CC BY
35
УДК 621.373.8
ОМИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ ДЛЯ ВЕРТИКАЛЬНО-ИЗЛУЧАЮЩИХ ЛАЗЕРОВ С ВНУТРИРЕЗОНАТОРНЫМИ КОНТАКТАМИ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУР АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ
К.О.Воропаев, Б.И.Селезнев, А.С.Ионов*, АВ.Петров*
THE OHMIC CONTACTS FOR VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASERS BASED
ON HETEROEPITAXIAL STRUCTURE OF GAAS WITH INTRACAVITY CONTACT LAYERS
K.O.Voropaev, B.I.Seleznev, A.S.Ionov, A.V.Petrov
Институт электронных и информационных систем НовГУ, Kirill. [email protected]
*ОАО «ОКБ-Планета»
Рассмотрена технология формирования омических контактов к структурам вертикально-излучающих лазерных диодов (ВИЛ) с внутрирезонаторными контактами, содержащих контактные слои GaAs p- и л-типа толщиной 50 нм. При разработке технологии формирования омических контактов для ВИЛ были проведены эксперименты по подбору состава металлизации и режимов последующего формирования металлизированного рисунка. Проведен сравнительный анализ диффузионных барьеров на основе Ni и Mo. После напыления металлических пленок проводился быстрый термический отжиг полученных систем в атмосфере азота. Исследованы характеристики омических контактов: внешний вид, морфология поверхности контактов, удельное сопротивление. Методом силовой электронной микроскопии проведена оценка глубины диффузии металлов в полупроводниках после отжига при формировании омического контакта к GaAs л-типа.
Ключевые слова: вертикально-излучающие лазеры, наногетероструктуры арсенида галлия, омические контакты, диффузионный барьер, удельное сопротивление, профилометрия, силовая электронная микроскопия
This paper presents the research of technology of forming ohmic contacts for nanoheterostructures of vertical cavity surface emitting lasers (VCSEL). This multilayer structure is comprised of the following layers: distributed Bragg reflector of Ga1-xAlxAs, aperture layer, contact layers of л- and p-type GaAs, active layer and substrate of GaAs. Metallisation was formed by lift-off photolithography and thermal vacuum deposition. The authors researched ohmic contacts based on metallic layers: Ti-Pt-Au for p-type, AuGe/Mo(Ni)/Au for л-type. They also compared the efficiency of diffusion barriers based on metallic layers of Mo and Ni and analyzed a few parameters of ohmic contacts: electrical resistivity, morphology, appearance, and diffusion depth in semiconductors.
Keywords: vertical cavity surface emitting laser, heteronanostructure of GaAs, ohmic contact, diffusion barrier, resistivity, profilometry, electric force microscopy
Введение
Полупроводниковые лазеры на основе гетеро-структур широко используются в приёмопередающих устройствах оптоволоконных систем связи, газовых датчиках, устройствах ввода-вывода на оптических принципах [1]. В вертикально-излучающих лазерах (ВИЛ) вывод излучения осуществляется не с торцов лазера в плоскости гетероперехода, а перпендикулярно ей. Уровень современных разработок позволяет получать ВИЛ с частотой эффективной модуляции 28 ГГц и осуществлять оптическую передачу данных на скорости 47 Гбит/с [2].
В данной работе был выделен и исследован один из важных технологических этапов создания кристаллов ВИЛ — формирование омических контактов.
Так как исходная структура разработанного ВИЛ (рис.1) включает в себя полупроводниковые контактные слои GaAs p-типа и n-типа проводимости, необходимо реализовать два типа омических контактов с различным составом металлизации. Сформированные контакты должны соответствовать ряду требований, обеспечивающих необходимые выходные характеристики генерируемого модулированного лазерного излучения. Граница полученных омических
контактов должна быть ровной, морфология поверхности — гладкой, не содержать дефектов в виде включений металлов, обусловленных диффузией из нижних слоев металлизации. Для модуляции на частотах > 5 ГГц необходимо, чтобы удельное сопротивление омических контактов не превышало величину 10-5 Ом-см2.
Из литературы известны следующие системы металлизаций для получения омических контактов к структурам ВИЛ на основе арсенида галлия: Т№^Аи для контактных слоев /»-типа проводимости и АиЮе/№/Аи для слоев п-типа проводимости [3,4]. В настоящей работе опробован новый тип барьерного слоя металла на основе Мо и проведен сравнительный анализ с известным ранее барьером на основе №.
Рис.1. Структура вертикально излучающего лазера с внутри-резонаторными контактами
Технология формирования омических контактов
Для ограничения количества температурных воздействий, вследствие которых может наблюдаться диффузия золота через барьер, напыление металлических пленок проводилось на холодную подложку, а формирование рисунка металлизации выполнялось при помощи метода «взрывной» фотолитографии. Использовалась двухслойная маска, состоящая из слоя lift-off фоторезиста LOR 5A и верхнего слоя Mi-croposit S1813 SP-15. Применение маски такого состава позволяет получить так называемый «обратный клин», необходимый для формирования качественной «взрывной» фотолитографии и получения четкого профиля границы металлизации.
В качестве металлизации для создания омических контактов были выбраны системы: Ti/Pt/Au для области ¿»-типа и AuGe/Mo/Au, AuGe/Ni/Au для области и-типа (в качестве навески для напыления нижнего слоя использовался сплав AuGe). Напыление пленок проводилось методом магнетронного распыления и термовакуумного напыления. Толщины напыляемых пленок составляли: Ti (30 нм)^ (50 нм)Мл (200 нм). При формировании контактов к слоям n-типа были опробованы системы с различными диффузионными барьерами — Mo и Ni при разных толщинах компонентов: AuGe (30 нм)/№ (30 нм, 50 mtf)/Au (200 нм), AuGe/Mo (30 нм, 50 шО/Au.
Перед напылением металлических пленок на поверхность рабочей структуры подложка проходила обработку в кислородной плазме для снятия остав-
шихся недопроявленных нанослоев фоторезиста, после чего обрабатывалась в растворе 37%-й соляной кислоты с водой в соотношении 1:1 в течение двух минут. Данная операция необходима для снятия окисла с поверхности контактного слоя и уменьшения сопротивления области контакта металл— полупроводник. Сразу же после снятия окисла и сушки пластин происходило напыление на их поверхность металлических слоев и последующий «взрыв» металлизации.
Так как омический контакт на основе нижнего слоя AuGe является вжигаемым, после формирования металлизированного рисунка необходимо проведение отжига полученной структуры. В данной работе отжиг металлизации проводился на установке быстрого термического отжига (фотонный отжиг) AsOne в атмосфере азота при температуре 360°С в течение 60 секунд, расход азота составлял 600 sccm и был неизменным для всех типов металлизации. Время остывания пластин в камере после отжига составляло 3 минуты.
Анализ полученных результатов
Критериями оценки качества омических контактов являлись: внешний вид, морфология поверхности контактов, качество края, удельное сопротивление. После проведения вжигания сформированных контактов на основе системы металлизации AuGe/Mo(Ni)/Au методом силовой электронной микроскопии (СЭМ) исследовались области границы раздела металл—полупроводник. На основе данных
в)
Рис.2. СЭМ изображение поперечного скола полученных омических контактов, система металлов AuGe/Ni/Au: а) толщина М(барьер) = 50 нм; б) толщина № = 30 нм; в) толщина Мо(барьер) = 50 нм.
а) б)
Рис.3. Внешний вид (а) и профиль (б) омического контакта на основе металлизации AuGe-Ni-Au. Толщина № составляет 30 нм
СЭМ определена глубина диффузии металлов в GaAs и установлена корреляция между глубиной диффузии, параметрами дифузионного барьера и режимами отжига металлизации. В качестве СЭМ использовалась установка электронно-лучевой фотолитографии Voyager фирмы RAITH.
Глубина диффузии металла в полупроводник при формировании омических контактов не должна превышать толщину контактного эпитаксиального слоя GaAs, составляющую ~ 50 нм. На микрофотографии поперечного сечения, приведенной на рис.2а, видно, что толщина слоя, в который произошла диффузия металлов, составляет ~ 30 нм. Это значение не превышает толщину контактного слоя, и данный способ формирования омического контакта можно считать приемлемым с точки зрения глубины диффузии металлов.
На микрофотографии поперечного сечения, приведенной на рис.2б, глубина диффузии составляет ~ 98,7 нм. Это значение существенно превышает толщину контактного слоя, следовательно, данный способ формирования омического контакта неприемлем, т.к значительно ухудшится величина удельного сопротивления.
Для образца, представленного на рис.2в, наблюдается наименьшая глубина диффузии по сравнению с приведенными выше образцами. Диффузия
происходит в приповерхностном слое контакта металл—полупроводник, глубина диффузии составляет ~ 10 нм. Данный способ формирования омического контакта при использовании молибденового барьера является наиболее оптимальным с точки зрения глубины диффузии металлов в полупроводник.
Для анализа внешнего вида использовалась оптическая микроскопия. Оценка морфологии выполнялась при помощи оптического профилометра Taylor Hobson CCI. Результаты исследований приведены на рис.3,4,5.
Поверхность омического контакта должна иметь сплошной золотой цвет без включений. Поверхность контакта, представленная на рис.3, имеет металлический цвет с множественными включениями. Это свидетельствует о том, что диффузионный барьер данного типа неэффективен, так как произошла взаимодиффузия между слоями AuGe-Au. Для предотвращения диффузии увеличена толщина барьерного слоя Ni (рис.4).
Использование барьера на основе Ni не дало желаемого результата. Следующим этапом являлось исследование омических контактов состава AuGe-Mo-Au при толщинах слоя Mo ~30 нм и ~50 нм. Лучший результат был получен при толщине пленки молибдена, равной 50 нм (рис.5).
Рис.4. Внешний вид (а) и профиль (б) омического контакта на основе металлизации AuGe-Ni-Au. Толщина № — 50 нм, шероховатость поверхности — 19 нм
50 нм, шеро-
№111 III
Рис.5. Внешний вид (а) и профиль (б) омического контакта на основе металлизации AuGe-Mo-Au. Толщина Мо ■ ховатость поверхности — 1,55 нм
Для оценки удельного сопротивления омического контакта для n-типа GaAs был выбран контакт на основе AuGe/Mo/Au при толщине Mo, равной 50 нм. Данная система металлизации, в отличие от систем на основе Ni, обладает наименьшей глубиной диффузии металлов в полупроводник, наиболее гладкой морфологией поверхности и удовлетворяет требованиям к внешнему виду.
Один из самых распространенных методов измерения контактного сопротивления — метод длины переноса (Transmission Line Method — TLM) [5]. Для данных целей на экспериментальных структурах были созданы модули, включающие в себя прямоугольную и радиальную геометрию контактов. Кроме этого, для исключения растекания токов по пластине по периферии тестовой ячейки было выполнено ионное легирование структуры водородом. Величина удельного сопротивления омического контакта AuGe-Mo-Au составила 1,3-10-6 Ом-см2.
При формирования омического контакта к слою GaAs /»-типа на основе системы Ti-Pt-Au было установлено (хотя контакт данного типа и является невжи-гаемым), что при отжиге данной системы металлизации при температурах 360-400°С происходит уменьшение контактного сопротивления и улучшение линейности ВАХ, шероховатость поверхности металлизации составила 0,8 нм. Следовательно, при формировании ВИЛ целесообразно сначала сформировать контакт к полупроводнику /-типа, затем n-типа, после чего провести отжиг n-контакта, тем самым одновременно улучшить характеристики и /-контакта.
Заключение
Рассмотрены омические контакты к гетероэпи-таксиальным структурам GaAs для вертикально-излучающих лазеров с внутрирезонаторными контактами. Получены и исследованы экспериментальные образцы, содержащие контакты, сформированные к
слоям арсенида галлия п- и /-типа проводимости. Показано, что в системах металлизации AuGe/Mo/Au, AuGe/Ni/Au для слоев GaAs п-типа проводимости в качестве диффузионного барьера предпочтительнее использовать Мо. При этом температура отжига должна составлять 360°С, а время процесса — 60 секунд. При таком режиме формирования контакта не наблюдается деградации поверхности данной металлизации, глубина диффузии металлов в полупроводник не превышает толщину контактного слоя, морфология поверхности остается достаточно гладкой, а удельное сопротивление омического контакта не превышает значение 10-5 Ом-см2.
В результате экспериментальных исследований установлено, что при отжиге контакта к слою GaAs /-типа на основе металлов ТЬТЧ/Аи в диапазоне температур 360-400°С не наблюдается деградация, происходит уменьшение контактного сопротивления при улучшении линейности вольт-амперной характеристики.
1. Coldren L.A., Temkin H., Wilmsen C.W. Vertical cavity surface emitting lasers. Cambridge, Cambridge University Press, 2002. 474 p.
2. Westbergh P., Safaisini R., Haglund E., Gustavsson J.S., Larsson A., Joel A. High-speed 850 nm VCSELs with 28 GHz modulation bandwidth for short reach communication. SPIE Proceedings, 2013, vol. 8639, p. 86390X-2.
3. Khairul Anuar M.S., Mohd Sharizal A., Mitani S.M., Mohamed Razman Y., Awang Mat A.F., Choudhury P.K. Effect of Rapid Thermal Annealing (RTA) on n-Contact of 980 nm Oxide VCSEL. IEEE Xplore, 2007. doi:10.1109/SMELEC.2006.381084.
4. Das N.C., Hsen H., Newman P., Lara M.T., Chang W. Design and Fabrication of 850 and 980 nm Vertical Cavity Surface Emitting Laser. Adelphi, Army Research Laboratory,
2004. 16 p.
5. Lijadi M., Pardo F., Bardou N., Pelouard J. Floating contact transmission line modelling: An improved method for ohmic contact resistance measurement. Solid-State Electronics,
2005, no. 49, pp. 1655-1661.
