추가했습니다.

그림 3a는 p-GaN 위에 증착된 PAD-AZO, ALD-AZO, 2단계 AZO의 I-V 특성을 보여주며, 내부 그래프는 N₂ 분위기에서 600°C로 60초간 급속 열 어닐링(RTA)한 ALD-AZO 박막의 I-V 특성을 보여줍니다. ALD-AZO 박막의 저항이 PAD-AZO 박막보다 훨씬 낮음을 나타냅니다. 그러나 ALD-AZO와 p-GaN 사이의 접촉은 비옴적이었습니다. ALD-AZO 박막을 N₂에서 RTA로 어닐링(60초뿐만 아니라 다른 시간도 테스트, 데이터 미표시)해도 ALD-AZO와 p-GaN 접촉은 여전히 비옴적이었으므로 PAD-AZO 층이 필요했습니다. PAD-AZO(30 nm)와 2단계 AZO(150 nm)의 저항률은 각각 2.221 × 10⁻³ Ω·cm와 2.175 × 10⁻³ Ω·cm였습니다. PAD법으로 저저항의 두꺼운 AZO 박막을 성장시키기 어렵고 30 nm 두께는 전극용으로 다소 얇을 수 있습니다. 따라서 이 경우 PAD-AZO로 옴 접촉을 형성하고 ALD-AZO를 추가해 시트 저항을 낮췄습니다. 저항률은 약간 개선되었지만, ALD법 도입으로 시트 저항이 145 Ω/sq로 크게 감소했습니다. 옴 접촉의 중요한 매개변수는 비접촉 저항(R_c)입니다. 그림 3b는 PAD-AZO(ALD-AZO 없음)와 2단계 AZO(ALD-AZO 있음)의 비접촉 저항 추출을 위한 원시 데이터와 선형 피팅 데이터를 보여주며, 내부 그래프는 CTLM 구조를 보여줍니다(내부 점 반경 100 µm, 내부와 외부 반경 간격 5~30 µm 변화). 데이터로부터 비접촉 저항을 계산할 수 있습니다. 식은 R_m ≈ R_sh[ln((r+s)/r)]/2π + L_T R_sh ln[(2r+s)/r(r+s)]/2π 및 R_c ≈ R_sh·L_T²입니다. 여기서 R_m은 두 전극 간 저항, r은 내부 반경, L_T는 전송 길이, 그림 3b에서 c = (r/s)*ln((r+s)/r), s는 내부와 외부 접촉 간 간격입니다. PAD-AZO 박막의 최저 비접촉 저항은 약 1.08 × 10⁻¹ Ω·cm²였고, 2단계 증착 AZO 박막의 최저 비접촉 저항은 약 1.47 × 10⁻² Ω·cm²였습니다. 우리 생각에는 비접촉 저항 감소가 ALD-AZO 박막의 저항률이 PAD-AZO 박막보다 낮기 때문이며, 이는 수소 원자 도펀트[8, 29] 때문일 수 있습니다. 동시에 인듐 전극과 ALD-AZO 사이의 저항이 인듐 전극과 PAD-AZO 사이의 저항보다 작았습니다. I-V 테스트로 측정한 저항(접촉 저항 포함)은 반데르파우 기하학으로 측정한 저항보다 컸으며, 이 차이는 PAD-AZO에서 1200 Ω로 ALD-AZO의 300 Ω보다 컸습니다.

그림 4는 다양한 성장 온도에서 PAD-AZO 박막의 표면 조도를 보여줍니다: (a) 500, (b) 600, (c) 700, (d) 800°C. 500°C에서 AZO가 기판 위에 형성되기 시작함을 관찰할 수 있습니다. 성장 온도 600°C에서 AZO 입자가 균일하고 조밀하며 평균 입자 크기는 약 70 nm였습니다. 그러나 700°C에서는 일부 입자가 다른 입자를 희생하며 성장했습니다. 성장 온도가 800°C에 도달하면 입자가 더 커졌습니다. 성장 온도와 저항률의 영향을 고려해 600°C를 적절한 성장 온도로 선택했습니다. 그림 4e는 p-GaN 위에 직접 증착된 ALD-AZO 박막의 표면 조도, 그림 4f는 2단계 증착 AZO 박막의 표면 조도입니다. (e)와 (f)에서 입자 크기는 변했지만 구조는 여전히 모자이크였습니다. 이 변화는 PAD-AZO 중간층 삽입으로 격자 불일치가 감소했기 때문일 수 있습니다.

그림 5는 ALD-AZO 층 유무에 따른 AZO 박막의 투과율을 보여줍니다. 석영 위 성장 조건은 p-GaN 위와 동일하게 유지했습니다. PAD-AZO 박막의 투과율 스펙트럼은 모든 시료에서 거의 동일하게 가시광선 영역(400~700 nm)에서 90% 이상의 값을 보였습니다. ALD-AZO가 PAD-AZO 위에 증착되면 투과율이 약 80%로 감소했지만, 여전히 산화 Ni/Au 박막(가시광선 영역에서 55~70%)[30]보다 훨씬 높고 ITO 박막의 투과율과 거의 유사했습니다[31].

결론

본 연구에서 PAD와 ALD법의 조합으로 p-GaN 위에 AZO 박막을 성공적으로 제조했습니다. AZO 박막은 (002) 배향을 가지며 가시광선 영역(400~700 nm)에서 높은 투명도(약 80%)를 보였습니다. 최적 저항률은 2.175 × 10⁻³ Ω·cm였고, 2단계 증착 AZO 박막의 최저 비접촉 저항은 약 1.47 × 10⁻² Ω·cm²였습니다. 우리 결과는 2단계법이 산업 응용을 위한 투명하고 전도성 있는 AZO 전극 제조에 사용될 수 있음을 보여줍니다.