PL220462B1 - Złącze prostujące Ag/ZnO oraz sposób wykonania tego złącza - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest złącze prostujące Ag/ZnO o podwyższonym współczynniku prostowania oraz sposób wykonania takiego złącza. Złącza tego typu przeznaczone są do stosowania w przyrządach elektronicznych, a zwłaszcza w przyrządach ze strukturami hybrydowymi, w których elementy elektroniczne osadzane są na niestabilnych temperaturowo materiałach organicznych.

Znane są złącza Schottky'ego ZnO-metal, w których warstwa metalu stanowiącego kontakt prostujący osadzona jest na podłożu, którym jest krystaliczny tlenek cynku dostępny komercyjnie i otrzymywany na ogół metodą hydrotermalną. Metalami, które stosowane są jako kontakt Schottky'ego do ZnO są zwykle srebro (Ag), złoto (Au), pallad (Pd) oraz platyna (Pt). Tego typu złącza opisywane są w literaturze, np. A. Łajn et al., J. Vac. Sci. Techno. B 27 (2009), czy H. Kim et al., J. Appl. Phys. 108, 074514 (2010). Efekt prostowania w znanych złączach tego typu nie jest jednak zadawalający, co wynika z faktu, że na powierzchni tlenku ZnO wytwarza się tzw. warstwa akumulacyjna charakteryzująca się zwiększoną koncentracją nośników i ich obniżoną ruchliwością. Tego rodzaju warstwy akumulacyjne są również opisane w literaturze, np. Q. L. Gu et al., Appl. Phys. Lett. 90, 122101 (2007), czy M. W. Allen et al., Phys. Rev. B 81, 075211 (2010). W celu wyeliminowania takiej warstwy akumulacyjnej, a tym samym dla poprawienia współczynnika prostowania złącza Schottky'ego skonstruowanego na bazie ZnO, stosuje się różne metody trawienia powierzchni ZnO przed położeniem warstwy metalu. Najpowszechniej stosowaną metodą jest pasywacja powierzchni półprzewodnika za pomocą nadtlenku wodoru (H2O2). Sposób ten opisywany jest na przykład w publikacji R. Schifano et al., Appl. Phys. Lett. 94, 132101 (2009), czy Q. L. Gu et al., Appl. Phys. Lett. 90, 122101 (2007). Stosowanie nadtlenku wodoru do pasywacji powierzchni ZnO nie daje jednak zadawalających rezultatów. Proces pasywacji, który polega na blokadzie stanów powierzchniowych tlenku cynku, jest procesem trudnym do stosowania w warunkach przemysłowych, ponieważ wymaga dodatkowego procesu trawienia chemicznego.

Celem wynalazku jest opracowanie złącza prostującego na bazie ZnO, które charakteryzowałoby się wysokim współczynnikiem prostowania oraz, które mogłoby być zrealizowane w tani i prosty sposób.

Złącze prostujące Ag/ZnO, według wynalazku ma na nieprzewodzącym podłożu warstwę przewodzącą kontaktu omowego, warstwę ZnO oraz warstwę metalicznego kontaktu prostującego. W złączu tym, warstwą przewodzącą jest warstwa ZnO o wysokim przewodnictwie i na niej osadzony jest kontakt omowy. Część tej warstwy przykryta jest warstwą ZnO o niskim przewodnictwie i warstwą metalicznego kontaktu prostującego. Natomiast pomiędzy warstwą ZnO o niskim przewodnictwie a warstwą metalicznego kontaktu prostującego, korzystnie w postaci warstwy srebra, znajduje się warstwa dwutlenku hafnu o grubości 1 nm - 5 nm.

Sposób wykonania złącza prostującego według wynalazku, polega na tym, że najpierw w procesie Atomie Layer Deposition (ALD) na podłoże, korzystnie szklane, w temperaturze 150°C - 240°C nanosi się warstwę przewodzącego ZnO. Następnie na części tej warstwy, również z procesie ALD, w temperaturze 80°C - 100°C, nakłada się warstwę nieprzewodzącego ZnO, po czym tę warstwę, także w procesie ALD pokrywa się warstwą dwutlenku hafnu (HfOa). Osadzanie warstwy HfO2, prowadzi się w temperaturze 80°C - 140°C, w ciągu od 20 do 80 cykli procesu ALD, gdzie jako prekursor hafnu stosuje się cztero-dimetyloamid hafnu (ang. tetrakis(dimethylamido)hafnium (TDMAH) (IV)), a jako prekursor tlenu wodę dejonizowaną. Podczas wytwarzania warstwy dwutlenku hafnu w jednym cyklu ALD czas pulsu podawania cztero-dimetyloamidu hafnu wynosi od 40 ms do 80 ms, przy czasie pulsu płukania komory od 5 s do 15 s, a czas pulsu podawania wody dejonizowanej od 20 do 40 ms, przy czasie płukania komory od 8 s do 20 s.

Na wytworzonej warstwie HfO2, za pomocą naparowania próżniowego osadza się warstwę kontaktu metalicznego w postaci warstwy srebra (Ag) o grubości 60 nm - 100 nm, a na odsłoniętej części przewodzącego ZnO osadza się warstwę kontaktu omowego w postaci warstwy tytanu (Ti) o grubości 5 nm - 10 nm i warstwy złota (Au) o grubości 30 nm - 50 nm osadzonej na warstwie tytanu.

Proponowane złącze, ma dobre parametry elektryczne i Jest złączem tanim, ponieważ zamiast bardzo drogiego objętościowego i krystalicznego tlenku cynku, które zwykle pełni funkcję podłoża, zastosowano jedynie warstwy HfO2 i ZnO, które mogą być osadzane na mniej wymagającym podłożu, jakim jest na przykład szkło. Zastosowana technika osadzania (ALD) jest tania i stosowana na skalę przemysłową.

PL 220 462 B1

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania pokazanym na rysunku, który przedstawia złącze w przekroju.

Przykładowe złącze prostujące posiada szklane podłoże. Na podłożu tym znajduje się warstwa

ZnO 1 o grubości 100 nm charakteryzująca się wysokim przewodnictwem elektrycznym (rzędu 20 -3 ·10 cm^-). Na części powierzchni warstwy ZnO 1 znajduje się warstwa ZnO 2 o grubości 100 nm

-3 charakteryzująca się niskim przewodnictwem elektrycznym (rzędu 5·10 cm^-). Warstwa ZnO 2 pokryta jest warstwą dwutlenku hafnu (HfO2) o grubości 3 nm. Na warstwie HfO2 znajduje się warstwa kontaktu metalicznego w postaci warstwy srebra (Ag) o grubości 80 nm, a na niepokrytej tlenkiem cynku ZnO 2 części powierzchni warstwy ZnO 1 znajduje się kontakt omowy Ti/Au, na który składają się dwie warstwy metalu: warstwa tytanu (Ti) o grubości 7 nm oraz warstwa złota (Au) o grubości 40 nm.

Złącze według wynalazku wykonuje się metodą osadzania warstw atomowych (ALD) (ang. Atomic Layer Deposition), która polega na sekwencyjnym podawaniu reagentów (zwanych prekursorami reakcji) do komory reakcyjnej. W metodzie tej najpierw podaje się jeden prekursor, potem następuje płukanie gazem obojętnym, następnie podaje się drugi prekursor, po czym następuje kolejne płukanie gazem obojętnym. Sekwencję (puls pierwszego prekursora, płukanie, puls drugiego prekursora, płukanie) nazywamy cyklem ALD. Tak prowadzony proces osadzania uniemożliwia zachodzenie reakcji chemicznej wewnątrz komory, a efektem jest warstwa tlenku cynku, która powstaje tylko na powierzchni podłoża w wyniku reakcji chemicznej podwójnej wymiany pomiędzy prekursorami.

W przykładowym sposobie, najpierw na szklane podłoże nakłada się warstwę tlenku cynku ZnO o grubości 100 nm, przy czym temperatura osadzania tej warstwy ZnO wynosi 200°C. Proces wzrostu tej warstwy prowadzi się w 1000 cyklach ALD, stosując następujące wartości parametrów osadzania: puls dietylocynku 60 ms, płukanie po DEZn 8 s, puls wody dejonizowanej 15 ms, płukanie azotem 16 s.

Następnie na części powierzchni wytworzonej tak warstwy tlenku cynku nakłada się drugą warstwę ZnO o grubości 80 nm, przy czym temperatura osadzania tej warstwy ZnO wynosi 100°C. Proces wzrostu tej warstwy prowadzi się w 500 cyklach ALD, stosując następujące wartości parametrów osadzania: puls dietylocynku 30 ms, płukanie po DEZn 20 s, puls wody dejonizowanej 15 ms, płukanie azotem 20 s. W obydwu procesach ALD jako prekursor cynku stosuje się dietylocynk, a jako prekursor tlenu wodę. Następnie, w kolejnym procesie (ALD) nakłada się warstwę dwutlenku hafnu (HfO2) o grubości 3 nm. Nakładanie to prowadzi się w temperaturze 80°C. Prekursorem hafnu w tym procesie ALD jest cztero-dimetyloamid hafnu, a prekursorem tlenu jest woda dejonizowana. Nakładanie prowadzi się przy następujących parametrach cyklu ALD: czas pulsu prekursora hafnowego 80 milisekund (ms), czas płukania komory po prekursorze hafnowym 10 s, czas pulsu prekursora tlenowego 30 ms, czas płukania komory po prekursorze tlenowym 20 s. Po osadzeniu na podłożu warstw ZnO i dielektrycznej warstwy HfO2 na warstwie dielektrycznej wytwarza się kontakt prostujący, a na odsłoniętej części warstwy ZnO kontakt omowy. W tym celu najpierw na warstwie HfO2, za pomocą naparowania próżniowego osadza się warstwę srebra (Ag) o grubości 80 nm, a na odsłoniętej części metalicznego ZnO osadza się warstwę metaliczną tytanu (Ti) o grubości 7 nm, a na niej warstwę złota (Au) o grubości 40 nm.

Usytuowanie cienkiej warstwy HfO2 pomiędzy warstwą ZnO a kontaktem metalicznym znacznie poprawia właściwości prostujące złącza Ag/ZnO.

₅

W przykładowym złączu uzyskano współczynnik prostowania 10⁵, co w stosunku do współczynników prostowania znanych złącz daje zwiększenie o 2 do 3 rzędy wielkości.

W przedstawionym złączu warstwa HfO2 działa jako blokada stanów powierzchniowych w warstwie ZnO 2, a pasywowanie warstwy ZnO 2 przed nałożeniem kontaktu prostującego za pomocą tlenku o wysokiej stałej dielektrycznej zapewnia wyeliminowanie zjawiska „przyczepienia” poziomu Fermiego, powstającego na skutek istnienia spułapkowanych nośników na międzypowierzchni ZnO/Ag i pozwala obniżyć koncentrację nośników na złączu. Dzięki temu, znacznemu ograniczeniu ulega prąd zaporowy, co z kolei powoduje poprawienie efektu prostowania złącza około 100 razy. Warstwa dielektryczna HfO2 blokuje także proces utleniania kontaktu srebrnego, który polega na „wyciąganiu” tlenu z warstwy ZnO 2 i prowadzi do stworzenia warstwy n⁺ pod kontaktem,. Ponadto HfO2 w postaci warstwy pasywującej o ściśle określonej grubości (kilka nanometrów) stabilizuje koncentrację elektronów w ZnO do rzędu wielkości niezbędnego dla konstrukcji dobrej jakości złącza Schottky'ego na bazie ZnO (n~10¹⁶-10¹⁷ cm^-3).

Ponadto zastosowanie warstwy dielektrycznej HfO2 powoduje także eliminację wysokotemperaturowego procesu wygrzewania w tlenie, które było niezbędne do stabilizacji złącza Ag/ZnO. Dzięki temu, że wszystkie procesy prowadzące do wytworzenia złącza przeprowadzi się w temperaturze

PL 220 462 B1 nie przekraczającej 150°C, możliwe jest jego zastosowanie w nowoczesnych strukturach hybrydowych, w których podłożem są materiały organiczne.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Złącze prostujące Ag/ZnO, które na nieprzewodzącym podłożu ma warstwę przewodzącą kontaktu omowego, warstwę ZnO oraz warstwę metalicznego kontaktu prostującego, znamienne tym, że warstwą przewodzącą jest warstwa ZnO 1 o wysokim przewodnictwie, na której osadzony jest kontakt omowy, przy czym część warstwy ZnO 1 przykryta jest warstwą ZnO 2 o niskim przewodnictwie i warstwą metalicznego kontaktu prostującego, natomiast pomiędzy warstwą ZnO 2 a warstwą metalicznego kontaktu prostującego, korzystnie w postaci warstwy srebra, znajduje się warstwa dwutlenku hafnu (HfO₂), o grubości 1 nm - 5 nm.
2. 2. Sposób wykonania złącza prostującego Ag/ZnO, w którym na nieprzewodzącym podłożu osadza się, warstwę przewodzącą kontaktu omowego oraz warstwę ZnO i warstwę metalicznego kontaktu prostującego, znamienny tym, że najpierw, w procesie Atomic Layer Deposition (ALD) na podłoże, korzystnie szklane, w temperaturze150°C - 240°C nanosi się warstwę przewodzącego ZnO, następnie na części tej warstwy, również w procesie ALD, w temperaturze 80°C - 100°C, nakłada się warstwę nieprzewodzącego ZnO, po czym na warstwę nieprzewodzącego ZnO, także w procesie ALD osadza się warstwę dwutlenku hafnu (HfO2) , przy czym osadzanie to prowadzi się w temperaturze 80°C - 140°C, w ciągu 20 do 80 cykli procesu ALD, gdzie jako prekursor hafnu stosuje się czterodimetyloamid hafnu, a jako prekursor tlenu wodę dejonizowaną, następnie na warstwie HfO2, za pomocą naparowania próżniowego osadza się warstwę kontaktu metalicznego w postaci warstwy srebra (Ag) o grubości 60 nm - 100 nm, a na odsłoniętej części przewodzącego ZnO osadza się warstwę kontaktu omowego w postaci warstwy tytanu (Ti) o grubości 5 nm - 10 nm i warstwy złota (Au) o grubości 30 nm - 50 nm osadzonej na warstwie tytanu.
3. 3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że podczas wytwarzania warstwy dwutlenku hafnu, w jednym, cyklu ALD czas pulsu podawania czterodimetyloamid hafnu wynosi od 40 ms do 80 ms, przy czasie pulsu płukania komory od 5 s do 15 s, a czas pulsu podawania wody dejonizowanej od 20 do 40 ms, przy czasie płukania komory od 8 s do 20 s.