Диссертация (1144206), страница 5
Текст из файла (страница 5)
В практике применения XPSспектроскопии длина λ обычно соответствует первым нескольким слоямповерхности монокристалла (1-10 A) [171]. Таким образом, XPS являетсяповерхностно-чувствительным методом.В работе использовалась XPS установка Thermo Fisher ScientificEscolab 250Xi, упрощенная схема которой приведена на рисунке 30. ДаннаяXPS установка состоит из: источника рентгеновского излучения AlKα сэнергией1486.6eV,анализатораэнергииэлектроновисистемыдетектирования (рис. 4). Использовалась стандартная геометрия XPSэксперимента: источник рентгеновского излучения устанавливался под углом54.4˚ к нормали исследуемой поверхности, а детектор фотоэлектроноврасполагался по нормали к поверхности.25Рисунок 4: Схематическое изображение реализации XPS методаРисунок 5: Схематическое изображение принципа внешнего фотоэффекта, лежащего воснове XPS методики исследования поверхностиНа рисунке 6 изображён типичный обзорный XPS спектр и спектрвысокогоразрешенияотдельногоостовногоэнергетическогоуровня.Необходимо отметить, что для задач настоящей работы информативными26являются сдвиги по энергии связи остовных уровней в XPS спектре.Стандартная обработка XPS спектра высокого разрешения, как правило,проводится путем разложения линии остовного энергетического уровняхимического элемента на отдельные линии, соответствующие определеннымхимическим связям (рис.
6). Особенность XPS спектров состоит в том, чтоиз-за большей электроотрицательности фтора энергии связи фторидовметаллов превышают энергии связи оксидов, и тем более нитридов металлов.В данной диссертационной работе широко применялось разложение уровняGa3d на химические связи Ga-N, Ga-O и Ga-F.Рисунок 6: Обзорный XPS спектр образца GaNи спектр высокого разрешения остовного уровня Ga3d,разложенного также на химические связи Ga-N, Ga-O2.6Двумерный электронный газ (2DEG) на гетерогранице AlGaN/GaNГрадиентполнойполяризациинаинтерфейсегетеропереходаAlGaN/GaN индуцирует связанный поверхностный заряд.
Для сохраненияобщей нейтральности этот связанный заряд должен быть компенсирован27свободными носителями заряда. В случае Ga-полярных AlGaN/GaN структуриндуцированный связанный заряд положителен [43, 48] и, следовательно, вквантовой яме на гетерогранице AlGaN/GaN на стороне GaN формируетсядвумерный электронный газ (2DEG) [43, 38].Рисунок 7: Формирование двумерного электронного газа на интерфейсе AlGaN/GaN в Gaface транзисторной структуре и соответствующая зонная структура [38]Нарисункетранзисторной7изображеноструктурыипоперечноесоответствующаясечениезоннаяGa-полярнойструктуранагетерогранице AlGaN/GaN.В работе [49] было показано, что даже в случае дополнительнонелегированного барьерного эпитаксиального слоя AlGaN может бытьполучена концентрация носителей в 2DEG канале превосходящая 1013 cm-2.Указанные концентрации в канале в десятки раз превышают значения,полученные для дополнительно легированных транзисторных структур наосновеAlGaAs/GaAs.Поляризационно-индуцированный2DEG,формируемый в нелегированной гетероструктуре AlGaN/GaN, типичен дляIII-нитридов.
Отсутствие легирующих примесей имеет свои преимущества,такиекак,например,высокаяподвижностьдвумерныхэлектронов,увеличение пробивных напряжений вследствие малых обратных утечек череззатвор Шоттки. Вместе с тем, существуют недостатки таких структурах,связанные с поверхностными ловушками, и в частности, с поверхностнымидонорами, на поверхности барьерного слоя AlGaN [51, 52, 53, 54].28На рисунке 8 показана зонная структура нелегированной Ga-faceгетероструктуры AlGaN/GaN.Рисунок 8: Формирование двумерного электронного газа на интерфейсе AlGaN/GaN в Gaface транзисторной структуре и изображение плотностей связанных и свободных зарядов,индуцированных поляризацией в структуре [38]На рисунке 8 схематически изображены плотности связанных зарядов(σint, σsurf и σcomp), индуцированных поляризацией в структуре на интерфейсахAlGaN/GaN и воздух/AlGaN, а также, плотность электронов в каналедвумерного электронного газа σ2DEG.
Так как материал является Ga-полярным(Ga-face)знакзарядовσintиσsurfоказываетсяположительнымиотрицательным, соответственно. Для удовлетворения общей зарядовойнейтральности структуры AlGaN наведенный заряд на поверхности долженбыть положительным и, следовательно, требуется положительный зарядσcomp. Более того, структура AlGaN/GaN дополнительно не легирована икомпенсирующий заряд в канале (2DEG) состоит из электронов, которыедолжны образовываться на поверхности AlGaN [52].292.7Эпитаксиальная структура HEMTОсновным объектом исследований являлась приборная структураAlGaN/GaN HEMT полевого транзистора. Схематичное изображение составатипичной эпитаксиальной Ga-полярной транзисторной структуры на основегетероперехода AlGaN/GaN, применяемой в данной работе, показана нарисунке 9.
Структуры были выращенной методом молекулярно-пучковойэпитаксии (MBE) на полуизолирующей 4H-SiC подложке диаметром 2дюйма.Рисунок 9: HEMT структура на основе AlGaN/GaNВпервые AlGaN/GaN HEMT с двумерным электронным газом в каналебыл получен авторами [13]. Канал HEMT транзистора, изображенного нарисунке 9, формируется на интерфейсе AlGaN/GaN в слое GaN (для Gaполярных структур, рассматриваемых в данной работе).
Прослойка AlNмежду слоями AlGaN/GaN, называемая спейсер’ом, призвана уменьшитьэффекты рассеяния носителей в канале [33, 43, 38, 49]. Спейсер обычно не30превышает 10-20 Å и приводит к увеличению концентрации носителейканале.Рост структуры заканчивается пассивирующим cap-слоем, которыйобычно составляет 20-40 Å. Данный слой GaN применяется для сглаживанияповерхностной морфологии [132] и препятствует образованию зарядовыхловушек на поверхности AlGaN [33, 38]. Подвижность и концентрациядвумерного электронного газа в канале варьируются в зависимости отсодержания алюминия в слое AlGaN в диапазонах:1300-2000 cm2/V·s и 0.81.3·1013 cm-2, соответственно.2.8Пост-ростовая технология HEMT транзистора на основеAlGaN/GaNТипичный пост-ростовой технологический маршрут изготовленияполевого транзистора включает следующие основные операции (рисунок 10):формирование омических контактовмежприборная изоляцияформирование затворов Шотткипассивация31Рисунок 10: Технологический маршрут изготовления HEMT на основе AlGaN/GaN.a) формирование омических контактов; b) плазменное травление меза изоляция; c) формированиеконтактов Шоттки; d) пассивация SiNxПредставленныетехнологическиеэтапыбудутболеедетальнорассмотрены в последующих разделах.322.8.1 Проблема омического контакте к GaN n-типаОмический контакт (ОК) — это контакт метал/полупроводник, вкоторомотсутствуетпотенциальныйбарьернаинтерфейсемеждуматериалами либо этот барьер прозрачен для туннелирорвания носителей[53].ОмическиеконтактыдемонстрируютлинейныеВольтамперныехарактеристики (ВАХ) и являются фундаментальными блоками для любогополупроводникового прибора, и обеспечивают передачу сигналов отприборов во внешнюю цепь и обратно.Сопротивлениеомическогоконтактаявляетсяважнейшимпараметром, характеризующим интерфейс, метал/полупроводник.
Полноесопротивление структуры метал/полупроводник, выражается в единицах Ω и,следовательно, зависит от площади контакта. Более удобной мерой,описывающей поведение ОК, является удельное сопротивление контактов(ρc), которое не зависит от геометрии контакта, и выражается в единицахΩ·cm2.Соотношениемеждусопротивлениемконтактаиудельнымсопротивлением контакта для структур метал/полупроводник может бытьпредставлена аналогично сопротивлению и удельному сопротивлениюрезистора.Прирассмотрениипланарныхтопологийполупроводниковыхприборов, таких как, HEMT на основе AlGaN/GaN, для описания работы ОКиспользуется термин контактное сопротивление - Rc, которое соотносится сдлиной контакта, и выражается в единицах Ω·mm.Удельное контактное сопротивление ρс может быть определеноследующим образом [56, 57]:,(2.2)где J - плотность тока, V - приложенное смещение.33В омических контактах (ОК) удельное контактное сопротивление ρcзависит от высоты барьера Шоттки (ΦB) на интерфейсе метал/полупроводники от уровня легирования в полупроводнике.Дляполупроводниковспроводимостьюn-типа(которыерассматриваются в данной работе), согласно Шоттки-Мотт соотношению,барьер Шоттки (ΦB) на интерфейсе метал/полупроводник может бытьпредставлен следующим образом:,(2.3)где Φm – работа выхода электрона из металла, а χs – сродство к электронуповерхности полупроводника.В случае рассматриваемых полупроводников n-типа, в зависимости отуровня легирования ND, могут проявляться различные механизмы транспортаносителей заряда на интерфейсе метал/полупроводник (рис.
11), вызванныеразличием толщин области пространственного заряда W на интерфейсеметал/полупроводник.Рисунок 11: Схематическое изображение различных механизмов транспорта носителейзаряда через барьер метал/полупроводник при различных уровнях легирования ND [58]34Следовательно, удельное контактное сопротивление ρc будет иметьразличные зависимости от высоты барьера ΦB, концентрации носителей ND итемпературы T.Вслучаенизкогоуровнялегированияполупроводника(ND < 1·1017 cm-3) в транспорте носителей через контакт доминируеттермоэлектронная эмиссия (TE) и удельное сопротивление контакта можетбыть описано следующим выражением [56, 57]:,(2.4)где k-постоянная Больцмана, A**-константа Ричардсона, q - заряд электрона.В этом случае ρc не зависит от уровня легирования ND и, по причине того, чтообласть пространственного заряда W достаточно широка, носители должныбыть термически возбуждены, чтобы преодолеть барьер ΦB и пройти еговершину.Для среднего уровня легирования, обычно в диапазоне от 1·1017 cm-3до1·1019 cm-3доминирующиммеханизмомтранспортаоказываетсятермополевая эмиссия (TFE).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
