オーミック接触を形成するためのp-GaNへのAlドープZnOの2段階堆積

背景

今日、GaNベースの化合物半導体はすでに大きな進歩を遂げており、オーミック接触が優れたデバイス性能に不可欠である高温、高出力、および高周波デバイスで包括的に利用されています[1、2]。これまでのところ、p型GaNへのオーミック接触を実現することは依然として非常に困難です[3、4]。長期間にわたって、酸化されたNi / Au [5]、Ni / Pd / Au [6]、Pd / Ni [7]などが一般的な解決策ですが、Au接点は不透明で高価であり、高温で不安定です。したがって、熱的に安定で透明な代替品を探すことが差し迫っています。これまで、AlドープZnO（AZO）やSnドープIn ₂ などの透明導電性酸化物（TCO） O ₃ （ITO）は電極材料として広く使用されています。しかし、スズとインジウムはどちらもコストがかかり、環境にやさしいものです。対照的に、AZOは、その高い透明性、低抵抗、低コスト、および非毒性のために有望です[8,9,10]。 AZO膜は、原子層堆積[8]、スパッタリング[11]、電子ビーム蒸着[12]、パルスレーザー堆積[13]、ゾルゲル[14]などの多くの方法で作成できることが報告されています。 AZO（4.7 eV）とp-GaN（7.5 eV）の電子親和力の違いにより[15]、アニーリング後にAZOをGaNに直接堆積させてオーミック接触を実現することは困難です[16]。 p-GaN上に堆積されたAZO膜は、オーミック挙動をもたらしました[17、18]。この問題を解決するために、NiO [16]、Agナノ粒子[19、20]、p-InGaN [21]、Pt層[22]、InONナノドット[23]などのいくつかの種類の中間層が導入されています。

この作業では、AZOとp-GaN間のオーミック接触を実現するために2段階の方法が開発されました。最初のステップは、ポリマー支援堆積（PAD）によって中間層としてAZO薄膜を成長させることです。アルミニウムと亜鉛の金属カチオンモル比が異なるAZOフィルム（n _Al ：n _Zn ）p-GaN上で直接成長させた。異なる成長温度とアニーリング温度が膜の結晶品質と導電率に及ぼす影響が広く研究されました。 2番目のステップは、PADで成長させたAZOの上部に原子層堆積（ALD）によってAZO薄膜を成長させることです。 AZOフィルムは、良好な結晶品質、p-GaNでの良好なオーム挙動、および高い透過率を備えた良好な（002）配向を示します。 PAD-AZO層はオーミック接触を保証し、ALD-AZO層は比接触抵抗とシート抵抗を低減して使用可能にしました。

メソッド

PADは、近年開発された新しい化学溶液堆積法であり、非常に低コストで大規模な規則的および不規則な表面上に良好な結晶品質の金属酸化物膜を成長させる実用的な方法であることが証明されています[24,25,26、 27]。 PAD-AZO膜（約30 nm）は、PAD法の標準的な手順[24]に従ってp-GaN上に直接成長させました。 PAD-AZOフィルムの溶液は、ポリマーに結合したZnとAlの2つの別々の溶液をブレンドすることによって調製されました。亜鉛の濃度（3.06×10 ^-4 mol / mL）およびAl（7.41×10 ^-5 これら2つの溶液中のmol / mL）は、誘導結合プラズマ原子発光分析計（ICP-AES）によって特徴付けられ、2つの溶液の異なる体積が混合され、AlとZnのモル比が異なるAZO前駆体を形成しました。混合溶液を3000rpmで40秒間基板上にスピンコーティングし、次にホットプレート上で空気中60°Cで10分間予熱しました。次に、フィルムを空気中で500、600、700、800°Cで2時間加熱しました。導電率を上げるための2番目のステップとしてALD法を使用しました。 ALD-AZO膜（約120 nm）は、Beneq TFS-200を使用して150°Cで堆積されました。ALDプロセスの詳細は、以前の研究[8,9,10]に記載されています。この実験の基板はp-GaNでした（キャリア濃度は約1.2×10 ¹⁷ でした cm ^-3 ）および石英ガラス。表面トポグラフィーは、原子間力顕微鏡（AFM、Bruker Multimode 8）によって測定されました。これらのフィルムの結晶化度と配向は、X線回折（XRD、Bede D1）によって測定されました。フィルムの透過率は、紫外可視分光光度計（UV-2550;島津、京都、日本）によって測定された。電気抵抗率は、ファンデルパウジオメトリを使用したホール測定（モデル7707A、レイクショア、米国）によって測定されました。 AZOフィルムは、リン酸によって1 cm ² で約2分間（エッチング速度は約100 nm / min）エッチングされました。 それらをマスクして正方形を形成します。エッチング後、4本のリード線を4本の四角い電極に接続しました。比接触抵抗と電流-電圧（I-V）曲線は、円形伝送線路モデル（CTLM）法を使用して測定されました。 CTLMパターンは、成長前に標準的なフォトリソグラフィー技術を使用して基板上に定義されました。

結果と考察

図1は、PAD法によってp-GaN基板上に直接堆積されたAZO膜のX線回折（XRD）スペクトルを示しています。成長温度はそれぞれ500（図1a）、600（図1b）、700（図1c）、800°C（図1d）に設定され、すべてのサンプルの組成は同じに保たれました（n _Al ：n _Zn =9：100）図1bから、メインピークはGaN（002）にインデックス付けされ、ショルダーはAZO（002）に帰属することがわかります。 AZO膜はPAD法で成長し、良好なc軸配向を示します。 500°Cおよび600°Cで成長したAZO膜は良好な結晶化度を示し、（002）ロッキングカーブの半値全幅（FWHM）は625および572秒角でした。明らかに、成長する温度はAZOの成長にとって重要な役割を果たします。 500°Cでは、ポリマーが燃え尽きて、結晶化に影響を与える可能性があります。温度が700°Cと800°Cのとき、AZOの分解が起こり、これがショルダーピークの消失の理由でした。 AZOの良好な結晶品質は、2つの要因に起因すると説明できます。1つは、ZnOとGaNの間の格子整合に関連し、次の式によると、それらの不一致は2％未満です。| a _e − a _s | / a _e 、ここで _s GaNの基板の格子定数a _e を表します。 ZnOのエピ層の格子定数を表します。 2つ目は、ポリマーが分解され、c軸に沿ってZnOが結晶化する600°Cの最適化された成長温度によるものです。

異なる温度でPAD法によりp-GaN基板上に直接堆積されたAZO膜のX線回折スペクトル。 a 500°C; b 600°C; c 700°Cおよび d 800°C。 （ a の内部グラフ ）および（ b ）AZOの002回折ピークのロッキングカーブを示します

図2aは、van derpauwジオメトリの構造の概略図を示しています。より合理的な結果を得るために、すべての電気的試験の前に、インジウム電極をAZO表面にスポット溶接しました。 AZOはn型半導体であり、AZOとインジウム電極間のオーミック接触は容易に実現できました。図2bと2（b）の内側のグラフは、さまざまな温度（500、600、700、800°C）で成長したAZO膜のI-V特性と抵抗率を示しています。 PAD-AZOの成長温度を500、600、700°Cに設定した場合、PAD-AZOとp-GaNの接触はオーミックでした。成長温度が600°Cのとき、シート抵抗は成長温度の上昇とともに減少し、成長温度が約600°Cのとき、シート抵抗は最低値（740Ω/ sq）に達し、成長温度の上昇。基本的に、電極の抵抗率は可能な限り低くする必要があります。図2cは、AlとZnのモル比が異なるAZO膜のI-V特性を示しています。すべてのサンプルが線形I-V特性を示したことを観察できます。これは、p-GaN上の堆積されたままのAZOの接触がオーミックであることを意味します。図2dは、AZO膜の抵抗率とキャリア密度とAlとZnのモル比の違いを示しています。 PAD-AZOの最低シート抵抗は約740Ω/ sqでした。 Ａｌ対Ｚｎのモル比が９％未満の場合、Ａｌ対Ｚｎのモル比の増加とともに抵抗が減少し、Ａｌ対Ｚｎのモル比が９％を超える場合、抵抗は、 Znに対するAlのモル比の増加。また、AZOフィルムの変動傾向は図2cと同様でした。明らかに、自己補償は高いドーピング範囲で発生しました。明らかに、導電率はまだ改善されていません。これは、式R _sh から知ることができます。 =ρ/ t（ここで、ρは抵抗率を表し、tはフィルムの厚さを表します）、シート抵抗（R _sh ）フィルムの厚さが増すと減少するため、抵抗率を下げるにはPAD-AZOの厚さを増やす必要があります。 PAD法の特性上、AZO膜の厚さを改善するために、複数回のスピンコーティングと熱処理が避けられませんでした[28]。しかし、数回の熱処理後、抵抗が増加し、シート抵抗が7600Ω/ sqに達することがわかりました。 PAD-AZOの厚さが約150nmのとき。抵抗の増加は複数の熱処理によって引き起こされる可能性があるため、他の解決策を見つける必要があります。私たちのグループの以前の研究では、ALD-AZOフィルムの抵抗率が比較的低くなる可能性があることが示されたため[8,9,10]、ALD法が追加されました。

a ヴァンデルパウの幾何学を示すスケッチグラフ。 b さまざまな成長温度（500、600、700、800°C）でのAZO膜の抵抗率。 （ b の内側のグラフ ）は、抵抗率の温度依存性を示しています。 c AlとZnのモル比が異なる場合の電流-電圧特性。 d 抵抗率とキャリア密度対AlとZnの異なるモル比

図3aは、p-GaN上に堆積されたPAD-AZO、ALD-AZO、および2ステップAZOのIV特性を示しています。内側のグラフは、Nで600°Cの急速熱アニーリングによってアニールされたALD-AZO膜のIV特性を示しています。 ₂ 60秒間。これは、ALD-AZOフィルムの抵抗がPAD-AZOフィルムの抵抗よりもはるかに小さいことを示しています。ただし、ALD-AZOとp-GaNの接触は非オーミックでした。 ALD-AZOフィルムは、N ₂ でRTAによってアニーリングされました。 （60秒間だけでなく、データは表示されていません）、ALD-AZOとp-GaNの間の接触はまだ非オーミックであったため、PAD-AZO層が必要でした。 PAD-AZO（30 nm）と2ステップAZO（150 nm）の抵抗率は2.221×10 ^-3 でした。 Ω・cmおよび2.175×10 ^-3 Ω・cm。 PAD法では、抵抗の少ない厚いAZO膜を成長させることは困難であり、電極の場合、30nmの厚さは少し薄い可能性があります。したがって、この場合、PAD-AZOを使用してオーミック接触を形成し、ALD-AZOを追加してシート抵抗を低減しました。抵抗率はわずかに改善されましたが、シート抵抗は145Ω/ sqに大幅に減少しました。 ALD法が導入されたとき。オーミック接触の重要なパラメータは、特定の接触抵抗（R _c ）に関連しています。 ）。図3bは、PAD-AZO（ALD-AZOなし）と2ステップAZO（ALD-AZOあり）の特定の接触の生データを示し、特定の接触抵抗を抽出します。内側のグラフは、CTLMの構造、内側のドットを示しています。半径は100umで、内側と外側の半径の間のスペースは5から30umまで変化しました。データから特定の接触抵抗を計算できます。式はR _m です。 ≈R _sh [ln（（r + s）/ r）] /2π+ L _T R _sh ln [（2r + s）/ r（r + s）] /2πおよびR _c ≈R _sh ・l _T ² 、ここでR _m 2つの電極間の抵抗を表し、rは内半径を表し、L _T は伝達長さを表し、図3bでは、c =（r / s）* ln（（r + s）/ r）、sは内側と外側の接触間の間隔を表します。 PAD-AZOフィルムの最低比接触抵抗は、約1.08×10 ^-1 でした。 Ω・cm ² 、および2段階蒸着AZO膜の最低比接触抵抗は、約1.47×10 ^-2 でした。 Ω・cm ² 。私たちの意見では、比接触抵抗の低下は、水素原子のドーパントによって引き起こされる可能性がある、ALD-AZO膜の抵抗率がPAD-AZO膜の抵抗率よりも低いことに起因していました[8、29]。同時に、インジウム電極とALD-AZOの間の抵抗は、インジウム電極とPAD-AZOの間の抵抗よりも小さかった。 IVテストで測定された抵抗（接触抵抗を含む）は、van der pauwジオメトリで測定された抵抗よりも大きく、PAD-AZO（1200Ω）でのこれら2つの抵抗の差は、ALD-AZOでの差（300Ω）よりも大きかった。

a p-GaN上に成長させたPAD-AZO、ALD-AZOおよび2ステップAZOの電流-電圧特性。 （ a の内側のグラフ ）は、N ₂ でRTAによってアニーリングされたALD-AZOのI-V曲線を示しています。 60秒間。 b は、PAD-AZO（ALD-AZOなし）と2ステップAZO（ALD-AZOあり）の特定の接触の生データと線形フィッティングデータを示し、特定の接触抵抗を抽出します。（ b ）はCTLMの構造を示しています

図4は、さまざまな成長温度（a）500、（b）600、（c）700、および（d）800°CでのPAD-AZOフィルムの表面トポグラフィーを示しています。 500°CでAZOが基板上に形成され始めたことが観察できます。成長温度が600°Cのとき、AZO粒子は均一でコンパクトで、平均粒子サイズは約70nmでした。ただし、700°Cでは、一部の穀物は他の穀物を犠牲にして成長しました。成長温度が800℃に達すると、粒が大きくなりました。成長温度と抵抗率の影響を考慮して、600°Cが適切な成長温度として選択されました。図4eは、p-GaN上に直接配置されたALD-AZO膜の表面トポグラフィーを示し、図4fは、2段階蒸着されたAZO膜の表面トポグラフィーを示しています。 （e）と（f）から、粒径は変化したものの、構造は依然としてモザイク状であったと結論付けることができます。この変化は、格子の不一致を減らすためのPAD-AZO中間層の挿入に起因する可能性があります。

a 、 b 、 c 、 d それぞれ500、600、700、800°Cの異なる成長温度でのPAD-AZOフィルム（1μm×1μm）の表面形態。 e p-GaN上に直接存在するALD-AZO膜の表面形態。 f 2段階蒸着AZO膜の表面トポグラフィー

図5は、ALD-AZO層がある場合とない場合のAZOフィルムの透過率を示しています。石英の成長条件は、p-GaNの成長条件と同じに保たれました。 PAD-AZOフィルムの透過率スペクトルは、すべてのサンプルでほぼ同じであり、可視光に対応する400〜700 nmの波長範囲で90％を超える値を示しました。 ALD-AZOをPAD-AZO膜に蒸着すると、透過率は約80％に低下しましたが、それでも透過率は酸化Ni / Au膜よりもはるかに高かった（可視範囲で55〜70％）[30]。 ITOフィルムの透過率とほぼ同じです[31]。

PAD-AZOフィルムと2段階AZOフィルムの透過率

結論

本研究では、PAD法とALD法を組み合わせてp-GaN上にAZO薄膜を作製することに成功しました。 AZO薄膜は、（002）配向しており、400〜700 nmの波長範囲で非常に透明（約80％）でした。最適な抵抗率は2.175×10 ^-3 でした。 Ω・cmで、2段階蒸着されたAZO膜の最低比接触抵抗は、約1.47×10 ^-2 でした。 Ω・cm ² 。私たちの結果は、2段階の方法を使用して、工業用途向けの透明で導電性のAZO電極を準備できることを示しています。