Deposição em duas etapas de ZnO dopado com Al em p-GaN para formar contatos ôhmicos

Resumo

Filmes finos de ZnO dopado com Al (AZO) foram depositados diretamente em substratos de p-GaN usando uma deposição em duas etapas que consiste em deposição assistida por polímero (PAD) e métodos de deposição de camada atômica (ALD). Contatos ôhmicos do AZO em p-GaN foram formados. A resistência de folha mais baixa dos filmes AZO preparados em duas etapas atingiu 145 Ω / sq, e a resistência de contato específica foi reduzida para 1,47 × 10 ⁻² Ω · cm ² . A transmitância dos filmes AZO permaneceu acima de 80% na região do visível. A combinação das técnicas PAD e ALD pode ser usada para preparar contatos ôhmicos do tipo p para optoeletrônica.

Histórico

Atualmente, semicondutores compostos baseados em GaN já alcançaram avanços substanciais e têm sido amplamente utilizados em dispositivos de alta temperatura, alta potência e alta frequência [1, 2], nos quais os contatos ôhmicos são cruciais para o bom desempenho do dispositivo. Até agora, ainda é muito difícil realizar contatos ôhmicos para GaN tipo p [3, 4]. Por um longo período de tempo, Ni / Au oxidado [5], Ni / Pd / Au [6] e Pd / Ni [7] etc. são soluções comuns, embora os contatos de Au sejam opacos, caros e instáveis em alta temperatura. Portanto, a busca por uma alternativa termicamente estável e transparente é iminente. Até agora, óxidos condutores transparentes (TCO), como Al-dopado com ZnO (AZO) e Sn-dopado com In ₂ O ₃ (ITO) têm sido amplamente utilizados como materiais de eletrodo. No entanto, tanto o estanho quanto o índio são caros e prejudiciais ao meio ambiente. Em contraste, AZO é promissor devido a sua alta transparência, baixa resistência, baixo custo e não toxicidade [8,9,10]. Foi relatado que filmes de AZO podem ser preparados por vários métodos, como deposição de camada atômica [8], pulverização catódica [11], evaporação de feixe eletrônico [12], deposição de laser pulsado [13] e sol-gel [14]. Devido à diferença das afinidades eletrônicas entre AZO (4,7 eV) e p-GaN (7,5 eV) [15], é difícil alcançar contatos ôhmicos depositando diretamente AZO em GaN [16], embora tenha sido relatado que após o recozimento os filmes AZO depositados em p-GaN resultaram em comportamento ôhmico [17, 18]. Para resolver o problema, vários tipos de camadas intermediárias foram introduzidos, por exemplo, NiO [16], nanopartículas de Ag [19, 20], p-InGaN [21], camada de Pt [22] e nanopartículas de InON [23].

Neste trabalho, um método em duas etapas foi desenvolvido para obter contatos ôhmicos entre AZO e p-GaN. O primeiro passo é fazer crescer filmes finos de AZO como intercamada por deposição assistida por polímero (PAD). Filmes AZO com diferentes razões molares de cátions metálicos de alumínio para zinco (n _Al :N _Zn ) foram cultivadas diretamente em p-GaN. A influência de diferentes temperaturas de crescimento e de recozimento na qualidade cristalina e na condutividade dos filmes foi extensivamente estudada. A segunda etapa é fazer crescer filmes finos de AZO por deposição de camada atômica (ALD) no topo do AZO cultivado em PAD. Os filmes AZO mostram uma orientação favorável (002) com boa qualidade cristalina, um bom comportamento ôhmico em p-GaN e alta transmitância. A camada PAD-AZO garantiu o contato ôhmico enquanto a camada ALD-AZO diminuiu a resistência de contato específica e a resistência da folha para torná-la utilizável.

Métodos

PAD é um novo método de deposição de solução química desenvolvido nos últimos anos e tem se mostrado um método prático para crescer filmes de óxido de metal com boa qualidade cristalina em grande escala de superfícies regulares e irregulares com custo muito baixo [24,25,26, 27]. Filmes PAD-AZO (cerca de 30 nm) foram cultivados diretamente em p-GaN seguindo os procedimentos padrão do método PAD [24]. A solução dos filmes PAD-AZO foi preparada pela mistura de duas soluções separadas de Zn e Al ligados a polímeros. As concentrações de Zn (3,06 × 10 ⁻⁴ mol / mL) e Al (7,41 × 10 ⁻⁵ mol / mL) nessas duas soluções foram caracterizadas por espectrômetro de emissão atômica com plasma indutivamente acoplado (ICP-AES), e os diferentes volumes das duas soluções foram misturados, formando precursores de AZO com diferentes razões molares de Al para Zn. A solução misturada foi revestida por rotação em substratos a 3000 rpm por 40 s e, em seguida, pré-aquecida a 60 ° C ao ar por 10 min em uma placa quente. Os filmes foram então aquecidos a 500, 600, 700 e 800 ° C por 2 h ao ar. O método ALD foi usado como segunda etapa para aumentar a condutividade. Os filmes ALD-AZO (cerca de 120 nm) foram depositados a 150 ° C usando Beneq TFS-200, e os detalhes do processo ALD podem ser encontrados em nosso trabalho anterior [8,9,10]. Os substratos neste experimento foram p-GaN (a concentração de transportador foi de cerca de 1,2 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ ) e vidro de quartzo. A topografia da superfície foi medida por microscopia de força atômica (AFM, Bruker Multimode 8). A cristalinidade e a orientação desses filmes foram medidas por difração de raios-X (XRD, Bede D1). A transmissão dos filmes foi medida por espectrofotômetro ultravioleta-visível (UV-2550; Shimadzu, Kyoto, Japão). A resistividade elétrica foi medida por uma medição Hall (Modelo 7707A, Lake Shore, EUA) usando uma geometria de van der pauw. Os filmes de AZO foram gravados com ácido fosfórico por cerca de 2 min (a velocidade de gravação foi de cerca de 100 nm / min) com 1 cm ² máscara sobre eles para formar a forma quadrada. Após o condicionamento, quatro fios condutores foram conectados aos quatro eletrodos quadrados. A resistência de contato específica e as curvas de corrente-tensão (I-V) foram medidas usando o método do modelo de linha de transmissão circular (CTLM). Os padrões de CTLM foram definidos no substrato usando uma técnica fotolitográfica padrão antes do crescimento.

Resultados e discussão

A Figura 1 mostra os espectros de difração de raios-X (XRD) dos filmes de AZO depositados diretamente em substratos de p-GaN pelo método PAD. As temperaturas de crescimento foram fixadas em 500 (Fig. 1a), 600 (Fig. 1b), 700 (Fig. 1c) e 800 ° C (Fig. 1d), respectivamente, e as composições de todas as amostras foram mantidas as mesmas (n _Al :n _Zn =9:100) Pode-se observar na Fig. 1b que o pico principal foi indexado ao GaN (002), enquanto o ombro foi atribuído ao AZO (002). Os filmes AZO crescidos pelo método PAD mostram uma orientação favorável do eixo c. Os filmes AZO crescidos a 500 ° C e 600 ° C mostram boa cristalinidade e a largura total na metade do máximo (FWHM) da curva de balanço (002) foi de 625 e 572 arcsec. Obviamente, o aumento da temperatura desempenha um papel crucial para o crescimento do AZO. A 500 ° C, o polímero acabou de queimar e pode causar impacto na cristalização. Quando as temperaturas eram de 700 ° C e 800 ° C, ocorreu a decomposição do AZO e esse foi o motivo do desaparecimento do pico do ombro. Pode-se explicar que a boa qualidade cristalina do AZO é atribuída a dois fatores:O primeiro está relacionado à correspondência de rede entre ZnO e GaN, sua incompatibilidade é inferior a 2% de acordo com a seguinte fórmula:| a _e - um _s | / a _e , onde um _s representa a constante de rede do substrato de GaN, a _e representa a constante de rede da epilayer de ZnO. O segundo é devido à temperatura de crescimento otimizada de 600 ° C na qual o polímero foi decomposto e o ZnO cristalizado ao longo do eixo c.

Espectros de difração de raios-X de filmes de AZO depositados diretamente no substrato p-GaN pelo método PAD em diferentes temperaturas. a 500 ° C; b 600 ° C; c 700 ° C e d 800 ° C. Os gráficos internos de ( a ) e ( b ) mostram a curva oscilante do pico de difração 002 de AZO

A Figura 2a mostra diagramas esquemáticos das estruturas para a geometria de van der pauw. Para obter resultados mais razoáveis, antes de todos os testes elétricos, os eletrodos de índio foram soldados por pontos na superfície AZO. O AZO era semicondutor do tipo n e o contato ôhmico entre o AZO e o eletrodo de índio era fácil de conseguir. A Figura 2b e o gráfico interno de 2 (b) mostra as características I-V e a resistividade dos filmes de AZO que cresceram em diferentes temperaturas (500, 600, 700 e 800 ° C). Quando as temperaturas de crescimento do PAD-AZO foram fixadas em 500, 600 e 700 ° C, os contatos entre PAD-AZO e p-GaN eram ôhmicos. Quando a temperatura de crescimento estava em 600 ° C, a resistência da folha diminuiu com o aumento da temperatura de crescimento, quando a temperatura de crescimento foi em torno de 600 ° C, a resistência da folha atingiu o valor mais baixo (740 Ω / sq), e aumentou com o aumento da temperatura de crescimento. Basicamente, a resistividade do eletrodo precisa ser a mais baixa possível. A Fig. 2c mostra as características I-V dos filmes AZO com diferentes razões molares de Al para Zn. Pode-se observar que todas as amostras exibiram características I-V lineares, o que implica que os contatos do AZO depositado no p-GaN eram ôhmicos. A Figura 2d mostra a resistividade e densidade de portadores dos filmes AZO versus diferentes razões molares de Al para Zn. A resistência de folha mais baixa do PAD-AZO foi de cerca de 740 Ω / sq. Ele revelou que quando a razão molar de Al para Zn estava abaixo de 9%, a resistência diminuiu com o aumento da razão molar de Al para Zn, e quando a razão molar de Al para Zn estava acima de 9%, a resistência então aumentou com o aumento da razão molar de Al para Zn. E a tendência de variação dos filmes AZO foi semelhante à da Fig. 2c. Obviamente, a autocompensação ocorreu em altas faixas de dopagem. Obviamente, a condutividade ainda precisa ser melhorada. Pode ser conhecido pela equação R _sh =Ρ / t (onde ρ significa resistividade e t significa espessura do filme) que a resistência da folha (R _sh ) diminui com o aumento da espessura do filme, portanto, a espessura do PAD-AZO deve ser aumentada para reduzir a resistividade. Devido às características do método PAD, para melhorar a espessura dos filmes de AZO, o revestimento por rotação múltipla e o tratamento térmico eram inevitáveis [28]. Porém, após várias vezes de tratamento térmico, verificou-se que a resistência aumentou, a resistência da folha atingiu 7600 Ω / sq. quando a espessura do PAD-AZO era de cerca de 150 nm. O aumento da resistência pode ser causado por múltiplos tratamentos térmicos, então outras soluções precisam ser encontradas. O trabalho anterior do nosso grupo indicou que a resistividade dos filmes ALD-AZO pode ser relativamente baixa [8,9,10], então o método ALD foi adicionado.

a Os gráficos de esboço demonstrando a geometria de van der pauw. b A resistividade de filmes de AZO com diferentes temperaturas de crescimento (500, 600, 700 e 800 ° C). O gráfico interno de ( b ) mostra a dependência da resistividade com a temperatura. c Características de corrente-tensão de diferentes razões molares de Al para Zn. d A resistividade e densidade de portadores vs diferentes razões molares de Al para Zn

A Figura 3a mostra as características IV do PAD-AZO, o ALD-AZO e o AZO de duas etapas depositado em p-GaN, o gráfico interno mostra as características IV do filme ALD-AZO que recozido por recozimento térmico rápido a 600 ° C em N ₂ por 60 s. Indicou que a resistência do filme ALD-AZO era muito menor do que a do filme PAD-AZO. No entanto, o contato entre ALD-AZO e p-GaN foi não ôhmico. Os filmes ALD-AZO foram recozidos pela RTA em N ₂ (por não apenas 60 s, dados não mostrados), os contatos entre ALD-AZO e p-GaN ainda eram não ôhmicos, então a camada PAD-AZO foi necessária. A resistividade do PAD-AZO (30 nm) e do AZO de duas etapas (150 nm) foi de 2,221 × 10 ⁻³ Ω · cm e 2,175 × 10 ⁻³ Ω · cm. Era difícil para o método PAD crescer filmes de AZO espessos com baixa resistência e a espessura de 30 nm pode ser um pouco fina para eletrodos. Portanto, neste caso, PAD-AZO foi usado para formar o contato ôhmico e ALD-AZO foi adicionado para reduzir a resistência da folha. Embora tenha havido uma ligeira melhora na resistividade, a resistência da folha foi bastante reduzida para 145 Ω / sq. quando o método ALD foi introduzido. Um parâmetro importante do contato ôhmico está relacionado à resistência de contato específica (R _c ) A Figura 3b mostra os dados brutos do contato específico do PAD-AZO (sem ALD-AZO) e AZO de duas etapas (com ALD-AZO) para extrair a resistência de contato específica, o gráfico interno mostra a estrutura do CTLM, o ponto interno o raio era de 100 um, e o espaço entre o raio interno e o externo variou de 5 a 30 um. A partir dos dados, a resistência de contato específica pode ser calculada, as equações são R _m ≈ R _sh [ln ((r + s) / r)] / 2π + L _T R _sh ln [(2r + s) / r (r + s)] / 2π e R _c ≈ R _sh · L _T ² , onde R _m representa a resistência entre dois eletrodos, r representa o raio interno, L _T representa o comprimento de transferência, na Fig. 3b, c =(r / s) * ln ((r + s) / r), s representa o espaçamento entre o contato interno e externo. A resistência de contato específica mais baixa dos filmes PAD-AZO foi de cerca de 1,08 × 10 ⁻¹ Ω · cm ² , e a resistência de contato específica mais baixa do filme AZO depositado em duas etapas foi de cerca de 1,47 × 10 ⁻² Ω · cm ² . Em nossa opinião, a redução da resistência de contato específica foi atribuída ao fato de a resistividade dos filmes ALD-AZO ser menor que a dos filmes PAD-AZO, o que pode ser causado pelo dopante de átomos de hidrogênio [8, 29]. Ao mesmo tempo, a resistência entre o eletrodo de índio e ALD-AZO foi menor do que entre o eletrodo de índio e PAD-AZO. A resistência medida pelo teste I-V (resistência de contato contida) foi maior do que a medida pela geometria de van der pauw, a diferença entre essas duas resistências no PAD-AZO (1200 Ω) foi maior do que a diferença no ALD-AZO (300 Ω).

a Características de tensão de corrente de PAD-AZO, ALD-AZO e AZO de duas etapas crescidas em p-GaN. O gráfico interno de ( a ) mostra a curva I-V de ALD-AZO que recozida por RTA em N ₂ por 60 s. b mostra os dados brutos e os dados de ajuste linear do contato específico do PAD-AZO (sem ALD-AZO) e AZO de duas etapas (com ALD-AZO) para extrair a resistência de contato específica, o gráfico interno de ( b ) mostra a estrutura do CTLM

A Figura 4 mostra a topografia da superfície dos filmes PAD-AZO em diferentes temperaturas de crescimento (a) 500, (b) 600, (c) 700 e (d) 800 ° C, respectivamente. Pode-se observar que o AZO começou a se formar no substrato a 500 ° C. Os grãos de AZO eram uniformes e compactos quando a temperatura de crescimento era de 600 ° C, com tamanho médio de grão em torno de 70 nm. No entanto, a 700 ° C, alguns dos grãos cresceram às custas dos outros. Quando a temperatura de crescimento atingiu 800 ° C, os grãos ficaram maiores. Considerando o efeito da temperatura de crescimento e da resistividade, 600 ° C foi escolhido como a temperatura de crescimento adequada. A Figura 4e mostra a topografia de superfície do filme ALD-AZO diretamente em p-GaN, e a Fig. 4f mostra a topografia de superfície do filme AZO depositado em duas etapas. Pode-se concluir de (e) e (f) que embora o tamanho do grão tenha mudado, a estrutura ainda era mosaico. Essa alteração pode ser atribuída à inserção do interlayer PAD-AZO para reduzir a incompatibilidade da rede.

a , b , c , d Morfologias de superfície de filmes PAD-AZO (1 μm × 1 μm) em diferentes temperaturas de crescimento de 500, 600, 700 e 800 ° C, respectivamente. e as morfologias de superfície do filme ALD-AZO diretamente no p-GaN. f a topografia da superfície do filme AZO depositado em duas etapas

A Figura 5 mostra as transmitâncias dos filmes AZO com e sem a camada ALD-AZO. As condições de crescimento no quartzo foram mantidas as mesmas do p-GaN. Os espectros de transmitância para os filmes PAD-AZO foram quase os mesmos para todas as amostras com o valor acima de 90% na faixa de comprimento de onda de 400–700 nm, correspondendo à luz visível. Embora a transmitância tenha reduzido para cerca de 80% quando o ALD-AZO foi depositado nos filmes PAD-AZO, as transmitâncias ainda eram muito maiores do que os filmes de Ni / Au oxidados (55-70% na faixa visível) [30] e quase o mesmo com a transmitância de filmes ITO [31].

As transmitâncias dos filmes PAD-AZO e dos filmes AZO de duas etapas

Conclusões

Neste estudo, preparamos com sucesso filmes finos de AZO em p-GaN por uma combinação dos métodos PAD e ALD. Os filmes finos AZO foram (002) orientados e altamente transparentes (cerca de 80%) na faixa de comprimento de onda de 400–700 nm. A resistividade ótima era 2,175 × 10 ⁻³ Ω · cm e a resistência de contato específica mais baixa do filme AZO depositado em duas etapas foi de cerca de 1,47 × 10 ⁻² Ω · cm ² . Nossos resultados mostram que o método de duas etapas pode ser usado para preparar eletrodos AZO transparentes e condutores para aplicação industrial.

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