Диссертация (1144206), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Что должнопривести к снижению поверхностного потенциального барьера за счетобразования азотных вакансий на поверхности и дальнейшему уменьшениюсопротивления омических контактов к HEMT структурам с верхнимприкрывающим слоем GaN.4.2Плазменная обработка HEMT структуры на основе III-нитридов вICP-RIE режиме [A5]Как было показано в предыдущем параграфе, при обработкеAlGaN/GaN гетероструктур с верхним cap-слоем GaN толщиной 20 Å вплазме BCl3 в ICP режиме с нулевым смещением на подложке наповерхности образуется слой BxCly, который приводит к росту контактногосопротивления в сравнении с необработанной частью образца.
Это былообъяснено недостаточно высокой энергией ионов BClx+ для удаленияповерхностного окисла и нежелательного диэлектрического слоя BxCly.Для повышения энергии ионов и более эффективного удаления окислас поверхности было предложено использовать плазму индуктивного разряда(ICP режим) в BCl3 совместно с подачей дополнительного напряжениясмещения на подложку. Это позволяет изменять энергию бомбардирующих111образец ионов независимо от источника мощности индуктивного разряда и,соответственно, от потока ионов [131, 133, 135, 144, 145] (Inductively CouplePlasma Reactive Ion Etching или ICP-RIE режим).
При это необходимо былоустановить оптимальные энергии ионов, обработка которыми дает заметноеуменьшение контактного сопротивления. Далее в данной работе методомрентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) будет показано, чтооптимальный режим ICP-RIE обработки позволяет существенно уменьшитьповерхностный окисел и потенциальный барьер на поверхности GaN за счетобразования донорных центров в поверхностном слое.Использовался образец, подготовленный по методике, описанной вышев начале данной главы. Исследуемая пластина помещалась в камеруустановки, где поочередно обрабатывались три из четырех четвертей вразряде BCl3 в ICP-RIE режиме. При этом необрабатываемые четвертизакрывались кварцевой маской.
Каждая четверть обрабатывалась в течение 1минуты. Для обработки применялся следующий режим: рабочее давление вкамере – 10 mTorr; поток газа BCl3 – 10 sccm. Мощность индуктивногоразряда фиксировалась на протяжении всего эксперимента и составляла 200W при частоте 2 MHz. Мощность источника напряжения смещения причастоте 13.56 MHz варьировалась так, чтобы зафиксировать величинунапряжения смещения 20, 40 и 60 V и, как следствие, среднюю энергиюионов, бомбардирующих подложку, пропорциональной этим напряжениям иблизким к ним по величине. Четвертая четверть пластины не обрабатывалась,т.е.
служила эталонной частью. После этого пластина незамедлительнопомещалась в установку электроннолучевого напыления металлов, гденапылялисьметаллыконтактаTi/Al/Ni/Au.Далеепоследовательнопроизводилось вплавление (RTA) омических контактов при температуре830°C в атмосфере азота и травление межприборной изоляции в плазмеBCl3/Ar, а затем и измерение контактного сопротивления методом длиннойлинии (TLM).112Для XPS исследования была подготовлена пластина, выращеннаяметодомMBEводномпроцессесобразцом,описаннымвыше.Приготовленная пластина прошла обработку в кислородной плазме и 3%водном растворе HCl. После этого пластина была разделана на три части (тритестовых образца). Два из трех образцов прошли обработку в BCl 3 плазме наустановкеICP-RIEврежиме,описанномранее.Первыйобразецобрабатывался при напряжении смещения на подложке 20 V, а второй принапряжении смещения равном 40 V.
Третий образец служил эталоном и необрабатывался.Исследования химического состава и валентной зоны поверхностногослоя GaN проводились методом XPS на комплексном фотоэлектронном ирастровом250Xi.оже-электронномПоверхностныйотслеживаяостовныефотоэлектронныхспектрометрехимическийуровниспектровThermoFisherScientificEscalabсоставGa3d,слояN1s,использовалсяO1s.GaNопределялся,Длялабораторныйизмеренияисточникмонохроматизированного рентгеновского излучения (AlKα) с энергиейфотонов 1486.6 eV с одновременным использованием электронно-ионнойсистемы компенсации заряда поверхности образца.По результатам TLM измерений на пластине, прошедшей обработку вBCl3 плазме перед формированием омических контактов, были полученыследующие значения сопротивлений омических контактов (см.
Таб. 4).113Номерчетверти1Напряжениесмещения[V]20Сопротивлениеконтактов[Ω·mm]0.54Скоростьтравления[A/s]~02400.45~0.33600.51~0.54Без0.53-обработкиТаблица 4: Результаты измерения сопротивления омических контактов и скоростейтравления на образцах, обработанных в ICP-RIE режиме в BCl3 плазме при различныхнапряжениях смещения на подложкеКак видно из таблицы 4. в результате обработки поверхности 20Å GaNcap-слоя HEMT структуры в ICP-RIE режиме с напряжением смещения наподложке равным 40 V удалось получить ощутимое снижение сопротивленияомических контактов по сравнению с эталонным образцом, т.е.
по сравнениюснеобработаннойчастьюподложки(уменьшениеконтактногосопротивления достигает 15%). Однако, при обработке поверхности GaN снапряжениемсмещениянаподложкеравным60 Vнаблюдаетсянезначительное уменьшение контактного сопротивления лишь на 4%относительно эталонной области. При обработке же с напряжениемсмещения на подложке равным 20 V наблюдается даже рост контактногосопротивления примерно на 2%.В первую очередь, следует отметить, что обработка поверхности GaNионами из плазмы BCl3 со средними энергиями, не превышающими 20 eV,по-видимому, не позволяет полностью удалять паразитную пленку BxCly [А3]и поверхностный окисел [113, 187], что и приводит к росту сопротивленияомических контактов [А3]. Необходимо добавить, что при обработке вуказанном режиме скорость травления слоев AlGaN/GaN практическинулевая (~0 Å/s), что было определено с помощью атомно-силовоймикроскопии (AFM) после обработки образцов в течение 10 и 20 минут.
При114обработке поверхности GaN ионами из плазмы BCl3 cо средней энергией60 eV наблюдается незначительное снижение контактного сопротивления, нопри этом скорость травления слоев AlGaN/GaN довольно высока и равняетсяуже ~ 0.5 Å/s. Таким образом, можно заключить, что данный режим,характеризующийся сравнительно высокой скоростью травления, можетпривести к полному стравливанию верхнего cap-слоя 20 Å GaN.
При этомомический контакт будет формироваться на нижележащем широкозонномэпитаксиальном слое AlGaN, что сопряжено с более высоким поверхностнымбарьером и как следствие этого, более высоким сопротивлением омическихконтактов [87, 58, 191]. Этим можно объяснить тот факт, что при обработке снапряжением смещения равным 60 V контактное сопротивление падаетнезначительно. Обработка же поверхности GaN в плазме BCl3 со среднейэнергией ионов равной 40 eV дает заметное снижение сопротивлениеомических контактов на AlGaN/GaN HEMT структуре.
При этом, скоростьтравления слоев AlGaN/GaN не превысила 0.3 Å/s. По-видимому, обработкаповерхности GaN cap-слоя HEMT структуры в плазме BCl3 в ICP-RIE режимесо средними энергиями ионов равными 40 eV позволила эффективно удалитьповерхностныйокиселиснизитьповерхностныйбарьерзасчетформирования на поверхности донорных вакансий азота, что в результатедало заметное уменьшение сопротивления омических контактов [A4].Результаты анализа XPS спектров, приведенные ниже, подтверждают данноепредположение.Для анализа процессов на поверхности GaN проводились XPSизмерения образцов после обработки ионами с энергиями 20 и 40 eV и безобработки.
Образец, подвергнутый обработке ионами с энергией 60 eV, былисключен из XPS измерений из-за достаточно высокой скорости травленияслоев AlGaN/GaN и возможности полного стравливания в процессеобработки в течение 1 минуты верхнего cap-слоя структуры толщиной всего20 Å.115Рисунок 56: XPS спектры энергетического положения уровня Ga3d.
1 – необработанныйобразец; 2 – обработка в BCl3 плазме при напряжении смещения 20 V; 3 – обработка принапряжении смещения 40 V. Стрелки указывают положение максимума XPS спектров.Спектры смещены по вертикали для ясности116Рисунок 57: XPS спектры потолка валентной зоны. 1 – необработанный cобразец; 2 –обработка в BCl3 плазме при напряжении смещения 20 V; 3 – обработка при напряжениисмещения 40 V. Спектры смещены по вертикали для ясности.
Пунктирные линиисоответствуют нулевому уровню XPS сигнала. Прямые линии – результат линейнойэкстраполяции низкоэнергетического края XPS спектров. Стрелки указывают точкипересечения уровня нулевого сигнала с результатом линейной экстраполяции XPSспектровКак видно из рис. 56, при обработке AlGaN/GaNHEMT структуры с20 Å cap-слоем GaN в ICP-RIE режиме энергетическое положение уровняGa3d сдвигается в сторону больших энергий связи. Такой сдвиг составляет0.2 и 0.5 eV в случае обработки с напряжениями смещения на подложкеравными 20 и 40 V соответственно.
Сдвиг энергетического положенияуровня Ga3d в сторону больших энергий связи может быть объяснен сдвигомповерхностного уровня Ферми (EF) к дну зоны проводимости (Ec) [192]. Это всвою очередь свидетельствует об уменьшении высоты поверхностногобарьера (Eb). Такая эволюция высоты потенциального барьера можетпроисходить в результате образования дефектов донорного типа, таких каквакансии азота (Nv) [193], на поверхности GaN, и соответственно за счетроста поверхностной концентрации электронов.
При этом наблюдаетсяотмеченное выше уменьшение сопротивления омических контактов.117На рис. 57 представлены XPS спектры потолка валентной зоны GaNповерхности образцов. Энергия связи 0 eV на оси абсцисс соответствуетэнергетическому положению уровня Ферми (EF) поверхности GaN [194].Энергетическое положение потолка валентной зоны (Ev) было определено(см. рис. 57) путем линейной экстраполяции низкоэнергетического края XPSспектра, аналогично [113, 194].
Экспериментально определенная (см. рис. 57)величина ∆ = EF-EV позволяет определить поверхностный барьер (Eb),поскольку Eb=Ec - EF=Eg- ∆, где Eg – ширина запрещенной зоны, равная дляGaN 3.4 eV. Как видно из рис. 57 обработка в BCl3 плазме приводит куменьшению поверхностного барьера. При этом обработка в режиме сосредней энергией ионов равной 40 eV является наиболее эффективной, таккак при этом понижение поверхностного барьера по сравнению снеобработанным образцом составляет порядка 420 meV.Наблюдаемые закономерности в высокоэнергетическом сдвиге уровняGa3d и понижении поверхностного барьера мы связываем с образованиемдонорных вакансий в слое GaN [A4].Рисунок 58: XPS спектры энергетического положения уровня N1s.
1 – необработанныйобразец; 2 – обработка в BCl3 плазме при напряжении смещения 20 V; 3 – обработкапри напряжении смещения 40 V118На рис. 58 показано изменение энергетического положения уровня N1sпри обработке в BCl3 плазме. Видно, что имеет место сдвиг уровня N1s всторону больших энергий связи, что ранее отмечалось авторами работы[195]. Это, вероятно, также связано с образованием вакансий азота наповерхности.Рисунок 59: Разложение XPS спектра уровня Ga3d на компоненты, отвечающиехимическим связям Ga – N и Ga – O с помощью свертки функций Гаусс-Лоренца.
1 –экспериментальный спектр; 2 – компонента Ga – N, полученная в результате разложенияспектра; 3 - компонента Ga – O; 4 – фоновый XPS сигнал; 5 – полная аппроксимацияэкспериментального спектраa - необработанный образец; b – обработка в BCl3 плазме при напряжениисмещения 20 V; c – обработка при напряжении смещения 40 V.На рис. 59 представлено разложение XPS спектра уровня Ga3d накомпоненты, отвечающие химическим связям Ga – N и Ga – O, используясвертку функций Гаусс-Лоренца. Как можно видеть, в результате обработкизаметно уменьшается доля компоненты, отвечающей Ga – O связям. Этосвидетельствует о том, что при обработке в BCl3 плазме происходит119эффективное удаление окислов с поверхности GaN. На рис. 60 показаноотношение площадей компонент, соответствующих Ga-O и Ga-N, котороенаглядно демонстрирует уменьшение окисла на поверхности в результатеплазменной обработки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
