PL223727B1 - Struktura homo-złącza p-n na bazie ZnO oraz sposób wykonania struktury homo-złącza p-n na bazie ZnO - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest struktura homo-złącza p-n na bazie tlenku cynku (ZnO) oraz sposób wykonania takiego złącza. Złącze to charakteryzuje się podwyższonym współczynnikiem prostowania i przeznaczone jest do zastosowań elektronicznych wymagających temperatur osadzania nie przekraczających 200°C takich, jak np. organiczna elektronika, czy trójwymiarowe komórki pamięci o strukturze Cross-Bar Memory.

Złącza p-n na bazie ZnO są trudne w realizacji ze względu na ogólnie znany problem trwałego i stabilnego domieszkowania tlenku cynku na typ p. Nie domieszkowane intencjonalnie warstwy ZnO wykazują silne przewodnictwo typu n, które zwykle zawiera się w przedziale 10 -10 cm^- . Efektywne domieszkowanie tego materiału na typ p stwarza problemy ze względu na obecność defektów rodzimych, słabą rozpuszczalność domieszek akceptorowych, głęboko położone poziomy akceptorowe oraz efekty samokompensacyjne występujące w tym materiale. Niestabilność i nietrwałość przewodnictwa dziurawego stanowi podstawową przyczynę trudności w otrzymaniu dobrej jakości homozłącz na bazie ZnO o wysokim współczynniku prostowania.

W celu uzyskania przewodnictwa dziurawego tlenek cynku domieszkuje się albo pierwiastkami z grupy I (lit, potas, sód), które wbudują się podstawieniowo za cynk, albo pierwiastkami z grupy V (arsen, azot, fosfor, antymon), które wbudują się podstawieniowo za tlen. Dotychczasowe badania eksperymentalne pokazują, że pierwiastki grupy pierwszej wprowadzane do ZnO w celu otrzymania akceptorowego rodzaju przewodnictwa, mają tendencję do zajmowania pozycji międzywęzłowych. W takim przypadku zamiast być akceptorami pełnią one rolę donorów. Z kolei pierwiastki grupy V wykazują umiarkowaną rozpuszczalność w tlenku cynku.

Z tego powodu liczba pierwiastków, które mogą być rozpatrywane jako ewentualne domieszki akceptorowe jest dość ograniczona.

Azot wykazuje najniższą energię jonizacji akceptora N_o oraz długość wiązania cynk-azot bliską długości wiązania cynk-tlen, dlatego jest on wykorzystywany do akceptorowego domieszkowania ZnO. Z publikacji: Ding et al., Appl. Phys. Lett. 98, 062102 (2011); Bu, Superlattices and Microstructures 64, 213 (2013); oraz z publikacji Huang et al., Advanced Optical Materials 1, 179 (2013) znane są homozłącza bazujące na tlenku cynku ZnO, w których p-typ przewodnictwa uzyskuje się domieszkując ZnO azotem. Współczynniki prostowania tego rodzaju złącz nie są wysokie. Np. we wspomnianej powyżej pracy Bu, Superlattices and Microstructures 2013, raportowany współczynnik prostowania homozłącza ZnO wynosi 8.52 (przy napięciu 4 V), jeżeli do domieszkowania ZnO na typ p stosowany jest azot, oraz 170 (przy 3 V), jeżeli do zwiększenia ilości azotu stosuje się także glin (ko-domieszkowanie N i Al). Z kolei we wspomnianej pracy Ding et al., Appl. Phys. Lett. 98, 062102 (2011) współczynnik prostowania nie jest bezpośrednio podany, ale z przytoczonego wykresu I-V homozłącza można go oszacować na nie więcej niż przy napięciu 4 V. Ponadto złącze tego typu charakteryzuje się niewielką trwałością ze względu na dyfuzję azotu z części złącza o przewodnictwie typu p do części złącza o przewodnictwie typu n.

Z publikacji: Lu et al. (phys. stał. sol. (c) 5, 3088 (2008)) znane jest złącze o układzie p-ZnO:N/n-ZnO:Al, w którym p-typ przewodnictwa uzyskuje się domieszkując ZnO azotem, ale jak podają autorzy, już po 10 dniach zaobserwowano zanik efektu prostowania.

Celem wynalazku jest opracowanie homo-złącza na bazie ZnO, w którym p-typ przewodnictwa realizowany jest przez domieszkowanie ZnO azotem (ZnO:N), a które charakteryzowałoby się większą trwałością i wyższym współczynnikiem prostowania niż znane homo-złącza tego typu.

Struktura, prostującego homo-złącza p-n na bazie ZnO według wynalazku ma na podłożu warstwę ZnO domieszkowaną azotem o p-typie przewodnictwa oraz domieszkowaną lub nie domieszkowaną warstwę ZnO o n-typie przewodnictwa, na której znajduje się metaliczny kontakt elektryczny. W strukturze tej pomiędzy warstwą ZnO typu p a warstwą ZnO typu n znajduje się dielektryczna przekładka, w postaci warstwy tlenku glinu, o grubości od 3 do 10 nm.

Pierwszą warstwą od strony podłoża może być zarówno warstwa ZnO n-typu jak również warstwa p-typu.

Sposób wytwarzania struktury homo-złącza p-n na bazie ZnO polega na tym, że na podłożu, korzystnie krzemowym, kwarcowym lub szklanym osadza się w temperaturze 30°C - 200°C warstwę ZnO, o n lub p typie przewodnictwa, o grubości 50-700 nm, przy czym jeżeli jest to warstwa typu p to jest nią warstwa ZnO:N, następnie w procesie ALD osadza się warstwę AI₂O₃ o grubości od 3 do 10 nm, przy czym podczas tego osadzania jako prekursor glinowy stosuje się trimetyloaluminium,

PL 223 727 B1 a jako prekursor tlenu wodę dejonizowaną, później w temperaturze 30°C - 200°C na warstwie AI2O3 osadza się warstwę ZnO o grubości 30-500 nm, o przeciwnym typie przewodnictwa niż osadzona na podłożu. Otrzymaną strukturę wygrzewa w temperaturze 300-900°C, w atmosferze tlenu, w czasie od 2 do 10 min.

Struktura homozłącza według wynalazku charakteryzuje się lepszym o co najmniej 2 rzędy wielkości (w stosunku do analogicznej struktury bez przekładki AI₂O₃) współczynnikiem prostowania dzięki wprowadzeniu ultra-cienkiej warstwy tlenku aluminium, AI₂O₃, pomiędzy p-typ (ZnO:N) i n-typ (ZnO) przewodnictwa homozłącza, która ogranicza dyfuzję azotu, zwiększając trwałość złącza i podwyższając współczynnika prostowania.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie struktury homozłącza p-n pokazanego na rysunku.

Struktura posiada krzemowe podłoże Si, na powierzchni którego znajduje się warstwa ZnO domieszkowana azotem (ZnO:N) o p-typie przewodnictwa i o grubości 200 nm. Na warstwie tej znajduje się dielektryczna przekładka, którą jest warstwa tlenku glinu, o grubości 3 nm. Przekładka ta pokryta jest niedomieszkowaną warstwą ZnO o n-typie przewodnictwa i o grubości 200 nm, na której znajduje się metaliczny kontakt elektryczny.

Cała struktura złącza została wykonana za pomocą technologii ALD, ale możliwe jest także osadzenie warstwy ZnO typu p i warstwy ZnO typu n za pomocą innych, znanych technik osadzania. Technologia ALD jest to metoda osadzania chemicznego cienkich warstw z fazy gazowej, która polega na naprzemiennym podawaniu reagentów, zwanych prekursorami, do komory reakcyjnej, w której na podłożu w wyniku chemicznej reakcji wymiany jest osadzana warstwa żądanego materiału. Osadzanie materiału odbywa się w cyklach, z których każdy składa się z czterech etapów: podawanie pierwszego prekursora, płukanie, podawanie drugiego prekursora, płukanie. Grubość warstwy zależy od ilości cykli ALD.

W przykładzie, na komercyjnym krzemowym podłożu jako pierwszą warstwę naniesiono domieszkowaną azotem warstwę ZnO typu p. Na część tej warstwy nanosi się następnie rezyst, który po zakończeniu osadzania struktury homozłącza jest wypłukiwany w acetonie, co pozwala dostać się do dolnej warstwy struktury homozłącza i napylić kontakt. W kolejnym kroku na resztę warstwy ZnO typu p nanosi się ultracienką (3 nm) warstwę tlenku glinu (AI₂O₃) używając w procesie ALD Trimetiloaluminium (TMA) jako prekursora glinowego oraz wody dejonizowanej, jako prekursora tlenu, w temperaturze 100°C. W wyniku reakcji podwójnej wymiany powstaje warstwa tlenku glinu: 2Al(CH₃)₃ + 3H2O AI2O3 + 6CH4.

Tlenek aluminium został wybrany do tego celu, ponieważ podwyższa on przewodnictwo typu n w części złącza n-ZnO oraz stabilizuje przewodnictwo typu p w części złącza o przewodnictwie akceptorowym. Dzieje się tak, ponieważ z jednej strony Al jest wykorzystywane jako domieszka donorowa w ZnO, z drugiej strony homozłącza domieszka Al przyczynia się do stabilizacji przewodnictwa typu p w ZnO domieszkowanym azotem.

Cała struktura jest następnie pokrywana warstwą n-ZnO. Końcowym etapem przygotowania złącza jest naparowanie termiczne kontaktów z Ti/Au.

Możliwa jest też odwrotna konfiguracja homozłącza, w której warstwa n-typu ZnO znajduje się od strony podłoża, na niej warstwa AI₂O₃, a na wierzchu warstwa p-ZnO domieszkowanego azotem.

W przedstawionym homo-złączu rolą warstwy AI₂O₃ jest zapobieganie dyfuzji azotu z warstwy ZnO:N (typu p) do warstwy ZnO bez wprowadzonego azotu (typu n) oraz stabilizacja obydwu typów przewodnictwa. W efekcie współczynnik prostowania homo-złącza ZnO I_on/I_off podwyższył się o dwa rzędy wielkości do « 10 .

Claims (6)

1. Struktura homo-złącza p-n na bazie ZnO, w której na podłożu znajduje się warstwa ZnO domieszkowana azotem o p-typie przewodnictwa oraz domieszkowana lub niedomieszkowana warstwa ZnO o n-typie przewodnictwa, z metalicznym kontaktem elektrycznym, znamienna tym, że pomiędzy warstwą ZnO typu p a warstwą ZnO typu n znajduje się dielektryczna przekładka w postaci warstwy tlenku glinu o grubości od 3 do 10 nm.

PL 223 727 B1

2. Struktura według zastrz. 1, znamienna tym, że warstwa n-typu ZnO, korzystnie warstwa ZnO:Al, znajduje się od strony podłoża, a warstwa p-typu ZnO:N z metalicznym kontaktem elektrycznym od strony powierzchni struktury.

3. Struktura według zastrz. 1, znamienna tym, że warstwa p-typu ZnO:N znajduje się od strony podłoża, a warstwa n-typu, korzystnie warstwa ZnO:Al z metalicznym kontaktem elektrycznym od strony powierzchni struktury.

4. Sposób wytwarzania struktury homo-złącza p-n, którym na podłożu osadza się warstwę ZnO:N o p-typie przewodnictwa oraz warstwę ZnO, o n-typie przewodnictwa i metaliczny kontakt elektryczny, znamienny tym, że najpierw na nieprzewodzącym podłożu, korzystnie krzemowym, kwarcowym lub szklanym, w temperaturze 30-2OO°C, osadza się warstwę ZnO o grubości 50-700 nm, o jednym typie przewodnictwa, przy czym jeżeli jest to warstwa typu p to jest nią warstwa ZnO:N, następnie na tej warstwie, za pomocą metody ALD, w temperaturze 90-130°C, osadza się warstwę AI₂O₃, o grubości od 3 do 10 nm, po czym na warstwie AI₂O₃ osadza się w temperaturze 30°C-200°C warstwę ZnO o grubości 50-700 nm, i o przeciwnym typie przewodnictwa, przy czym jeżeli jest to warstwa typu p to jest nią warstwa ZnO:N, otrzymaną strukturę wygrzewa w temperaturze 300-900°C, w atmosferze tlenu, w czasie od 2 do 10 min.

5. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że pierwszą warstwą osadzaną na podłożu jest warstwa ZnO:N o p-typie przewodnictwa.

6. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że pierwszą warstwą osadzaną na podłożu jest warstwa ZnO o n-typie przewodnictwa.