Формирование омических контактов к гетероструктурам на основе нитрида галлия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Шостаченко Станислав Алексеевич

• Шостаченко Станислав Алексеевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Шостаченко Станислав Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОМИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ К ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ПРИБОРАМ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ГАЛИЯ

1.1 Введение

1.2 Транзисторы с высокой подвижностью электронов на основе GaN

1.3 Основы физики омических контактов к GaN

1.4 Омические контакты к n-GaN

1.5 Контактная система ^М1/№Мл

1.6 Способ измерения сопротивления омических контактов

1.7 Выводы к первой главе

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФАЗООБРАЗОВАНИЯ В КОНТАКТЕ Т^А1/М/Аи

2.1 Введение

2.2 Соединение Ti-Al-N

2.3 Тройная фазовая диаграмма Ti-Al-N

2.4 Анализ фаз в полученных пленках

2.5 Выводы ко второй главе

ГЛАВА 3. ФОРМИРОВАНИЕ ОМИЧЕСКОГО КОНТАКТА К n-GaN

3.1 Введение

3.2 Выбор постамента для быстрого термического отжига

3.3 Равномерность отжига и достоверность измерения температуры

3.4 Влияние термической обработки на формирование невыпрямляющего контакта с минимальным удельным сопротивлением

3.5 Исследование механизмов переноса носителей заряда

3.6 Использование в системе металлизации

дополнительной легирующей примеси

3.7 Выводы к третьей главе

ГЛАВА 4. ФОРМИРОВАНИЕ ОМИЧЕСКОГО КОНТАКТА К

ТРАНЗИСТОРНОЙ СТРУКТУРЕ

4.1 Маршрут изготовления транзистора

4.2 Исследование характеристик изготовленных транзисторов

4.3 Выводы к четвёртой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование омических контактов к гетероструктурам на основе нитрида галлия»

Актуальность темы

Полупроводниковые гетероструктуры на основе нитрида галлия с большой запрещенной зоной обладают уникальными физическими свойствами, позволяющими создавать на их основе твердотельные приборы силовой и СВЧ-электроники, не подверженные воздействию высокой температуры и радиации. Благодаря этим качествам приборы на его основе находят применение в самых различных областях промышленности: источниках питания, СВЧ электронных приборах, мощных силовых приводах, радиолокационных станциях, системах спутниковой связи, контроллеры энергетических систем и многое другое.

К примеру, транзисторы на основе гетероструктур AlGaN/GaN применяются в качестве основной составляющей СВЧ монолитных интегральных схем (СВЧ МИС) миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов для систем связи, радиолокации, радиоастрономии, радиометрии, и т.д.[1]. Также, эти материалы получили применение в оптоэлектронной промышленности в качестве базы для светодиодных кристаллов.

Тем не менее, в технологии изготовления мощных полевых транзисторов и светодиодов на основе гетероструктуры AlGaN/GaN и InGaN/GaN имеется ряд существенных проблем. В частности, это формирование к полупроводниковой структуре качественных омических контактов с низким удельным сопротивлением, невыпрямляющими свойствами и гладкой морфологией поверхности. Реализация технологических процессов получения таких контактов не имеет явного описания и требует адаптации на каждом отдельно взятом производстве.

Целью диссертационной работы является исследование процесса формирования омического контакта к гетеросруктуре на основе AlGaN/GaN для использования в СВЧ транзисторах.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- определение оптимального диапазона температуры отжига с помощью расчетов свободной энергии Гиббса;

- исследование влияния температуры отжига на процесс образования металлических соединений;

- исследование влияния технологических процессов изготовления омического контакта на величину удельного переходного сопротивления;

- исследование влияние подслоя кремния в многослойной структуре омического контакта на удельное переходное сопротивление омических контактов к AlGaN/GaN.

- разработка конструкционных и технологических принципов изготовления СВЧ транзистора на основе гетероструктуры AlGaN/GaN.

Объекты исследований

Объектами исследований диссертационной работы являлись образцы омических контактов на основе пленок Л1, М, Au гетероструктурам Al-GaN/GaN, легированные кремнием в процессе роста, также сформированные транзисторные структуры и макеты усилителей на их основе.

Научная новизна работы

1. Установлена близкая к оптимальной температура формирования омического контакта к нитриду галлия на основе пленки титана, основанная на анализе фазообразования многокомпонентных соединений путем расчета свободной энергии Гиббса.

2. Определены интерметаллические соединения на основе пленки титана с достаточно низкой работой выхода, образующиеся в результате термической обработки многокомпонентной металлической пленки контакта при оптимальной температуре, приводящие к существенному снижению переходного сопротивления омического контакта.

3. Установлено, что введение подслоя кремния увеличивает концентрацию носителей и, соответственно, уменьшает величину удельного переходного сопротивления омических контактов к гетероструктуре АЮаЫЮаМ

Практическая ценность работы

1. Предложен технологический процесс изготовления низкоомного омического контакта к гетероструктуре AlGaN/GaN с низким сопротивлением (менее 0,07 Оммм).

2. Предложены режимы термической обработки многослойной контактной системы Т^А1/№/Аи для формирования низкоомного невыпрямляющего контакта стока и истока транзистора на гетероструктуре AlGaN/GaN. При температуре 850°С в течении 30 секунд образуется контакт с удельным сопротивлением менее 0,5 Оммм.

3. На основе термодинамических расчетов для возможных интерметаллических реакций в приконтактной области выявлено, что наиболее благоприятный диапазон температур для формирования хороших омических контактов 800 - 880 °С. В данном диапазоне вероятность образования соединения TiN выше, чем при более высоких температурах.

4. Предложен технологический процесс формирования транзистора на основе AlGaN, включающий процесс формирования низкоомного омического контакта на основе Т^Л1/№/Аи с подслоем кремния

Положения, выносимые на защиту

- С помощью расчетов свободной энергии Гиббса определен наиболее оптимальный температурный диапазон формирования фазы нитрида титана в системе Ti-Al-N, составляющий 850-880 С.

- Высота потенциального барьера контакта на основе пленки Ti/Al к GaN имеет минимум, соответствующий оптимальному диапазону температуры термической обработки формирования фазы нитрида титана.

- Экспериментально установлено и на основании анализа высоты потенциального барьера в зависимости от температуры отжига подтверждено, что фаза нитрида титана предпочтительна для формирования низкоомного омического контакта к нитриду галлия.

- Введение слоя кремния в адгезионный слой контактной металлической системы Ti/Al/Ni/Au в качестве легирующей примеси позволяет снизить удельное сопротивление омического контакта.

Реализация результатов работы

Работа соискателя выполнена на кафедре Физики Конденсированных Сред (№67) Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» с использованием оборудования центра коллективного пользования «Гетероструктурная СВЧ-электроника и физика широкозонных полупроводников» Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» в рамках программ:

Грантовая программа Фонда поддержки образования и науки имени члена-корреспондента РАН Мокерова В.Г. «Стипендиат Фонда В.Г. Мокеро-ва»

НИОКТР «Разработка конструкции и промышленной технологии изготовления твердотельных компонентов на широкозонном материале GaN» (Договор № 138/2010У от «10» августа 2010 г.);

ОКР Разработка технологии и организация опытного производства гете-роэпитаксиальных структур нитрида галлия на кремниевых подложках для изделий силовой микроэлектроники (Государственный контракт от «05» июня 2012 г. № 16.523.12.3010);

ОКР «Разработка опытно-промышленной технологии мощных светодиодных сборок «чип на плате», излучающих в УФ диапазоне, на основе высокоэффективных наногетероструктур нитридных полупроводниковых материалов» (Государственный контракт от «05» мая 2012 г. № 12.527.12.5002);

НИР «Разработка технологий получения эпитаксиальных широкозонных гетероструктур для нового поколения СВЧ- и силовых приборов» (Соглашение № 14.578.21.0062 о предоставлении субсидии от «20» октября 2014 г.).

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

1. 7 я научнопрактическая конференция по физике и технологии наноге-тероструктурной СВЧ-электроники Мокеровские чтения, Россия РАЗРАБОТКА ТЕМПЕРАТУРНОГО ДАТЧИКА НА ОСНОВЕ ТОНКИХ РЕЗИ-СТИВНЫХ ПЛЕНОК Р.В. Захарченко, С.А. Шостаченко, Р.В. Рыжук, Н.И. Каргин

2. ICMNE-2016, Россия, S. Shostachenko, R. Zakharchenko, R. Ryzhuk, N. Kargin, Low resistance Ti/Si/Ti/Al/Ni/Au ohmic contact for AlGaN/GaN HEMT

3. 6 я научнопрактическая конференция по физике и технологии наноге-тероструктурной СВЧ-электроники Мокеровские чтения, Россия ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРА С КАНАЛОМ НА ОСНОВЕ ГРАФЕНА

4. 6 я научнопрактическая конференция по физике и технологии наногетеро-структурной СВЧ-электроники Мокеровские чтения, Россия ПРИМЕНЕНИЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ РЕЗИСТОРОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

5. 7 я научнопрактическая конференция по физике и технологии наногетеро-структурной СВЧ-электроники Мокеровские чтения, Россия, С.А. Шостачен-ко, А.В. Устюгова, Р.В. Захарченко, Г.И. Зебрев, Н.И. Каргин, ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРА С КАНАЛОМ НА ОСНОВЕ ГРАФЕНА

6. ICMNE-2016, Россия, S. Shostachenko, R. Zakharchenko, G. Zebrev, V. Razumny, N. Kargin, Graphene Field Effect Structure Manufacturing and Characterization

7. Всероссийская конференция Графен: молекула и 2D-кристалл Миннебаев С.В., Захарченко Р.В., Сигловая Н.В., Шостаченко С.А., Маслов М.М., Катин К.П., Зебрев Г.И., Земцов К.С, Каргин Н.И. «ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА С КАНАЛОМ НА ОСНОВЕ ГРАФЕНА»

8. IV Международная молодеджная научная школа-конференция «Современные проблемы физики и технологий» Шостаченко С.А., Захарченко Р.В., Миннебаев С.В., Рыжук Р.В. «Влияние температурной обработки на параметры невыпрямляющего контакта к гетероструктуре GaN/AlGaN»

9. 8я научнопрактическая конференция по физике и технологии наноге-тероструктурной СВЧ-электроники Мокеровские чтения, Россия, А.В. Авра-мчук, С.А. Шосточенко, В.Ю. Фоминский, Р.И. Романов, А.О. Султанов, А.С. Гусев, В.А. Лабунов, И.В. Комиссаров, Н.И. Каргин, ЛОКАЛЬНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ОТЖИГ ПЛЕНКИ 3C-SiC, ОСАЖДЕННОЙ МЕТОДОМ ХПО НА КРЕМНИЕВУЮ ПОДЛОЖКУ

10. XVII Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектрони-ке, Шостаченко С.А, Захарченко Р.В., Миннебаев С.В, Маслов М.М., Катин К.П., Каргин Н.И

Результаты работы отмечены Премией Правительства Москвы Молодым Ученым 2017.

Личный вклад автора

Автором проведены расчеты свободной энергии Гиббса для соединений Ti-Al-N; проведены эксперименты по термической обработке омических контактов к AlGaN/GaN методом быстрого термического отжига; проведены измерения параметров омических контактов к AlGaN/GaN, такие как удельное сопротивление, длина переноса, концентрация легирующей примеси; предложено введение подслоя кремния в многослойной структуре омического контакта и показано его положительное влияние на уменьшение удельного переходного сопротивления омических контактов к AlGaN/GaN.

Ценная консультативная помощь оказана Р.В. Рыжуком и А.В. Слепенковым, помощь в проведении экспериментов оказана М.М. Греховым и А.Л. Кузнецовым, которым автор благодарен за сотрудничество.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе, 2 статьи опубликованы в журналах, входящих Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, 6 статей опубликовано в зарубежных изданиях, входящих в базу Scopus.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертационная работа изложена на 109 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка, 14 таблиц и состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы и приложения. В приложении представлены документы о внедрении и использовании результатов диссертационной работы.

ГЛАВА 1. ОМИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ К ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ПРИБОРАМ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ГАЛИЯ

1.1 Введение

Широкозонный полупроводниковый материал нитрид галлия обладает уникальными физическими свойствами, позволяющими создавать на его основе твердотельные приборы силовой и СВЧ-электроники, стойкие к воздействию высокой температуры и радиации. Благодаря этим качествам приборы на его основе находят применение в самых различных областях промышленности: источниках питания, СВЧ электронных приборах, мощных силовых приводах, радиолокационных станциях, системах спутниковой связи, контроллеры энергетических систем и многое другое.

Транзисторные устройства на гетероструктурах на основе GaN широко применяются, как в оборонной, так и гражданской промышленности. К примеру, в качестве основной составляющей СВЧ монолитных интегральных схем (СВЧ МИС) миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов для систем связи, радиолокации, радиоастрономии, радиометрии, и т.д.[1]. Наряду с применением широкозонных полупроводников на основе GaN в качестве основы для транзисторов, эти материалы получили применение в оптоэлек-тронной промышленности в качестве базы для светодиодных кристаллов.

GaN, представляя собой широкозонный полупроводник с прямым оптическим переходом, обладает высокой теплопроводностью (1,3 Вт/см К), обеспечивающей работоспособность приборов при температуре выше 400 0C и высокой скоростью насыщения (2,5-107 см/сек). Скорость насыщения (скорость, с которой носители зарядов движутся под влиянием высоких напря-женностей электрического поля) у GаN на 25% больше, чем скорость насыщения GaAs, так что потенциал для применения при высоких частотах GaN элементов соответственно больше, чем у GaAs элементов. И, наконец, GaN отличается еще большей химической и механической стабильностью и высокой температурой плавления.

Технология широкозонных нитридов галлия в настоящее время является одной из самых интенсивно разрабатываемых в области электронной техники экстремального применения. Однако в технологии изготовления мощных полевых транзисторов и светодиодов на основе гетероструктуры AlGaN/GaN и InGaN/GaN имеется ряд существенных проблем. В частности, это формирование к полупроводниковой структуре качественных омических контактов с низким удельным сопротивлением, невыпрямляющими свойствами и гладкой морфологией поверхности. Реализация технологических процессов получения таких контактов не имеет явного описания и требует адаптации на каждом отдельно взятом производстве.

1.2 Транзисторы с высокой подвижностью электронов на основе GaN

В последнее время полевой транзистор с высокой подвижностью носителей в канале (НЕМТ) на основе GaN, а именно гетероструктур АЮаЫЮаЫ, стал одним из наиболее перспективных твердотельных СВЧ-устройств. Это обусловлено его способностью обеспечить более высокие мощности по сравнению с устройствами на основе кремния и арсенида галлия, причем на более высоких частотах. Эта способность связана с уникальным сочетанием свойств материала GaN: большое значение ширины запрещенной зоны (3,4 эВ), высокое значение напряженности поля пробоя (~3 106 В/см) по сравнению с арсенидом галлия, что при большом барьере на затворе (>1 эВ) позволяет прикладывать напряжение сток-исток до 100-400В. Для наглядности более подробно свойства полупроводниковых материалов представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Свойства полупроводниковых материалов [2, 3]

Параметр (ед. измерения) Si GaAs № SiC GaN

Ширина запрещенной зоны (эВ) 1,12 1,43 1,34 3,20 3,39

Относительная диэлектрическая постоянная, 8г 11,9 12,5 12,4 10,0 9,5

Теплопроводность (Вт/смК) 1,50 0,54 0,67 4,00 1,30

Поле пробоя (МВ/см) 0,30 0,40 0,45 3,50 3,30

Скорость насыщения (107 см/с) 1,0 1,0 1,0 2,0 2,5

Подвижность электронов (см2/В ■ с) 1500 8500 5400 700 1900

затвор сар-слой

СТОК --^- ИСТОК

п+-АК5аЫ

СаМ | 20Ев |

буферные слои

подложка (81, БЮ, сапфир)

Рисунок 1.1 Схема структуры HEMT-транзистора на АЮаЫЮаК

Схематично HEMT-транзисторная структура AlxGai.xN/GaN представлена на рисунке 1.1. Полупроводниковые слои в данной структуре получают методом гетероэпитаксии. Для эпитаксиального роста структур используются два метода. Это метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и метод газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (МОС-гидридная эпитаксия). Типичная эпитаксиальная гетероструктура состоит из следующих слоев (сверху вниз).

Поверхностный слой. Обычно тонкий слой GaN (1-2 нм) осаждается на барьерный слой для предотвращения окисления эпитаксиальной поверхности и для формирования к гетероструктуре омического контакта с низким сопротивлением. Также верхний слой понижает поверхностное электрическое поле.

Барьерный слой. Это самый важный слой в HEMT структуре. Это материал с большей шириной запрещенной зоны, чем у канального слоя (от 3,4 до 6,22 эВ). С увеличением мольной доли Al ширина запрещенной зоны растет. В данном случае это AlxGai.xN может быть различных составов 0,15 -0,40).

Канальный слой. Это слой с меньшей шириной запрещенной зоны (~ 3,4 эВ), чем барьерный слой. На границе раздела барьерного и канального слоев формируется двумерный электронный газ. Канальный слой является полуизолятором, поэтому в нем не происходит рассеяния электронов на примесях, что обеспечивает высокую подвижность носителей зарядов, полный

14

режим отсечки, низкие потери при высоких частотах и уменьшение перекрестных помех между соседними устройствами.

Буферный слой. Наличие этого слоя зависит от материала подложки и способа эпитаксиального роста (например, МЛЭ или МОС-гидридная эпи-таксия). Обычно очень тонкий слой AlN, AlGaN или GaN выращивается до роста более толстого полуизоляционного буферного слоя GaN. Задача этого слоя заключается в уменьшении механических напряжений и приближении параметров кристаллической решетки к характеристикам постоянной решетки подложки.

Подложка. В связи с отсутствием монокристаллических подложек из GaN, эпитаксиальный рост GaN проводят на подложках из других материалов, таких как, Б1С [4], сапфир (А1203) с ориентацией в с-плоскости [5] или (111) [6].

Одним из важных этапов изготовления AlGaN/GaN транзистора является формирование металлических контактов. Для стока и истока требуется омический контакт, для затвора - выпрямляющий контакт - барьер Шотки к полупроводнику.

После роста НЕМТ-транзисторной структуры, на поверхности слоя AlGaN формируют два омических контакта: сток (С), исток (И), как это показано на рисунке 1.1, а уже позже формируется выпрямляющий контакт, являющийся затворным контактом. Сток и исток являются омическими контактами. Исток обычно заземлен, в то время как к стоку прикладывается положительное напряжение смещения, что заставляет электроны двумерного электронного газа (2Э ЭГ) двигаться от истока к стоку.

1.3. Основы физики омических контактов к GaN

Контакт металл-полупроводник имеет два основных типа: если потенциальный барьер Шоттки между полупроводником и металлом туннельно-непрозрачный, то контакт является выпрямляющим (барьерными), в противном случае контакт является невыпрямляющим (омический контакт) [7].

Основными условиями формирования омического контакта являются:

15

— потенциальный барьер между металлом и полупроводником отсутствует, в случае, если сродство к электрону полупроводника выше, чем меньшей работой выхода электронов выбранного металла;

— потенциальный барьер является туннельно-прозрачным ("узким"), при этом электроны проходят потенциальный барьер по всей высоте (полевая эмиссия) (рисунок. 1.2, с);

— потенциальный барьер, достаточно низкий для прохождения носителями заряда. (термоэлектронная эмиссия) (рисунок. 1.2, a).

— - комбинация механизмов, т.е. носители переходят сквозь вершину барьера (рисунок. 1.2, Ь) — термополевая эмиссия.

Рисунок. 1.2. Механизмы переноса заряда в омическом контакте металл-полупроводник: а- термоэлектронная эмиссия; ь- термополевая эмиссия; с-туннелирование (полевая эмиссия)

Исследования и сравнения омических контактов проводится по величине удельного переходного сопротивления, которое состоит из сопротивления приконтактной области полупроводник и сопротивления потенциального барьера [7].

Эта величина определяется как производная тока эмиссии по напряжению при нулевом значении напряжения выраженная в [Омсм2] и называемая удельным переходным сопротивлением:

(1Л)

[ду\у=0

Для термоэлектронной эмиссии зависимость плотности тока от напряжения носит экспоненциальный характер:

y^exp^^V-i) (1.2)

Где, J - ток эмиссии, A - постоянная Ричардсона, Т - температура, фв -высота барьера Шоттки, k - постоянная Больцмана, q - элементарный заряд, V - напряжение.

Для термоэлектронной эмиссии (формула 1.1) удельное переходное сопротивление равно:

= qAT exp ( fcT ) (13)

Так же для оценки омических контактов широко распространен упрощенный параметр Rk, далее именуемый удельным сопротивлением. Это сопротивление представляет собой сопротивление омических контактов в пересчете на ширину контакта, а не на площадь. Этот параметр имеет смысл, так как ток течет не во все стороны, а только от одного контакта к другому через край контакта шириной W [8]. Данный параметр выражается как

Rk = R0w [Ом мм] (1.4)

где R0 - сопротивление контакта, [Ом]. Подробнее эти величины будут описано в параграфе 1.6, где приведено описание методики измерений омических контактов.

Если известно удельное переходное сопротивление контакта, то найти истинное можно разделив на площадь контакта. Методика измерения удельного сопротивления контакта будет описана в конце главы.

Определить механизм протекания тока можно по коэффициенту Па-довани и Страттон [9] Eqq:

(1.5)

для полупроводника п-типа где е8- диэлектрическая проницаемость полупроводника, £0- электрическая постоянная; N - концентрация ионизованных доноров в полупроводнике, Ь - приведённая постоянная планка, т*- эффективная масса электрона (в случае р-типа, эффективная масса дырки).

Для определения механизма протекания тока данный коэффициент необходимо сравнить с температурой. При кТ>> Еоо проявляется термоэлектронная эмиссия; при кТ ~ Е00 - термополевая эмиссия; при кТ<< Е00 - полевая эмиссия. Данный расчет, одинаково подходит для различных полупроводниковых материалов [7, 10].

Для формирования омического контакта к нитриду галлия (для которого характерна низкая плотность поверхностных состояний (В8=(1-2)1011 эВ-1см-2 [11]) необходимы металлы с работой выхода Фт меньше сродства к электрону полупроводника Х5 п типа или больше сродства к электрону полупроводника X и ширины запрещенной зоны Бё р типа.

Рассмотрим омический контакт к п-ОаК Для ОаЫ Х= 4,1 эВ, Бё= 3,39 эВ [12 - 14]. В таблице 1.2 указаны металлы с большей работой выхода, чем сродство к электрону нитрида галлия.

В соответствии с теорией Шоттки, только Бе, ИГ, Хх и А1, Т будут создавать омические контакты к ОаЫ из-за близких значений работы выхода и сродства к электрону ОаМ

Термообработка для различных систем металлизации является незаменимым способом формирования омического контакта, если нанесенная система металлизации изначально образует барьерный контакт.

Таблица 1.2 Наиболее широко применяющиеся металлы для контактной

металлизации к GaN

Материал контакта Работа выхода электронов из металла, эВ Поведение ВАХ

Бе 3,50 Омическое

ИГ 3,90 Омическое

Хх 4,05 Омическое

А1 4,08 Омическое

1п 4,12 Омическое

№ 4,30 Слабовыпрямляющее

Т1 4,33 Слабовыпрямляющее

Сг 4,50 Слабовыпрямляющее

4,55 Слабовыпрямляющее

Мо 4,60 Слабовыпрямляющее

А§ 4,25 В ыпрямляю щее

Си 4,65 В ыпрямляю щее

Со 5,00 В ыпрямляю щее

Аи 5,10 В ыпрямляю щее

Рё 5,12 В ыпрямляю щее

N1 5,15 В ыпрямляю щее

Р1 5,65 В ыпрямляю щее

Процессом формирования контакта называется процесс изменения вольт-амперной характеристики контакта от выпрямляющей (рисунок 1.4, а) до линейной (рисунок 1.4, Ь), с последующем уменьшением удельного и соответственно удельного переходного сопротивления (рисунок 1.4, с).

Изменение ВАХ контакта связано не только с формированием определенных фаз и соединений, но и с «проплавлением» контакта до двумерного электронного газа. То есть, после формирования контакт металл/АЮаЫ должен стать контактом к канальному слою, то есть контактом к ОаМ

На рисунке 1.3 можно видеть, что отжиг при повышении температуры приводить к изменениям поверхностной морфологии контактной металлизации.

Изменение вольтамперных характеристик указывает на изменение размеров потенциального барьера между материалом контакта и полупроводником и, следовательно, механизма переноса заряда.

Рисунок 1.3. Вольт-амперная характеристика контакта: а - после нанесения (контакт обладает выпрямляющей характеристикой), Ь - при неоптимальной термообработке (контакт обладает невыпрямляющей характеристикой), c - при оптимальной термобработки (контакт обладает невыпрямляю-щей характеристикой с минимальным сопротивлением)

1.4. Омические контакты к n-GaN

Благодаря технологичности использования, высокой электропроводности и адгезии в технологии микроэлектроники в основном используются многослойные конструкции металлических контактов к полупроводникам. Такими контактами являются Au/Ge/Ni, Ni/Au/Ge/Ni/Au, Al/Ge/Ni для арсе-нида галлия, ^^/ММл, Ta/Al/Mo/Au для нитрида галлия. Стандартной контактной системой для нитрида галлия является ^^/ММл, где алюминий образует контакт, золото препятствует окислению, никель препятствует смешиванию алюминия и золота. Титан в свою очередь улучшает адгезию, а также при температурах более 800оС образует соединение (работа выхода составляет всего 3,74 эВ, что по теории Шоттки соответствует формированию омического контакта к n-GaN [15]) который обедняет слой азотом, создает вакансии азота, которые в свою очередь являются донорами для GaN. Эти азотные вакансии образуют слой под контактом, играющий роль высоколегированного слоя [16 - 19]

Наиболее распространенной контактной системой к n-полупроводникам является Ti/Al [15 - 22]. Так же Ti применяется для лучшей адгезии металлизации к поверхности полупроводника. В работе [17] показано, что титановый подслой уменьшить уменьшает сопротивление контактов до 5 10-6 Омсм2. Согласно данным этой работы титан образует с n-GaN слабо выпрямляющий контакт.

В литературе известны несколько вариантов систем металлизации, основные представлены в таблице 1.3.

Таблица 1.3. Омические контакты к n-GaN

Металлизация Толщины слоев, нм Температура отжига, оС Удельное сопротивление контакта, Источник

Ti/Al/Ni/Au 20/120/55/45 870 0,24 [20]

Ti/Al/Ni/Au 30/200/40/10 800 0,50 [21]

Ti/Al/Ni/Au 20/220/55/45 870 0,30 [22]

Ti/Al/Mo/Au 15/60/35/50 850 0,32 [23]

Ti/Al/Ti/Au - 750 0,54 [24]

Ta/Si/Ti/Al/Ni/T 5/5/20/120/40/3 850 0,27 [25]

Ta/Ti/Al/Mo/Au 10/30/90/40/25 850 0,41 [26]

Si/Ti/Al/Ni/Au 3 нм Si 800 0,23 [27]

6 нм Si 0,26

Толщины металлов в Т1/А1/№/Аи выбираются исходя из экспериментальных данных. Согласно [28], с одной стороны титана должно хватить на образование слоя Т1х^ а с другой слой титан не должен мешать образованию контакта на основе алюминия. Толщина алюминия так же имеет определенный диапазон изменений [29]. Алюминий должен образовать контакт и препятствовать диффузии никеля и золота, а так же способствовать возникновения фазы А13+хТ1 (х<1). В целом необходимо подчеркнуть, что во время отжига происходит ряд сложных физико-химических реакций, продукты и течение которых до сих пор не до конца изучены.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шостаченко Станислав Алексеевич, 2021 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. D. Streit, A. Oki, R. Lai, A. Gutierrez-Aitken, et. al. «How Cost-Efficient Phosphide Changes the Telecommunication Industry's Competitive Landscape» Compound Semiconductor Magazine, Issue 6, no. 3, pp. 234 - 235, 2000.

2. R. Trew, «SiC and GaN transistors - is there one winner for microwave powerapplications?» Proceedings of the IEEE, vol. 90, no. 6, pp. 1032 -1047, Jun2002.

3. R. Kemerley, H.Wallace and M. Yoder, «Impact of wide bandgap mi-crowavedevices on DoD systems», Proceedings of the IEEE, vol. 90, no. 6, pp. 1059 - 1064, Jun 2002.

4. V. Tilak, B. Green, V. Kaper, H. Kim, T. Prunty, J. Smart, J. Shealy, andL. Eastman, «Influence of barrier thickness on the high-power per-formanceof AlGaN/GaN HEMTs», IEEE Electron Device Letters, vol. 22, no. 11, pp. 504 - 506, Nov. 2001.

5. A. Chini, D. Buttari, R. Coffie, S. Heikman, S. Keller, and U. Mishra, «12W/mm power density AlGaN/GaN HEMTs on sapphire substrate», Electronics Letters, vol. 40, no. 1, pp. 73 - 74, 2004.

6. D.C. Dumka, T.M. Chou, F. Faili, D. Francis and F. Ejeckam, «AlGaN/GaN HEMTs on diamond substrate with 7W/mm output power density at 10 GHz», Electronics Letters, vol. 49, no. 20, pp. 1298 - 1299, Sept. 2013.

7. Properties of Advanced Semiconductor Materials, ed. ByM. Levinshtein, S. Rumyantsev and M. Shur (N.Y., JohnWiley ans Sons, 2001)

8. J.D. Guo, M.S. Feng, R.J. Guo, F.M. Pan, C.Y. Chang. Appl.Phys. Lett., 67 (18), 2657 (1995)

9. J. Rennie, M. Onomura, S. Nunoue, G. Hatakishi, H. Sugawara, M. Ishi-kawa. Proc.Second Int. Conf. Nitride Sem. (Tokushino, Japan, 1997) p. 711

10.P. Luther, S. E. Mohney et al., Investigation of the mechanism for Ohmic contact formation in Al and Ti/Al contacts to n-type GaN. //Appl. Phys. Lett, 1997, V. 70, pp. 57-59

11.Jacobs, B. Towards integrated AlGaN/GaN based X-band high-power amplifiers. Proefschrift / B. Jacobs. - Eindhoven : Technische Universi-teit Eindhoven, 2004. - 204 p

12.А.Г.Васильев, Ю.В.Колковский, Ю.А.Концевой. СВЧ приборы и устройства на широкозонных полупроводниках. «Техносфера», Москва, 2011, 416 с

13.Roccaforte, F. Nanoscale carrier transport in Ti/Al/Ni/Au Ohmic contacts on AlGaN epilayers grown on Si(111) / F. Roccaforte, F. Iucolano, F. Giannazzo, A. Alberti, V. Raineri // Appl. Phys. Lett. - 2006. - V. 89. P. 022103 1-3

14.Jacobs, B. Optimisation of the Ti/Al/Ni/Au ohmic contact on AlGaN/GaN FET structures. / B. Jacobs, M. C. J. C. M. Kramer, E. J. Ge-luk, F. Karouta // J. Cryst. Growth. - 2002. - V. 241. - P. 15—18

15.E. F. Schubert. Light-emitting diodes. Cambridge University Press 2003

16.Durbha, S. J. Pearton, C. R. Abernaty, J. W. Lee, P. H. Holloway, Microstructural Stability of Ohmic Contacts to InxGa1-xN. //J. Vac. Sci. Tech B, 1996, V. 14, pp. 2582-2586

17.H. Morko,c, S. Strike, G.B. Gao, M.E. Lin, B. Sverdlov, M. Burns. J. Appl. Phys., 76 (3), 1363 (1994)

18.M.E. Lin, Z. Ma, F.Y. Huang, Z.F. Fan, L.H. Allen, H. Morko,c. Appl. Phys. Lett., 64 (8), 1003 (1994)

19.S. Prakashs, L.S. Tan, K.M. Ng, A. Raman, S.J. Chua, A.T.C. Woe, S.N.

Lin. Abstract of Int. Conf. on SiC and Rel. Mater. (Sheraton, 1999) p. 48 20.X Kong et al Role of Ti/Al relative thickness in the formation mechanism of Ti/Al/Ni/Au Ohmic contacts to AlGaN/GaN heterostructures // J. Phys. D: Appl. Phys. 45 (2012) 265101

21.D.A. Deen et al. Dependence of ohmic contact resistance on barrier thickness of AlN/GaN HEMT structures // Solid-State Electronics 54 (2010) 613-615

22.Buttari et al.: Systematic characterization of Cl reactive ion etching for Improved Ohmics in AlGaN/GaN HEMTs // IEEE Electron device letters, Vol. 23, No. 2, February 2002

23.D. Selvanathan et al.: Low Resistance Ti/Al/Mo/Au Ohmic Contacts // phys. stat. sol. (a) 194, No. 2 (2002)

24.Zhu Yanxu et al Effects of rapid thermal annealing on ohmic contact of AlGaN/GaN HEMTs // J. Semicond. 2014, 35(2)

25.Y. Li et al. Low-Contact-Resistance Non-Gold Ta/Si/Ti/Al/Ni/Ta Ohmic Contacts on Undoped AlGaN/GaN High-Electron-Mobility Transistors Grown on Silicon // Appl. Phys. Express 6 (2013) 116501

26.Осипов К. Ю., Великовский Л. Э., Кагадей В. А. Влияние толщины слоя Al на оптимальную температуру отжига Ta/Ti/Al/Mo/Au омических контактов к AlGaN/GaN // 2011 21st Int. Crimean Conference "Microwave & Telecommunication Technology" (CriMiCo'2011). 12-16 September, Sevastopol, Crimea, Ukraine

27.V. Desmaris,z J. Eriksson, N. Rorsman, and H. Zirath Low-Resistance Si/Ti/Al/Ni/Au Multilayer Ohmic Contact to Undoped AlGaN/GaN Het-erostructures // Electrochemical and Solid-State Letters, 7 (4) G72-G74 (2004)

28.Ruvimov et al., Microstructure of Ti/Al and Ti/Al/Ni/Au ohmic contacts for n-GaN. //Applied Physics Letters,1996, V. 69, No. 11, pp. 1556-1558

29.B. Jacobs, M. Kramer, Bram van Straaten, Metal-Semiconductor Contacts and CPW MMIC.// Issues for AlGaN/GaN FETs, G13. 9. 1-6

30.Rumin Gong, Jinyan Wang, Shenghou Liu, Zhihua Dong, Min Yu, Cheng P. Wen, Yong Cai, and Baoshun Zhang. Analysis of surface roughness in Ti/Al/Ni/Au Ohmic contact to AlGaN/GaN high electron mobility transistors. - Appl. Phys. Lett. 97 (2010) 062115 1-3

104

31.Chaturvedi, N. Mechanism of ohmic contact formation in AlGaN/GaN high electron mobility transistors / N. Chaturvedi, U. Zeimer, J. Wurfl, G. Trankle // Semicond. Sci. Technol. - 2006. - V. 21, N 2. - P. 175—179

32.D. Selvanathan, F. M. Mohammed, A. Tesfayesus, and I. Adesida. Comparative study of Ti/Al/Mo/Au, Mo/Al/Mo/Au, and V/Al/Mo/Au ohmic contacts to AlGaN/GaN heterostructures J. Vac. Sci. Technol. B 22 (2004) 2409-2416

33.B. Luo, F. Ren, R. C. Fitch, J. K. Gillespie, T. Jenkins, J. Sewell, D. Via, and A. Crespo, A. G. Baca and R. D. Briggs, D. Gotthold, R. Birkhahn, and B. Peres, S. J. Pearton. Improved morphology for ohmic contacts to AlGaN/GaN high electron mobility transistors using WSix - or W-based metallization. - Appl. Phys. Lett., 82(22) (2003) 3910-3912

34.S. Ruvimov, Z. LilientalWeber, J. Washburn, K. J. Duxstad, E. E. Haller et al. Microstructure of Ti/Al and Ti/Al/Ni/Au Ohmic contacts for nGaN // Appl. Phys. Lett., Vol. 69, No. 11, 9 September 1996

35.S.-J. Cho et al. Analysis and optimisation of ohmic contact resistance and surface morphology of a Ta-based diffusion barrier layer in AlGaN/GaN HEMTs on Si (111) substrates // Solid-State Electronics 89 (2013) 85-92

36.B. P. Luther, S. E. Mohney, T. N. Jackson, M. Asif Khan, Q. Chen et al. Investigation of the mechanism for Ohmic contact formation in Al and Ti/Al contacts to n-type GaN // Appl. Phys. Lett. 70, 57 (1997)

37.Q. Feng et al. The improvement of ohmic contact of Ti/Al/Ni/Au to AlGaN/GaN HEMT by multi-step annealing method // Solid-State Electronics 53 (2009) 955-958

38.S. Ruvimov, Z. LilientalWeber, J. Washburn, K. J. Duxstad, E. E. Haller et al. Microstructure of Ti/Al and Ti/Al/Ni/Au Ohmic contacts for nGaN // Appl. Phys. Lett., Vol. 69, No. 11, 9 September 1996

39.S. Ruvimov, Z. Liliental-Weber, and J. Washburn Microstructure of Ti/Al ohmic contacts for n-AlGaN // Appl. Phys. Lett., Vol. 73, No. 18, 2 November 1998

40.M. E. Lin, Z. Ma, F. Y. Huang, Z. F. Fan, L. H. Allen, and H. MorkoG Low resistance ohmic contacts on wide band-gap GaN // Appl. Phys. Lett., Vol. 64, No. 8, 21 February 1994

41.L. Dobos et al. Metal contacts to n-GaN // Applied Surface Science 253 (2006) 655-661

42.A. N. Bright, P. J. Thomas, M. Weyland, D. M. Tricker, C. J. Humphreys et al. Correlation of contact resistance with microstructure for Au/Ni/Al/Ti/AlGaN/GaN ohmic contacts using transmission electron microscopy // J. Appl. Phys., Vol. 89, No. 6, 15 March 2001

43.N. Chaturvedi, U. Zeimer, J. Wurfl and G. Trankle. Mechanism of ohmic contact formation in AlGaN/GaN high electron mobility transistors // Semicond. Sci. Technol. 21 (2006) 175-179

44.M. W. Fay, G. Moldovan, and P. D. Brown Structural and electrical characterization of Au/Ti/Al/Ti/AlGaN/GaN ohmic contacts // J. Appl. Phys., Vol. 92, No. 1, 1 July 2002

45.Fay et al. Structural and electrical characterization of AuPdAlTi ohmic contacts to AlGaN/GaN with varying Ti content// J. Appl. Phys., Vol. 96, No. 10, 15 November 2004

46.Joon Seop Kwak, S E Mohney, Je-Yi Lin and R S Kern. Low resistance Al/Ti/n-GaN ohmic contacts with improved surface morphology and thermal stability // Semicond. Sci. Technol. 15 (2000) 756-760.

47.C. J. Lu, A. V. Davydov, D. Josell, and L. A. Bendersky. Interfacial reactions of Ti/n-GaN contacts at elevated temperature // J. Appl. Phys., Vol. 94, No. 1, 1 July 2003

48.Abhishek Motayed Electrical, thermal, and microstructural characteristics of Ti/Al/Ti/Au multilayer Ohmic contacts to n-type GaN // J. Appl. Phys., Vol. 93, No. 2, 15 January 2003

49.B. Van Daele and G. Van Tendeloo. The role of Al on Ohmic contact formation on n-type GaN and AlGaN/GaN // Appl. Phys. Lett. 87, 061905 2005

50.Wang, Mohammed and Adesida. Differences in the reaction kinetics and contact formation mechanisms of annealed Ti/Al/Mo/Au Ohmic contacts on n-GaN and AlGaN/GaN epilayers // J. Appl. Phys. 101, 013702 (2007)

51.Wang, Mohammed, and Adesida Dislocation-induced nonuniform interfacial reactions of Ti/Al/Mo/Au ohmic

52.Jacobs, B. Towards integrated AlGaN/GaN based X-band high-power amplifiers. Proefschrift / B. Jacobs. - Eindhoven : Technische Universi-teit Eindhoven, 2004. - 204 p

53.А.С. Сальников, А.Ю. Ющенко, «Обзор тестовых структур для измерения электрофизических параметров материалов при изготовлении СВЧ монолитных интегральных схем», Доклады ТУСУРа, № 2 (22), часть 1, стр. 145 - 148, декабрь 2010.

54.Новицкий С.В. Измерение удельного контактного сопротивления TLM-методом с линейной и радиальной геометрией контактов // Петербургский журнал электроники, 2013, №3, с. 59-70

55.G.K. Reeves, H.B.Harrison. Obtaining the Specific contact resistance from Transmission Line model measurements // IEEE Electron device letters, 1982, Vol. 3, №, 5, pp. 111-113.

56.A. Koudymov, N. Pala, V. Tokranov, S. Oktyabrsky, M. Gaevski, R. Jain, J. Yang, X. Hu, M. Shur, R. Gaska, G. Simin. RF Transmission Line Method for Wide-Bandgap Heterostructures // IEEE Electron device letters, 2009, Vol. 30, №. 5, pp. 433-435

57.Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников и металловедение. -М.: Металлургия, 1973. - 496 с.

58.Beyers R., Kim K. B., Sinclair R. Phase equilibria in metal-galium-arsenic systems: Thermodynamics considerations for metallization materials // J. Appl. Phys., v.61 (1987), p. 2195

59.Третьяков Ю.Д. Твердофазные реакции. -М.: Химия, 1978. - 360 с.

60.Киреев В.А. Методы практических расчетов в термодинамике химических реакций. -М.: Химия, 1975. - 536 с.

61.Самсонов Г.В., Винницкий И.М. Тугоплавкие соединения. - М.: Металлургия, 1976. - 560 с.

62.Chase M.W., Jr., Davies C.A., Downey J.R. et all JANAF Thermochemi-cal Tables. Third edition // J. Phys. Chem. Ref. Data, vol. 14 (1985), Suppl. 1.

63.Кубашевский О., Олкокк К.Б. Металлургическая термохимия. - М.: Металлургия, 1982. -392 с

64.Морачевский А.Г., Сладков И.Б. Термодинамические расчеты в металлургии, М.: Металлургия, 1993.

65.Ralph Hultgren, Selected values of thermodynamic properties of metals and alloys, New York, Wiley, 1963. -963 p.

66.Р.В. Рыжук, А.А. Косач, П.И. Блинов, Е.М. Евсеева, Формирование силовых GaN транзисторов.// Научная сессия НИЯУ МИФИ - 2014. Аннотации докладов. - М., 2014. - Т.2 - с.84

67.К.В. Шалимова, Физика полупроводников, 3 изд. / Энергоатомиздат, Москва, 1985

68.Iucolano F, Roccaforte F, Alberti A, Bongiorno C, Franco S.D, Raineri V. Temperature dependence of the specific resistance in Ti/Al/Ni/Au contacts on n-type GaN // J. Appl. Phys. 2006, v.100 №123706, pp.1-8

69.F. Pandovani and R. Stratton, "Field and Thermionic Field Emission in Schottky Barriers," Solid-State Electronics, Vol. 9, No. 7, July 1966, pp. 695-707.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Утверждаю Генеральный директор ОДО «ОКБ-Планета»

А.В. Петров

Акт о внедрении результатов диссертационной работы Шостаченко С.А.

Комиссия открытого акционерного общества «ОКБ-Планета» в составе:

Председателя - Ионова Александра Сергеевича, заместителя генерального директора по научно-техническому развитию

и членов комиссии:

- Стукалова Антона Николаевича, начальника отдела № I.

- Желаннова Андрея Валерьевича, инженера-технолога II кат.

составила настоящий Акт о том, что ОАО «ОКБ-Планета» внедрен в производство разработанный С.А. Шостаченко технологический процесс формирования низкоомного омического контакта к гстероэпнтакснальной структуре на основе нитрида галлия (патент на полезную модель .N»155419 от 21.04.2015г., переданный по лицензионному договору №3710/3/1 от 22.12.2016г.). Процесс используется при изготовлении мощных и СВЧ транзисторов на основе гетероструктуры АЮаМ/СаЫ в части формирования омических контактов.

Технологический процесс был разработан в рамках реализации проекта «Разработка технологий получения эпитаксиальных широкозонных гетероструктур для нового поколения СВЧ- и силовых приборов», реализуемого в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 20142020 годы» (соглашение о предоставлении субсидии между НИЯУ МИФИ и Министерством образования и науки РФ № 14.578.21.0062 от 20.10.2014г.), индустриальным партнером которого являлось ОАО «ОКБ-Планета» (договор №3710/3 от 20.10.2014г.). Подробное описание процесса формирования низкоомного омического контакта к гетероэннтакснальной структуре на основе нитрида галлия представлено в диссертационной работе С.А. Шостаченко.

Председатель комиссии Члены комиссии

А.С. Ионов

А.Н. Стукалов А.В. Желанное