Диссертация (1144206), страница 6
Текст из файла (страница 6)
В этом случае электроны термическивозбуждены до энергий, при которых вершина барьера оказываетсядостаточно тонкой, для преодоления туннелированием. В случае TFE режимаудельное контактное сопротивление может быть представлено в виде [56,57]:,(2.5)где E00 – характеристическая энергия, определяемая как [11]:,(2.6)где ε0-диэлектрическая проницаемость вакуума, ε и m*- диэлектрическаяпроницаемостьиэффективнаямассаэлектронаврассматриваемомполупроводнике, соответственно.35Для сильно легированных полупроводников, где ND превышает1·1019 cm-3 доминирует полевой механизм (FE) транспорта носителей.
Приэтомбарьероказываетсяпреодолимымдлянепосредственноготуннелирорвания электронов через него. В этом случае выражение дляудельного контактного сопротивления записывается следующим образом:(2.7)Как видно из выражения (2.7), при полевом транспорте носителейудельное контактное сопротивление сильно зависит как от величины барьераШоттки, так и от уровня легирования ND.ДляфиксированныхзначенийвысотыбарьераШотткииконцентрации носителей заряда транспорт носителей через интерфейсопределяется температурой.
Когда тепловая энергия kT намного меньше посравнению с характеристической энергией E00 начинает доминироватьтуннелирование носителей по механизму полевой эмиссии (FE). При болеевысокихтемпературах,когдатепловаяэнергиясопоставимасхарактеристической (kT≈E00) носители могут преодолевать барьер помеханизмутермополевой(TFE)эмиссии.Принамногобольшихтемпературах, т.е. при условиях, когда kT»E00 преобладает термоэлектроннаяэмиссия.Исходя из представленных выше соображений, становится ясно, чтодля получения низкого удельного сопротивления омических контактовнеобходимо подбирать металлы, обеспечивающие меньшие высоты барьеровШоттки на поверхности. На рисунке 12 представлены зависимости [58]высоты барьера Шоттки для GaN n-типа как функция работы выхода дляразличных металлов (Φm).36Рисунок 12: Зависимость высоты барьераШоттки от работы выхода металлов для GaNn-типа [58]Рисунок 13: Удельное сопротивление ОКв зависимости от работы выхода металлов[59]Как видно из рисунка 12 титан (Ti) и алюминий (Al) позволяютполучить значения высоты барьера Шоттки в диапазоне от 0.4 до 0.5 eV.
Поэтойпричине,этиметаллыявляютсянаиболееподходящимидляформирования омических контактов к GaN n-типа. Первые работы поформированию омических контактов к GaN n-типа были сфокусированы наиспользование металлов с низкой работой выхода электронов, а именно, Ti(4.33 eV) и Al (4.28 eV) [60]. При этом рассматривались высоколегированныематериалы (ND более 1018 cm-3) [61, 62].
Важно отметить, что помимо низкойработы выхода электронов титан образует на поверхности GaN соединениеTiN с еще более низкой работой выхода [63, 64] и это дополнительноуменьшает поверхностный барьер, что приводит к уменьшению ρc привплавлении [65 – 74]. Необходимо добавить, что одиночные слои металлов Tiили Al не являются оптимальными для формирования низкоомныхомических контактов на GaN n-типа. Высокая склонность к окислению Ti иAl делает их малопригодными, особенно в технологии мощных приборов, гдетребуютсястойкостьквысокимтемпературам[65].Какправило,используется сочетание слоев Ti/Al, где Al - верхний слой.
При вплавленииAlобразует с нижележащимTi стабильные фазы Al3Ti, которые37препятствуют окислению нижележащего слоя Ti [73-75] и служит барьеромдля диффузии Ni и Au в сложно компонентной металлизации контактов [65].Рядом авторов [67, 70, 71, 76, 73, 74, 77] сообщалось об образованиивакансий азота (VN) на поверхности GaN при реакции Ti и GaN привплавлении, что способствовало омическому поведению контактов.
Вакансииазота выступают в качестве доноров, легирующих поверхностный слой GaN[67, 70, 71, 76, 73, 74, 77], что приводит к сужению барьера длятуннелирорвания электронов. Также титан, взаимодействуя с поверхностьюGaN, может способствовать удалению оксида Ga2O3 с поверхности [78, 67].Металлизация омических контактов к GaN обычно представляетмногослойную структуру (рис.
14):Рисунок 14: типичная многослойная структура омического контакта к GaN n-типа [58]На рисунке 14 представлена типичная многослойная структураомического контакта. Первые контактные слои Ti/Al закрываются барьернымслоем, например, Ni или Mo, и далее следует прикрывающий слой золота(Ti/Al/Ni/Au, Ti/Al/Pd/Au, Ti/Al/Mo/Au) [79, 80, 81, 66, 67, 82, 83, 67, 84, 69,70, 85, 86, 76]. Барьерный слой (Ni, Ti, Pt, Pd, Mo, Re или Ir), как правило,обладает высокой температурой плавления (более 1400°C) для стабилизации38многослойной структуры контакта, во время вплавления, ограничиваявзаимную диффузию первых двух контактных слоев с прикрывающим слоемзолота. Также барьерный слой участвует в реакциях между металламиконтакта и отвечает за морфологию контакта [87].
Верхний прикрывающийслой служит защитой, препятствующей окислению нижележащих металлов.Обычно верхним слоем является золото [88, 74]. В недавней работе [89]показано, что золото активно участвует в формировании омическогоконтакта на HEMT структурах на основе AlGaN/GaN. Золото стимулируетпроникновение металлов вглубь эпитаксиальной структуры непосредственнок двумерному каналу транзистора [89]. При использовании TiN в качествеприкрывающего слоя подобных шунтов характерных для омическихконтактов с золотом, обнаружено не было (рис.
15). Отказ от использованиязолота был обусловлен совместимостью технологии производства приборовна основе III-нитридов с технологическими линиями для кремниевых CMOSприборов [89, 58].Рисунок 15: a) ОК с использованием золота, в качестве прикрывающего слоя;b) ОК с прикрывающим слоем TiN [89]Минимальныезначенияудельныхсопротивленийконтактов достигаются при температурах вплавленияомическихмногослойного39контакта типа Ti/Al/Ni/Au при температуре около 800°С. На рисунке 16представлено поперечное сечение TEM (просвечивающий электронныймикроскоп) - изображений образцов, отожженных при 600 ° C и 800 ° C.Очевидно, что перемешивание металлических слоев происходило уже при600°С с наличием 4 nm неоднородного эпитаксиального слоя TiN на границераздела.
С другой стороны, этот межфазный слой TiN составляет ~ 9 nmпосле отжига при 800°С, а, кроме того, присутствуют включения TiN.проникающие внутрь GaN при данной температуре отжига. Кроме того,однородный слой Al-Au-Ti наблюдается над сформированным TiN слоем.Химический анализ показал, что этот слой в основном содержит Au и Al,тогда как атомы Ti присутствуют только в небольшом количестве.
Этоуказывает на то, что межфазный слой Ti почти полностью расходуется дляобразования TiN.Рисунок 16: TEM изображение поперечного сечения образца GaNс вплавленным ОК Ti/Al/Ni/Au при температурах: a) 600°C; b) 800°C [58]Помимо варьирования композиции металлов омического контакта кGaN n – типа и температур вплавления, рядом авторов были предпринятыпопытки снизить контактное сопротивление за счет дополнительнойобработки поверхности перед напылением металлов.
Такие обработкипредставляли собой травление в водном растворе KOH или aqua regia(‘’царской водки’’) [90] или плазменное травление в газовом разряде в среде40SiCl4 [91] или Cl2/H2 [92]. В следующем разделе более детально рассмотренвопрос плазменных предобработок поверхности GaN в контексте структурполевых HEMT транзисторов на основе AlGaN/GaN.2.8.2 Роль плазменных обработок в формировании омического контактак структурам AlGaN/GaNПроблема создания омических контактов к AlGaN/GaN HEMTструктурам является одной из ключевых в создании мощных полевыхтранзисторов.
От качества контактов в значительной степени зависятэксплуатационные характеристики таких приборов (максимальная выходнаямощность, тепловые потери за счет Джоулева нагрева контактных областей,а также уровень шумов) [58, 91, 73, 63, 93, 94].Самый простой подход для формирования омических контактов кстоку и истоку HEMT транзистора на основе AlGaN/GaN заключается виспользовании схем металлизации для n-типа GaN, которые были описаныранее.
Однако для понимания формирования омического контакта кгетероструктурах AlGaN/GaN необходимо учитывать ряд важных факторов.Барьерный слой AlGaN имеет большую ширину запрещенной зоны чем GaN,которая, в свою очередь, зависит от концентрации Al в слое. Это делаетобразование омического контакта к AlGaN более сложным в сравнении с nGaN. Кроме того, гетероструктуры AlGaN/GaN обычно изготавливают,используя нелегированные слои, чтобы ограничить явление рассеянияносителей заряда и оптимизировать подвижность в 2DEG канале.
Вместе стем, проводимость канала обеспечивается высокой плотностью носителей внем. Сам канал в Ga – полярных эпитаксиальных структурах расположен награнице AlGaN/GaN на глубине 15-30 nm ниже поверхности в слое GaN. Сдругой стороны, плотность носителей в 2DEG канале зависит также и оттолщины эпитаксиального слоя AlGaN и от содержания Al [58].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
