CC BY
20УДК 621.382.001
М.К. Гусейханов, Т.А. Гуйдалаева
Омические контакты к оксиду цинка
Дагестанский государственный университет; taiysiy@yandex. г и
Проведены исследования по отработке технологии изготовления и исследования электрофизических свойств прижимных и напыленных омических контактов из Pt, W, Mo, Ag, Al, Ni, Sn, In к оксиду цинка. Предложены оптимальные режимы изготовления омических контактов. Приводятся структура омического контакта и механизм прохождения электрического тока через контакты металлов с оксидом цинка.
Ключевые слова: оксид цинка, выпрямляющий, омический, полупроводник, анализ, контак-
The article studies the technology and electrical properties of the pressure and the vapor-deposited ohmic contacts of Pt, WC, W, Mo, Ag, Al, Ni, Sn, In, to zinc oxide. It suggests optimal modes of production of ohmic contacts. The structure of the ohmic contact and the mechanism of electric power transmission through metal contact with the zinc oxide are presented.
Keywords: Zink oxide, rectifying, ohmicl, semiconductor, analysis, contacts.
Изучение омических контактов к оксиду цинка необходимо для создания приборов на базе этого интересного по многообразию свойств полупроводника и для выяснения механизма формирования омических контактов ко многим оксидным полупроводникам. Такие исследования в известной литературе до сих пор не проведены. Контакты получали на эпитаксиальных пленках оксида цинка, выращенных на пластинах AI2O3 методом химического транспорта, описанным в работе [1]. Исследованы прижимные контакты из Pt, WC, W, Mo, контакты из Ag, Al, Ni, Sn, In, полученные термическим испарением в вакууме (Р = 10~3 Па). Концентрация носителей заряда в пленках в зависи-
*-» 22 23 —3
мости от условий получения изменялась от 2-10 до 6-10 м , а их подвижность - от 50-10"4 до 120-10~4 м2/В-с. Высоту барьера на контакте определяли экстрополяцией тока на экспоненциальном участке вольтамперной характеристики (ВАХ) к нулевому смещению.
^ 0.7 1-1---------71-
Фв, ЭВ ^ ф /
О, б-------------< >---------
0,5-------------------у^—---
0,4------------------V-----
О.З---< ►------------/------
о, 2------------------
од--------------¿А-------
о___ш_IL,_Ag sn Ni_/дм Pri__et_I__
Al
3,6 4,1 4,6 5.1 5,6 Фм, ЭВ
Рис. 1. Зависимость высоты барьера контакта Me-ZnO от работы выхода из металла. Расчетная кривая по теории Шоттки
/ /
/ /
/ /
• / /
• /
У /
Jnl А gS п Mi Л / U Pri р t -
AI
,6 4,1 4,6 5.1 5 6 Ф,
Измерение удельного сопротивления пленок проводили четырехзондовым методом [2], методом контактного сопротивления - четырехполосковым методом [3].
Анализ данных, полученных разными авторами [4-7], показывает (рис. 1), что высоты барьеров благородных металлов Аи, Р1;, Рс1, к ZnO существенно не отличаются (срв = 0,65 эВ), хотя работы выхода металлов разные. Контакты металлов с высоким сродством к кислороду (А1, Бп, 1п, Тл и др.) с оксидом цинка имеют малые высоты барьеров независимо от работы выхода электрона из металла. Наши исследования [8] показали, что свойства контактов металл-оксид цинка в основном определяются состоянием поверхности полупроводника. Это сообщение является продолжением исследований, проведенных нами [8] с целью выяснения механизма формирования омических контактов к оксиду цинка.
Вид ВАХ и тип контактов к оксиду цинка зависели от состояния поверхности оксида цинка перед нанесением металла на оксид цинка. На поверхности оксида цинка, как было показано в работе [8], вследствие адсорбции (химической или физической) кислорода до нанесения металла существует поверхностный барьер. Изменение высоты барьера и профиль его энергетической зоны при создании контакта определяют характер контакта непосредственно после нанесения металла. Мы полагаем, что это справедливо для всех оксидных полупроводников.
Вид ВАХ прижимных контактов зависит от величины прижима и состояния поверхности ХпО и не зависит от природы прижимного металла. Увеличение давления прижима уменьшает коэффициент выпрямления, при сильном прижиме ВАХ контактов становится линейной. Омические характеристики имеют при любом прижиме контакты на поверхности ХпО, предварительно отожжённые в вакууме при температурах выше 200 °С. Это объясняется нами [8] десорбцией кислорода с поверхности пленки [7] и соответствующим увеличением поверхностной концентрации основных носителей заряда.
Характеристики напыленных контактов также зависят от состояния поверхности пленок перед нанесением металла. Значения удельных переходных сопротивлений контактов разных металлов к пленкам ХпО с поверхностным сопротивлением р = 2'10 Ом •см приведены в таблице 1. Сравнительно большее значение рк(~ 10-2 Ом-см2) объясняется влиянием сопротивления растекания тока и малой концентрацией основных носителей заряда в объеме полупроводника.
Таблица 1. Удельные переходные сопротивления контактов Ме-2п0
Контактный материал Sn 1п А1 Аи Си 1п-№
рк Ом-см2 6-Ю"2 2-Ю"2 2-10-2 8-10"2 10"2 4-10"2 10"2
Последующая термообработка в инертной среде (в среде гелия) напыленных в вакууме контактов при температурах 350-400 °С улучшает контактные свойства (уменьшает рк, увеличивает площадь адгезии и т. д.). Дальнейшее повышение температуры термообработки приводит к повышению удельного переходного сопротивления, хотя удельное поверхностное сопротивление оксида цинка в исследованном диапазоне температур термообработки (до 700 °С) в инертной среде не изменяется (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость удельного контактного сопротивления от температуры термообработки в разных средах
Это справедливо и для контактных систем ¡n-7.n0; Бп-2п0; А1-2п0; Au-7.nO, Аналогичные изменения контактного сопротивления наблюдались и для омических контактов с другими полупроводниками [9]. Значит, для формирования омических характеристик у напыленных контактов необходима термообработка при оптимальной температуре. Для соединений АШВУ это 500-600 °С [9], а в данном случае - 350-450 °С. Отжиг контактов в инертной среде при температурах выше 450 °С приводит к повышению удельного переходного сопротивления, хотя при этом поверхностные сопротивления пленок не изменяются. Отжиг напыленных контактов в вакууме приводит к уменьшению удельного переходного сопротивления. Одновременные измерения удельного поверхностного сопротивления пленок оксида цинка показали, что это вызвано уменьшением поверхностного сопротивления (рис. 2). Причем уменьшение р начинается при температуре 200 °С, а резкое снижение происходит при температурах выше 500 °С. В работе [8] было показано, что это способствует формированию на поверхности оксида цинка слоя с повышенной концентрацией основных носителей заряда. При напылении на предварительно подогретую в вакууме при температурах выше 200 °С поверхность 7п0 металла получаются омические контакты с линейной ВАХ и более низкими значениями удельного переходного сопротивления. Оптимальная температура предварительной обработки поверхности пленок составляет 300 °С. Термообработка на воздухе (в атмосфере кислорода) приводит к резкому повышению поверхностного сопротивления пленок оксида цинка и соответственному росту сопротивления контактов. Температуры термообработки, при которых происходит рост рмрс при отжиге на воздухе и уменьшение их при отжиге в вакууме, совпадают, что объясняется одним механизмом, ответственным за эти изменения. Механизмы этих изменений нами объяснены в работе [8]. При увеличении температуры окружающей среды от 20 до 200 С удельное переходное сопротивление контактов увеличивается от рс = 7-10 до 1,6-Ю-1 Ом-см2. Так как при этом наблюдается такой же рост удельного поверхностного сопротивления, то можно предположить, что наблюдаемые изменения рс и р обусловлены адсорбцией кислорода на поверхность 7л(), а не изменением контактных свойств.
противления пленок ZnO. 1- зависимость рс = f(p)', 2 - зависимость рс = /(//
На рис. 3 приведена зависимость удельного переходного сопротивления контакта (In-Ni)-ZnO от сопротивления пленок оксида цинка. Линейная зависимость 1прс от
1/2
1/р и слабая температурная зависимость удельного переходного сопротивления контактов характерны для туннельного механизма переноса тока в омических контактах.
Таким образом, в результате проведенных исследований мы пришли к выводу, что омические контакты имеют структуру Ме-п+-п и перенос тока через них обусловлен туннельным механизмом. Образование обогащенного поверхностного слоя (п -слоя) происходит за счет десорбции кислорода с поверхности и образования приповерхностного слоя со сверхстехиометрическим цинком Zu , который в ZnO является донором с малой энергией активации (АЕ = 0,05 эВ). Поэтому для формирования низкоомных омических контактов к оксиду цинка необходимо предварительной термообработкой при температуре выше 300 °С создать обогащенный слой на поверхности, затем нанести металл с высоким сродством к кислороду (Al, Sn, In, Ti и др.), последующей термообработкой при температуре 350-400 иС в вакууме или инертной среде формировать омические контакты. Такие структура и характер формирования омических контактов закономерны и для других оксидных полупроводников.
Литература
1. Рабаданов РА., Семилетов CA., Магомедов ЗА. Структура и свойства монокристаллических слоев ZnO // ФТТ. - 1970. - Т. 12. - Вып. 5. - С. 1431.
2. Полупроводники / под ред. А.Б. Хеннея. - М.: Ин. лит., 1962. - С. 630.
3. Мадоян С.Г., Гусейханов М.К. Измерение удельных переходных сопротивлений контактов к тонким слоям полупроводников // Изв. вузов. Физика. - 1976. - № 6. -С. 80-86.
4. Mead CA. II Physics Letters. - 1965. - № 3. - P. 218.
5. Neville КС and Mead CA. II Yor. Appl. physics. - 1970. - T. 41, № 9. - P. 3795.
6. RobertK., Swank II Physical Review. - 1967. - № 3. - P. 153.
7. Верещагин И.К Электролюминесценция кристаллов.-M.: Наука, 1974.-С. 132-136.
8. Рабаданов P.A., Семилетов CA., Гусейханов M.K., Алиев И.Ш. Свойства контактов металл-оксид цинка // Изв. вузов. - Физика. - 1981. - № 6. - С. 12-15.
9. Гусейханов М.К, Рабаданов P.A., Алиев И.Ш., Мадонян С.Г. Структура омических контактов к фосфиду и арсениду галлия // Электронная техника. Серия 6. Материалы. - 1980. - Вып. 8 (145). - С. 115-118.
Поступала вредакцию 25.08.2012 г.
