CC BY
108
УДК 621.382.323
ФОРМИРОВАНИЕ ИОННО-ЛЕГИРОВАННЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ GаN
Д.Г.Федоров, Г.Я.Москалев* THE FORMATION OF ION-DOPED STRUCTURES ON THE BASE OF GаN
D.G.Fedorov, G.Ya.Moskalev*
Институт электронных и информационных систем, [email protected] *ОАО «ОКБ-Планета», [email protected]
В работе исследованы ионно-легированные слои нитрида галлия. Методом вторичной ионной масс-спектрометрии получены распределения Si+ в GaN. Рассмотрено влияние постимплантационного отжига на качество поверхности полупроводника.
Ключевые слова: нитрид галлия, ионная имплантация, термический отжиг, атомно-силовая микроскопия
This paper presents the research results on the ion-doped gallium nitride layers. The authors obtained some profiles of distribution of Si+ in GaN by means of secondary ion mass spectrometry. The influence of post-implantation annealing on the quality of the semiconductor surface is considered.
Keywords: gallium nitride, ion implantation, thermal annealing, atomic force microscopic
Введение
Разработанные в последнее десятилетие полупроводниковые приборы нового поколения на широкозонных Ш-нитридах значительно превзошли по многим параметрам традиционные приборы на Si и GaAs. Поэтому усилия ученых и разработчиков направлены на исследование и развитие широкозонных полупроводников.
Нитрид галлия как материал для высо-
котемпературных, высоковольтных, высокочастотных и сильноточных приложений, позволяет существенно расширить операционные возможности полупроводниковой техники. Уникальное сочетание параметров материала — большая ширина запрещенной зоны, высокая скорость дрейфа носителей, высокое напряжение пробоя, высокая теплопроводность, высокая химическая и термическая стабильность — позволяет рассматривать GaN как один из перспективных материалов для создания микроэлектронных приборов нового поколения.
Использование ионной имплантации для создания таких приборов является уникальным методом, который дает возможность при достаточно низких температурах точно дозировать внедряемую примесь и создавать локальные легированные области.
Низкое значение удельного сопротивления омических контактов — один из важнейших факторов, необходимых для стабильной работы приборов силовой и СВЧ-электроники. Ионная имплантация Si+ в подконтактные области омических контактов является эффективным методом для формирования омических контактов с малым удельным сопротивлением на GaN.
В данной работе исследовались эпитаксиаль-ные слои GaN, подвергнутые ионной имплантации Si+. Методом вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС) исследовались распределения примеси в объеме полупроводника. Рассмотрено формирование
дефектов на поверхности GaN после воздействия пучка ионов с последующей термической обработкой при высоких температурах [1].
В качестве исходных образцов использовались эпитаксиальные слои нитрида галлия, выращенные методом МОСУЭ (химическое осаждение из газовой фазы с использованием металлорганических соединений) на сапфировой подложке. Толщина подложки составляет 430 мкм. Для уменьшения механических напряжений на подложку осаждался высокоомный буферный слой толщиной 1,5 мкм. На буферный слой наращивался активный слой нитрида галлия п--типа толщиной 2,5 мкм (рис.1).
Рис.1. Эпитаксиальная структура GaN
Ионное легирование кремнием осуществлялось на установке «Везувий-1» с дозой 1015см-2 и энергией 50 кэВ. С целью устранения эффекта кана-лирования имплантация ионов проводилась при наклоне образца 7° к нормали. Примесь активировалась с помощью термического отжига в среде азота при температуре 1150°С в интервале времени от 1 до 10 минут. При таком режиме имплантации полученные профили имеют максимум концентрации, примерно равный 1020 см-3 на глубине 0,1 мкм (рис.2).
0 1 0.2 1. ыкн
Температура отжига 1150оС, время отжига: 1 — 1 мин, 2 — 5 мин, 3 — 10 мин
Рис.2. Распределение Si в GaN. Режим имплантации: доза 1015 см-2, энергия 50 кэВ
С повышением температуры отжига наблюдается увеличение пика концентрации примеси.
При формировании контактных площадок, таких как омический контакт или контакт Шоттки, на поверхности полупроводника важную роль играет морфология поверхности, на которой будут формироваться контакты [2]. Для оценки влияния процессов ионной имплантации и термического отжига на качество поверхности был проведен анализ поверхности GaN методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) в
полуконтактном режиме до и после внедрения Si+. Микрофотографии образцов поверхности GaN представлены на рис.3.
Как следует из рис.3, после проведения ионной имплантации и термического отжига значительная часть поверхности GaN покрывается выступами диаметром от 20 до 50 нм, высота которых составляет 11 нм и более. Так как после имплантации дефекты на поверхности не образуются, а формируются после проведения отжига, то эти дефек-тообразования могут быть связаны со скоплением галлия на поверхности полупроводника после испарения азота из кристаллической решетки во время термического отжига. Для устранения данного эффекта необходимо использовать защитные диэлектрические покрытия перед операцией термического отжига [3].
Выводы
Исследованы ионно-легированные слои нитрида галлия. Получены распределения Si+ в GaN при различных временных режимах отжига при температуре отжига 1150 °С. Установлено, что при увеличении времени отжига увеличивается концентрация в максимуме распределения, ее значения при времени отжига 10 минут составляет 2*1020 см-3. Проведен анализ поверхности GaN методом атомно-силовой микроскопии. Выявлено образование дефектов на поверхности GaN после имплантации и постимплан-тационного отжига.
0,0 и m
0.0 цт
5.С
0,0
2,0
4,0
в)
Рис.3. Изображение поверхности GaN, полученное методом АСМ до имплантации Si+ (а), после имплантации перед отжигом (б) и после имплантации и отжига (в)
1. Федоров Д.Г., Селезнев Б.И., Ионов А.С., Петров А.В.. Формирование ионно-легированных слоев на нитриде галлия // Мат. 3-й науч.-практ. конф. по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники «Мокеровские чтения». 23 — 24 мая 2013 г. М.: МИФИ, 2013. С.29-30.
2. Желаннов А.В,.Удальцов В.Е,.Падорин А.В. Исследование контактной системы Ti/Al/Ni/Au для диодных структур на основе нитрида галлия // Вестник НовГУ. Сер.: Техн. науки. 2010. №60. С.65-69 .
3. Nomoto K., Tajima T., MIshima T. et al. Remarkable Reduction of On-Resistance by Ion Implantation in GaN/AlGaN/GaN HEMTs with Low Gate Leakage Current // IEEE ED Letters. 2007. V.28. №11. P.939-941.
Bibliography (Transliterated)
1. Fedorov D.G., Seleznev B.I., Ionov A.S., Petrov A.V.. Formirovanie ionno-legirovannykh sloev na nitride galliia // Mat. 3-i nauch.-prakt. konf. po fizike i tekhnologii nanogeterostrukturnoi SVCh-elektroniki «Moke-rovskie chteniia». 23 — 24 maia 2013 g. M.: MIFI, 2013. S.29-30.
2. Zhelannov A.V,.Udal'tsov V.E,.Padorin A.V. Issledovanie kontaktnoi sistemy Ti/Al/Ni/Au dlia diodnykh struktur na osnove nitrida galliia // Vestnik NovGU. Ser.: Tekhn. nauki. 2010. №60. S.65-69 .
3. Nomoto K., Tajima T., MIshima T. et al. Remarkable Reduction of On-Resistance by Ion Implantation in GaN/AlGaN/GaN HEMTs with Low Gate Leakage Current // IEEE ED Letters. 2007. V.28. №11. P.939-941.
