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Deposición en dos pasos de ZnO dopado con Al en p-GaN para formar contactos óhmicos

Resumen

Las películas delgadas de ZnO (AZO) dopadas con Al se depositaron directamente sobre sustratos de p-GaN mediante el uso de una deposición en dos etapas que constaba de los métodos de deposición asistida por polímero (PAD) y deposición de capa atómica (ALD). Se han formado contactos óhmicos del AZO en p-GaN. La resistencia de hoja más baja de las películas AZO preparadas en dos pasos alcanzó 145 Ω / sq, y la resistencia de contacto específica se redujo a 1,47 × 10 −2 Ω · cm 2 . La transmitancia de las películas de AZO se mantuvo por encima del 80% en la región visible. La combinación de la técnica PAD y ALD se puede utilizar para preparar contactos óhmicos de tipo p para optoelectrónica.

Antecedentes

En la actualidad, los semiconductores compuestos basados ​​en GaN ya han logrado avances sustanciales y se han utilizado ampliamente en dispositivos de alta temperatura, alta potencia y alta frecuencia [1, 2], en los que los contactos óhmicos son cruciales para un buen rendimiento del dispositivo. Hasta ahora, sigue siendo muy difícil realizar contactos óhmicos con GaN de tipo p [3, 4]. Durante un largo período de tiempo, Ni / Au [5], Ni / Pd / Au [6] y Pd / Ni [7] oxidados, etc. son soluciones comunes, aunque los contactos de Au son opacos, costosos e inestables a altas temperaturas. Por lo tanto, la búsqueda de una alternativa que sea térmicamente estable y transparente es inminente. Hasta ahora, los óxidos conductores transparentes (TCO) como el ZnO dopado con Al (AZO) y el In 2 dopado con Sn O 3 (ITO) se han utilizado ampliamente como materiales de electrodos. Sin embargo, tanto el estaño como el indio son costosos y nocivos para el medio ambiente. Por el contrario, AZO es prometedor debido a su alta transparencia, baja resistencia, bajo costo y no toxicidad [8, 9, 10]. Se ha informado que las películas de AZO se pueden preparar mediante muchos métodos, como la deposición de la capa atómica [8], la pulverización catódica [11], la evaporación con haz de electrones [12], la deposición con láser pulsado [13] y el sol-gel [14]. Debido a la diferencia de afinidades electrónicas entre AZO (4,7 eV) y p-GaN (7,5 eV) [15], es difícil lograr contactos óhmicos depositando directamente AZO sobre GaN [16], aunque se informó que después del recocido las películas de AZO depositadas en p-GaN dieron como resultado un comportamiento óhmico [17, 18]. Para resolver el problema, se han introducido varios tipos de capas intermedias, por ejemplo, NiO [16], nanopartículas de Ag [19, 20], p-InGaN [21], capa de Pt [22] e InON nanodots [23].

En este trabajo, se desarrolló un método de dos pasos para lograr contactos óhmicos entre AZO y p-GaN. El primer paso es hacer crecer películas delgadas de AZO como capa intermedia mediante deposición asistida por polímero (PAD). Películas de AZO con diferentes relaciones molares de cationes metálicos de aluminio a zinc (n Al :N Zn ) se cultivaron directamente en p-GaN. Se estudió ampliamente la influencia de diferentes temperaturas de crecimiento y temperaturas de recocido sobre la calidad cristalina y la conductividad de las películas. El segundo paso es hacer crecer películas delgadas de AZO por deposición de capa atómica (ALD) en la parte superior del AZO desarrollado con PAD. Las películas AZO muestran una orientación favorable (002) con buena calidad cristalina, buen comportamiento óhmico sobre p-GaN y alta transmitancia. La capa de PAD-AZO aseguró el contacto óhmico mientras que la capa de ALD-AZO disminuyó la resistencia de contacto específica y la resistencia de la hoja para hacerla utilizable.

Métodos

PAD es un nuevo método de deposición de solución química desarrollado en los últimos años y ha demostrado ser un método práctico para hacer crecer películas de óxido metálico con buena calidad cristalina en superficies regulares e irregulares a gran escala con un costo muy bajo [24,25,26, 27]. Las películas de PAD-AZO (aproximadamente 30 nm) se cultivaron directamente en p-GaN siguiendo los procedimientos estándar del método PAD [24]. La solución de las películas de PAD-AZO se preparó mezclando dos soluciones separadas de Zn y Al unidos a polímeros. Las concentraciones de Zn (3,06 × 10 −4 mol / mL) y Al (7,41 × 10 −5 mol / mL) en estas dos soluciones se caracterizaron por espectrómetro de emisión atómica de plasma acoplado inductivamente (ICP-AES), y los diferentes volúmenes de las dos soluciones se mezclaron, formando precursores de AZO con diferentes proporciones molares de Al a Zn. La solución mezclada se revistió por centrifugación sobre sustratos a 3000 rpm durante 40 s, y luego se precalentó a 60ºC en aire durante 10 min en una placa caliente. A continuación, las películas se calentaron a 500, 600, 700 y 800 ° C durante 2 h en aire. Se utilizó el método ALD como segundo paso para aumentar la conductividad. Las películas de ALD-AZO (aproximadamente 120 nm) se depositaron a 150 ° C utilizando Beneq TFS-200, y los detalles del proceso ALD se pueden encontrar en nuestro trabajo anterior [8, 9, 10]. Los sustratos en este experimento fueron p-GaN (la concentración de portador fue de aproximadamente 1,2 × 10 17 cm −3 ) y cristal de cuarzo. La topografía de la superficie se midió mediante microscopía de fuerza atómica (AFM, Bruker Multimode 8). La cristalinidad y la orientación de estas películas se midieron mediante difracción de rayos X (XRD, Bede D1). La transmisión de las películas se midió mediante espectrofotómetro ultravioleta-visible (UV-2550; Shimadzu, Kyoto, Japón). La resistividad eléctrica se midió mediante una medición de pasillo (Modelo 7707A, Lake Shore, EE. UU.) Utilizando una geometría de van der pauw. Las películas de AZO se grabaron con ácido fosfórico durante aproximadamente 2 min (la velocidad de grabado fue de aproximadamente 100 nm / min) con una 2 de 1 cm. máscara sobre ellos para formar la forma cuadrada. Después del grabado, se conectaron cuatro cables conductores a los cuatro electrodos cuadrados. Se midieron la resistencia de contacto específica y las curvas de corriente-voltaje (I-V) utilizando el método del modelo de línea de transmisión circular (CTLM). Los patrones CTLM se definieron en el sustrato mediante el uso de una técnica fotolitográfica estándar antes de crecer.

Resultados y discusión

La Figura 1 muestra los espectros de difracción de rayos X (XRD) de las películas de AZO depositadas directamente sobre sustratos de p-GaN por el método PAD. Las temperaturas de crecimiento se fijaron en 500 (Fig. 1a), 600 (Fig. 1b), 700 (Fig. 1c) y 800 ° C (Fig. 1d), respectivamente, y las composiciones de todas las muestras se mantuvieron iguales (n Al :n Zn =9:100) Se puede observar en la Fig. 1b que el pico principal se indexó a GaN (002), mientras que el hombro se atribuyó a AZO (002). Las películas de AZO que crecen mediante el método PAD muestran una orientación favorable del eje c. Las películas de AZO que crecieron a 500 ° C y 600 ° C muestran una buena cristalinidad, y el ancho completo a la mitad del máximo (FWHM) de la curva de oscilación (002) fue de 625 y 572 segundos de arco. Obviamente, la temperatura de crecimiento juega un papel crucial para el crecimiento de AZO. A 500 ° C, el polímero simplemente se quemó y podría afectar la cristalización. Cuando las temperaturas eran de 700 ° C y 800 ° C, ocurrió la descomposición de AZO y esta fue la razón de la desaparición del pico del hombro. Se puede explicar que la buena calidad cristalina de AZO se atribuye a dos factores:El primero está relacionado con la correspondencia de celosía entre ZnO y GaN, su desajuste es menor al 2% según la siguiente fórmula:| a e - a s | / a e , donde a s representa la constante de celosía del sustrato de GaN, a e representa la constante de celosía de la depiladora de ZnO. El segundo se debe a la temperatura de crecimiento optimizada de 600 ° C a la que el polímero se descompuso y el ZnO cristalizó a lo largo del eje c.

Espectros de difracción de rayos X de películas de AZO depositadas directamente sobre el sustrato de p-GaN por el método PAD a diferentes temperaturas. un 500 ° C; b 600 ° C; c 700 ° C y d 800 ° C. Los gráficos internos de ( a ) y ( b ) muestran la curva de oscilación del pico de difracción 002 de AZO

La figura 2a muestra diagramas esquemáticos de las estructuras para la geometría de van der pauw. Para obtener resultados más razonables, antes de todas las pruebas eléctricas, se soldaron por puntos electrodos de indio en la superficie AZO. El AZO era un semiconductor de tipo ny el contacto óhmico entre el AZO y el electrodo de indio era fácil de lograr. La Figura 2b y el gráfico interior de 2 (b) muestran las características I-V y la resistividad de las películas de AZO que crecieron a diferentes temperaturas (500, 600, 700 y 800 ° C). Cuando las temperaturas de crecimiento del PAD-AZO se establecieron en 500, 600 y 700 ° C, los contactos entre PAD-AZO y p-GaN fueron óhmicos. Cuando la temperatura de crecimiento fue de 600 ° C, la resistencia de la hoja disminuyó con el aumento de la temperatura de crecimiento, cuando la temperatura de crecimiento fue de aproximadamente 600 ° C, la resistencia de la hoja alcanzó el valor más bajo (740 Ω / sq) y aumentó con el aumento de la temperatura de crecimiento. Básicamente, la resistividad del electrodo debe ser lo más baja posible. La Fig. 2c muestra las características I-V de películas de AZO con diferentes relaciones molares de Al a Zn. Se puede observar que todas las muestras exhibieron características I-V lineales, lo que implicaba que los contactos del AZO depositado sobre p-GaN eran óhmicos. La Figura 2d muestra la resistividad y la densidad del portador de las películas de AZO frente a diferentes relaciones molares de Al a Zn. La menor resistencia de la hoja del PAD-AZO fue de aproximadamente 740 Ω / sq. Reveló que cuando la relación molar de Al a Zn estaba por debajo del 9%, la resistencia disminuía con el aumento de la relación molar de Al a Zn, y cuando la relación molar de Al a Zn era superior al 9%, la resistencia aumentaba con el aumento de la relación molar de Al a Zn. Y la tendencia a la variación de las películas AZO fue similar a la de la Fig. 2c. Obviamente, la autocompensación se produjo en un rango de dopaje alto. Evidentemente, la conductividad queda por mejorar. Se puede conocer a partir de la ecuación R sh =Ρ / t (donde ρ representa resistividad y t representa el espesor de la película) que la resistencia de la hoja (R sh ) disminuye con el aumento del espesor de la película, por lo que el espesor del PAD-AZO debe aumentarse para reducir la resistividad. Debido a las características del método PAD, para mejorar el espesor de las películas de AZO, era inevitable el recubrimiento por centrifugación múltiple y el tratamiento térmico [28]. Sin embargo, después de varias veces de tratamiento térmico, se encontró que la resistencia aumentó, la resistencia de la hoja alcanzó 7600 Ω / sq. cuando el espesor de PAD-AZO era de aproximadamente 150 nm. El aumento de la resistencia puede deberse a múltiples tratamientos térmicos, por lo que es necesario encontrar otras soluciones. El trabajo anterior de nuestro grupo indicó que la resistividad de las películas de ALD-AZO puede ser relativamente baja [8, 9, 10], por lo que se agregó el método ALD.

un Los croquis que muestran la geometría de van der pauw. b La resistividad de películas de AZO con diferentes temperaturas de crecimiento (500, 600, 700 y 800 ° C). El gráfico interior de ( b ) muestra la dependencia de la resistividad con la temperatura. c Características de corriente-voltaje de diferentes relaciones molares de Al a Zn. d La resistividad y la densidad del portador frente a diferentes relaciones molares de Al a Zn

La Figura 3a muestra las características IV del PAD-AZO, el ALD-AZO y el AZO de dos pasos depositados en p-GaN, el gráfico interno muestra las características IV de la película ALD-AZO que se recoció por recocido térmico rápido a 600 ° C en N 2 durante 60 s. Indicó que la resistencia de la película ALD-AZO era mucho menor que la de la película PAD-AZO. Sin embargo, el contacto entre ALD-AZO y p-GaN no fue óhmico. Las películas de ALD-AZO fueron recocidas por RTA en N 2 (no solo durante 60 s, no se muestran los datos), los contactos entre ALD-AZO y p-GaN todavía no eran óhmicos, por lo que se necesitaba la capa PAD-AZO. La resistividad de PAD-AZO (30 nm) y AZO de dos pasos (150 nm) fueron 2.221 × 10 −3 Ω · cm y 2,175 × 10 −3 Ω · cm. Fue difícil para el método PAD hacer crecer películas gruesas de AZO con baja resistencia y el espesor de 30 nm puede ser un poco delgado para los electrodos. Entonces, en este caso, se usó PAD-AZO para formar contacto óhmico y se agregó ALD-AZO para reducir la resistencia de la hoja. Si bien hubo una ligera mejora en la resistividad, la resistencia de la hoja se redujo en gran medida a 145 Ω / sq. cuando se introdujo el método ALD. Un parámetro importante del contacto óhmico está relacionado con la resistencia de contacto específica (R c ). La Figura 3b muestra los datos brutos del contacto específico de PAD-AZO (sin ALD-AZO) y AZO de dos pasos (con ALD-AZO) para extraer la resistencia de contacto específica, el gráfico interno muestra la estructura de CTLM, el punto interno el radio era de 100 um, y el espacio entre el radio interior y el exterior se variaba de 5 a 30 um. A partir de los datos se puede calcular la resistencia de contacto específica, las ecuaciones son R m ≈ R sh [ln ((r + s) / r)] / 2π + L T R sh ln [(2r + s) / r (r + s)] / 2π y R c ≈ R sh · L T 2 , donde R m representa la resistencia entre dos electrodos, r representa el radio interior, L T representa la longitud de transferencia, en la Fig. 3b, c =(r / s) * ln ((r + s) / r), s representa el espacio entre el contacto interno y externo. La resistencia de contacto específica más baja de las películas PAD-AZO fue de aproximadamente 1.08 × 10 −1 Ω · cm 2 , y la resistencia de contacto específica más baja de la película AZO depositada en dos pasos fue de aproximadamente 1,47 × 10 −2 Ω · cm 2 . En nuestra opinión, la reducción de la resistencia de contacto específica se atribuyó a que la resistividad de las películas de ALD-AZO era menor que la de las películas de PAD-AZO, lo que puede ser causado por el dopante de átomos de hidrógeno [8, 29]. Al mismo tiempo, la resistencia entre el electrodo de indio y ALD-AZO era menor que entre el electrodo de indio y PAD-AZO. La resistencia medida por la prueba IV (resistencia de contacto contenida) fue mayor que la medida por la geometría de van der pauw, la diferencia entre estas dos resistencias en PAD-AZO (1200 Ω) fue mayor que la diferencia en ALD-AZO (300 Ω).

un Características de corriente-voltaje de PAD-AZO, ALD-AZO y AZO de dos pasos cultivados en p-GaN. El gráfico interior de ( a ) muestra la curva I-V de ALD-AZO recocida por RTA en N 2 durante 60 s. b muestra los datos brutos y los datos de ajuste lineal del contacto específico de PAD-AZO (sin ALD-AZO) y AZO de dos pasos (con ALD-AZO) para extraer la resistencia de contacto específica, el gráfico interior de ( b ) muestra la estructura de CTLM

La Figura 4 muestra la topografía de la superficie de las películas de PAD-AZO a diferentes temperaturas de crecimiento (a) 500, (b) 600, (c) 700 y (d) 800 ° C, respectivamente. Se puede observar que el AZO comenzó a formarse sobre el sustrato a 500 ° C. Los granos de AZO eran uniformes y compactos cuando la temperatura de crecimiento era de 600 ° C, con un tamaño de grano promedio de aproximadamente 70 nm. Sin embargo, a 700 ° C, algunos de los granos crecieron a expensas de los demás. Cuando la temperatura de crecimiento alcanzó los 800 ° C, los granos se hicieron más grandes. Teniendo en cuenta el efecto de la temperatura de crecimiento y la resistividad, se eligió 600 ° C como la temperatura de crecimiento adecuada. La figura 4e muestra la topografía de la superficie de la película de ALD-AZO directamente sobre p-GaN, y la figura 4f muestra la topografía de la superficie de la película de AZO depositada en dos etapas. Se puede concluir de (e) y (f) que aunque el tamaño de grano cambió, la estructura seguía siendo un mosaico. Este cambio puede atribuirse a la inserción de la capa intermedia PAD-AZO para reducir la falta de coincidencia de la red.

un , b , c , d Morfologías superficiales de películas de PAD-AZO (1 μm × 1 μm) a diferentes temperaturas de crecimiento de 500, 600, 700 y 800 ° C, respectivamente. e las morfologías superficiales de la película ALD-AZO que directamente sobre p-GaN. f la topografía de la superficie de la película AZO depositada en dos pasos

La Figura 5 muestra las transmitancias de las películas AZO con y sin capa ALD-AZO. Las condiciones de crecimiento en cuarzo se mantuvieron iguales a las de p-GaN. Los espectros de transmitancia para las películas PAD-AZO fueron casi iguales para todas las muestras con un valor superior al 90% en el rango de longitud de onda de 400 a 700 nm, correspondiente a la luz visible. Aunque la transmitancia se redujo a aproximadamente un 80% cuando se depositó ALD-AZO en las películas de PAD-AZO, las transmitancias fueron aún mucho más altas que las de las películas de Ni / Au oxidadas (55-70% en el rango visible) [30] y casi lo mismo con la transmitancia de las películas ITO [31].

Las transmitancias de las películas PAD-AZO y las películas AZO de dos pasos

Conclusiones

En este estudio hemos preparado con éxito películas delgadas de AZO en p-GaN mediante una combinación de método PAD y ALD. Las películas delgadas de AZO estaban orientadas (002) y eran muy transparentes (alrededor del 80%) en el rango de longitud de onda de 400 a 700 nm. La resistividad óptima fue 2.175 × 10 −3 Ω · cm y la resistencia de contacto específica más baja de la película de AZO depositada en dos pasos fue de aproximadamente 1,47 × 10 −2 Ω · cm 2 . Nuestros resultados muestran que el método de dos pasos se puede utilizar para preparar electrodos AZO transparentes y conductores para aplicaciones industriales.


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