Диссертация (1144206), страница 2
Текст из файла (страница 2)
За прошедшую четверть века с момента появленияпервого полевого транзистора на кристалле GaN [1] большое развитиеполучили исследования и разработки в области силовой и СВЧ электроникина основе III-нитридов. Компонентная база на основе III-нитридов ужесейчас превосходит по своим характеристикам аналоги на основе кремния(Si), арсенида галлия (GaAs) и карбида кремния (SiC) [2]. Это обусловленоцелым рядом уникальных физических свойств III-нитридов, таких как:высокая механическая прочность, термическая стабильность, высокаятеплопроводность, химическая инертность, высокие напряжения пробоя идругие электрические свойства, связанные с большой шириной запрещеннойзоны.
Эти преимущества III-нитридов открыли также новые возможности воптоэлектронике, которые привели к появлению светоизлучающих приборов,работающих в диапазоне от зеленой до ультрафиолетовой области спектра[3]. Экстраординарные свойства III-нитридов, и, в частности, GaN, сделалиэтотматериалключевымдлясозданиямощных,малошумящихивысокочастотных полупроводниковых приборов [4]. Пьезоэлектрическая испонтанная поляризация, возникающая в GaN, приводит к образованиюдвумерногоэлектронногогаза(2DEG)высокойконцентрациина5гетерогранице AlGaN/GaN [5].
В результате полевые транзисторы с высокойподвижностью носителей в канале (HEMTs) на основе AlGaN/GaNоказываются способными обеспечивать существенно большие плотноститока чем другие HEMT на основе III-V материалов [2, 4].Постростовая технология создания HEMT транзистора на основеAlGaN/GaN подразумевает, в силу химической инертности материалов,использование плазменных методов травления и обработки поверхности дляформированиятопологииприбораиулучшениясуществующиххарактеристик транзистора [6].
Плазменное травление широко применяется втехнологических маршрутах HEMT транзисторов на основе III-нитридов дляформирование приборной топологии [7]. Следуют подчеркнуть, чтосуществуют также и плазменные методы обработки поверхности, которые вотличие от традиционного травления (удаление материала), призванымодифицировать поверхностный химический состав полупроводниковыхструктурдляулучшенияэксплуатационныххарактеристикHEMTтранзисторов. Энергии ионов, бомбардирующих структуру, в процессеплазменных обработок играют ключевую роль в процессах модификацииповерхности с целью получения нужного поверхностного химическогосостава.
Контроль энергии ионов при плазменных обработках необходимтакже для минимизации поверхностных повреждений GaN приборнойструктуры,чтоважнодлядостижениявысокихэксплуатационныххарактеристик HEMT транзисторов.Диагностическиеметодыконтроляспектраэнергииионов,бомбардирующих приборную структуру, такие как энергоанализаторы [8],оказываются крайне важны для оптимизации плазменных технологическихпроцессов для HEMT транзисторов на основе III-нитридов.6Цели работыЦелью работы явилось исследование и оптимизация плазменныхпроцессов обработки поверхности HEMT структур на основе III-нитридов, атакже разработка и создание планарного энергоанализатора для in-situдиагностикиплазменныхтехнологическихрежимовсцельюихпоследующей оптимизации.Задачи, поставленные в работеВсоответствиисобозначеннымицелямиработыбылисформулированы следующие задачи:1.
Исследовать механизм влияния обработки поверхности верхнего GaN capслоя HEMT AlGaN/GaN структуры в BCl3 плазме на формированиеомических контактов к структурам HEMT транзисторов на основе IIIнитридов.2. Изучить механизм воздействия плазмы газового разряда в среде SF6 наповерхностные свойства и пробивные напряжения HEMT структур наоснове III-нитридов.3. Исследовать воздействие N2 плазмы на DC характеристики HEMTтранзистора на основе III-нитридов.4. Разработать и создать с использованием методов микроэлектроникипланарный энергоанализатор способный работать непосредственно вплазменныхреакторахдифференциальнойоткачки.безиспользованияПроверитьдополнительнойработоспособностьтакогоэнергоанализатора.Научная новизна и практическая ценность1- Впервыеэкспериментальнопродемонстрировано,чтоплазменнаяобработка GaN cap-слоя HEMT структуры на основе AlGaN/GaN в среде7BCl3 в ICP-режиме приводит к образованию полимерной пленки типаBxCly на поверхности cap-слоя.
Возникновение полимерной пленки BxClyсвязано с тем, что при обработке cap-слоя GaN в ICP-режиме энергияионов, бомбардирующих поверхность недостаточна для устранения BxClyпленки и эффективного удаления поверхностного оксида в виде летучихсоединений типа BOCl. Полимерная пленка BxCly приводит к ростуудельного контактного сопротивления по сравнению с необработанной вICP-режиме частью полупроводниковой структуры.2.
Впервые показано, что обработка GaN cap-слоя в BCl3 плазме сиспользованиемICP-RIEрежимапозволяетзаметноснизитьсопротивление омических контактов к AlGaN/GaN HEMT структурам. Этосвязано с тем, что существует оптимальная величина напряженияавтосмещениянаподложке,равная40 V,котораяпозволяетпрепятствовать образованию полимера BxCly и эффективно удалятьоксидную плену GaxOy, и в тоже время обеспечивает существенноеснижение поверхностного потенциального барьера для транспортаэлектронов.3- Экспериментально продемонстрирована ключевая роль напряжениясмещения на подложке или, другими словами, средней энергии ионов,бомбардирующих поверхность верхнего GaN cap–слоя структуры приобработке в BCl3 плазме в ICP-RIE режиме, в удалении поверхностнойоксидной пленки и уменьшению поверхностного барьера за счетобразования донорных вакансий азота, что в итоге приводит куменьшению сопротивления омических контактов.4- Показано, что при оптимальном напряжении смещения на подложке приобработке поверхности cap-слоя GaN в ICP-RIE режиме в среде BCl3 непроисходит образование полимерной пленки BxCly.
Это связано с тем, чтопри плазменной обработке с напряжением автосмещения на подложке8больше либо равным 40 V происходит эффективное удаление полимераBxCly за счет ионной бомбардировки.5. Экспериментально установлен режим плазмохимической обработки вемкостном газовом разряде в среде SF6 поверхности верхнего «cap-слоя»GaN HEMT-структур на основе AlGaN/GaN, который приводит ксущественномуувеличениюнапряженияповерхностногопробояAlGaN/GaN HEMT структур. Увеличение напряжения поверхностногопробоя HEMT структур может быть связано с уменьшением плотностиповерхностных состояний за счет замещения поверхностной оксиднойпленки GaxOy на пленку типа GaFx.6.
Впервыеэкспериментальнопоказано,чтоплазменнаяобработкаповерхности GaN в емкостном газовом разряде в среде SF6 приводит кобразованию смешанной поверхностной полярности или даже инверсииповерхностной полярности GaN. Это может быть вызвано изменениемповерхностного химического состава за счет встраивания фтора вприповерхностные слои GaN.7. Экспериментальное исследование воздействияN2 плазмы наDCхарактеристики HEMT транзистора на основе III-нитридов показало, чтоплазменная обработка на частоте возбуждения разряда 100 kHz приводитк существенному падению тока насыщения транзисторов, что связано созначительным падением подвижности носителей в канале полевоготранзистора за счет образования кулоновских рассеивающих центров наповерхности.8.
Разработан и создан с использованием методов микроэлектроникипланарный энергоанализатор способный работать непосредственно вплазменныхреакторахдифференциальнойбезоткачки.использованияАтакжедополнительнойпроведенапроверкаработоспособности такого планарного энергоанализатора.99. Разработанныеповерхноститехнологическиеуспешноплазменныеапробированыипроцессывнедренывобработкиреальныетехнологические маршруты создания HEMT транзисторов на основе IIIнитридов.Объекты и методы исследованияОсновным объектом исследований являлась приборная структураAlGaN/GaNHEMTполевоготранзистора,выращеннаяметодоммолекулярно-пучковой эпитаксии на SiC подложке.
Плазменные обработкиGaN поверхности HEMT структур производились в средах BCl 3, SF6 и N2 науниверсальной плазменной установке с использованием как ICP, так и ICPRIE режимов, а также в ряде случаев в условиях RIE емкостного разряда(CCP). Для определения спектра энергии ионов в емкостном газовом разрядев среде N2 применялся стандартный энергоанализатор, работающий в камерес дифференциальной откачкой. Для контроля хода плазменных процессовиспользовалось также измерение оптических спектров излучения плазмы.Измеренияэлектрическиххарактеристикструктур(сопротивленияомических контактов, напряжений пробоя на тестовых контактах Шоттки,токов насыщения транзисторных структур) проводилось на зондовойэлектрической станции.
Поверхностный химический состав образцов GaNHEMT структур до и после плазменных обработок определялся методомрентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS).Научные положения, выносимые на защиту1. Плазменная обработка поверхности cap-слоя GaN HEMT структуры врежиме ICP в среде BCl3 приводит к образованию на поверхностиполимернойдиэлектрическойпленкитипаBxCly.Возникновениеполимерной пленки BxCly связано с тем, что при обработке cap-слоя GaN в10ICP-режиме энергия ионов, бомбардирующих поверхность недостаточнадля устранения BxCly пленки и эффективного удаления поверхностногооксида в виде летучих соединений типа BOCl.
Присутствие пленки BxClyна поверхности cap-слоя является причиной возрастания сопротивленияомических контактов к HEMT структурам на основе AlGaN/GaN.2. Существуетоптимальнаявеличинаавтосмещениянаподложке,определяющая среднюю энергию ионов, бомбардирующих поверхностьGaN cap-слоя HEMT структуры в режиме ICP-RIE обработки в BCl3плазме, которая препятствует образованию полимера BxCly и позволяетэффективно удалять поверхностную оксидную пленку GaxOy, и в тожевремяобеспечиваетсущественноеснижениеповерхностногопотенциального барьера для транспорта электронов. Оптимальнаяобработка в BCl3 плазме поверхности GaN cap-слоя HEMT структуры даетвозможность получить низкое сопротивление омических контактов.3. Плазменная обработка поверхности верхнего GaN cap-слоя HEMTструктур на основе AlGaN/GaN в емкостном газовом разряде в среде SF6приводит к существенному увеличению напряжения поверхностногопробоя AlGaN/GaN HEMT структур за счет модификации поверхностногохимического состава путем замены поверхностного оксида на пленку типаGaFx.4.
Плазменная обработка поверхности GaN в емкостном газовом разряде всреде SF6 приводит к образованию смешанной поверхностной полярностиили даже инверсии поверхностной полярности GaN, что обусловленовстраиванием фтора в приповерхностные слои GaN.5. Разработанный и методами микроэлектроники и плазменного травлениясозданный планарный энергоанализатор позволяет проводить измеренияспектров энергий заряженных частиц непосредственно в технологическихреакторах без использования камер с дифференциальной откачкойпроцессов для HEMT транзисторов на основе III-нитридов.11Достоверность полученных результатовДостоверность полученных результатов определяется использованиемсовременныхэкспериментальныхметодик,воспроизводимостьюрезультатов, а также согласием полученных результатов с существующимилитературными данными.Апробация работыОсновные результаты диссертационной работы докладывались нароссийских и международных конференциях и семинарах:1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
