Технологии микропрофилирования и формирования контактных систем для микроприборов на основе нитридов III группы Желаннов Андрей Валерьевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Структуры на основе нитрида галлия для формирования микроприборов 12

1.1 Основные характеристики и применение нитридов ІІІ группы 12

1.1.1 Свойства нитридов ІІІ группы 12

1.1.2 Эпитаксиальные структуры нитридов ІІІ группы 15

1.2 Микропрофилирование приборных структур на основе AlGaN 24

1.2.1 Химическое («жидкостное») травление 24

1.2.2 Плазменное («сухое») травление 26

1.3 Формирование контактных систем к материалам AlGaN 39

1.3.1 Омические контакты к системе AlGaN 39

1.3.2 Формирование барьерного контакта к нитриду галлия 57

1.4 Формирование микроприборов на нитриде галлия 60

1.5 Выводы по главе 1 64

Глава 2 Применение технологии микропрофилирования для формирования микроприборов на основе нитридов ІІІ группы 66

2.1 Оценка микрорельефа и морфологии поверхности 66

2.1.1 Атомно-силовая микроскопия 66

2.2.1 Оптическая профилометрия 68

2.2 Экспериментальные исследования процесса микропрофилирования нитрида галлия в хлорсодержащей среде 71

2.2.1 Влияние мощности источника индуктивно-связанной плазмы на параметры травления 73

2.2.2 Влияние высокочастотной мощности на параметры травления 75

2.2.3 Влияние давления в камере на параметры травления 76

2.2.4 Влияние расхода газовой смеси на параметры травления 77

2.3 Процессы селективного травления GaN/AlGaN при создании приборных структур 80

2.4 Исследование влияния режимов обработки поверхности полупроводника на параметры барьерной металлизации 84

2.5 Выводы по главе 2 86

Глава 3 Исследование контактных систем к нитридным полупроводникам 88

3.1 Контроль сопротивления омических контактов 88

3.2 Подбор системы металлизации омических контактов к материалам AlGaN 92

3.3 Модификация поверхности для улучшения качества омических контактов к системе AlGaN 101

3.4 Подбор системы металлизации для барьерных контактов к структурам на основе AlGaN 107

3.5 Выводы по главе 3 109

Глава 4 Изготовление и исследование характеристик микроприборов на основе нитридов III группы 111

4.1 Измерение параметров микроприборов на основе AlGaN/GaN на пластине 111

4.2 Технологический маршрут изготовления и исследование характеристик микроприборов диодов Шоттки 113

4.2.1 Технологический маршрут изготовления диодов Шоттки 113

4.2.2 Исследование характеристик диодов Шоттки 116

4.3 Последовательность технологических операций по изготовлению транзисторов и исследование их характеристик 122

4.3.1 Последовательность технологических операций по изготовлению транзисторов 122

4.3.2 Исследование характеристик транзисторов 126

4.4 Выводы по главе 4 133

Заключение 135

Список используемой литературы 140

• Плазменное («сухое») травление
• Формирование микроприборов на нитриде галлия
• Подбор системы металлизации омических контактов к материалам AlGaN
• Исследование характеристик транзисторов

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Нитрид галлия (GaN) обладает
совокупностью свойств, позволяющих получать на его основе приборы,
превосходящие по параметрам приборы на классических полупроводниках.
GaN, как материал для высокотемпературных, высоковольтных,

высокочастотных и сильноточных приложений, позволяет существенно
расширить операционные возможности полупроводниковой техники.

Уникальное сочетание физических свойств, включающее большую ширину запрещенной зоны, высокую дрейфовую скорость насыщения носителей заряда, высокое напряжение пробоя, высокую теплопроводность, высокую химическую и термическую стойкость позволяет рассматривать нитридные полупроводники как наиболее перспективные материалы для создания приборов нового поколения. Именно с внедрением GaN в настоящее время связывается прорыв в СВЧ - и сильноточной электронике.

В настоящее время параметры приборов на GaN не достигли предельных значений. Это обусловлено использованием чужеродных подложек и несовершенством выращиваемых на них эпитаксиальных структур.

Кроме эпитаксиальных процессов не менее сложными являются
постростовые процессы создания приборного чипа. Постростовые процессы в
производстве полупроводниковых приборов определяют достижимые

параметры и надежность приборов. Наиболее ответственными операциями постростовой обработки микроприборов на нитриде галлия являются: микропрофилирование эпитаксиальной структуры, создание омических и выпрямляющих контактов и пассивация поверхности.

Использование непроводящих подложек приводит к необходимости введения в технологический процесс операции микропрофилирования для формирования изоляции между элементами и областей под металлизацию контактов (омических и выпрямляющих). При этом глубина удаляемой области полупроводника может изменяться от единиц (вплоть до десяти) до долей микрометров. Одновременно с этим предъявляются требования к сохранению морфологии поверхности после процесса травления.

Не менее важным аспектом создания микроприборов является
формирование воспроизводимых и надежных систем омических и

выпрямляющих контактов.

Все вышесказанное и определяет важность и актуальность данной
диссертационной работы, посвященной комплексному исследованию

постростовых операций формирования микроприборов на основе нитридов ІІІ группы.

Целью работы является разработка основных технологических операций прецизионного микропрофилирования и формирования контактных систем для структур на основе нитридов III группы и создание на базе разработанных технологий диодов Шоттки и HEMT транзисторов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка технологии микропрофилирования эпитаксиальных структур на основе нитридов ІІІ группы.

2. Выбор материалов и их композиций для формирования омических и барьерных контактов.

3. Поиск способов улучшения характеристик омических контактов.

4. Разработка технологии изготовления и анализ характеристик и параметров микроприборов на основе нитридов ІІІ группы - диоды Шоттки на нитриде галлия, HEMT транзисторы на основе гетероэпитаксиальных структур AlGaN/GaN.

Объектами исследования были эпитаксиальные структуры нитридов ІІІ группы на сапфировых подложках и микроприборы на их основе. Эпитаксиальные структуры, используемые в рамках данной работы, поставлялись АО «Элма-Малахит», г. Москва, ФТИ им. Иоффе, г. Санкт-Петербург.

Методы исследования. При проведении процессов травления для анализа топологии, морфологии и структурных особенностей поверхности использовались методы оптической профилометрии, атомно-силовой и сканирующей электронной микроскопии. Для решения поставленных задач по анализу характеристик приборных микроструктур на пластине использовался измерительный комплекс, который включает в себя зондовую станцию MPS-150 и измеритель характеристик полупроводниковых приборов Keithley 4200-SCS; для анализа электрофизических параметров микроструктур на отдельных технологических операциях использовался Холловский метод.

Научная новизна:

5. Установлены факторы (режим травления, материал защитного покрытия), определяющие процесс микропрофилирования структур на основе нитридов III группы с целью реализации технологии глубокого травления нитрида галлия.

6. Обеспечена управляемость процесса селективного травления GaN относительно Al_0,25Ga_0,75N с помощью выбора режима травления.

7. Выявлена возможность изготовления омических контактов на основе систем Cr/Pt/Au без высокотемпературной обработки, которая позволяет формировать системы барьерных и омических контактов в одном технологическом цикле.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Для обеспечения глубокого травления (10 мкм и выше) нитрида
галлия с получением вертикального профиля и сохранением морфологии
поверхности необходимо использование газовой смеси Cl₂/BCl₃/Ar

(20/60/10 см³/мин) с мощностью источника индуктивно-связанной плазмы 600 Вт и высокочастотной мощностью 100 Вт.

2. Введение в газовую смесь Cl₂/Ar добавки кислорода с расходом

5 см³/мин позволяет получить селективность травления GaN по отношению к Al_0,25Ga_0,75N на уровне 28:1 с сохранением морфологии поверхности.

3. Для получения низкоомных омических контактов при формировании
микроприборов на основе нитридов ІІІ группы необходимо проведение
модификации поверхности полупроводника посредством создания ионно-
легированных слоев, введения подслоя кремния в систему металлизации,
использования сильнолегированных защитных слоев.

Обоснованность и достоверность экспериментальных исследований основана на использовании апробированных методик исследования, согласием экспериментальных данных с теоретическими представлениями, широким представлением результатов на конференциях и семинарах, публикациями в рецензируемых журналах.

Практическая значимость заключается в следующем:

8. Разработана технология микропрофилирования, обеспечивающая проведение процессов глубокого травления нитридов III группы.

9. Получены режимы, позволяющие проводить селективное травление структур GaN/Al_0,25Ga_0,75N без повреждения барьерного слоя.

10. Разработана технология формирования омических контактов без высокотемпературной обработки к нитридам III группы с низким значением контактного сопротивления.

11. Разработаны и изготовлены опытные образцы диодных и транзисторных микроприборов на основе нитридных полупроводников.

Реализация и внедрение результатов исследований:

Результаты диссертационных исследований внедрены в учебный процесс в Новгородском государственном университете имени Ярослава Мудрого, где используются в лекциях и при проведении практических занятий по дисциплине «Процессы микро- и нанотехнологии», при выполнении выпускных квалификационных работ при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Электроника и наноэлектроника». Результаты исследований использованы при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ: при поддержке Минобрнауки России в рамках проектной части государственного задания, проект №3.3572.2017/ПЧ, 2017-

2018 г.г., при поддержке Минобрнауки в рамках базовой части госзадания, проект № 1755, 2014-2016 г.г. НИОКР по заказу ОАО «ОКБ-Планета»: Анализ микро- и наноструктур на основе полупроводниковых соединений А³В⁵ (2013 г.), Анализ приборных микро- и наноструктур на основе нитрида и арсенида галлия зондовыми методами (2015 г.), Формирование структур силовой и оптической электроники на основе нитрида и арсенида галлия (2016 г.), Диагностика микроструктур силовых приборов на основе нитрида галлия (2017 г.).

На конкурсе персональных грантов «Участник молодежного научно-исследовательского конкурса» в 2011 году получен грант государственной поддержки.

Апробация результатов исследования и публикации. Основные
результаты работы докладывались и обсуждались на следующих

международных, всероссийских конференциях и семинарах, а также вузовских конференциях:

12. 7-я, 8-я, 9-я, 10-я, 11-я всероссийские конференции «Нитриды галлия, индия, алюминия-структуры и приборы», 2011, 2013, 2015, 2017.

13. IX, X, XII, XIII, XIV, XV научно-технические конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», 2010, 2011, 2013, 2014, 2015, 2017.

14. Конкурсные работы аспирантов и молодых ученых по направлению «Стратегическое партнерство вузов и предприятий радиоэлектронной промышленности», 2010.

15. IV, V Всероссийские конференции и школа молодых ученых и специалистов «Физические и физико-химические основы ионной имплантации», 2012, 2014.

16. 15^th Scientific Youth School «Physics and technology of micro- and nanosystems. Silicon Carbide and Related Materials», 2012.

17. Юбилейная научно-техническая конференция, посвященная 70-летию ФГУП «НПП «Исток», 2013.

18. 5-я, 6-я, 7-я, 8-я, 9-я научно-практические конференции по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники «Мокеровские чтения», 2014, 2015, 2016, 2017, 2018.

19. VI, VIII, IХ, Х Международные научно-технические конференции «Микро- и нанотехнологии в электронике», 2016, 2017, 2018;

20. 7-я Международная научная конференция «Химическая термодинамика и кинетика», 2017.

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации изложены в 24 публикациях, в числе которых 8 статей в

рецензируемых журналах из перечня ВАК РФ, 15 – в научных сборниках и трудах российских и международных конференций, получен патент на полезную модель.

Личный вклад соискателя.

При непосредственном участии автора были проведены основные технологические операции, рассмотренные в работе. Автор лично проводил измерения параметров опытных образцов. В работах, выполненных в соавторстве, автор принимал активное участие в постановке задач, выборе и обосновании методов их решения и интерпретации полученных результатов

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 155 страницах, а также списка литературы. В работе имеется 90 рисунков и 12 таблиц. Список литературы содержит 170 наименований.

Плазменное («сухое») травление

Ограничения жидкостного травления для нитридов III группы вызвало значительный интерес к развитию сухих методов травления. Различные методы сухого травления, связанные с воздействием ионов, применяются для обработки нитридных полупроводников. Среди них выделяют ионное травление, реактивное ионное травление, реактивное ионное травление с использованием электронно-циклотронного резонанса и реактивное ионное травление в индуктивно-связанной плазме, химическое ионно-лучевое травление.

При ионном травлении (физическом распылении) преобладает ускорение энергетических ионов образующихся в плазме к поверхности подложки при относительно высоких энергиях, обычно более 200 эВ. Благодаря передаче энергии и импульса подложке, материал выбрасывается с поверхности. Этот механизм распыления позволяет получить анизотропный профиль; однако в то же время это приводит к значительным повреждениям, высокой шероховатости поверхности и нестехиометричной поверхности, что ограничивает выходные характеристики микроприборов. Измеренные скорости распыления для GaN, InN, AlN и InGaN в зависимости от энергии ионов Ar+ увеличивались с энергией ионов, но были довольно низки, менее 60 нм/мин, из-за высокой энергии связи нитридов III группы [38].

Поэтому наиболее эффективными являются методы сухого травления с участием химических механизмов в дополнении к физическому распылению. Среди этих методов, наиболее широко исследованными являются реактивное ионное травление, химическое ионно-лучевое травление, реактивное ионное травление с использованием электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР-РИТ), реактивное ионное травление с использованием источника индуктивно-связанной плазмы (ICP-РИТ). Инструментом для ЭЦР-РИТ и ICP -РИТ являются системы с высокой плотностью плазмы, которые используют магнитное удержание электронов для генерации очень высоких плотностей ионов ( 51011 см-3). Несмотря на то, что, методы подвода мощности к плазме в этих системах различны, плазма имеет схожие свойства. Следует также отметить, что в этих системах генераторы высокочастотной мощности для управления потоком ионов и для фиксации энергии ионов различны. Это разделение позволяет доставлять большие потоки ионов с низкой энергией (или смещением) на образец. Это повышает скорости травления и предотвращает чрезмерные повреждения поверхности по сравнению с обычным реактивно-ионным травлением.

Реактивное ионное травление (РИТ) использует как химические так и физические компоненты механизма травления для достижения анизотропного профиля и большой скорости травления. Плазма РИТ обычно генерируется с помощью ВЧ-мощности частотой 13,56 МГц между двумя параллельными электродами в химически активном газе (рисунок 1.10, а). Подложка располагается на электроде, где индуцируется потенциал, и энергия ионов составляет, как правило, несколько сотен эВ. РИТ работает при низких давлениях, начиная от нескольких мТорр до 200 мТорр, что способствует анизотропному травлению вследствие повышения длины свободного пробега и снижения рассеяния ионов в процессе ускорения в плазме [39].

В работе [40] впервые сообщается о реактивном ионном травлении нитрида галлия в плазме SiCl4. Скорость травления увеличивается при повышении смещения и достигает величины 50 нм/мин при 400 В. В работе [41] сообщается о схожих результатах по травлению GaN в плазме BCl3 и SiCl4 со скоростью 105 нм/мин для BCl3 при ВЧ-мощности 150 Вт.

Дополнительные результаты по реактивному ионному травлению получены для HBr-плазмы [42], а также CHF3- и CCl2F2- плазмы [43] со скоростями травления GaN порядка 60 нм/мин.

В работе [44] сообщаются результаты по травлению GaN в плазме BCl3 с добавлением аргона и азота. Были исследованы скорость травления, шероховатость поверхности и профиль травления. Установлено, что скорость травления GaN составляет 104 нм/мин при ВЧ-мощности 200 Вт, давлении 2 Па, расходе BCl3 9,5 см3/мин.

Добавление 5 см3/мин Ar уменьшает скорость травления GaN, в то время как добавление N2 не оказывает существенного влияния на скорость травления. Реактивное ионное травление слоя GaN в плазме BCl3/Ar и BCl3/N2 приводит к более гладкой поверхности по сравнению с поверхностями, вытравленными только с помощью BCl3. Наклон боковых стенок в плазме BCl3 составляет угол 60 и увеличивается в случае плазмы BCl3/Ar и BCl3/N2. В тоже время данный тип травления вносит повреждения поверхности, одинаковые для всех типов плазмы.

Для травления нитрида галлия может использоваться газовая смесь на основе гексафторида серы (SF6). Например, в работе [45] представлены результаты травления нитрида галлия в среде SF6. Определяется влияние на скорость травления GaN ВЧ-мощности и расхода SF6. Для смещения в диапазоне от 250 В до 400 В, скорость травления увеличивается, достигая максимальной скорости 17 нм/мин при 400 В. Скорость также увеличивается с увеличением потока SF6. Обнаружено, что добавление инертного газа Ar или реактивного газа CHF3 практически не влияет на скорость травления. Морфология поверхности после травления проверялась с помощью атомно-силовой и сканирующей электронной микроскопии, которые показывают, что морфология поверхности после травления сравнима с необработанной поверхностью.

Лучшие результаты РИТ травления нитрида галлия получены для хлорсодержащей плазмы при высокой энергии ионов, при разрыве связей нитрида галлия и распылении продуктов травления от поверхности. В таких условиях возникают вызванные плазмой дефекты, которые ухудшают электрические и оптические характеристики приборов. Понижение энергии ионов или увеличение химической активности в плазме сводит к минимуму количество дефектов, но приводит к замедлению скорости травления или менее анизотропному профилю, что значительно ограничивает критические размеры. Поэтому необходимо развивать альтернативные технологии травления, которые сочетают высокое качество травления с низким количеством дефектов.

Использование систем с высокой плотностью плазмы, таких как электронно-циклотронный резонанс, индуктивно-связанная плазма и магнетронное РИТ приводит к улучшению характеристик травления материалов группы III-нитриды, по сравнению с традиционным реактивным ионным травлением. Это наблюдение объясняется плотностью плазмы, которая на два-четыре порядка выше, чем в системах РИТ, тем самым улучшается эффективность разрыва связей и распыления продуктов травления, образующихся на поверхности. Кроме того, поскольку энергию и плотность ионов можно более эффективно разделить по сравнению с РИТ, легче контролировать вызванные плазмой повреждения. На рисунке 1.10, б показана схема типичной ЭЦР системы травления. Высокоплотная плазма в этом случае образуется при низком давлении с низким потенциалом плазмы и энергией ионов, связанных с магнитным удержанием электронов в области источника. Образец находится ниже источника, чтобы минимизировать воздействие плазмы и уменьшить физическую компоненту травления. Анизотропное травление может быть достигнуто путем наложения ВЧ-мощности (13,56 МГц) на образец и работе при низком давлении ( 5 мТорр), чтобы минимизировать рассеяние ионов и боковое травление. Однако, при увеличении ВЧ-мощности вероятность повреждения поверхности увеличивается.

Формирование микроприборов на нитриде галлия

В настоящее время структуры на основе нитрида галлия и его твёрдых растворов широко применяются в оптоэлектронике и силовой электронике, однако уникальные свойства этого материала позволяют с успехом использовать его и в других областях.

Следует отметить, что нитриды III группы являются перспективным материалом не только для оптоэлектроники в целом и светодиодных структур в частности. На его основе успешно развиваются и другие направления современной электроники, в том числе создание СВЧ-транзисторов. Транзисторы на основе GaN-гетероструктур перспективны для применения в приемопередающих СВЧ-устройствах [117].

Высокие значения концентрации электронов в канале в сочетании со значительными пробивными напряжениями позволяют обеспечить плотность СВЧ мощности в полевых транзисторах на основе нитридных структур на порядок большую, чем в приборах на основе GaAs, позволяя использовать такие приборы в бортовых радиолокаторах с активной фазированной антенной-решеткой и в СВЧ усилителях общего и специального назначения (системы радиоэлектронной борьбы, наземные и спутниковые системы телекоммуникаций и связи) [118, 119].

Использование СВЧ-транзисторов на основе GaN позволяет существенно упростить топологию интегральных схем усилителей мощности, повысить эффективность, уменьшить массу и улучшить габаритные параметры. Развитие технологии нитридных полупроводников привело к существенным практическим результатам и освоению в промышленном производстве мощных СВЧ-транзисторов и монолитных интегральных схем [120].

Высокая критическая напряженность поля GaN дает потенциальную возможность реализовывать более высоковольтные приборы. Большая ширина запрещенной зоны обеспечивает стабильность свойств при изменении температуры или воздействии радиации, что чрезвычайно важно в первую очередь для космической и военной электроники, а также для устройств, работающих в жестких условиях эксплуатации [121, 122].

Высокая подвижность электронов и дрейфовая скорость насыщения электронов определяют значительно меньшее сопротивление в проводящем состоянии и высокую удельную мощность, по сравнению с кремнием [123].

Одно из самых перспективных свойств нитрида галлия с точки зрения создания мощных приборов для силовой электроники – возможность формирования AlGaN/GaN гетероструктурных полевых транзисторов с малым сопротивлением в открытом состоянии (рисунок 1.21). Благодаря высоким значениям подвижности и концентрации носителей заряда двухмерного электронного газа, формируемого у границы раздела гетероструктуры, ток насыщения такой структуры велик, а благодаря большой ширине запрещенной зоны материала велика и выходная мощность устройств на основе AlGaN/GaN-приборов.

В результате GaN-транзисторы имеют на порядок большую удельную мощность, что должно приводить к значительному уменьшению габаритов по сравнению с традиционными кремниевыми элементами, и в лабораторных опытах это было убедительно доказано [124].

За счет столь высокой проводимости двумерного электронного газа в полевых транзисторах на основе AlGaN/GaN получают плотности тока на уровне 1 А/мм, при внешней крутизне передаточной характеристики на уровне 120-200 мСм/мм. Подобные значения плотности тока в сочетании с высокими пробивными напряжениями (более 100 В) позволяют достичь плотности мощности на порядок большей, чем в приборах на основе GaAs [125].

Для достижения предельных характеристик транзисторных структур используются достаточно большое количество технологических приемов, в частности переход от сапфировых к подложкам на алмазе и карбиде кремния [126, 127], уменьшение толщины барьерных слоев гетероструктуры и длины затвора [128], использование селективной эпитаксии как метода уменьшения контактного сопротивления [129, 130] и ряд других. Использование такого рода технологий позволяет создавать транзисторы и схемы с рекордными характеристиками. В работе [131] на структурах AlGaN/GaN, выращенных на подложке SiC с затвором длиной 70 нм получены транзисторы, работающие на частотах до 300 ГГц. Авторы работы [132], используя AlInN/GaN гетероструктуры с длиной затвора 55 нм, получили HEMT-транзисторы с максимальной частотой 205 ГГц.

Рассматривая преимущества нитридных транзисторов, стоит сказать о рекордной выходной мощности. В мире уже созданы нитридные транзисторы, демонстрирующие на частотах 2-4 ГГц мощность до 600 Вт и 200 Вт для приборов в диапазоне частот 8-12 ГГц [133].

Вместе с тем нитридные полупроводники являются привлекательными и для применения в силовой электронике в связи с достаточным быстродействием и высокими пробивными напряжениями. К настоящему времени разработано несколько видов диодов, принципиально отличающихся структурой и геометрией расположения контактов. В частности, интенсивно исследуются диоды Шоттки с горизонтальной и вертикальной геометрией контактов.

Диоды с вертикальной структурой отличаются большими прямыми токами, но пока характеризуются низкими пробивными напряжениями и большими токами утечки по сравнению с диодами горизонтальной конфигурации. Это обусловлено недостаточным для данной технологии и конструкции диодов качеством подложек из объемного нитрида галлия, содержащих достаточно большое количество дефектов [134, 135].

В то же время диодные структуры с планарной геометрией контактов характеризуются достаточно большими пробивными напряжениями [136], но ограничены в прямых токах. Это объясняется использованием достаточно дефектного материала, что связано с ростом эпитаксиальных структур на чужеродных подложках. В тоже время исследователями принимается ряд мер по улучшению характеристик диодных структур, а именно повышению пробивных напряжений и прямого тока. Например, использование встречно-штыревой

топологии контактов позволяет получать прямой ток до 6 А при прямом падении напряжения 1,7 В. Пробивное напряжение составляет 600 В [137].

Другим методом повышения пробивных напряжений является формирования дефектного слоя вокруг барьерного контакта. Так, в [138] проведено легирование области вокруг барьера Шоттки бором. При этом получено увеличение пробивных напряжений с 200 В до более 400 В.

Одним из вариантов получения высоковольтных и сильноточных приборов на нитриде галлия является использование т.н. квазивертикальных структур [139].

Использование структур с двумерным электронным газом на основе гетероперехода AlGaN/GaN за счет улучшения электрофизических характеристик материала позволяет существенно улучшать характеристики диодных структур. В работе [140] на основе структуры AlGaN/GaN получены диоды Шоттки с пробивными напряжениями до 1400 В. Использование краевых методов защиты помогает получать пробивные напряжения до 1525 В при использовании одноуровневой полевой обкладки [141] и до 1900 В при использовании многоуровневой полевой обкладки [142] при использовании гетероструктур AlGaN/GaN, выращенных на кремниевых подложках.

Таким образом, нитридные полупроводники показывают достаточно конкурентные преимущества и возможность их использования как в СВЧ- так и силовой электронике. Потенциальные и реализованные преимущества в области СВЧ мощной электроники позволяют получать элементную базу в достаточно широком диапазоне частот и мощностей.

Подбор системы металлизации омических контактов к материалам AlGaN

Как было показано в главе 1 (раздел 1.2.1), формирование омических контактов к системам нитридных полупроводников является многоплановой задачей, включающей в себя как подбор самой системы металлизации, так и температурно-временных режимов обработки.

Для решения задачи получения омических контактов в нашей работе мы использовали систему металлизации на основе Ti/Al/Ni/Au. Контакты создавались к эпитаксиальным слоям нитрида галлия с разным уровнем легирования [158]. Подбиралась толщина отдельных слоев в системе Ti/Al/Ni/Au с поиском оптимального температурно-временного режима обработки.

Для оценки контактного сопротивления создавались тестовые структуры, для реализации метода длинной линии, представленного в разделе 3.1.

Контакты тестовых структур формируются методом взрывной фотолитографии с использованием двухслойной системы фоторезистов, обеспечивающей отрицательный наклон профиля стенок маски для улучшения «взрыва» и удаления металла. Достигается это с помощью обращения скрытого позитивного изображения. На рисунке 3.3 показаны основные стадии формирования контактов.

Для определения контактного сопротивления использовалась тестовая структура, представленная на рисунке 3.4 и представляющая из себя радиальную конфигурацию метода длинной линии с расстоянием между контактами S 50, 25, 10 и 5 мкм.

Для получения низкого контактного сопротивления необходим подбор толщин входящих в систему металлизации слоев. В рамках работы подбиралась композиция многослойной системы металлизации путем выбора

соотношения толщин Al/Ti (при фиксированных толщинах Ті, Ni и Au);

толщины Тi (при фиксированном соотношении Al/Ti, толщинах Ni и Au);

толщины Ni (при фиксированном соотношении Al/Ti, толщинах Ті и Au);

Составы металлизации, рассматриваемые в эксперименте, представлены в таблице 3.1.

Проведено исследование электрических (вольтамперные характеристики и величина удельного контактного сопротивления) и структурных (морфология поверхности) параметров систем металлизации при указанных режимах термообработки.

Непосредственно перед нанесением металлов проводилась очистка поверхности полупроводника в кислородной плазме для удаления остатков фоторезиста с последующей обработкой в растворе HCl:H2O=1:1 в течении 5 минут с целью удаления собственного окисла. После формирования контактов на установке As-One (рисунок 3.5, б) осуществлялся быстрый термический отжиг в атмосфере азота. В ходе выполнения работы были изготовлены экспериментальные образцы размером 66 мм, на которых проводились исследования контактных параметров. В первую очередь исследовались вольтамперные характеристики контактов. Измерения проводились на измерительном комплексе, включающем в себя зондовую станцию Cascade Microtech MPS150 и систему для измерения характеристик полупроводниковых приборов Keithley 4200-SCS (рисунок 3.6).

Влияние температуры отжига на вольтамперные характеристики контактов, изготовленных на структурах с различным уровнем легирования, представлено на рисунках 3.7 – 3.9.

Как видно из рисунка 3.7 – 3.9, действие температуры оказывает одинаковое влияние на ВАХ контактов, изготовленных на структурах с разным уровнем легирования. Отметим, что при увеличении уровня легирования, удельное контактное сопротивление уменьшается.

Анализ представленных данных показывает, что при заданном уровне легирования удельное контактное сопротивление уменьшается как при увеличении температуры отжига, так и при увеличении времени отжига.

Подобная картина наблюдается для всех уровней легирования. Поскольку одной из задач исследования является подбор оптимального соотношения толщины Ti и Al, то представляет интерес зависимость удельного контактного сопротивления от толщины металлизации при заданных параметрах отжига.

С нашей точки зрения, интерес представляют следующие режимы отжига: T=700, 800, 900C, время отжига – 90 секунд. Данные режимы позволяют оценить динамику изменения параметров контактов. Зависимости удельного контактного сопротивления от соотношения Al/Ti и температуры отжига представлены на рисунке 3.7, а, 3.8, а, 3.9, а.

Анализ данных, представленных на рисунках, позволяет сказать, что наиболее оптимальной металлизацией (с точки зрения получения минимального значения сопротивления) является система с соотношением Al/Ti, равным 8. Это соотношение справедливо для любого из выбранного нами уровня легирования.

После выбора соотношения Al/Ti, определялась толщина слоя титана, при котором достигается минимальное сопротивление. Толщина титана изменялась в диапазоне от 10 до 50 нм, как показана на рисунках 3.7, б, 3.8, б, 3.9, б. Показано, что при толщине титана, равной 50 нм удается добиться минимального удельного контактного сопротивления.

Толщина никеля определяет эффективность разделения слоев золота и алюминия. При этом, как показано на рисунках 3.7, в, 3.8, в, 3.9, в, имеется оптимальное значение толщины (в нашем случае 40 нм), при котором достигается минимальное значение удельного контактного сопротивления при любом уровне легирования.

Исследование характеристик транзисторов

После изготовления транзисторных структур, проведен анализ их характеристик, включающий исследование выходных и передаточных характеристик. Внешний вид изготовленных транзисторных структур представлен на рисунке 4.12.

Формирование омических контактов, как было сказано выше, проводилось на основе системы Ti/Al/Ni/Au с использованием модификации поверхности с целью улучшения параметров омических контактов. Анализ параметров омических контактов проводился на транзистора основе метода длинной линии с круговыми контактами. Вольтамперные характеристики и расчет контактного сопротивления рассматриваемых контактов представлены на рисунке 4.13 и 4.14.

Из графиков видно, что использование подслоя кремния или ионной имплантации позволяют уменьшать контактное сопротивление.

Также в рамках диссертационного исследования проанализированы омические контакты к транзисторам с использованием n+- cap слоев GaN толщиной 20 и 40 нм.

Вольтамперные характеристики и расчет контактного сопротивления рассматриваемых контактов к структурам с n+-cap слоем разной толщины представлены на рисунке 4.15 и 4.16.

Расчет величины удельного контактного сопротивления для разных методов изготовления представлен в таблице 4.2.

В результате проведенных расчетов определено, что введение технологии ионной имплантации через маску SiO2 толщиной 50 нм и использование подслоя кремния позволяют снизить величину удельного контактного сопротивления омических контактов транзисторов.

Из выходных характеристик определены значение максимального тока насыщения, а по передаточным – напряжение отсечки и максимальная крутизна.

На рисунке 4.17 представлены выходные характеристики транзисторов без использования легированного cap слоя с омическими контактами на основе Si/Ti/Al/Ni/Au и Ti/Al/Ni/Au. Исходя из полученных экспериментальных зависимостей, представленных на рисунке 4.15, можно сделать вывод о том, что ток стока насыщения в структуре с омическими контактами на основе Si/Ti/Al/Ni/Au оказался выше, чем в структуре с контактами Ti/Al/Ni/Au (470 мА/мм и 280 мА/мм соответственно)

На рисунке 4.18 представлены выходные характеристики транзисторов с использованием ионной имплантации как метода улучшения параметров омических контактов. Как видно из графиков, значения тока стока насыщения для структур с ионной имплантацией через маску SiO2 50 нм оказались выше, чем для остальных структур с ионной имплантацией.

На рисунке 4.19 показаны выходные характеристики исследуемых транзисторов с различной толщиной n+-cap-слоя.

Исходя из полученных экспериментальных зависимостей, представленных на рисунке 4.19 можно сделать вывод о том, ток стока насыщения в структуре с тонким сар-слоем оказался выше, чем в структуре с большей толщиной (430 мА/мм и 290 мА/мм соответственно).

Рассмотренные характеристики позволяют говорить о том, что получение низкого значения контактного сопротивления (при прочих равных условиях) позволяют увеличить значение максимального тока насыщения.

Оценка величины напряжения отсечки проводилась из передаточных характеристик, представленных на рисунках 4.18 и 4.19.

Экспериментальные зависимости показывают, что значение напряжения отсечки, при котором происходит полное закрытие канала и ток затвора стремится к нулю, составляет UЗИотс = -2,8 В для транзисторов с омическим контактом Si/Ti/Al/Ni/Au и Ti/Al/Ni/Au. Для транзисторов с ионной имплантацией UЗИотс = -2,6 В.

Для транзисторов с cap-слоем величина UЗИотс = -3,8 В. Отличие величины UЗИотс для структур с cap-слоем связано с травлением защитного слоя.

Усилительные свойства полевого транзистора характеризуются крутизной передаточной характеристики. На рисунках 4.20 и 4.21 представлены полученные зависимости крутизны транзистора от напряжения затвор-исток. Максимальное значение крутизны достигается при значении напряжения затвор-исток – 0,8 В для транзисторов без cap-слоя (рисунок 4.18) и -2,2 В для структур с cap-слоями (рисунок 4.21). Исходя из полученных экспериментальных зависимостей, величина максимальной крутизны составляет 130 мСм/мм для транзисторов без cap-слоя и 110 мСм/мм для транзисторов с cap-слоями. На рисунках 4.20 и 4.21 представлены полученные зависимости крутизны транзистора от напряжения затвор-исток.

Анализ полученных результатов, что наилучшие характеристики получены с использованием системы металлизации омических контактов на основе Si/Ti/Al/Ni/Au. Использованием данной системы обеспечивает получение наименьшего значения удельного контактного сопротивления среди рассматриваемых контактов.

Использование ионной имплантации и n+-cap слоев также позволяет улучшать характеристики транзисторов по сравнению со структурами без модификации.