<반도체백과사전> p-GaN과 Pt(백금) contact에서 발생하는 Schottky Barrier Height, Solution for Ohmic contact.

p-GaN과 Pt(백금) contact에서 발생하는 Schottky Barrier Height, Solution for Ohmic contact

 

n-type의 경우와 p-type의 경우, ohmic과 schottky가 반대인데, 나처럼 헷갈릴 수 있으니 이 점 주의하자!ㅠㅠ

전체적으로 모든 경우를 한 번 정리해야겠다.

 

  반​도체의 성능을 계속해서 높여가면서 uv파장을 이용하는 blue LED의 중요성이 높아졌다. 이에 p-type의 GaN(약 7eV의 큰 일함수를 가짐)라는 물질을 사용하게 되면서 ohmic contact을 만드는데 한계점이 생겼다. 바로 metal의 일함수가 semiconductor의 일함수보다 작을 경우, 다음과 같이 band bending이 일어나고 Schottky Barrier Height가 생기는 경우가 발생하는데, 이는 접촉저항에 의해 열이 발생하며 BOOM! 하고 소자가 타버리는 위험한 상황이 생기기도 한다.

 

  다시말해, voltage drop이 없어야하는 ohmic contact을 만들어주어야 하는데 metal의 일함수보다 반도체가 더 커지게 되며 Schottky contact이 되어버린 것! 따라서 이번 포스팅은 이 원치않게 생겨버린 SBH를 해결하는 방법에 대한 내용이다.

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※ 포스팅에 앞서, schottky contact, ohmic contact, fermi level pinning에 대한 기초지식이 없다면 다음 포스팅을 보고 오도록 하자. :)

hoondwich-life.tistory.com/12

<반도체백과사전> Schottky contact, Ohmic contact, Fermi level pinning.

 

  들어가기에 앞서, (Schottky contact을) ohmic contact으로 만들기에 앞서, 궁금증이 하나 생길텐데 수업을 들으면서 어떤 학생이 질문했던 내용이다. "p-GaN보다 일함수가 큰 metal을 쓰면되는데 왜 굳이 SBH를 만들고 해결하는 귀찮은 Pt를 써야하죠?" 답은 아주 간단했다. "p-GaN보다 일함수가 큰 금속이 아직까지는 없기 때문이네." 교수님은 혹시 그런 물질을 발견하게되면 꼭 연락달라고 덧붙이셨다... ㅋㅋㅋ(p-GaN을 쓰는 이유는 최근에 반도체 성능을 높이면서 blue LED의 중요성이 매우 커졌기 때문!)

 

  아무튼 그래서 어쩔 수 없이 백금(Pt)를 쓰고 있고, tunneling을 이용해서(tunnel junction이라고도 함) ohmic contact을 만들어준다. 그럼 자세히 살펴볼까?

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다음의 그림은 p-type semiconductor과 metal(Pt, 백금)의 juction이다.

energy band of p-type GaN/Pt

 

앞의 포스팅에서 설명했던 n-type의 경우라면, semiconductor의 work function이 더 큰 ohmic contact의 상황이지만 p-type이므로 semiconductor의 페르미레벨이 metal의 페르미레벨보다 아래에 있게 되면서 Schottky Barrier Height(SBH)이 어쩔 수 없이 생기게 된 Schottky contact이다. 이전 포스팅에서도 말했듯 이 SBH는 Contact Resistance를 증가시키고, 전류의 흐름에 방해가 되서 소자의 성능을 저하시킨다.

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Then, how to make ohmic contact p-GaN vs Pt?

 

  P-type semiconductor의 정공(hole)은 계면을 가로질러 이동해야하는데, work function의 큰 차이로 생겨난 SBH에 의해 장벽에 부딪히게 되며 방해를 받게 된다. 그래서 ①high doping(과도핑)을 해주거나 ②tunnel junction을 이용한면 된다. 그런데! LED구조의 Current Spreading Layer의 설명을 떠올려보면 p-GaN의 경우, n-GaN과 달리 활성화에너지(activation energy)가 높아 hole concentration을 증가시키기 어렵다고 했으니 ①번 탈락! 그래서 ②piezoelectric polarization field를 이용한 tunnel junction유도하는 법을 알아보자.

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  Tunnel junction을 유도하기위해, InGaN를 5nm이하로 도핑해주고(이를 InGaN strained layer라 한다. SLS를 쓰기도 함.) compressive/tensile strength(압축/인장 응력)를 가해주면, 계면에 다음 그림과 같이 Piezoelectric polarization field가 형성된다.

InGaN(5nm)로 도핑하며 만들어진 piezoelectric polarization field

 

 

​  여기서 잠깐, negative charge를 형성하려면 n-type AlGaN를 쓰고, positive charge를 형성하려면 p-type InGaN을 쓴다. 위의 그림은 positive charge가 유도된 것이므로 InGaN 사용한 것!

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  piezoelectric polarization field 에 의해 2D hole gas가 유도되는데, 이 2D hole gas란 charge stress field에 의해 생긴 high hole concentration을 가진 monolayer이다. 비슷한 상황에 비유해보면, MOSFET의 gate에 positive voltage를 인가하면 n-channel 생기듯, 여기에 tensile/compressive stress를 주면 charge polarization(attract +/- charge)이 한 층으로 형성되고, 이를 2D hole gas(2DHG)라고 한다. 이렇게 surface region은 아주 높은 농도의 캐리어를 가지게 된다(degeneracy). 따라서, 정공(hole)은 tunneling이 가능해지고, SBH를 뛰어넘어 contact resistance를 줄일 수 있게 되는 것이다.

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이를 에너지 밴드그림를 통해 간단하게 짚고 넘어가자.

다시정리해보면, 대부분의 반도체의 경우 SBH가 존재하는 경우 tunneling을 통해 carrier가 통과할 수 있게 만들면 된다고 했고, p-type의 경우에 활성화 에너지가 높아 과도핑은 불가능하니(LED구조 포스팅의 current spreading layer부분 참고) 위에 설명했듯2DHG 혹은 2DEG(2D electron gas)를 유도해 줌으로써 (high doping효과와 비슷) interface와 가까운 영역에서 valence band가 fermi level위로 올라간 Degeneracy상황을 만들어 tunneling효과를 볼 수 있는 것이다.

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이렇게 아주 얇은 과도핑층인 2D hole gas를 이용함으로써 tunneling이 유도되고, 이는 ohmic contact상황과 비슷하게 되어 Voltage drop이 계면에서 거의 존재하지 않게 된다.

ohmic과 schottky의 I-V function

 

- Ohmic contact: no(or very low) voltage drop across interface.

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※ 참고

semiconductor에 +전압이 인가되었을 경우, electron이 metal contact으로 움직이는 메커니즘이 3가지 있다. Schottky barrier를 넘어 캐리어가 이동하는 매커니즘은 Doping농도에 따라 다음과 같이 분류된다.

 

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3 types of mechanisms of carrier transport across a Schottky barrier

 

① TE(Thermionic Emission): 10^17 cm^-3이하 도핑.

② TFE(Thermionic field emission): ~10^17< n <~10^18 cm^-3

③ FE(Field Emission, quantum mechanical tunneling of electrons): 10^18cm^-3이상 도핑.

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(교수님 추가설명, 대충설명하셔서 더 찾아봐야함)

+ 또 다른 방법: point defect를 이용하는 ③surface treatment방법.(defect는 위험하지만 point defect는 donor와 acceptor로 작용해서 장점있음.)

Ga vacancy: donor/ N vacancy: acceptor

⇒ high activation E에 의해 h+ conc. 높일 수 없으니 surface region에 Ga vacancy 를 형성함으로써 SBH를 낮출 수 있다.

 

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참고논문1:

(2DEG에 관한 내용은 아래의 논문을 참고하였으니 더 궁금하면 클릭!)

Formation of two-dimensional electron gas at AlGaN/GaN heterostructure and the derivation of its sheet density expression

 

cpb.iphy.ac.cn/article/2015/cpb_24_6_067301.html

Formation of two-dimensional electron gas at AlGaN/GaN heterostructure and the derivation of its sheet density expression

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참고논문2:

Improvement of electrostatic discharge characteristics of InGaN/GaN MQWs light-emitting diodes by inserting an n+-InGaN electron injection layer and a p-InGaN/GaN hole injection layer.

iopscience.iop.org.oca.korea.ac.kr/article/10.1088/0268-1242/27/6/065008/meta

고려대학교 도서관

 

나는 수업을 들으면서 이 내용이 너무 헷갈려서 외국논문들을 찾으며 나름대로 정리를 해보았는데, 부족한 내용이 있을 수도 있다. 아무튼 글로 정리를 하니 복잡하던게 조금 정리된 느낌? 오늘은 여기까징! 추가적으로 알게되는 내용이 있으면 수정해서 집어넣어야겠다. :)

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