CC BY
271
УДК 621.382.133
ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВЫХ ДИОДОВ ШОТТКИ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ГАЛЛИЯ А.В.Желаннов, В.Е.Удальцов*, Д.Г.Федоров
ОАО «ОКБ-Планета», [email protected] * Институт электронных и информационных систем НовГУ, Viktor. [email protected]
Исследовано влияние вида металлизации и технологии создания контактной системы на вольт-амперные характеристики диодов Шоттки, изготовленных на основе эпитаксиальных слоев нитрида галлия. Прямое падение напряжения на диоде достигает
2,5 В при плотности прямого тока 50 А/см2, плотность тока утечки не превышает 10-2 А/см2 при обратном напряжении 200 В. Ключевые слова: нитрид галлия, диод Шоттки, омический контакт, удельное контактное сопротивление, прямое падение напряжения, плотность тока
The influence of technology to create and form a contact metallization system on the current-voltage characteristics of Schottky diodes fabricated using epitaxial layers of gallium nitride is researched. Forward voltage is 2.5 V at forward current density 50 A/cm2, the density of the current leakage does not exceed 10"2 A/cm2 when reverse voltage is 200 V.
Keywords: gallium nitride, Schottky diode, ohmic contact, specific contact resistance, forward drop, current density
Введение
В последнее время большое внимание уделяется широкозонным полупроводникам нитриду галлия ^а№), карбиду кремния ^С) и алмазу как перспективным материалам для создания эффективных приборов силовой и высокотемпературной электроники. Наиболее интенсивно развивается технология приборов на основе нитрида галлия, благодаря использованию его для производства светодиодов.
Вместе с тем этот полупроводник является привлекательным и для применения в силовой электронике в связи с достаточным быстродействием и высоким
напряжением пробоя. К настоящему времени разработано несколько видов диодов, принципиально отличающихся структурой и геометрией расположения контактов. В частности, интенсивно исследуются диоды Шоттки с горизонтальной и вертикальной геометрией областей и контактов [1]. Диоды с вертикальной структурой отличаются большими прямыми токами, но пока характеризуются низкими пробивными напряжениями и большими токами утечки по сравнению с диодами горизонтальной конфигурации. Это обусловлено недостаточным для данной технологии и конструкции диодов качеством подложек из GaN, содержащих достаточно большое количество дефектов.
Целью данной работы является разработка и исследование горизонтальных диодов Шоттки на основе эпитаксиальных слоев нитрида галлия. В работе рассмотрены возможные варианты формирования омических контактов, исследованы прямые и обратные вольт-амперные характеристики.
План эксперимента
Исследуемые диоды Шоттки изготавливались на основе эпитаксиальных слоев нитрида галлия, выращенных на сапфировых подложках. На исходную сапфировую подложку с высокоомным буферным слоем нитрида галлия толщиной 1,5 мкм (так называемую темплейт-подложку) наращивался активный слой нитрида галлия и-типа толщиной 2,5 мкм методом химического осаждения из газовой фазы с использованием металлорганических соединений.
Технологический процесс изготовления диодов состоял из четырех этапов, включающих ионнолучевое травление мезаструктуры, создание омического контакта с активным слоем, формирование барьера Шоттки на границе с и-слоем, пассивацию и защиту поверхности кристалла пленкой диэлектрика. Для формирования меза-изоляции применялось ионнолучевое травление ионами Аг+. В качестве маски использовался титан, получаемый с помощью магнетронного напыления. Скорость травления нитрида галлия при таком методе составляет порядка 6 нм/мин, а селективность по отношению к маске — 6:1.
Для создания низкоомных омических контактов использовались два способа. Первый — локальное увеличение уровня легирования путем ионной имплантации примеси в нитрид галлия [2]. Ионное легирование кремнием осуществлялось на установке «Везувий-1» с энергией 50 кэВ и дозой 1015 см-2 С целью устранения эффекта каналирования ионов легирование проводилось при наклоне образца 7°. Примесь активировалась с помощью отжига в азотной атмосфере при 900°С в течении часа. При таких условиях легирования получен профиль с максимумом концентрации 2 1017 см-3 на глубине 0,2 мкм. Затем формировалась контакты на основе системы металлизации Т1/А1/№/Аи.
Второй способ основан на введении в традиционно используемую систему металлизации [3] слоя тантала. Использование слоя тантала позволяет улучшить качество омического контакта, формируемого к высокоомному слою нитрида галлия [4].
Контакты в обоих случаях изготавливались с помощью контактной «взрывной» фотолитографии с последующим отжигом в атмосфере азота.
Контакты Шоттки площадью 9 10-4 см2 формировались на основе системы Ni/Au толщиной 20 нм и 150 нм соответственно. На заключительном этапе поверхность кристалла пассивировалась пленкой SiO2, полученной плазмохимическим осаждением.
В процессе выполнения работы были изготовлены и исследованы экспериментальные образцы диодных кристаллов размером 600*600 мкм. Измерения проводились на полуавтоматической зондовой станции Cascade Microtech 12000S. Для контроля параметров на постоянном токе использовался измеритель характеристик полупроводниковых приборов Agilent B1500A.
Результаты эксперимента и их обсуждение
В работе оценивалось качество трех различных вариантов омических контактов. Прежде всего использовалась традиционная металлизация на основе системы Ti/Al/Ni/Au, формируемая на высокоомном слое нитрида галлия. В другом варианте использовалась такая же система, но с дополнительным подле-гированием контактных областей. В третьем варианте наносился подслой тантала, в результате использовалось пять слоев Ta/Ti/Al/Ni/Au. Вольт-амперные характеристики перечисленных контактных систем представлены на рис. 1.
Как видно из рис.1, система металлизации на основе Ta/Ti/Al/Ni/Au имеет наименьшее сопротивление.
Оценка контактного сопротивления производилось с помощью метода длинной линии (Transmission Length Method) [5]. В результате получены следующие значения величины удельного контактного сопротивления: система Ti/Al/Ni/Au (без подлегирования) — 9,910-3 Омсм2; Ti/Al/Ni/Au (с подлегированием) —
4,5 10 б Ом см2; Ta/Ti/Al/Ni/Au — 1,610 б Ом см2.
300 ТокумкА "*]
240 180
120 : ^
.***
60 ..**
9• Напряжение,В
0^5 1 1.5
-60
•*** по
*•** 180
•***
^*** "“4°
° -300 І і J
« пегирование_ТІ/АІ/МІ/Аи ♦ Ti/Al/Ni/Au
а)
б)
Рис.1. Вольт-амперные характеристики омических контактов систем металлизации Ta/Ti/Al/Ni/Au (а) и Ti/Al/Ni/Au (б)
Достигнутые результаты демонстрируют перспективность использования металлизации с добавлением тантала, а также технологии подлегирования. Большее значение удельного контактного сопротивления металлизации с подлегированием объясняется недостаточным увеличением уровня легирования активного слоя вследствие неполной активации примеси.
Вольт-амперные характеристики приборных структур представлены на рис.2 и 3.
Рис.2. Прямая вольт-амперная характеристика исследуемых диодных структур
Как видно из рис.2, прямое падение напряжение у структуры с омическими контактами на основе металлизации Та/ТЇ/А1/№/Аи заметно ниже, чем у остальных структур. Связано это с более низким значением контактного сопротивления омических контактов.
Обратные вольт-амперные характеристики не имеют такого сильного различия, поскольку они определяются качеством барьера Шоттки, который формировался для всех структур одновременно. Все структуры имеют пробивное напряжение порядка 700 В.
Заключение
Исследованы характеристики диодов Шоттки на основе эпитаксиальных слоев нитрида галлия с горизонтальным расположением контактов. Рассмотрены три возможных варианта формирования омических контактов для улучшения прямых характеристик диодных структур. Получена система металлизации на основе тантала, позволяющая получать низкоомные омические контакты. Опробована технология ионного легирования подконтактных областей для уменьшения контактного сопротивления. Получены диодные структуры и исследованы их вольт-амперные характеристики, прямое падение напряжения достигает 2,5 В при плотности тока 50 А/см2, плотность тока утечки не превышает 10-2 А/см2 при обратном напряжении 200 В.
Рис.3. Обратная вольт-амперная характеристика исследуемых диодных структур
Johnson J.W., Zhang A.P., Luo W.B. Breakdown voltage and reverse recovery characteristics of free-standing GaN Schot-tky rectifiers // IEEE Trans. on Electron Device. 2002. V.49. №1. P.32-36.
Фёдоров Д.Г., Желаннов А.В., Селезнев Б.И. Использование ионного легирования для формирования высоковольтных приборов на основе GaN // Мат. XVIII науч. конф. преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ. В.Новгород, 28 марта — 2 апреля 2011 г. В.Новгород, 2011. Ч.3. С.42-43.
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.
Kim Ki Hong, Jeon Chang Min. Microstructural Analysis of Au/Ni/Al/Ti/Ta Ohmic Contact on AlGaN/GaN Heterostructure // Phys. Stat. Sol. 2002. No.1. P.223-226.
Janes K.H., Webb D.B. A transfer length model for contact resistance of two-layer systems with arbitrary interlayer coupling under the contacts // Electron Devices. IEEE Transactions. 1996. V.43. Issue 5. Р.676-684.
Bibliography (Transliterated)
Johnson J.W., Zhang A.P., Luo W.B. Breakdown voltage and reverse recovery characteristics of free-standing GaN Schot-tky rectifiers // IEEE Trans. on Electron Device. 2002. V.49. №1. P.32-36.
Fjodorov D.G., Zhelannov A.V., Seleznev B.I. Is-pol'zovanie ionnogo legirovanija dlja formirovanija vysok-ovol'tnykh priborov na osnove GaN // Mat. XVIII nauch. konf. prepodavatelejj, aspirantov i studentov NovGU. V.Novgorod, 28 marta — 2 aprelja 2011 g. V.Novgorod, 2011. Ch.3. S.42-43.
Zhelannov A.V., Udal'cov V.E., Padorin A.V. Issledovanie kontaktnojj sistemy Ti/Al/Ni/Au dlja diodnykh struktur na osnove nitrida gallija // Vestnik NovGU. Ser. Tekhn. nauki. 2010. №60. S.65-69.
Kim Ki Hong, Jeon Chang Min. Microstructural Analysis of Au/Ni/Al/Ti/Ta Ohmic Contact on AlGaN/GaN Heterostructure // Phys. Stat. Sol. 2002. No.1. P.223-226.
Janes K.H., Webb D.B. A transfer length model for contact resistance of two-layer systems with arbitrary interlayer coupling under the contacts // Electron Devices. IEEE Transactions. 1996. V.43. Issue 5. Р.676-684.
2
3
4
5
2
3
4
5
