Ohmic Al-Si contacts based on an Al2O3 induced junction

Thumbnail Image

Files

master_Lahtiluoma_Lassi_2024.pdf (4.43 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-01-22

Department

Major/Subject

Photonics and Nanotechnology

Mcode

ELEC3052

Degree programme

Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)

Language

en

Pages

10+67

Series

Abstract

Metal-semiconductor contacts are essential in all electronic devices to conduct electricity from a metal to a semiconductor and vice versa. Metal-semiconductor contacts, where current flow is linearly dependent on the applied voltage, are called ohmic contacts. Low-resistance ohmic contacts are typically achieved by increasing the charge carrier concentration under the metal by heavily doping the surface layer of the semiconductor substrate. However, heavy doping can cause damage to the semiconductor crystal structure and increase recombination. Moreover, doping processes require the use of high temperatures, which restricts the use of certain material combinations. In this thesis, an alternative way of achieving ohmic contact is proposed. Instead of heavily doping the semiconductor, the surface carrier concentration is increased via aluminium oxide (Al2O3) induced junctions, where the negative surface charge of Al2O3 repels electrons to the bulk and attracts holes towards the surface of the semiconductor. The induced junctions are formed on silicon (Si) substrates by coating its surface with Al2O3 via Atomic Layer Deposition (ALD). The metal-Si contact is then achieved by etching an opening into the oxide layer and by depositing a layer of aluminium (Al) on top. The Al2O3-accumulated holes will then drift underneath the opening and enable low-loss current flow in the Al-Si interface. Two types of Al2O3 openings are covered in this work: rectangular and matrix openings. The width of the rectangular openings is varied while keeping the height unchanged. The matrix-type Al2O3 openings consist of a 10 x 20 matrix of square openings, where the square size is varied. The induced junction-based Al-Si contacts are then characterised based on current-voltage (I-V) measurements and the Transfer Length Method (TLM). The results reveal that almost all of the induced junction contacts are ohmic and that the lowest contact resistances are achieved with matrix-type openings with the smallest squares. Reference contacts are also fabricated based on the industry standard, i.e., heavily doping the surface of the Si substrate. When compared to induced junction-based Al-Si contacts, the heavily doped contacts have significantly lower contact resistivity and sheet resistance. Nevertheless, the contact resistivities in induced junction contacts are still lower than in some photodetectors reported in the literature, indicating a potential application. The results obtained in this work show that an ohmic contact can be achieved with induced junction based Al-Si contacts, which was the goal of this thesis. The results show that an ohmic metal-semiconductor contact with potential suitability for industrial applications can be achieved without heavy doping, providing a step towards better and potentially even completely new devices.

Metalli-puolijohdeliitokset ovat välttämättömiä kaikissa elektronisissa laitteissa, jotta sähkövirtaa voitaisiin johtaa metallista puolijohteeseen ja toisinpäin. Ohmiset kontaktit ovat metalli-puolijohdeliitoksia, joissa sähkövirran suuruus riippuu lineaarisesti jännitteestä. Matalaresistanssinen ohminen kontakti on tyypillisesti saavutettu lisäämällä metallin alla olevaa varauksenkuljettajakonsentraatiota puolijohdesubstraatin pintakerroksen korkealla seostuksella. Korkea seostus voi kuitenkin aiheuttaa vaurioita puolijohteen kiderakenteeseen ja lisätä rekombinaatiota. Seostusprosessit vaativat myös korkeita lämpötiloja, jotka rajoittavat tiettyjen materiaaliyhdistelmien käyttöä. Tässä työssä esitetään uudenlainen tapa saavuttaa ohminen kontakti. Puolijohteen vahvan seostuksen sijaan pintavarauksenkuljettajakonsentraatiota nostetaan alumiinioksidin (Al2O3) indusoimalla liitoksella, jossa alumiinioksidin negatiivinen pintavaraus hylkii elektronit ja vetää puolijohteessa olevat aukot pinnalle. Indusoidut liitokset muodostetaan piisubstraatin (Si) päälle kasvattamalla Al2O3 kerros sen päälle atomikerroskasvatuksella (ALD). Metalli-pii kontakti saavutetaan sitten etsaamalla avaus oksidikerrokseen ja deposoimalla alumiinikerros (Al) sen päälle. Alumiinioksidin akkumuloimat aukot kulkeutuvat sitten avauksen alapuolelle, mahdollistaen matalahäviöisen sähkön virtaamisen. Tässä työssä käsitellään kahdentyyppisiä Al2O3 avauksia: suorakaide- ja matriisiavauksia. Suorakaideavausten leveyttä varioidaan pitämällä korkeus vakiona. Matriisityyppiset Al2O3 avaukset muodostuvat 10 x 20 matriisista neliöavauksia, joissa neliöiden kokoa varioidaan. Indusoituun liitokseen perustuvat Al-Si kontaktit karakterisoidaan sitten virta-jännite (I-V) mittauksilla ja transfer length -menetelmällä (TLM). Tulokset paljastavat, että lähes kaikki indusoidun liitoksen kontaktit ovat ohmisia ja että matalimmat kontaktiresistanssit saavutetaan matriisityyppisillä avauksilla, joilla on kaikista pienin neliön koko. Teollisuusstandardiin, eli piisubstraatin pintakerroksen vahvaan seostukseen perustuvia referenssikontakteja valmistettiin myös. Kun verrataan indusoituun liitokseen perustuviin Al-Si kontakteihin, korkeasti seostetuilla kontakteilla on huomattavasti matalampi kontaktiresistiivisyys ja kalvoresistanssi. Indusoidun liitoksen kontaktien kontatkiresistanssi on kuitenkin silti matalampi kuin eräillä kirjallisuudessa raportoiduilla valokennoilla, mikä viittaa mahdolliseen sovelluskohteeseen. Tässä työssä saadut tulokset osoittavat, että ohmisen metalli-puolijohdekontaktin voi saavuttaa ilman vahvaa seostusta, mikä on askel kohti parempia ja mahdollisesti jopa täysin uusia laitteita.

Description

Supervisor

Savin, Hele

Thesis advisor

Vähänissi, Ville

Keywords

induced junction, ohmic contact, Al2O3, silicon, aluminium, heavy doping

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202401282012

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC