Диссертация (1144206), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Удаление окисла может происходить за счетобразования летучих соединений типа (BOCl)x, как было отмечено в [183,187].Рисунок 60: Отношение площадей компонент Ga – O к Ga – N, полученное из анализа XPSспектра уровня Ga3d, в зависимости от напряжения смещения при плазменной обработкеНа рисунке 61 показано изменение отношения Ga/N в поверхностномслое, полученное из анализа XPS спектров уровней Ga3d и N1s. Как можновидеть, в результате плазменной обработки происходит существенноеуменьшение содержания азота на поверхности, т.е.
определенно имеет местообразование азотных вакансий. При этом наиболее насыщенная галлиемповерхность образуется в результате обработки в режиме с напряжениемсмещения на подложке равным 40 V. Следовательно, этот режим плазменной120обработки поверхности GaN в разряде BCl3 является оптимальным, с точкизрения эффективного удаления окисла, формирования донорных азотныхвакансий и сохранения cap-слоя HEMT структуры как такового.Рисунок 61: Отношение Ga/N, полученное из анализа XPS спектров уровней Ga3d и N1s,в зависимости от напряжения смещения при плазменной обработкеТаким образом, нами был установлен режим обработки в BCl3 плазме,позволяющий заметно снизить сопротивление омических контактов наAlGaN/GaN HEMT структуре [A4]. Была продемонстрирована ключевая рольнапряжения смещения на подложке или, другими словами, средней энергииионов, бомбардирующих поверхность верхнего GaN cap– слоя структуры.Обработка поверхности структуры в BCl3 плазме в ICP-RIE режиме снапряжением смещения на подложке равным 40 V позволяет уменьшитьповерхностный потенциальной барьер за счет образования донорныхвакансий азота и эффективно удалять поверхностный окисел, что в итогеприводит к уменьшению сопротивления омических контактов.
Необходимо121подчеркнуть, что полученные экспериментальные результаты хорошосогласуютсяснедавнополученнымирезультатамичисленногомоделирования [196].4.3Пост-ростовая обработка HEMT структур AlGaN/GaN в ICP-RIEрежиме в плазме BCl3На стандартной структуре, описанной в ранее (см. главу 2, п. 2.1) былавыращена HEMT структура AlGaN/GaN на SiC подложке с верхнимприкрывающим слоем толщиной 40 Å. Режим эпитаксиального роста былоптимизирован для получения более гладкой морфологии поверхности GaN.Этот режим роста характеризуется обогащенными аммиаком условиямиэпитаксиального роста [33].
Полученная Ga-полярная структура, при этом,склонна к образованию поверхностного слоя галлия [197]. В структуруповерхности при таких условиях, как правило, охотно встраиваетсякислород, который приводит к дальнейшим искажениям характеристикприборов [198].После MBE роста пластина была поделена на два образца. Первыйобразец был незамедлительно передан на XPS исследование химическогосостава поверхности. Второй образец подвергся пост-ростовой обработке вразряде BCl3 в течение 30 секунд в оптимизированном ICP-RIE режиме снапряжением смещения на подложке равным 40 V.122Рисунок 62: Разложение XPS спектра остовных уровней Ga3d и N1s на образце с верхнихcap-слоем толщиной 40 Å после MBE ростаНа рис. 62 представлены XPS спектры высокого разрешения остовныхэнергетических уровней Ga3d и N1s, полученные из анализа поверхностиверхнего cap-слоя GaN HEMT структуры сразу после MBE роста.
Как можновидеть из рис. 62 образец сразу после процесса роста демонстрирует большоеколичество сорбированного на поверхности оксида и гидроксильных групп(связи N-OH в спектре разложения остовного уровня N1s и Ga-O вразложении Ga3d).На рис. 63 представлены XPS спектры высокого разрешения остовныхэнергетических уровней Ga3d и N1s, полученные из анализа поверхностиверхнего cap-слоя GaN HEMT структуры, которая была обработана в плазмеBCl3 в ICP-RIE режиме, описанном ранее, с напряжением смещения наподложке равным 40 V в течение 30 секунд. Как можно видеть на рис. 63 вразложении уровня Ga3d существенно снизилось содержание оксида галлия,т.е.
химической связи Ga-O, а в разложении остовного энергетическогоуровня N1s не наблюдается химическая связь с гидроксильной группой NOH. Можно заключить, что пост-ростовая обработка HEMT структур воптимизированном ICP-RIE режиме в газовом разряде BCl3 позволяетэффективно удалять с поверхности GaN сорбированные соединения иоксидную пленку.123Рисунок 63: Разложение XPS спектра остовных уровней Ga3d и N1s на образце с верхнихcap-слоем толщиной 40A после обработки в BCl3 плазмеТаким образом, можно сформулировать следующие выводы изрезультатов главы, описанной выше.Плазменная обработка в среде BCl3 в ICP-режиме верхнего cap-слояGaN HEMT транзисторной структуры может приводить к образованиюполимерной диэлектрической пленки типа BxCly на GaN поверхности,которая, в свою очередь, приводит к росту сопротивления омическихконтактов.Обработка поверхности GaN в ICP-RIE режиме в среде BCl3 соптимальным напряжением автосмещения на подложке равным 40 V(оптимальной энергией ионов, бомбардирующих поверхность) позволяетэффективно удалять поверхностную оксидную пленку GaxOy, препятствоватьобразованию полимера BxCly, а также приводит к формированию азотныхдонорных вакансионных дефектов и снижает величину поверхностногопотенциального барьера для транспорта электронов.
Эти факторы, всовокупности, уменьшают величину сопротивления омических контактов кHEMT структурам на основе AlGaN/GaN.124Пост-ростовая обработка HEMT структур в оптимизированном ICP-RIEрежиме в газовом разряде BCl3 позволяет эффективно удалять с поверхностиGaN сорбированные соединения и оксидную пленку.1255 Исследование воздействия плазы разряда в SF6 наповерхностные свойства HEMT структур на основе IIIнитридов [A6]5.1Возрастание пробивного напряжения HEMT структуры врезультате плазменной обработки в газовом ВЧЕ разряде в среде SF6На структурах с нанесенными контактами Ni/Au (контакты Шоттки)было установлено, что плазмохимическая обработка HEMT структуры в ВЧЕразряде приводит к существенному увеличению пробивного напряженияHEMT приборных структур.
Обработка производилась на установке ICP-RIE(см. параграф 3.5) в ВЧЕ (RIE) режиме, т.е. ВЧ мощность подавалась толькона нижний электрод, на котором находился обрабатываемый образец. Потокгаза SF6 составлял 30 sccm, давление в камере 10 mTorr, мощность,вложенная в разряд – 15 W и напряжение автосмещения на подложке непревышало 40 V. При этом на временах обработки порядка 10-20 минут вописанном режиме не происходило заметного травления структуры, котороеможно было измерить с помощью профилометра или атомно-силовогомикроскопа.Гексафторидсеры(элегаз)газизвестныйсвоейвысокойэлектрической прочностью. Это определило его основное применение вэнергетике, особенно в мощных коммутационных аппаратах (элегазовыевыключатели и расцепители). В настоящей работе гексафторид серы (SF6)использовался как рабочий газ газового разряда низкого давления.
Этот газявлялся источником фтора, как атомарного, так и ионизованного.На рис. 64 можно наблюдать ВАХ, демонстрирующие изменениенапряжение пробоя между тестовыми металлическими контактами врезультатеплазменнойобработки.Врезультатеплазмохимическойобработки в газовом разряде SF6 пробивные напряжения на контакте Ni/Au126возросли с 32 В на необработанной части структуры до, как минимум, 150 Вна обработанной в разряде SF6 части структуры (см. рис.
64). Наблюдаемыйэффект в целом не противоречит данным работ [199 – 203], несмотря наCurrent, Aотличия в методике проведения эксперимента.10-310-310-410-410-510-510-610-610-710-710-810-910-1010-1110-81210-910-10Breakdown-140 -120 -100 -80 -60Voltage, V-40-20010-11Рисунок 64: Типичная Вольтамперная характеристика тестового элемента сметаллическими контактами Ni/Au без (1) и после (2) плазмохимической обработки в SF65.2Анализ состояния поверхности, подвергнутой обработке в плазмеSF6, методом XPSНа (рис. 65) представлены разложения XPS спектров уровня Ga3d накомпоненты, отвечающие химическим связям.
На (рис. 65 a) показаны XPSспектры образца, необработанного в плазме. Здесь также представленоразложение уровня Ga3d на химические связи Ga–N и Ga–O. На (рис. 65 b)приведены XPS спектры образца после обработки в плазме SF6. Видно, чтоXPS-линии Ga3d приобрели сильную асимметрию, что мы связываем сзамещением оксида галлия на фторид галлия (GaF3). На (рис. 65 b) такжепредставлено разложение уровня Ga3d на химические связи Ga–N и Ga–F.Можно видеть, что произошло замещение атомов кислорода атомами фтора с127образованием более прочной химической связи. Последнее объясняется тем,что энтальпия образования связи Ga–F существенно нише, чем Ga–O исоставляет 6.0±0.2 eV против 3.7±0.4 eV [39, 40].Описанное ранее (см.
параграф 5.1) увеличение поверхностного пробояHEMTструктурможетбытьсвязаносуменьшениемплотностиповерхностных состояний за счет замещения поверхностной оксиднойпленки типа GaxOy на более прочную пленку типа GaFx.aIntensity, a. u.123452826242220181614Binding energy, eVbIntensity, a. u.123452826242220181614Binding energy, eVРисунок 65: Разложение XPS-спектра уровня Ga3d на компоненты, отвечающиехимическим связям Ga−N и Ga−O, с помощью свертки функций Гаусс−Лоренца: a —необработанный образец, b — обработка в плазме SF6; 1 — экспериментальный спектр,2 — компонента Ga−N, полученная в результате разложения спектра, 3 — компонентаGa−O, 4 — фоновый XPS-сигнал, 5 — полная аппроксимация экспериментального спектра128На (рис. 66) представлены спектры профиля потолка валентной зоныобразцов без плазменной обработки и с таковой.
Пики, обозначенные, как PIи PII, приписываются взаимодействиям Ga4s–N2p и Ga4p–N2p и соотносятсяс s и p типами орбитальных состояний валентной зоны [194]. Поопубликованным данным [194, 205], соотношение амплитуд этих пиков PI(~5 eV) и PII (~10 eV) обычно коррелирует с полярностью поверхности:преобладание пика PI отвечает Ga-полярной поверхности у слоев GaN, в товремя как преобладание PII отвечает N-полярной поверхности.120Intensity, a.
u.100PI1280PIIS6040200-4-20246810 12 14 16Binding energy, eVРисунок 66: 1 — XPS спектр потолка валентной зоны структуры без плазмохимическойобработки;2 — XPS-спектр потолка валентной зоны структуры после плазмохимической обработки вгазовом разряде SF6Более детально связь отношения максимумов пиков PII:PI с типомнаблюдаемой полярности была описана D. Skuridina и соавторами [206].Авторы [206] утверждают, что, если отношение PII:PI превышает 1.05, тоструктура имеет N-полярную поверхность.
Отношение пиков PII:PI наобразце, подверженном плазменной обработке в разряде SF6 составило~1.065 (рис. 66), что, следуя указанной логике, могло бы говорить обобразовании смешанной полярности или даже об инверсии поверхностнойполярности и получении N-полярной поверхности GaN (N-face). Область S~8 eV (рис. 66) между пиками PI и PII в спектре потолка валентной зоны129ассоциирована при этом со смешанными орбитальными состояниями илиповерхностной адсорбцией [206-207]. На образце, не подверженномплазменной обработке в разряде SF6, эта область спектра имеет существенноменьшую интенсивность по сравнению с обработанным плазмой SF6образцом, что может быть связано с образованием соединений типа GaFx наповерхности обработанного образца.Наблюдаемые эффекты [A6] представляют большой интерес, с учетомтого, что полярность нитридов III группы при гетероэпитаксии начужеродныхподложках,особенностямипоустоявшемусязародышеобразованияимнению,определяетсяпоследующегоразращиваниякристаллических блоков [208].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
