eng
Выпуск #2/2023
А.В.Неженцев, К.А.Царик
АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ ВЖИГАЕМЫХ И НЕВЖИГАЕМЫХ ОМИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ К НАНОГЕТЕРОСТРУКТУРАМ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ГАЛЛИЯ
АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ ВЖИГАЕМЫХ И НЕВЖИГАЕМЫХ ОМИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ К НАНОГЕТЕРОСТРУКТУРАМ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ГАЛЛИЯ
Просмотры: 730
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.114.122
В работе рассмотрены технологические особенности изготовления омических контактов с сопротивлениями от 0,025 до 0,4 Ом ∙ мм к наногетероструктурам на основе нитрида галлия. Установлено, что невжигаемые омические контакты являются наиболее подходящими для освоения рабочих частот вплоть до терагерцового диапазона.
В работе рассмотрены технологические особенности изготовления омических контактов с сопротивлениями от 0,025 до 0,4 Ом ∙ мм к наногетероструктурам на основе нитрида галлия. Установлено, что невжигаемые омические контакты являются наиболее подходящими для освоения рабочих частот вплоть до терагерцового диапазона.
Теги: gallium nitride nanoheterostructure ohmic contact наногетероструктура нитрид галлия омический контакт
Получено: 8.02.2023 г. | Принято: 15.02.2023 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.114.122
Научная статья
АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ ВЖИГАЕМЫХ И НЕВЖИГАЕМЫХ ОМИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ К НАНОГЕТЕРОСТРУКТУРАМ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ГАЛЛИЯ
А.В.Неженцев1, к.т.н., инженер, ORCID: 0000-0002-9670-5616 / neghaleshka@mail.ru
К.А.Царик1, к.т.н., нач. лаб., ORCID: 0000-0002-8218-7774
Аннотация. В работе рассмотрены технологические особенности изготовления омических контактов с сопротивлениями от 0,025 до 0,4 Ом ∙ мм к наногетероструктурам на основе нитрида галлия. Установлено, что невжигаемые омические контакты являются наиболее подходящими для освоения рабочих частот вплоть до терагерцового диапазона.
Ключевые слова: омический контакт, нитрид галлия, наногетероструктура
Для цитирования: А.В. Неженцев, К.А. Царик. Аналитический обзор методов получения вжигаемых и невжигаемых омических контактов к наногетероструктурам на основе нитрида галлия. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 2. С. 114–122. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.114.122
Received: 8.02.2023 | Accepted: 15.02.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.114.122
Original paper
ANALYTICAL REVIEW OF METHODS FOR PRODUCING ALLOYED AND NON-ALLOYED OHMIC CONTACTS TO GALLIUM NITRIDE NANOHETEROSTRUCTURES
A.V.Nethentsev1, Cand. of Sci. (Tech), Engineer, ORCID: 0000-0002-9670-5616 / neghaleshka@mail.ru
K.A.Tsarik1, Cand. of Sci. (Tech), Head of Laboratory, ORCID: 0000-0002-8218-7774
Abstract. The paper considers the technological features of manufacturing ohmic contacts with resistances from 0,025 to 0,4 Ohm ∙ mm to nanoheterostructures based on gallium nitride. It has been established that non-burning ohmic contacts are the most suitable for mastering operating frequencies up to the terahertz range.
Keywords: ohmic contact, gallium nitride, nanoheterostructure
For citation: A.V. Nethentsev, K.A. Tsarik. Analytical review of methods for producing alloyed and non-alloyed ohmic contacts to gallium nitride nanoheterostructures. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 2. PP. 114–122.
https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.114.122.
ВВЕДЕНИЕ
Нитрид галлия (GaN), благодаря своим исключительным свойствам, является одним из самых перспективных материалов силовой электроники [1]. Выращивание нитрида галлия на подложке из кремния позволяет существенно улучшить отвод тепла и упростить обработку структур. Вопросу улучшения качества эпитаксиальных слоев нитрида галлия, выращенных на кремнии, посвящен ряд работ [2].
Главным требованием к омическим контактам является их низкое сопротивление (как сопротивление материала омических контактов, так и их контактное сопротивление к активным слоям гетероструктуры). Этому требованию отвечают невжигаемые омические контакты. Однако для их изготовления выращивается тонкий слой узкозонного полупроводника, это требует проведения дополнительного процесса эпитаксии. Более технологичным является вжигаемый омический контакт. В общем случае на величину сопротивления омического контакта влияет также концентрация носителей заряда в полупроводниковом слое [3]. Различные научные группы используют несколько подходов к технологии формирования омических контактов для получения качественных выходных характеристик транзисторов. В данной работе рассматривались основные особенности технологий вжигания металлизации и доращивания сильнолегированных пленок в контактных областях. Рассмотрены основные достижения в значениях контактных сопротивлений и крутизны транзисторов на основе нитридгаллиевых гетероструктур.
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ВЖИГАЕМЫХ ОМИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ К НАНОГЕТЕРОСТРУКТУРАМ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ГАЛЛИЯ
Один из способов понижения сопротивления омических контактов является проведение температурной обработки, в ходе которой компоненты металлизации проникают в полупроводниковый слой. Полученные таким образом омические контакты называются вжигаемыми. Самой распространенной металлизацией является металлическая система на основе титана (Ti) и алюминия (Al).
В работе [4] рассмотрено влияние состояния границы раздела "металл – полупроводник" на уровень сопротивления омического контакта (Ti/Al/Ni/Au), сформированного к GaN на Si (111). Установлено, что протекание тока через контакт зависит также от структуры и электрических свойств прореагировавшего слоя. Металлизация Ti/Al/Ni/Au имела толщины 15/200/50/50 и 100/200/50/50 нм, контакт на основе первой металлизации показал лучшие электрические характеристики, чем контакт с 100 нм Ti. В частности, значения удельного контактного сопротивления после отжига при 850 °С составили 4,8 · 10–5 и 3,5 · 10–4 Ом · см2 соответственно. Однако образец с 15 нм Ti имеет более развитую морфологию поверхности, среднеквадратичная шероховатость составила 30,6 и 22,3 нм соответственно. Также в работе были сделаны ПЭМ-изображения поперечного сечения двух образцов с 15 нм Ti, отожженных при 800 и 850 °С, и показаны на рис.1. Как видно из рис.1a в первом случае исходная слоистая структура размывается и перемешивается.
Совершенно иная микроструктура наблюдается в образце, отожженном при 850 °C (ПЭМ-изображение приведено на рис.1b). Очевидно, наличие четко различимых слоев. Самый верхний слой в основном содержит фазу AlNi, под ним темный (из-за присутствия Au) слой AlAu4. Третий слой, исходя из результатов рентгеновского анализа, содержит соединения Ti–Al–Ni. Также в этом случае на границе раздела с подложкой формируется слой TiN толщиной 4–9 нм. Электрические свойства омических контактов определяет именно проводящий слой TiN, формирование которого зависит от ряда параметров технологического процесса, так в работе Якобса и Крамера [5] рассмотрен систематический подход к снижению сопротивления омических контактов Ti/Al/Ni/Au в структурах AlGaN/GaN. Все омические контакты были вида Ti/Al/Ni/Au, но отличались по толщине металлов, времени и температуре в процессе быстрого термического отжига.
Из рис.2a видно, что результаты исследования контактных систем на основе металлизации Ti/Al/Ni/Au показывают, что электрические свойства и морфология поверхности зависят от соотношения между толщиной Ti и Al. Увеличение толщины Al приводит к уменьшению контактного сопротивления. Коэффициент толщины, равный 6, дает наилучшие результаты. На рис.2b показаны результаты исследования влияния толщины титана на контактное сопротивление. Из рис.2c видно, что существует оптимальное значение толщины Ni, а увеличение или уменьшение толщины никеля ухудшает контактное сопротивление. Каждый образец был расколот на четыре части, которые были отожжены при 700, 800, 900 и 1000 °С в течение 30 с в атмосфере азота. Каждый раз наилучшие результаты были получены при 900 °С. На рис.2d показано более подробное исследование условий отжига для оптимальной схемы металлизации, состоящей из Ti/Al/Ni/Au (30/180/40/150 нм). Лучшие результаты были получены при температуре 900 °С в течение 30 с в атмосфере N2. После серии экспериментов были получены толщины и параметры термического отжига для снижения контактного сопротивления металлических контактов Ti/Al/Ni/Au. В итоге в данной работе оптимизированный контакт имел очень низкое контактное сопротивление 0,2 Ом ∙ мм (7,3·10–7 Ом ∙ см2) и следующие параметры для толщин 30/180/40/150 нм соответственно [5].
Для омических контактов на основе Ti и Al температура должна была быть выше 800 °С, чтобы достичь этого компромисса. Более детальное исследование влияния процесса термической обработки проведено в работе [6], образцы с контактной металлизацией Ti/Al/Mo/Au были отожжены при различных температурах в системе быстрого термического отжига (БТО). Температуру каждого процесса отжига меняли в диапазоне от 825 до 855 °С и для всех образцов выдерживали время отжига 60 с (рис.3a).
Как видно из рис.3a, температурная обработка проводилась в режиме быстрого термического отжига (БТО), то есть был реализован быстрый нагрев и быстрое охлаждение. На рис.3b представлены вольт-амперные характеристики контакта на основе металлизации Ti/Al/Mo/Au в зависимости от температуры отжига. Уменьшение температуры термической обработки приводит к нелинейности. Это может означать, что на границе раздела "металл – полупроводник" остается барьер. Влияние температуры процесса термической обработки показывает, что наименьшее полное сопротивление при данном напряжении достигается при 855 °С. Однако повышение температуры отжига выше температуры 855 °С приводит к увеличению полного сопротивления. Но форма ВАХ остается слегка нелинейной.
Составы металлизации и параметры термической обработки для изготовления омических контактов к наногетероструктурам на основе нитрида галлия ряда исследований представлены в табл.1.
Особенностями технологии вжигаемых контактов являются: удовлетворительный уровень контактного сопротивления, высокая механическая и температурная стабильность, развитая морфология поверхности. Вжигаемый омический контакт является перспективным для силовых полупроводниковых приборов.
НЕВЖИГАЕМЫЕ ОМИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ К НАНОГЕТЕРОСТРУКТУРАМ НА ОСНОВе НИТРИДА ГАЛЛИЯ
В последнее время набирают распространение методы изготовления невжигаемых контактов. На рис.4 представлена концепция изготовления невжигаемых селективно выращенных омических контактов. Поверхность наногетероструктуры травится через диэлектрическую маску SiO2 на глубину ниже залегания проводящего канала, показанного пунктирной линией, после чего в образовавшихся "окнах" выращивается n+-GaN. Благодаря введению примеси Si происходит вырождение полупроводящего слоя GaN, который должен находиться в непосредственном контакте с областью двумерного газа электронов (ДЭГ). Формирование контакта завершается металлизацией поверхности n+-GaN. Доращиваемые контакты имеют ряд преимуществ перед вжигаемыми. Доращивание производится путем гомоэпитаксии, что обеспечивает хорошую адгезию осаждаемого материала. Нитрид галлия и маска SiO2 обладают хорошей температурной стойкостью, что обеспечивает сохранение изначальной формы контакта и позволяет точнее контролировать геометрию изготавливаемых транзисторов [13]. В последние годы были опубликованы сообщения о получении удельного сопротивления омических контактов до 0,4 Ом ∙ мм для Ga-face HEMT [14] и до 0,09 Ом ∙ мм [15], а затем до 0,025 Ом ∙ мм [16] для N-face HEMT. Кроме того, сообщается о создании невжигаемых доращиваемых контактов к структурам HEMT без вытравливания "окон" под осаждение n+-GaN [17], а также с применением селективного травления части барьерного слоя AlGaN, которое не затрагивает слой GaN [18].
В работе [19] рассматривалась эпитаксиальная гетероструктура AlGaN/GaN HEMT с ионной имплантацией кремния с дозой 1 ∙ 1016 см–3 (рис.4).
Сопротивления структур были измерены методом длинной линии. Были получены следующие данные: контактное сопротивление Rк = 0,96 Ом ∙ мм и поверхностное сопротивление RПП = 383 Ом/м2.
Помимо селективного доращивания все больше применений находит метод ионного легирования. В работе [20] проведена оценка несплавных омических контактов Cr/Pt/Au к эпитаксиальным структурам GaN и традиционных сплавных контактов Ti/Al/Ni/Au к гетероструктурам AlGaN/GaN с ионнолегированными контактными слоями. Контактное сопротивление составило: 2,8 ∙ 10–6 и 3,5 ∙ 10–7 Ом ∙ см2 соответственно. Таким образом, можно сделать вывод: технология невжигаемых омических контактов позволяет достигать низких сопротивлений, что делает такие контакты наиболее подходящими для СВЧ-транзисторов.
ВЛИЯНИЕ ВЕЛИЧИНЫ КОНТАКТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НА КРУТИЗНУ ВАХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ГАЛЛИЯ
Важно оценить влияние величины контактного сопротивления на параметры полупроводниковых приборов. Один из таких параметров – крутизна. В последние годы наряду с усовершенствованием технологии плазмохимической обработки, формирования слоев металлизации и эпитаксиальных методов выращивания нитридных слоев, улучшаются и параметры СВЧ-транзисторов на основе нитрида галлия.
На рис.5 представлена зависимость крутизны полевого HEMT-транзистора от величины контактного сопротивления. Просматривается плавное снижение крутизны с увеличением контактного сопротивления. Рассматривались работы, посвященные как вжигаемым, так и невжигаемым омическим контактам. Наивысшее значение крутизны достигается в работе, посвященной невжигаемым контактам [16] и составляет 1105 мСм/мм. В целом приведенные данные демонстрируют значительно более высокую крутизну для HEMT-транзисторов с невжигаемыми контактами. Для транзисторов с вжигаемыми омическими контактами наибольшее значение крутизны составляет 400 мСм/мм. В целом, данные значения подтверждают перспективность решения задачи снижения контактного сопротивления.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате работы представлено, что ожидать от нитридгаллиевого СВЧ-транзистора при различных значениях сопротивления омических контактов. В целом, данная задача является перспективной для силовых полупроводниковых приборов. Как видно из вышеизложенного, технология невжигаемых омических контактов позволила достигать низких сопротивлений, что делает такие контакты наиболее подходящими для СВЧ-транзисторов, особенно в условиях продвижения в нанометровый диапазон топологических размеров.
Полученные данные дают возможность с большой уверенностью предположить, что дальнейшее развитие технологии невжигаемых омических контактов к наногетероструктурам на основе нитрида галлия позволит приблизить освоение рабочих частот вплоть до терагерцового диапазона.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки в рамках государственного задания FSMR-2022-0004.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Wu C.L. et al. Heteroepitaxy of GaN on Si (111) realized with a coincident-interface AlN/β-Si3N 4 (0001) double-buffer structure // Applied physics letters. 2003. Vol. 83, no. 22. PP. 4530–4532.
del Alamo J.A., Lee E.S. Stability and reliability of lateral GaN power field-effect transistors // IEEE Transactions on Electron Devices. 2019. Vol. 66, no. 11. PP. 4578–4590.
Cho S.M., Lee J.D., Lee H.H. Specific resistivity of ohmic contacts to n‐type direct band-gap III–V compound semiconductors // Journal of applied physics.1991. Vol. 70, no. 1. PP. 282–287.
Roccaforte F. et al. Nanoscale carrier transport in Ti/Al/Ni/Au Ohmic contacts on AlGaN epilayers grown on Si (111) // Applied physics letters. 2006. Vol. 89, no. 2. P. 022103.
Jacobs B. et al. Optimization of the Ti/Al/Ni/Au ohmic contact on AlGaN/GaN FET structures // Journal of Crystal Growth. 2002. Vol. 241, no. 1–2. PP. 15–18.
Macherzynski W. et al. Formation process and properties of ohmic contacts containing molybdenum to AlGaN/GaN heterostructures // Advances in Electrical and Electronic Engineering. 2016. Vol. 14, no. 1. P. 83.
Fan Z. et al. Very low resistance multilayer Ohmic contact to n‐GaN // Applied Physics Letters. 1996. Vol. 68, no. 12. PP. 1672–1674.
Mohammad S.N. Contact mechanisms and design principles for alloyed ohmic contacts to n-GaN // Journal of Applied Physics. 2004. Vol. 95, no. 12. PP. 7940–7953.
Wang D.F. et al. Low-resistance Ti/Al/Ti/Au multilayer ohmic contact to n-GaN // Journal of Applied Physics. 2001. Vol. 89, no. 11. PP. 6214–6217.
Motayed A. et al. High-transparency Ni/Au bilayer contacts to n-type GaN // Journal of applied physics. 2002. Vol. 92, no. 9. PP. 5218–5227.
Motayed A. et al. Electrical, microstructural, and thermal stability characteristics of Ta/Ti/Ni/Au contacts to n-GaN // Journal of applied physics. 2004. Vol. 95, no. 3. PP. 1516–1524.
Kumar V. et al. Thermally-stable low-resistance Ti/Al/Mo/Au multilayer ohmic contacts on n–GaN // Journal of applied physics. 2002. Vol. 92, no. 3. PP. 1712–1714.
Майборода И.О. и др. Селективный рост невжигаемых омических контактов к двумерному электронному газу в транзисторах с высокой подвижностью электронов на основе гетеропереходов GaN/AlGaN методом молекулярно-пучковой эпитаксии // Письма в Журнал технической физики. 2014. Т. 40. № 11. С. 80–86.
Guo J. et al. Metal/face InAlN/AlN/GaN high electron mobility transistors with regrown ohmic contacts by molecular beam epitaxy // Physica status solidi (a). 2011. Vol. 208, no. 7. P. 1617–1619.
Denninghoff D.J. et al. Design of High-Aspect-Ratio T-Gates on N-Polar GaN/AlGaN MIS-HEMTs for High fmax // IEEE Electron Device Letters. 2012. Vol. 33, no. 6. PP. 785–787.
Dasgupta S. et al. Self-aligned N-polar GaN/InAlN MIS-HEMTs with record extrinsic transconductance of 1105 mS/mm // IEEE Electron Device Letters. 2012. Vol. 33, no. 6. PP. 794–796.
Zheng Z. et al. Nonalloyed ohmic contact of AlGaN/GaN HEMTs by selective area growth of single-crystal n+GaN using plasma assisted molecular beam epitaxy // Physica status solidi (a). 2011. Vol. 208, no. 4. PP. 951–954.
Pang L. et al. High-current AlGaN/GaN high electron mobility transistors achieved by selective-area growth via plasma-assisted molecular beam epitaxy // Physica status solidi (a). 2014. Vol. 211, no. 1. PP. 180–183.
Recht F. et al. Nonalloyed ohmic contacts in AlGaN/GaN HEMTs by ion implantation with reduced activation annealing temperature // IEEE electron device letters. 2006. Vol. 27, no. 4. PP. 205–207.
Желаннов А.В. и др. Омические контакты к приборным структурам на основе нитрида галлия // Физика и техника полупроводников. 2020. Т. 54. № 3. C. 247–249.
Xin H.P. et al. Optimization of AlGaN/GaN HEMT ohmic contacts for improved surface morphology with low contact resistance // Poust W. Sutton D., Li D., Lam I. Smorchkova R., Sandhu B., Heying J., Uyeda M., Barsky M. Wojtowicz R. Lai // CS MANTECH Conf. Portland (Oregon, USA). 2010. PP. 149–152.
Yue Y. et al. InAlN/AlN/GaN HEMTs with regrown ohmic contacts and fT of 370 GHz // IEEE Electron Device Letters. 2012. Vol. 33, no. 7. PP. 988–990.
Liu Z. et al. Mechanism of ohmic contact formation in AlGaN/GaN high electron mobility transistors using microwave annealing // 2016 13th IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT). IEEE, 2016. PP. 1050–1052.
Song B. et al. Ultralow-leakage AlGaN/GaN high electron mobility transistors on Si with non-alloyed regrown ohmic contacts // IEEE electron Device letters. 2015. Vol. 37, no. 1. PP. 16–19.
Ganguly S. et al. Plasma MBE growth conditions of AlGaN/GaN high-electron-mobility transistors on silicon and their device characteristics with epitaxially regrown ohmic contacts // Applied Physics Express. 2014. Vol. 7, no. 10. P. 105501.
Cui P., Zeng Y. Scaling Behavior of InAlN/GaN HEMTs on Silicon for RF Applications. 2022.
Jiang Y. et al. InAlN/GaN HEMTs on Si with 0.18 Ω ∙ mm Contact Resistance and 2,1-A/mm Drain Current Density // 2021 IEEE 14th International Conference on ASIC (ASICON). IEEE, 2021. PP. 1–4.
Çakmak H. et al. Nonalloyed Ohmic Contacts in AlGaN/GaN HEMTs With MOCVD Regrowth of InGaN for Ka-Band Applications // IEEE Transactions on Electron Devices. 2021. Vol. 68, no. 3. PP. 1006–1010.
Li L. et al. GaN HEMTs on Si with regrown contacts and cutoff/maximum oscillation frequencies of 250/204 GHz // IEEE Electron Device Letters. 2020. Vol. 41, no. 5. PP. 689–692.
Lu H. et al. Low Contact Resistance CMOS-Compatible RF GaN-on-Silicon HEMTs // 2021 IEEE 8th Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications (WiPDA). IEEE, 2021. PP. 75–78.Получено: 8.02.2023 г. | Принято: 15.02.2023 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.114.122
Научная статья
АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ ВЖИГАЕМЫХ И НЕВЖИГАЕМЫХ ОМИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ К НАНОГЕТЕРОСТРУКТУРАМ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ГАЛЛИЯ
А.В.Неженцев1, к.т.н., инженер, ORCID: 0000-0002-9670-5616 / neghaleshka@mail.ru
К.А.Царик1, к.т.н., нач. лаб., ORCID: 0000-0002-8218-7774
Аннотация. В работе рассмотрены технологические особенности изготовления омических контактов с сопротивлениями от 0,025 до 0,4 Ом ∙ мм к наногетероструктурам на основе нитрида галлия. Установлено, что невжигаемые омические контакты являются наиболее подходящими для освоения рабочих частот вплоть до терагерцового диапазона.
Ключевые слова: омический контакт, нитрид галлия, наногетероструктура
Для цитирования: А.В. Неженцев, К.А. Царик. Аналитический обзор методов получения вжигаемых и невжигаемых омических контактов к наногетероструктурам на основе нитрида галлия. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 2. С. 114–122. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.114.122
Received: 8.02.2023 | Accepted: 15.02.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.114.122
Original paper
ANALYTICAL REVIEW OF METHODS FOR PRODUCING ALLOYED AND NON-ALLOYED OHMIC CONTACTS TO GALLIUM NITRIDE NANOHETEROSTRUCTURES
A.V.Nethentsev1, Cand. of Sci. (Tech), Engineer, ORCID: 0000-0002-9670-5616 / neghaleshka@mail.ru
K.A.Tsarik1, Cand. of Sci. (Tech), Head of Laboratory, ORCID: 0000-0002-8218-7774
Abstract. The paper considers the technological features of manufacturing ohmic contacts with resistances from 0,025 to 0,4 Ohm ∙ mm to nanoheterostructures based on gallium nitride. It has been established that non-burning ohmic contacts are the most suitable for mastering operating frequencies up to the terahertz range.
Keywords: ohmic contact, gallium nitride, nanoheterostructure
For citation: A.V. Nethentsev, K.A. Tsarik. Analytical review of methods for producing alloyed and non-alloyed ohmic contacts to gallium nitride nanoheterostructures. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 2. PP. 114–122.
https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.114.122.
ВВЕДЕНИЕ
Нитрид галлия (GaN), благодаря своим исключительным свойствам, является одним из самых перспективных материалов силовой электроники [1]. Выращивание нитрида галлия на подложке из кремния позволяет существенно улучшить отвод тепла и упростить обработку структур. Вопросу улучшения качества эпитаксиальных слоев нитрида галлия, выращенных на кремнии, посвящен ряд работ [2].
Главным требованием к омическим контактам является их низкое сопротивление (как сопротивление материала омических контактов, так и их контактное сопротивление к активным слоям гетероструктуры). Этому требованию отвечают невжигаемые омические контакты. Однако для их изготовления выращивается тонкий слой узкозонного полупроводника, это требует проведения дополнительного процесса эпитаксии. Более технологичным является вжигаемый омический контакт. В общем случае на величину сопротивления омического контакта влияет также концентрация носителей заряда в полупроводниковом слое [3]. Различные научные группы используют несколько подходов к технологии формирования омических контактов для получения качественных выходных характеристик транзисторов. В данной работе рассматривались основные особенности технологий вжигания металлизации и доращивания сильнолегированных пленок в контактных областях. Рассмотрены основные достижения в значениях контактных сопротивлений и крутизны транзисторов на основе нитридгаллиевых гетероструктур.
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ВЖИГАЕМЫХ ОМИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ К НАНОГЕТЕРОСТРУКТУРАМ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ГАЛЛИЯ
Один из способов понижения сопротивления омических контактов является проведение температурной обработки, в ходе которой компоненты металлизации проникают в полупроводниковый слой. Полученные таким образом омические контакты называются вжигаемыми. Самой распространенной металлизацией является металлическая система на основе титана (Ti) и алюминия (Al).
В работе [4] рассмотрено влияние состояния границы раздела "металл – полупроводник" на уровень сопротивления омического контакта (Ti/Al/Ni/Au), сформированного к GaN на Si (111). Установлено, что протекание тока через контакт зависит также от структуры и электрических свойств прореагировавшего слоя. Металлизация Ti/Al/Ni/Au имела толщины 15/200/50/50 и 100/200/50/50 нм, контакт на основе первой металлизации показал лучшие электрические характеристики, чем контакт с 100 нм Ti. В частности, значения удельного контактного сопротивления после отжига при 850 °С составили 4,8 · 10–5 и 3,5 · 10–4 Ом · см2 соответственно. Однако образец с 15 нм Ti имеет более развитую морфологию поверхности, среднеквадратичная шероховатость составила 30,6 и 22,3 нм соответственно. Также в работе были сделаны ПЭМ-изображения поперечного сечения двух образцов с 15 нм Ti, отожженных при 800 и 850 °С, и показаны на рис.1. Как видно из рис.1a в первом случае исходная слоистая структура размывается и перемешивается.
Совершенно иная микроструктура наблюдается в образце, отожженном при 850 °C (ПЭМ-изображение приведено на рис.1b). Очевидно, наличие четко различимых слоев. Самый верхний слой в основном содержит фазу AlNi, под ним темный (из-за присутствия Au) слой AlAu4. Третий слой, исходя из результатов рентгеновского анализа, содержит соединения Ti–Al–Ni. Также в этом случае на границе раздела с подложкой формируется слой TiN толщиной 4–9 нм. Электрические свойства омических контактов определяет именно проводящий слой TiN, формирование которого зависит от ряда параметров технологического процесса, так в работе Якобса и Крамера [5] рассмотрен систематический подход к снижению сопротивления омических контактов Ti/Al/Ni/Au в структурах AlGaN/GaN. Все омические контакты были вида Ti/Al/Ni/Au, но отличались по толщине металлов, времени и температуре в процессе быстрого термического отжига.
Из рис.2a видно, что результаты исследования контактных систем на основе металлизации Ti/Al/Ni/Au показывают, что электрические свойства и морфология поверхности зависят от соотношения между толщиной Ti и Al. Увеличение толщины Al приводит к уменьшению контактного сопротивления. Коэффициент толщины, равный 6, дает наилучшие результаты. На рис.2b показаны результаты исследования влияния толщины титана на контактное сопротивление. Из рис.2c видно, что существует оптимальное значение толщины Ni, а увеличение или уменьшение толщины никеля ухудшает контактное сопротивление. Каждый образец был расколот на четыре части, которые были отожжены при 700, 800, 900 и 1000 °С в течение 30 с в атмосфере азота. Каждый раз наилучшие результаты были получены при 900 °С. На рис.2d показано более подробное исследование условий отжига для оптимальной схемы металлизации, состоящей из Ti/Al/Ni/Au (30/180/40/150 нм). Лучшие результаты были получены при температуре 900 °С в течение 30 с в атмосфере N2. После серии экспериментов были получены толщины и параметры термического отжига для снижения контактного сопротивления металлических контактов Ti/Al/Ni/Au. В итоге в данной работе оптимизированный контакт имел очень низкое контактное сопротивление 0,2 Ом ∙ мм (7,3·10–7 Ом ∙ см2) и следующие параметры для толщин 30/180/40/150 нм соответственно [5].
Для омических контактов на основе Ti и Al температура должна была быть выше 800 °С, чтобы достичь этого компромисса. Более детальное исследование влияния процесса термической обработки проведено в работе [6], образцы с контактной металлизацией Ti/Al/Mo/Au были отожжены при различных температурах в системе быстрого термического отжига (БТО). Температуру каждого процесса отжига меняли в диапазоне от 825 до 855 °С и для всех образцов выдерживали время отжига 60 с (рис.3a).
Как видно из рис.3a, температурная обработка проводилась в режиме быстрого термического отжига (БТО), то есть был реализован быстрый нагрев и быстрое охлаждение. На рис.3b представлены вольт-амперные характеристики контакта на основе металлизации Ti/Al/Mo/Au в зависимости от температуры отжига. Уменьшение температуры термической обработки приводит к нелинейности. Это может означать, что на границе раздела "металл – полупроводник" остается барьер. Влияние температуры процесса термической обработки показывает, что наименьшее полное сопротивление при данном напряжении достигается при 855 °С. Однако повышение температуры отжига выше температуры 855 °С приводит к увеличению полного сопротивления. Но форма ВАХ остается слегка нелинейной.
Составы металлизации и параметры термической обработки для изготовления омических контактов к наногетероструктурам на основе нитрида галлия ряда исследований представлены в табл.1.
Особенностями технологии вжигаемых контактов являются: удовлетворительный уровень контактного сопротивления, высокая механическая и температурная стабильность, развитая морфология поверхности. Вжигаемый омический контакт является перспективным для силовых полупроводниковых приборов.
НЕВЖИГАЕМЫЕ ОМИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ К НАНОГЕТЕРОСТРУКТУРАМ НА ОСНОВе НИТРИДА ГАЛЛИЯ
В последнее время набирают распространение методы изготовления невжигаемых контактов. На рис.4 представлена концепция изготовления невжигаемых селективно выращенных омических контактов. Поверхность наногетероструктуры травится через диэлектрическую маску SiO2 на глубину ниже залегания проводящего канала, показанного пунктирной линией, после чего в образовавшихся "окнах" выращивается n+-GaN. Благодаря введению примеси Si происходит вырождение полупроводящего слоя GaN, который должен находиться в непосредственном контакте с областью двумерного газа электронов (ДЭГ). Формирование контакта завершается металлизацией поверхности n+-GaN. Доращиваемые контакты имеют ряд преимуществ перед вжигаемыми. Доращивание производится путем гомоэпитаксии, что обеспечивает хорошую адгезию осаждаемого материала. Нитрид галлия и маска SiO2 обладают хорошей температурной стойкостью, что обеспечивает сохранение изначальной формы контакта и позволяет точнее контролировать геометрию изготавливаемых транзисторов [13]. В последние годы были опубликованы сообщения о получении удельного сопротивления омических контактов до 0,4 Ом ∙ мм для Ga-face HEMT [14] и до 0,09 Ом ∙ мм [15], а затем до 0,025 Ом ∙ мм [16] для N-face HEMT. Кроме того, сообщается о создании невжигаемых доращиваемых контактов к структурам HEMT без вытравливания "окон" под осаждение n+-GaN [17], а также с применением селективного травления части барьерного слоя AlGaN, которое не затрагивает слой GaN [18].
В работе [19] рассматривалась эпитаксиальная гетероструктура AlGaN/GaN HEMT с ионной имплантацией кремния с дозой 1 ∙ 1016 см–3 (рис.4).
Сопротивления структур были измерены методом длинной линии. Были получены следующие данные: контактное сопротивление Rк = 0,96 Ом ∙ мм и поверхностное сопротивление RПП = 383 Ом/м2.
Помимо селективного доращивания все больше применений находит метод ионного легирования. В работе [20] проведена оценка несплавных омических контактов Cr/Pt/Au к эпитаксиальным структурам GaN и традиционных сплавных контактов Ti/Al/Ni/Au к гетероструктурам AlGaN/GaN с ионнолегированными контактными слоями. Контактное сопротивление составило: 2,8 ∙ 10–6 и 3,5 ∙ 10–7 Ом ∙ см2 соответственно. Таким образом, можно сделать вывод: технология невжигаемых омических контактов позволяет достигать низких сопротивлений, что делает такие контакты наиболее подходящими для СВЧ-транзисторов.
ВЛИЯНИЕ ВЕЛИЧИНЫ КОНТАКТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НА КРУТИЗНУ ВАХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ГАЛЛИЯ
Важно оценить влияние величины контактного сопротивления на параметры полупроводниковых приборов. Один из таких параметров – крутизна. В последние годы наряду с усовершенствованием технологии плазмохимической обработки, формирования слоев металлизации и эпитаксиальных методов выращивания нитридных слоев, улучшаются и параметры СВЧ-транзисторов на основе нитрида галлия.
На рис.5 представлена зависимость крутизны полевого HEMT-транзистора от величины контактного сопротивления. Просматривается плавное снижение крутизны с увеличением контактного сопротивления. Рассматривались работы, посвященные как вжигаемым, так и невжигаемым омическим контактам. Наивысшее значение крутизны достигается в работе, посвященной невжигаемым контактам [16] и составляет 1105 мСм/мм. В целом приведенные данные демонстрируют значительно более высокую крутизну для HEMT-транзисторов с невжигаемыми контактами. Для транзисторов с вжигаемыми омическими контактами наибольшее значение крутизны составляет 400 мСм/мм. В целом, данные значения подтверждают перспективность решения задачи снижения контактного сопротивления.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате работы представлено, что ожидать от нитридгаллиевого СВЧ-транзистора при различных значениях сопротивления омических контактов. В целом, данная задача является перспективной для силовых полупроводниковых приборов. Как видно из вышеизложенного, технология невжигаемых омических контактов позволила достигать низких сопротивлений, что делает такие контакты наиболее подходящими для СВЧ-транзисторов, особенно в условиях продвижения в нанометровый диапазон топологических размеров.
Полученные данные дают возможность с большой уверенностью предположить, что дальнейшее развитие технологии невжигаемых омических контактов к наногетероструктурам на основе нитрида галлия позволит приблизить освоение рабочих частот вплоть до терагерцового диапазона.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки в рамках государственного задания FSMR-2022-0004.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Wu C.L. et al. Heteroepitaxy of GaN on Si (111) realized with a coincident-interface AlN/β-Si3N 4 (0001) double-buffer structure // Applied physics letters. 2003. Vol. 83, no. 22. PP. 4530–4532.
del Alamo J.A., Lee E.S. Stability and reliability of lateral GaN power field-effect transistors // IEEE Transactions on Electron Devices. 2019. Vol. 66, no. 11. PP. 4578–4590.
Cho S.M., Lee J.D., Lee H.H. Specific resistivity of ohmic contacts to n‐type direct band-gap III–V compound semiconductors // Journal of applied physics.1991. Vol. 70, no. 1. PP. 282–287.
Roccaforte F. et al. Nanoscale carrier transport in Ti/Al/Ni/Au Ohmic contacts on AlGaN epilayers grown on Si (111) // Applied physics letters. 2006. Vol. 89, no. 2. P. 022103.
Jacobs B. et al. Optimization of the Ti/Al/Ni/Au ohmic contact on AlGaN/GaN FET structures // Journal of Crystal Growth. 2002. Vol. 241, no. 1–2. PP. 15–18.
Macherzynski W. et al. Formation process and properties of ohmic contacts containing molybdenum to AlGaN/GaN heterostructures // Advances in Electrical and Electronic Engineering. 2016. Vol. 14, no. 1. P. 83.
Fan Z. et al. Very low resistance multilayer Ohmic contact to n‐GaN // Applied Physics Letters. 1996. Vol. 68, no. 12. PP. 1672–1674.
Mohammad S.N. Contact mechanisms and design principles for alloyed ohmic contacts to n-GaN // Journal of Applied Physics. 2004. Vol. 95, no. 12. PP. 7940–7953.
Wang D.F. et al. Low-resistance Ti/Al/Ti/Au multilayer ohmic contact to n-GaN // Journal of Applied Physics. 2001. Vol. 89, no. 11. PP. 6214–6217.
Motayed A. et al. High-transparency Ni/Au bilayer contacts to n-type GaN // Journal of applied physics. 2002. Vol. 92, no. 9. PP. 5218–5227.
Motayed A. et al. Electrical, microstructural, and thermal stability characteristics of Ta/Ti/Ni/Au contacts to n-GaN // Journal of applied physics. 2004. Vol. 95, no. 3. PP. 1516–1524.
Kumar V. et al. Thermally-stable low-resistance Ti/Al/Mo/Au multilayer ohmic contacts on n–GaN // Journal of applied physics. 2002. Vol. 92, no. 3. PP. 1712–1714.
Майборода И.О. и др. Селективный рост невжигаемых омических контактов к двумерному электронному газу в транзисторах с высокой подвижностью электронов на основе гетеропереходов GaN/AlGaN методом молекулярно-пучковой эпитаксии // Письма в Журнал технической физики. 2014. Т. 40. № 11. С. 80–86.
Guo J. et al. Metal/face InAlN/AlN/GaN high electron mobility transistors with regrown ohmic contacts by molecular beam epitaxy // Physica status solidi (a). 2011. Vol. 208, no. 7. P. 1617–1619.
Denninghoff D.J. et al. Design of High-Aspect-Ratio T-Gates on N-Polar GaN/AlGaN MIS-HEMTs for High fmax // IEEE Electron Device Letters. 2012. Vol. 33, no. 6. PP. 785–787.
Dasgupta S. et al. Self-aligned N-polar GaN/InAlN MIS-HEMTs with record extrinsic transconductance of 1105 mS/mm // IEEE Electron Device Letters. 2012. Vol. 33, no. 6. PP. 794–796.
Zheng Z. et al. Nonalloyed ohmic contact of AlGaN/GaN HEMTs by selective area growth of single-crystal n+GaN using plasma assisted molecular beam epitaxy // Physica status solidi (a). 2011. Vol. 208, no. 4. PP. 951–954.
Pang L. et al. High-current AlGaN/GaN high electron mobility transistors achieved by selective-area growth via plasma-assisted molecular beam epitaxy // Physica status solidi (a). 2014. Vol. 211, no. 1. PP. 180–183.
Recht F. et al. Nonalloyed ohmic contacts in AlGaN/GaN HEMTs by ion implantation with reduced activation annealing temperature // IEEE electron device letters. 2006. Vol. 27, no. 4. PP. 205–207.
Желаннов А.В. и др. Омические контакты к приборным структурам на основе нитрида галлия // Физика и техника полупроводников. 2020. Т. 54. № 3. C. 247–249.
Xin H.P. et al. Optimization of AlGaN/GaN HEMT ohmic contacts for improved surface morphology with low contact resistance // Poust W. Sutton D., Li D., Lam I. Smorchkova R., Sandhu B., Heying J., Uyeda M., Barsky M. Wojtowicz R. Lai // CS MANTECH Conf. Portland (Oregon, USA). 2010. PP. 149–152.
Yue Y. et al. InAlN/AlN/GaN HEMTs with regrown ohmic contacts and fT of 370 GHz // IEEE Electron Device Letters. 2012. Vol. 33, no. 7. PP. 988–990.
Liu Z. et al. Mechanism of ohmic contact formation in AlGaN/GaN high electron mobility transistors using microwave annealing // 2016 13th IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT). IEEE, 2016. PP. 1050–1052.
Song B. et al. Ultralow-leakage AlGaN/GaN high electron mobility transistors on Si with non-alloyed regrown ohmic contacts // IEEE electron Device letters. 2015. Vol. 37, no. 1. PP. 16–19.
Ganguly S. et al. Plasma MBE growth conditions of AlGaN/GaN high-electron-mobility transistors on silicon and their device characteristics with epitaxially regrown ohmic contacts // Applied Physics Express. 2014. Vol. 7, no. 10. P. 105501.
Cui P., Zeng Y. Scaling Behavior of InAlN/GaN HEMTs on Silicon for RF Applications. 2022.
Jiang Y. et al. InAlN/GaN HEMTs on Si with 0.18 Ω ∙ mm Contact Resistance and 2,1-A/mm Drain Current Density // 2021 IEEE 14th International Conference on ASIC (ASICON). IEEE, 2021. PP. 1–4.
Çakmak H. et al. Nonalloyed Ohmic Contacts in AlGaN/GaN HEMTs With MOCVD Regrowth of InGaN for Ka-Band Applications // IEEE Transactions on Electron Devices. 2021. Vol. 68, no. 3. PP. 1006–1010.
Li L. et al. GaN HEMTs on Si with regrown contacts and cutoff/maximum oscillation frequencies of 250/204 GHz // IEEE Electron Device Letters. 2020. Vol. 41, no. 5. PP. 689–692.
Lu H. et al. Low Contact Resistance CMOS-Compatible RF GaN-on-Silicon HEMTs // 2021 IEEE 8th Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications (WiPDA). IEEE, 2021. PP. 75–78.
Научная статья
АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ ВЖИГАЕМЫХ И НЕВЖИГАЕМЫХ ОМИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ К НАНОГЕТЕРОСТРУКТУРАМ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ГАЛЛИЯ
А.В.Неженцев1, к.т.н., инженер, ORCID: 0000-0002-9670-5616 / neghaleshka@mail.ru
К.А.Царик1, к.т.н., нач. лаб., ORCID: 0000-0002-8218-7774
Аннотация. В работе рассмотрены технологические особенности изготовления омических контактов с сопротивлениями от 0,025 до 0,4 Ом ∙ мм к наногетероструктурам на основе нитрида галлия. Установлено, что невжигаемые омические контакты являются наиболее подходящими для освоения рабочих частот вплоть до терагерцового диапазона.
Ключевые слова: омический контакт, нитрид галлия, наногетероструктура
Для цитирования: А.В. Неженцев, К.А. Царик. Аналитический обзор методов получения вжигаемых и невжигаемых омических контактов к наногетероструктурам на основе нитрида галлия. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 2. С. 114–122. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.114.122
Received: 8.02.2023 | Accepted: 15.02.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.114.122
Original paper
ANALYTICAL REVIEW OF METHODS FOR PRODUCING ALLOYED AND NON-ALLOYED OHMIC CONTACTS TO GALLIUM NITRIDE NANOHETEROSTRUCTURES
A.V.Nethentsev1, Cand. of Sci. (Tech), Engineer, ORCID: 0000-0002-9670-5616 / neghaleshka@mail.ru
K.A.Tsarik1, Cand. of Sci. (Tech), Head of Laboratory, ORCID: 0000-0002-8218-7774
Abstract. The paper considers the technological features of manufacturing ohmic contacts with resistances from 0,025 to 0,4 Ohm ∙ mm to nanoheterostructures based on gallium nitride. It has been established that non-burning ohmic contacts are the most suitable for mastering operating frequencies up to the terahertz range.
Keywords: ohmic contact, gallium nitride, nanoheterostructure
For citation: A.V. Nethentsev, K.A. Tsarik. Analytical review of methods for producing alloyed and non-alloyed ohmic contacts to gallium nitride nanoheterostructures. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 2. PP. 114–122.
https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.114.122.
ВВЕДЕНИЕ
Нитрид галлия (GaN), благодаря своим исключительным свойствам, является одним из самых перспективных материалов силовой электроники [1]. Выращивание нитрида галлия на подложке из кремния позволяет существенно улучшить отвод тепла и упростить обработку структур. Вопросу улучшения качества эпитаксиальных слоев нитрида галлия, выращенных на кремнии, посвящен ряд работ [2].
Главным требованием к омическим контактам является их низкое сопротивление (как сопротивление материала омических контактов, так и их контактное сопротивление к активным слоям гетероструктуры). Этому требованию отвечают невжигаемые омические контакты. Однако для их изготовления выращивается тонкий слой узкозонного полупроводника, это требует проведения дополнительного процесса эпитаксии. Более технологичным является вжигаемый омический контакт. В общем случае на величину сопротивления омического контакта влияет также концентрация носителей заряда в полупроводниковом слое [3]. Различные научные группы используют несколько подходов к технологии формирования омических контактов для получения качественных выходных характеристик транзисторов. В данной работе рассматривались основные особенности технологий вжигания металлизации и доращивания сильнолегированных пленок в контактных областях. Рассмотрены основные достижения в значениях контактных сопротивлений и крутизны транзисторов на основе нитридгаллиевых гетероструктур.
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ВЖИГАЕМЫХ ОМИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ К НАНОГЕТЕРОСТРУКТУРАМ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ГАЛЛИЯ
Один из способов понижения сопротивления омических контактов является проведение температурной обработки, в ходе которой компоненты металлизации проникают в полупроводниковый слой. Полученные таким образом омические контакты называются вжигаемыми. Самой распространенной металлизацией является металлическая система на основе титана (Ti) и алюминия (Al).
В работе [4] рассмотрено влияние состояния границы раздела "металл – полупроводник" на уровень сопротивления омического контакта (Ti/Al/Ni/Au), сформированного к GaN на Si (111). Установлено, что протекание тока через контакт зависит также от структуры и электрических свойств прореагировавшего слоя. Металлизация Ti/Al/Ni/Au имела толщины 15/200/50/50 и 100/200/50/50 нм, контакт на основе первой металлизации показал лучшие электрические характеристики, чем контакт с 100 нм Ti. В частности, значения удельного контактного сопротивления после отжига при 850 °С составили 4,8 · 10–5 и 3,5 · 10–4 Ом · см2 соответственно. Однако образец с 15 нм Ti имеет более развитую морфологию поверхности, среднеквадратичная шероховатость составила 30,6 и 22,3 нм соответственно. Также в работе были сделаны ПЭМ-изображения поперечного сечения двух образцов с 15 нм Ti, отожженных при 800 и 850 °С, и показаны на рис.1. Как видно из рис.1a в первом случае исходная слоистая структура размывается и перемешивается.
Совершенно иная микроструктура наблюдается в образце, отожженном при 850 °C (ПЭМ-изображение приведено на рис.1b). Очевидно, наличие четко различимых слоев. Самый верхний слой в основном содержит фазу AlNi, под ним темный (из-за присутствия Au) слой AlAu4. Третий слой, исходя из результатов рентгеновского анализа, содержит соединения Ti–Al–Ni. Также в этом случае на границе раздела с подложкой формируется слой TiN толщиной 4–9 нм. Электрические свойства омических контактов определяет именно проводящий слой TiN, формирование которого зависит от ряда параметров технологического процесса, так в работе Якобса и Крамера [5] рассмотрен систематический подход к снижению сопротивления омических контактов Ti/Al/Ni/Au в структурах AlGaN/GaN. Все омические контакты были вида Ti/Al/Ni/Au, но отличались по толщине металлов, времени и температуре в процессе быстрого термического отжига.
Из рис.2a видно, что результаты исследования контактных систем на основе металлизации Ti/Al/Ni/Au показывают, что электрические свойства и морфология поверхности зависят от соотношения между толщиной Ti и Al. Увеличение толщины Al приводит к уменьшению контактного сопротивления. Коэффициент толщины, равный 6, дает наилучшие результаты. На рис.2b показаны результаты исследования влияния толщины титана на контактное сопротивление. Из рис.2c видно, что существует оптимальное значение толщины Ni, а увеличение или уменьшение толщины никеля ухудшает контактное сопротивление. Каждый образец был расколот на четыре части, которые были отожжены при 700, 800, 900 и 1000 °С в течение 30 с в атмосфере азота. Каждый раз наилучшие результаты были получены при 900 °С. На рис.2d показано более подробное исследование условий отжига для оптимальной схемы металлизации, состоящей из Ti/Al/Ni/Au (30/180/40/150 нм). Лучшие результаты были получены при температуре 900 °С в течение 30 с в атмосфере N2. После серии экспериментов были получены толщины и параметры термического отжига для снижения контактного сопротивления металлических контактов Ti/Al/Ni/Au. В итоге в данной работе оптимизированный контакт имел очень низкое контактное сопротивление 0,2 Ом ∙ мм (7,3·10–7 Ом ∙ см2) и следующие параметры для толщин 30/180/40/150 нм соответственно [5].
Для омических контактов на основе Ti и Al температура должна была быть выше 800 °С, чтобы достичь этого компромисса. Более детальное исследование влияния процесса термической обработки проведено в работе [6], образцы с контактной металлизацией Ti/Al/Mo/Au были отожжены при различных температурах в системе быстрого термического отжига (БТО). Температуру каждого процесса отжига меняли в диапазоне от 825 до 855 °С и для всех образцов выдерживали время отжига 60 с (рис.3a).
Как видно из рис.3a, температурная обработка проводилась в режиме быстрого термического отжига (БТО), то есть был реализован быстрый нагрев и быстрое охлаждение. На рис.3b представлены вольт-амперные характеристики контакта на основе металлизации Ti/Al/Mo/Au в зависимости от температуры отжига. Уменьшение температуры термической обработки приводит к нелинейности. Это может означать, что на границе раздела "металл – полупроводник" остается барьер. Влияние температуры процесса термической обработки показывает, что наименьшее полное сопротивление при данном напряжении достигается при 855 °С. Однако повышение температуры отжига выше температуры 855 °С приводит к увеличению полного сопротивления. Но форма ВАХ остается слегка нелинейной.
Составы металлизации и параметры термической обработки для изготовления омических контактов к наногетероструктурам на основе нитрида галлия ряда исследований представлены в табл.1.
Особенностями технологии вжигаемых контактов являются: удовлетворительный уровень контактного сопротивления, высокая механическая и температурная стабильность, развитая морфология поверхности. Вжигаемый омический контакт является перспективным для силовых полупроводниковых приборов.
НЕВЖИГАЕМЫЕ ОМИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ К НАНОГЕТЕРОСТРУКТУРАМ НА ОСНОВе НИТРИДА ГАЛЛИЯ
В последнее время набирают распространение методы изготовления невжигаемых контактов. На рис.4 представлена концепция изготовления невжигаемых селективно выращенных омических контактов. Поверхность наногетероструктуры травится через диэлектрическую маску SiO2 на глубину ниже залегания проводящего канала, показанного пунктирной линией, после чего в образовавшихся "окнах" выращивается n+-GaN. Благодаря введению примеси Si происходит вырождение полупроводящего слоя GaN, который должен находиться в непосредственном контакте с областью двумерного газа электронов (ДЭГ). Формирование контакта завершается металлизацией поверхности n+-GaN. Доращиваемые контакты имеют ряд преимуществ перед вжигаемыми. Доращивание производится путем гомоэпитаксии, что обеспечивает хорошую адгезию осаждаемого материала. Нитрид галлия и маска SiO2 обладают хорошей температурной стойкостью, что обеспечивает сохранение изначальной формы контакта и позволяет точнее контролировать геометрию изготавливаемых транзисторов [13]. В последние годы были опубликованы сообщения о получении удельного сопротивления омических контактов до 0,4 Ом ∙ мм для Ga-face HEMT [14] и до 0,09 Ом ∙ мм [15], а затем до 0,025 Ом ∙ мм [16] для N-face HEMT. Кроме того, сообщается о создании невжигаемых доращиваемых контактов к структурам HEMT без вытравливания "окон" под осаждение n+-GaN [17], а также с применением селективного травления части барьерного слоя AlGaN, которое не затрагивает слой GaN [18].
В работе [19] рассматривалась эпитаксиальная гетероструктура AlGaN/GaN HEMT с ионной имплантацией кремния с дозой 1 ∙ 1016 см–3 (рис.4).
Сопротивления структур были измерены методом длинной линии. Были получены следующие данные: контактное сопротивление Rк = 0,96 Ом ∙ мм и поверхностное сопротивление RПП = 383 Ом/м2.
Помимо селективного доращивания все больше применений находит метод ионного легирования. В работе [20] проведена оценка несплавных омических контактов Cr/Pt/Au к эпитаксиальным структурам GaN и традиционных сплавных контактов Ti/Al/Ni/Au к гетероструктурам AlGaN/GaN с ионнолегированными контактными слоями. Контактное сопротивление составило: 2,8 ∙ 10–6 и 3,5 ∙ 10–7 Ом ∙ см2 соответственно. Таким образом, можно сделать вывод: технология невжигаемых омических контактов позволяет достигать низких сопротивлений, что делает такие контакты наиболее подходящими для СВЧ-транзисторов.
ВЛИЯНИЕ ВЕЛИЧИНЫ КОНТАКТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НА КРУТИЗНУ ВАХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ГАЛЛИЯ
Важно оценить влияние величины контактного сопротивления на параметры полупроводниковых приборов. Один из таких параметров – крутизна. В последние годы наряду с усовершенствованием технологии плазмохимической обработки, формирования слоев металлизации и эпитаксиальных методов выращивания нитридных слоев, улучшаются и параметры СВЧ-транзисторов на основе нитрида галлия.
На рис.5 представлена зависимость крутизны полевого HEMT-транзистора от величины контактного сопротивления. Просматривается плавное снижение крутизны с увеличением контактного сопротивления. Рассматривались работы, посвященные как вжигаемым, так и невжигаемым омическим контактам. Наивысшее значение крутизны достигается в работе, посвященной невжигаемым контактам [16] и составляет 1105 мСм/мм. В целом приведенные данные демонстрируют значительно более высокую крутизну для HEMT-транзисторов с невжигаемыми контактами. Для транзисторов с вжигаемыми омическими контактами наибольшее значение крутизны составляет 400 мСм/мм. В целом, данные значения подтверждают перспективность решения задачи снижения контактного сопротивления.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате работы представлено, что ожидать от нитридгаллиевого СВЧ-транзистора при различных значениях сопротивления омических контактов. В целом, данная задача является перспективной для силовых полупроводниковых приборов. Как видно из вышеизложенного, технология невжигаемых омических контактов позволила достигать низких сопротивлений, что делает такие контакты наиболее подходящими для СВЧ-транзисторов, особенно в условиях продвижения в нанометровый диапазон топологических размеров.
Полученные данные дают возможность с большой уверенностью предположить, что дальнейшее развитие технологии невжигаемых омических контактов к наногетероструктурам на основе нитрида галлия позволит приблизить освоение рабочих частот вплоть до терагерцового диапазона.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки в рамках государственного задания FSMR-2022-0004.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Wu C.L. et al. Heteroepitaxy of GaN on Si (111) realized with a coincident-interface AlN/β-Si3N 4 (0001) double-buffer structure // Applied physics letters. 2003. Vol. 83, no. 22. PP. 4530–4532.
del Alamo J.A., Lee E.S. Stability and reliability of lateral GaN power field-effect transistors // IEEE Transactions on Electron Devices. 2019. Vol. 66, no. 11. PP. 4578–4590.
Cho S.M., Lee J.D., Lee H.H. Specific resistivity of ohmic contacts to n‐type direct band-gap III–V compound semiconductors // Journal of applied physics.1991. Vol. 70, no. 1. PP. 282–287.
Roccaforte F. et al. Nanoscale carrier transport in Ti/Al/Ni/Au Ohmic contacts on AlGaN epilayers grown on Si (111) // Applied physics letters. 2006. Vol. 89, no. 2. P. 022103.
Jacobs B. et al. Optimization of the Ti/Al/Ni/Au ohmic contact on AlGaN/GaN FET structures // Journal of Crystal Growth. 2002. Vol. 241, no. 1–2. PP. 15–18.
Macherzynski W. et al. Formation process and properties of ohmic contacts containing molybdenum to AlGaN/GaN heterostructures // Advances in Electrical and Electronic Engineering. 2016. Vol. 14, no. 1. P. 83.
Fan Z. et al. Very low resistance multilayer Ohmic contact to n‐GaN // Applied Physics Letters. 1996. Vol. 68, no. 12. PP. 1672–1674.
Mohammad S.N. Contact mechanisms and design principles for alloyed ohmic contacts to n-GaN // Journal of Applied Physics. 2004. Vol. 95, no. 12. PP. 7940–7953.
Wang D.F. et al. Low-resistance Ti/Al/Ti/Au multilayer ohmic contact to n-GaN // Journal of Applied Physics. 2001. Vol. 89, no. 11. PP. 6214–6217.
Motayed A. et al. High-transparency Ni/Au bilayer contacts to n-type GaN // Journal of applied physics. 2002. Vol. 92, no. 9. PP. 5218–5227.
Motayed A. et al. Electrical, microstructural, and thermal stability characteristics of Ta/Ti/Ni/Au contacts to n-GaN // Journal of applied physics. 2004. Vol. 95, no. 3. PP. 1516–1524.
Kumar V. et al. Thermally-stable low-resistance Ti/Al/Mo/Au multilayer ohmic contacts on n–GaN // Journal of applied physics. 2002. Vol. 92, no. 3. PP. 1712–1714.
Майборода И.О. и др. Селективный рост невжигаемых омических контактов к двумерному электронному газу в транзисторах с высокой подвижностью электронов на основе гетеропереходов GaN/AlGaN методом молекулярно-пучковой эпитаксии // Письма в Журнал технической физики. 2014. Т. 40. № 11. С. 80–86.
Guo J. et al. Metal/face InAlN/AlN/GaN high electron mobility transistors with regrown ohmic contacts by molecular beam epitaxy // Physica status solidi (a). 2011. Vol. 208, no. 7. P. 1617–1619.
Denninghoff D.J. et al. Design of High-Aspect-Ratio T-Gates on N-Polar GaN/AlGaN MIS-HEMTs for High fmax // IEEE Electron Device Letters. 2012. Vol. 33, no. 6. PP. 785–787.
Dasgupta S. et al. Self-aligned N-polar GaN/InAlN MIS-HEMTs with record extrinsic transconductance of 1105 mS/mm // IEEE Electron Device Letters. 2012. Vol. 33, no. 6. PP. 794–796.
Zheng Z. et al. Nonalloyed ohmic contact of AlGaN/GaN HEMTs by selective area growth of single-crystal n+GaN using plasma assisted molecular beam epitaxy // Physica status solidi (a). 2011. Vol. 208, no. 4. PP. 951–954.
Pang L. et al. High-current AlGaN/GaN high electron mobility transistors achieved by selective-area growth via plasma-assisted molecular beam epitaxy // Physica status solidi (a). 2014. Vol. 211, no. 1. PP. 180–183.
Recht F. et al. Nonalloyed ohmic contacts in AlGaN/GaN HEMTs by ion implantation with reduced activation annealing temperature // IEEE electron device letters. 2006. Vol. 27, no. 4. PP. 205–207.
Желаннов А.В. и др. Омические контакты к приборным структурам на основе нитрида галлия // Физика и техника полупроводников. 2020. Т. 54. № 3. C. 247–249.
Xin H.P. et al. Optimization of AlGaN/GaN HEMT ohmic contacts for improved surface morphology with low contact resistance // Poust W. Sutton D., Li D., Lam I. Smorchkova R., Sandhu B., Heying J., Uyeda M., Barsky M. Wojtowicz R. Lai // CS MANTECH Conf. Portland (Oregon, USA). 2010. PP. 149–152.
Yue Y. et al. InAlN/AlN/GaN HEMTs with regrown ohmic contacts and fT of 370 GHz // IEEE Electron Device Letters. 2012. Vol. 33, no. 7. PP. 988–990.
Liu Z. et al. Mechanism of ohmic contact formation in AlGaN/GaN high electron mobility transistors using microwave annealing // 2016 13th IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT). IEEE, 2016. PP. 1050–1052.
Song B. et al. Ultralow-leakage AlGaN/GaN high electron mobility transistors on Si with non-alloyed regrown ohmic contacts // IEEE electron Device letters. 2015. Vol. 37, no. 1. PP. 16–19.
Ganguly S. et al. Plasma MBE growth conditions of AlGaN/GaN high-electron-mobility transistors on silicon and their device characteristics with epitaxially regrown ohmic contacts // Applied Physics Express. 2014. Vol. 7, no. 10. P. 105501.
Cui P., Zeng Y. Scaling Behavior of InAlN/GaN HEMTs on Silicon for RF Applications. 2022.
Jiang Y. et al. InAlN/GaN HEMTs on Si with 0.18 Ω ∙ mm Contact Resistance and 2,1-A/mm Drain Current Density // 2021 IEEE 14th International Conference on ASIC (ASICON). IEEE, 2021. PP. 1–4.
Çakmak H. et al. Nonalloyed Ohmic Contacts in AlGaN/GaN HEMTs With MOCVD Regrowth of InGaN for Ka-Band Applications // IEEE Transactions on Electron Devices. 2021. Vol. 68, no. 3. PP. 1006–1010.
Li L. et al. GaN HEMTs on Si with regrown contacts and cutoff/maximum oscillation frequencies of 250/204 GHz // IEEE Electron Device Letters. 2020. Vol. 41, no. 5. PP. 689–692.
Lu H. et al. Low Contact Resistance CMOS-Compatible RF GaN-on-Silicon HEMTs // 2021 IEEE 8th Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications (WiPDA). IEEE, 2021. PP. 75–78.Получено: 8.02.2023 г. | Принято: 15.02.2023 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.114.122
Научная статья
АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ ВЖИГАЕМЫХ И НЕВЖИГАЕМЫХ ОМИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ К НАНОГЕТЕРОСТРУКТУРАМ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ГАЛЛИЯ
А.В.Неженцев1, к.т.н., инженер, ORCID: 0000-0002-9670-5616 / neghaleshka@mail.ru
К.А.Царик1, к.т.н., нач. лаб., ORCID: 0000-0002-8218-7774
Аннотация. В работе рассмотрены технологические особенности изготовления омических контактов с сопротивлениями от 0,025 до 0,4 Ом ∙ мм к наногетероструктурам на основе нитрида галлия. Установлено, что невжигаемые омические контакты являются наиболее подходящими для освоения рабочих частот вплоть до терагерцового диапазона.
Ключевые слова: омический контакт, нитрид галлия, наногетероструктура
Для цитирования: А.В. Неженцев, К.А. Царик. Аналитический обзор методов получения вжигаемых и невжигаемых омических контактов к наногетероструктурам на основе нитрида галлия. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 2. С. 114–122. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.114.122
Received: 8.02.2023 | Accepted: 15.02.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.114.122
Original paper
ANALYTICAL REVIEW OF METHODS FOR PRODUCING ALLOYED AND NON-ALLOYED OHMIC CONTACTS TO GALLIUM NITRIDE NANOHETEROSTRUCTURES
A.V.Nethentsev1, Cand. of Sci. (Tech), Engineer, ORCID: 0000-0002-9670-5616 / neghaleshka@mail.ru
K.A.Tsarik1, Cand. of Sci. (Tech), Head of Laboratory, ORCID: 0000-0002-8218-7774
Abstract. The paper considers the technological features of manufacturing ohmic contacts with resistances from 0,025 to 0,4 Ohm ∙ mm to nanoheterostructures based on gallium nitride. It has been established that non-burning ohmic contacts are the most suitable for mastering operating frequencies up to the terahertz range.
Keywords: ohmic contact, gallium nitride, nanoheterostructure
For citation: A.V. Nethentsev, K.A. Tsarik. Analytical review of methods for producing alloyed and non-alloyed ohmic contacts to gallium nitride nanoheterostructures. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 2. PP. 114–122.
https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.114.122.
ВВЕДЕНИЕ
Нитрид галлия (GaN), благодаря своим исключительным свойствам, является одним из самых перспективных материалов силовой электроники [1]. Выращивание нитрида галлия на подложке из кремния позволяет существенно улучшить отвод тепла и упростить обработку структур. Вопросу улучшения качества эпитаксиальных слоев нитрида галлия, выращенных на кремнии, посвящен ряд работ [2].
Главным требованием к омическим контактам является их низкое сопротивление (как сопротивление материала омических контактов, так и их контактное сопротивление к активным слоям гетероструктуры). Этому требованию отвечают невжигаемые омические контакты. Однако для их изготовления выращивается тонкий слой узкозонного полупроводника, это требует проведения дополнительного процесса эпитаксии. Более технологичным является вжигаемый омический контакт. В общем случае на величину сопротивления омического контакта влияет также концентрация носителей заряда в полупроводниковом слое [3]. Различные научные группы используют несколько подходов к технологии формирования омических контактов для получения качественных выходных характеристик транзисторов. В данной работе рассматривались основные особенности технологий вжигания металлизации и доращивания сильнолегированных пленок в контактных областях. Рассмотрены основные достижения в значениях контактных сопротивлений и крутизны транзисторов на основе нитридгаллиевых гетероструктур.
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ВЖИГАЕМЫХ ОМИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ К НАНОГЕТЕРОСТРУКТУРАМ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ГАЛЛИЯ
Один из способов понижения сопротивления омических контактов является проведение температурной обработки, в ходе которой компоненты металлизации проникают в полупроводниковый слой. Полученные таким образом омические контакты называются вжигаемыми. Самой распространенной металлизацией является металлическая система на основе титана (Ti) и алюминия (Al).
В работе [4] рассмотрено влияние состояния границы раздела "металл – полупроводник" на уровень сопротивления омического контакта (Ti/Al/Ni/Au), сформированного к GaN на Si (111). Установлено, что протекание тока через контакт зависит также от структуры и электрических свойств прореагировавшего слоя. Металлизация Ti/Al/Ni/Au имела толщины 15/200/50/50 и 100/200/50/50 нм, контакт на основе первой металлизации показал лучшие электрические характеристики, чем контакт с 100 нм Ti. В частности, значения удельного контактного сопротивления после отжига при 850 °С составили 4,8 · 10–5 и 3,5 · 10–4 Ом · см2 соответственно. Однако образец с 15 нм Ti имеет более развитую морфологию поверхности, среднеквадратичная шероховатость составила 30,6 и 22,3 нм соответственно. Также в работе были сделаны ПЭМ-изображения поперечного сечения двух образцов с 15 нм Ti, отожженных при 800 и 850 °С, и показаны на рис.1. Как видно из рис.1a в первом случае исходная слоистая структура размывается и перемешивается.
Совершенно иная микроструктура наблюдается в образце, отожженном при 850 °C (ПЭМ-изображение приведено на рис.1b). Очевидно, наличие четко различимых слоев. Самый верхний слой в основном содержит фазу AlNi, под ним темный (из-за присутствия Au) слой AlAu4. Третий слой, исходя из результатов рентгеновского анализа, содержит соединения Ti–Al–Ni. Также в этом случае на границе раздела с подложкой формируется слой TiN толщиной 4–9 нм. Электрические свойства омических контактов определяет именно проводящий слой TiN, формирование которого зависит от ряда параметров технологического процесса, так в работе Якобса и Крамера [5] рассмотрен систематический подход к снижению сопротивления омических контактов Ti/Al/Ni/Au в структурах AlGaN/GaN. Все омические контакты были вида Ti/Al/Ni/Au, но отличались по толщине металлов, времени и температуре в процессе быстрого термического отжига.
Из рис.2a видно, что результаты исследования контактных систем на основе металлизации Ti/Al/Ni/Au показывают, что электрические свойства и морфология поверхности зависят от соотношения между толщиной Ti и Al. Увеличение толщины Al приводит к уменьшению контактного сопротивления. Коэффициент толщины, равный 6, дает наилучшие результаты. На рис.2b показаны результаты исследования влияния толщины титана на контактное сопротивление. Из рис.2c видно, что существует оптимальное значение толщины Ni, а увеличение или уменьшение толщины никеля ухудшает контактное сопротивление. Каждый образец был расколот на четыре части, которые были отожжены при 700, 800, 900 и 1000 °С в течение 30 с в атмосфере азота. Каждый раз наилучшие результаты были получены при 900 °С. На рис.2d показано более подробное исследование условий отжига для оптимальной схемы металлизации, состоящей из Ti/Al/Ni/Au (30/180/40/150 нм). Лучшие результаты были получены при температуре 900 °С в течение 30 с в атмосфере N2. После серии экспериментов были получены толщины и параметры термического отжига для снижения контактного сопротивления металлических контактов Ti/Al/Ni/Au. В итоге в данной работе оптимизированный контакт имел очень низкое контактное сопротивление 0,2 Ом ∙ мм (7,3·10–7 Ом ∙ см2) и следующие параметры для толщин 30/180/40/150 нм соответственно [5].
Для омических контактов на основе Ti и Al температура должна была быть выше 800 °С, чтобы достичь этого компромисса. Более детальное исследование влияния процесса термической обработки проведено в работе [6], образцы с контактной металлизацией Ti/Al/Mo/Au были отожжены при различных температурах в системе быстрого термического отжига (БТО). Температуру каждого процесса отжига меняли в диапазоне от 825 до 855 °С и для всех образцов выдерживали время отжига 60 с (рис.3a).
Как видно из рис.3a, температурная обработка проводилась в режиме быстрого термического отжига (БТО), то есть был реализован быстрый нагрев и быстрое охлаждение. На рис.3b представлены вольт-амперные характеристики контакта на основе металлизации Ti/Al/Mo/Au в зависимости от температуры отжига. Уменьшение температуры термической обработки приводит к нелинейности. Это может означать, что на границе раздела "металл – полупроводник" остается барьер. Влияние температуры процесса термической обработки показывает, что наименьшее полное сопротивление при данном напряжении достигается при 855 °С. Однако повышение температуры отжига выше температуры 855 °С приводит к увеличению полного сопротивления. Но форма ВАХ остается слегка нелинейной.
Составы металлизации и параметры термической обработки для изготовления омических контактов к наногетероструктурам на основе нитрида галлия ряда исследований представлены в табл.1.
Особенностями технологии вжигаемых контактов являются: удовлетворительный уровень контактного сопротивления, высокая механическая и температурная стабильность, развитая морфология поверхности. Вжигаемый омический контакт является перспективным для силовых полупроводниковых приборов.
НЕВЖИГАЕМЫЕ ОМИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ К НАНОГЕТЕРОСТРУКТУРАМ НА ОСНОВе НИТРИДА ГАЛЛИЯ
В последнее время набирают распространение методы изготовления невжигаемых контактов. На рис.4 представлена концепция изготовления невжигаемых селективно выращенных омических контактов. Поверхность наногетероструктуры травится через диэлектрическую маску SiO2 на глубину ниже залегания проводящего канала, показанного пунктирной линией, после чего в образовавшихся "окнах" выращивается n+-GaN. Благодаря введению примеси Si происходит вырождение полупроводящего слоя GaN, который должен находиться в непосредственном контакте с областью двумерного газа электронов (ДЭГ). Формирование контакта завершается металлизацией поверхности n+-GaN. Доращиваемые контакты имеют ряд преимуществ перед вжигаемыми. Доращивание производится путем гомоэпитаксии, что обеспечивает хорошую адгезию осаждаемого материала. Нитрид галлия и маска SiO2 обладают хорошей температурной стойкостью, что обеспечивает сохранение изначальной формы контакта и позволяет точнее контролировать геометрию изготавливаемых транзисторов [13]. В последние годы были опубликованы сообщения о получении удельного сопротивления омических контактов до 0,4 Ом ∙ мм для Ga-face HEMT [14] и до 0,09 Ом ∙ мм [15], а затем до 0,025 Ом ∙ мм [16] для N-face HEMT. Кроме того, сообщается о создании невжигаемых доращиваемых контактов к структурам HEMT без вытравливания "окон" под осаждение n+-GaN [17], а также с применением селективного травления части барьерного слоя AlGaN, которое не затрагивает слой GaN [18].
В работе [19] рассматривалась эпитаксиальная гетероструктура AlGaN/GaN HEMT с ионной имплантацией кремния с дозой 1 ∙ 1016 см–3 (рис.4).
Сопротивления структур были измерены методом длинной линии. Были получены следующие данные: контактное сопротивление Rк = 0,96 Ом ∙ мм и поверхностное сопротивление RПП = 383 Ом/м2.
Помимо селективного доращивания все больше применений находит метод ионного легирования. В работе [20] проведена оценка несплавных омических контактов Cr/Pt/Au к эпитаксиальным структурам GaN и традиционных сплавных контактов Ti/Al/Ni/Au к гетероструктурам AlGaN/GaN с ионнолегированными контактными слоями. Контактное сопротивление составило: 2,8 ∙ 10–6 и 3,5 ∙ 10–7 Ом ∙ см2 соответственно. Таким образом, можно сделать вывод: технология невжигаемых омических контактов позволяет достигать низких сопротивлений, что делает такие контакты наиболее подходящими для СВЧ-транзисторов.
ВЛИЯНИЕ ВЕЛИЧИНЫ КОНТАКТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НА КРУТИЗНУ ВАХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ГАЛЛИЯ
Важно оценить влияние величины контактного сопротивления на параметры полупроводниковых приборов. Один из таких параметров – крутизна. В последние годы наряду с усовершенствованием технологии плазмохимической обработки, формирования слоев металлизации и эпитаксиальных методов выращивания нитридных слоев, улучшаются и параметры СВЧ-транзисторов на основе нитрида галлия.
На рис.5 представлена зависимость крутизны полевого HEMT-транзистора от величины контактного сопротивления. Просматривается плавное снижение крутизны с увеличением контактного сопротивления. Рассматривались работы, посвященные как вжигаемым, так и невжигаемым омическим контактам. Наивысшее значение крутизны достигается в работе, посвященной невжигаемым контактам [16] и составляет 1105 мСм/мм. В целом приведенные данные демонстрируют значительно более высокую крутизну для HEMT-транзисторов с невжигаемыми контактами. Для транзисторов с вжигаемыми омическими контактами наибольшее значение крутизны составляет 400 мСм/мм. В целом, данные значения подтверждают перспективность решения задачи снижения контактного сопротивления.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате работы представлено, что ожидать от нитридгаллиевого СВЧ-транзистора при различных значениях сопротивления омических контактов. В целом, данная задача является перспективной для силовых полупроводниковых приборов. Как видно из вышеизложенного, технология невжигаемых омических контактов позволила достигать низких сопротивлений, что делает такие контакты наиболее подходящими для СВЧ-транзисторов, особенно в условиях продвижения в нанометровый диапазон топологических размеров.
Полученные данные дают возможность с большой уверенностью предположить, что дальнейшее развитие технологии невжигаемых омических контактов к наногетероструктурам на основе нитрида галлия позволит приблизить освоение рабочих частот вплоть до терагерцового диапазона.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки в рамках государственного задания FSMR-2022-0004.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Wu C.L. et al. Heteroepitaxy of GaN on Si (111) realized with a coincident-interface AlN/β-Si3N 4 (0001) double-buffer structure // Applied physics letters. 2003. Vol. 83, no. 22. PP. 4530–4532.
del Alamo J.A., Lee E.S. Stability and reliability of lateral GaN power field-effect transistors // IEEE Transactions on Electron Devices. 2019. Vol. 66, no. 11. PP. 4578–4590.
Cho S.M., Lee J.D., Lee H.H. Specific resistivity of ohmic contacts to n‐type direct band-gap III–V compound semiconductors // Journal of applied physics.1991. Vol. 70, no. 1. PP. 282–287.
Roccaforte F. et al. Nanoscale carrier transport in Ti/Al/Ni/Au Ohmic contacts on AlGaN epilayers grown on Si (111) // Applied physics letters. 2006. Vol. 89, no. 2. P. 022103.
Jacobs B. et al. Optimization of the Ti/Al/Ni/Au ohmic contact on AlGaN/GaN FET structures // Journal of Crystal Growth. 2002. Vol. 241, no. 1–2. PP. 15–18.
Macherzynski W. et al. Formation process and properties of ohmic contacts containing molybdenum to AlGaN/GaN heterostructures // Advances in Electrical and Electronic Engineering. 2016. Vol. 14, no. 1. P. 83.
Fan Z. et al. Very low resistance multilayer Ohmic contact to n‐GaN // Applied Physics Letters. 1996. Vol. 68, no. 12. PP. 1672–1674.
Mohammad S.N. Contact mechanisms and design principles for alloyed ohmic contacts to n-GaN // Journal of Applied Physics. 2004. Vol. 95, no. 12. PP. 7940–7953.
Wang D.F. et al. Low-resistance Ti/Al/Ti/Au multilayer ohmic contact to n-GaN // Journal of Applied Physics. 2001. Vol. 89, no. 11. PP. 6214–6217.
Motayed A. et al. High-transparency Ni/Au bilayer contacts to n-type GaN // Journal of applied physics. 2002. Vol. 92, no. 9. PP. 5218–5227.
Motayed A. et al. Electrical, microstructural, and thermal stability characteristics of Ta/Ti/Ni/Au contacts to n-GaN // Journal of applied physics. 2004. Vol. 95, no. 3. PP. 1516–1524.
Kumar V. et al. Thermally-stable low-resistance Ti/Al/Mo/Au multilayer ohmic contacts on n–GaN // Journal of applied physics. 2002. Vol. 92, no. 3. PP. 1712–1714.
Майборода И.О. и др. Селективный рост невжигаемых омических контактов к двумерному электронному газу в транзисторах с высокой подвижностью электронов на основе гетеропереходов GaN/AlGaN методом молекулярно-пучковой эпитаксии // Письма в Журнал технической физики. 2014. Т. 40. № 11. С. 80–86.
Guo J. et al. Metal/face InAlN/AlN/GaN high electron mobility transistors with regrown ohmic contacts by molecular beam epitaxy // Physica status solidi (a). 2011. Vol. 208, no. 7. P. 1617–1619.
Denninghoff D.J. et al. Design of High-Aspect-Ratio T-Gates on N-Polar GaN/AlGaN MIS-HEMTs for High fmax // IEEE Electron Device Letters. 2012. Vol. 33, no. 6. PP. 785–787.
Dasgupta S. et al. Self-aligned N-polar GaN/InAlN MIS-HEMTs with record extrinsic transconductance of 1105 mS/mm // IEEE Electron Device Letters. 2012. Vol. 33, no. 6. PP. 794–796.
Zheng Z. et al. Nonalloyed ohmic contact of AlGaN/GaN HEMTs by selective area growth of single-crystal n+GaN using plasma assisted molecular beam epitaxy // Physica status solidi (a). 2011. Vol. 208, no. 4. PP. 951–954.
Pang L. et al. High-current AlGaN/GaN high electron mobility transistors achieved by selective-area growth via plasma-assisted molecular beam epitaxy // Physica status solidi (a). 2014. Vol. 211, no. 1. PP. 180–183.
Recht F. et al. Nonalloyed ohmic contacts in AlGaN/GaN HEMTs by ion implantation with reduced activation annealing temperature // IEEE electron device letters. 2006. Vol. 27, no. 4. PP. 205–207.
Желаннов А.В. и др. Омические контакты к приборным структурам на основе нитрида галлия // Физика и техника полупроводников. 2020. Т. 54. № 3. C. 247–249.
Xin H.P. et al. Optimization of AlGaN/GaN HEMT ohmic contacts for improved surface morphology with low contact resistance // Poust W. Sutton D., Li D., Lam I. Smorchkova R., Sandhu B., Heying J., Uyeda M., Barsky M. Wojtowicz R. Lai // CS MANTECH Conf. Portland (Oregon, USA). 2010. PP. 149–152.
Yue Y. et al. InAlN/AlN/GaN HEMTs with regrown ohmic contacts and fT of 370 GHz // IEEE Electron Device Letters. 2012. Vol. 33, no. 7. PP. 988–990.
Liu Z. et al. Mechanism of ohmic contact formation in AlGaN/GaN high electron mobility transistors using microwave annealing // 2016 13th IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT). IEEE, 2016. PP. 1050–1052.
Song B. et al. Ultralow-leakage AlGaN/GaN high electron mobility transistors on Si with non-alloyed regrown ohmic contacts // IEEE electron Device letters. 2015. Vol. 37, no. 1. PP. 16–19.
Ganguly S. et al. Plasma MBE growth conditions of AlGaN/GaN high-electron-mobility transistors on silicon and their device characteristics with epitaxially regrown ohmic contacts // Applied Physics Express. 2014. Vol. 7, no. 10. P. 105501.
Cui P., Zeng Y. Scaling Behavior of InAlN/GaN HEMTs on Silicon for RF Applications. 2022.
Jiang Y. et al. InAlN/GaN HEMTs on Si with 0.18 Ω ∙ mm Contact Resistance and 2,1-A/mm Drain Current Density // 2021 IEEE 14th International Conference on ASIC (ASICON). IEEE, 2021. PP. 1–4.
Çakmak H. et al. Nonalloyed Ohmic Contacts in AlGaN/GaN HEMTs With MOCVD Regrowth of InGaN for Ka-Band Applications // IEEE Transactions on Electron Devices. 2021. Vol. 68, no. 3. PP. 1006–1010.
Li L. et al. GaN HEMTs on Si with regrown contacts and cutoff/maximum oscillation frequencies of 250/204 GHz // IEEE Electron Device Letters. 2020. Vol. 41, no. 5. PP. 689–692.
Lu H. et al. Low Contact Resistance CMOS-Compatible RF GaN-on-Silicon HEMTs // 2021 IEEE 8th Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications (WiPDA). IEEE, 2021. PP. 75–78.
Отзывы читателей
