Оптимизация параметров контактов "металл–твердые растворы AlGaN" как основы фотодетекторов для ультрафиолетового диапазона спектра Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

!Т

Микроэлектроника

УДК 621.315.592

И. А. Ламкин, С. А. Тарасов, Е. А. Менькович, А. А. Петров Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет

"ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)

Оптимизация параметров контактов "металл-твердые растворы МСаЫ" как основы фотодетекторов для ультрафиолетового диапазона спектра

Представлены результаты оптимизации параметров контактов "металл-твердые растворы А!ваЫ" и созданные на их основе фоточувствительные структуры для заданной части ультрафиолетового диапазона спектра. Отработана технология создания низкоомного омического контакта к п-А!ваЫ с большой долей алюминия, не требующая использования особочистых газов и благородных металлов. Оптимизированы параметры выпрямляющих Ы1-, Аи-, Бп-, Ag- и ¡п-контактов к А!хва1 _ ХЫ; описаны созданные на их основе ультрафиолетовые фоточувствительные структуры.

А!СаМ, омический контакт, барьер Шотки, видимослепой фотодетектор, солнечно-слепой фотодетектор

Твердые растворы AlGaN являются одними из наиболее перспективных материалов современной электроники с точки зрения создания СВЧ-устройств нового поколения [1] и оптоэлектронных приборов для ультрафиолетового диапазона спектра [2], [3]. Система AlN-GaN образует непрерывный ряд прямозонных твердых растворов, что позволяет разработать фотоприемники с резкой длинноволновой границей фоточувствительности, расположенной на заданной длине волны в диапазоне 200...360 нм. Варьирование доли алюминия в твердом растворе позволяет создавать фотодиоды для регистрации ультрафиолетового (УФ) излучения типа А, В, С и вакуумного ультрафиолета (UVA, UVB, UVC, VUV), а также реализовать очень востребованные для ряда применений "видимо-" и "солнечно-слепые" УФ-фотодетекторы [4], [5]. Такие фотодетекторы позволяют регистрировать УФ-излучение малой интенсивности на фоне многократно превышающего его излучения видимого или солнечного света. Использование традиционных материалов, таких, как кремний или фосфид галлия [6], [7], требует для реализации подобных приборов применения дорогостоящих оптических фильтров. Широкозонные твердые растворы AlN-GaN позволяют решить эту проблему.

При создании приборов на основе твердых растворов А1ОаМ все еще существует ряд трудностей. В частности, несмотря на то, что характеристики фотоприемника сильно зависят от качества омического контакта, до сих пор неполностью решена задача создания низкоомного контакта к Л1ОаМ с большой долей Л1. Поиску путей решения этой проблемы была посвящена значительная часть работы, результаты которой представлены в настоящей статье. Основной целью этой части исследований была разработка технологии создания омических контактов, обеспечивающей низкое контактное сопротивление структур, обладающей при этом невысокой стоимостью и удобной при промышленном производстве оптоэлектронных приборов. Другими задачами были оптимизация параметров выпрямляющих контактов "металл-Л1хОа1-х№' и создание фоточувствительных структур для заданной части УФ-диапазона спектра.

В настоящее время при формировании омических контактов к нитриду галлия и твердым растворам нитридов галлия-алюминия используются технологии вакуумного резистивного или электронно-лучевого напыления слоев металлов малой толщины или многослойных металлических композиций [1], [8]. Для создания омических кон-

80

© Ламкин И. А., Тарасов С. А., Менькович, Е. А. Петров А. А., 2013

тактов к ^-GaN чаще всего используется двухслойный контакт Ni/Au, где никель является подслоем для золота с последующим отжигом в окислительной среде при температурах 500.. .550 °С [9]. Для создания контактов к полупроводнику и-типа обычно применяются такие металлы, как Ti, Al, Ti/Al [10], Ti/Ag, Ti/Al/Ni/Au [11] с последующим высокотемпературным отжигом в среде молекулярного азота. В четырехслойных контактах, например Ti/Al/Ni/Au, Ni выступает в качестве запирающего слоя, предотвращающего диффузию золота в слои титана и алюминия. Аналогичную функцию в подобных структурах могут выполнять Ti, Ni, Mo или Pt. Верхний слой Au облегчает пайку золотых контактов при присоединении фоточувствительного кристалла к выводам корпуса, а также выполняет защитную функцию. При создании контактов к и-GaN, не содержащему алюминий, достигнуты значения контактного

сопротивления 10 5 „.10 6 Ом• см2 как для композиции Ti/Al, так и для других структур [11], [12]. С повышением доли алюминия х в твердом растворе сопротивление ухудшается из-за изменения сродства к электрону полупроводника. В большинстве рассмотренных вариантов формирования омических контактов к твердым растворам на основе нитридов используются благородные металлы, такие, как Au и Pt, а также существует необходимость расхода особо чистых газов, что существенно удорожает технологию создания контактов.

В представленной в настоящей статье работе основой для создания фоточувствительных структур служили эпитаксиальные слои твердых растворов AlxGa1_xN толщиной 1 мкм, выращенные на сапфировой подложке методом молеку-лярно-пучковой эпитаксии с плазменной активацией азота. Использовались сравнительно толстые буферные слои AlN (толщиной более 2 мкм), что позволило достичь высокого качества поверхности структуры, а также минимизировать количество дислокаций в эпитаксиальном слое.

Металлические контакты наносились методом вакуумного термического резистивного напыления, не требующим дорогостоящего оборудования. Анализ приведенных литературных данных, а также проведенные предварительные исследования различных вариантов создания омических контактов к твердым растворам и-Al x Ga1_x N показали, что для достижения оптимального результата по критерию максимума отношения "контактное со-

противление/стоимость изготовления" оптимальным вариантом является использование двуслойной композиции Ti/Al. Далее разработана модифицированная технология создания низкоомных омических контактов к n-AlxGa1_xN, x = 0...0.7 [9], [10].

Главной особенностью разработанной технологии является проведение отжига не в инертной газовой смеси, а в вакуумной камере при давлении ниже 10 Па, обычно применяемом только при напылении металлических слоев. Это позволило понизить стоимость формирования структуры и уменьшить загрязнения металлических и полупроводниковых слоев при высокотемперату-рых воздействиях.

Большое влияние на качество контакта "металл-полупроводник" оказывает подготовительный этап, заключающийся в очистке поверхности эпитаксиального слоя в различных органических растворителях. Перед напылением образцы очищались, в частности в четыреххлористом углероде, изопропиловом спирте, и промывались в дистиллированной воде. Эффект дополнительной очистки дал подогрев образца до 300 °С во время процесса напыления металлов. Подогрев образца также обеспечил улучшение адгезии металла к поверхности полупроводника. Оптимизация обработки поверхности образцов позволила снизить контактное сопротивление в 1.5 раза.

В результате определены следующие параметры оптимизированной технологии создания низко-омного омического контакта к n-Al0 5Ga0 5N. На эпитаксиальный слой полупроводника методом резистивного напыления после предварительной обработки его поверхности наносилась композиция Al/Ti с толщинами слоев 35 и 15 нм соответственно. Далее проводился отжиг в вакууме при

давлении 10 Па в течение 10 мин. Параметры структуры контролировались по вольт-амперной характеристике I (U) (рис. 1, где кривая 1 представляет структуру до отжига, кривая 2 - при температуре отжига 410 °C, кривая 3 - 550 °C, кривая 4 - 750 °С).

При температуре 750 °С характеристика I (U) становилась практически линейной, что свидетельствует о возникновении металлического контакта. Поскольку дальнейшее увеличение температуры не приводило к существенному улучшению параметров структуры, это значение температуры принято за оптимальное. В итоге достигнуто значение контактного сопротивления

—5 2

8 • 10 Ом • см , что сравнимо с результатами, полученными для больших долей алюминия при использовании более дорогостоящих технологий, в частности при отжиге в N2 или Аг [11], [12].

Для изучения процессов, происходящих в структуре при высокотемпературной обработке, проведена электронная ОЖЕ-спектроскопия омических контактов до их отжига (рис. 2) и после него (рис. 3). В неотожженых структурах наблюдался четко сформированный слой А1 с расположенным ниже подслоем титана. В процессе отжига алюминий и титан проникали друг в друга, в результате чего формы профилей их распределения сближались (рис. 3). Именно этот эффект позволил достичь низкого сопротивления контакта, поскольку алюминий обладает одной из самых низких работ выхода для контакта с полупроводниковыми нитридами, а титан позволяет обеспечить хорошие адгезию и проводимость металлической композиции. Для снижения сопротивления также важно, что за счет высокотемпературного отжига в вакууме удается избежать проникновения поверхностных загрязнений (О, С) в объем контактного слоя.

Следующими этапами представляемой работы явились создание и оптимизация параметров выпрямляющих контактов металл-Л1 х Оа1—х N с целью разработки на их основе УФ-фоточувстви-тельных структур для заданного диапазона спектра. В первую очередь ставилась задача создать

структуры, проявляющие себя как "видимослепой" и "солнечно-слепой" фотодетекторы, т. е. фотоприемники, длинноволновая граница которых находится на 380 и 300 нм соответственно, без использования оптических фильтров. При этом необходимо использовать максимально простую и недорогую технологию, позволяющую удешевить готовое изделие.

Основные исследования по созданию УФ-фо-топриемников на основе AlGaN связаны с использованием p—n-переходов, p—i—n-фотодиодов, структур "металл-полупроводник-металл" или барьеров Шотки. Структуры типа p—n или p—i—n сложнее в производстве, чем фотоприемники на основе барьера Шотки. Из-за использования структур типа "flip-chip" спектральные характеристики имеют узкий диапазон чувствительности, что сильно ограничивает его применение в коротковолновом диапазоне. Фотодиоды на основе барьера Шотки могут быть вертикального типа и горизонтального типа. Используя структуры вертикального типа, при определенном легировании полупроводника можно получить высокую чувствительность, однако при этом требуется применение Pd для создания барьера Шотки. Использование таких металлов, как Pt, повышает стоимость фотодетектора, однако не дает преимуществ по сравнению с Au. Исходя из преимуществ барьеров Шотки горизонтального типа, а также чтобы остаться в рамках оптимизированной технологии создания омических контактов, именно описанный тип фоточувствительных структур был выбран для создания экспериментальных УФ-фотоприемников.

Фоточувствительные структуры создавались методом вакуумного резистивного напыления металлических пленок толщиной не более 15 нм на эпи-таксиальные слои твердых растворов Al xGai_ x N

с различной долей алюминия x. Параметры подобных структур кроме качества омического контакта определяются также высотой и шириной барьера Шотки и состояниями на границе раздела

Рис. 2 Рис. 3

Рис. 4

"металл-полупроводник". Для изучения влияния этих факторов наносились такие металлы, как N1, Аи, Бп, А§ и 1п. Исследования показали, что структуры с Аи-контактом проявляют наибольшую чувствительность: в частности, величина фотоотклика барьера Шотки Au-Al0.0sGa0.92N в девять раз выше, чем у диода на основе Бп, и в 1.6 раза выше, чем у диода на основе структуры Ni-Al0.0sGa0.92N. На рис. 4 показаны спектры чувствительности фотодиодов на основе контактов Ме-А10 osGao 92N с различными металлами полупрозрачного контакта.

Качество интерфейса "металл-полупроводник" и связанная с ним поверхностная рекомбинация существенно влияют на коротковолновую границу чувствительности. У структур на основе Аи коротковолновая граница в наибольшей степени смещена в область высоких энергий, что говорит о низкой скорости поверхностной рекомбинации. Этот факт во многом определяет повышенную чувствительность структур на основе золота.

Для барьеров Шотки также исследовано влияние предварительной обработки поверхности полупроводника, параметров напыления и постростового отжига на чувствительность структур. При этом ставилась задача оставаться в рамках условий, задаваемых оптимизированной технологией создания омических контактов. Наилучшие результаты получены при отжиге золотых контактов в вакууме при температуре 500 °С в течение 5 мин, что позволило увеличить чувствительность в три раза.

Отработана методика управления положением спектра чувствительности структур в первую очередь их длинноволновой границы. Основное влияние на этот параметр оказывает доля алюминия х в твердом растворе А1 х Gal_ х N. Создавались структуры с хе 0.08...0.65. На рис. 5 приведены спектры чувствительности фотодиодов на основе контактов Аи-А1 xGal_ х N для различной доли алюминия х в составе твердого раствора. Как следует

Рис. 5

из рисунка, использование твердого раствора Al0.08Ga0.92N позволило реализовать фоточувствительную структуру с длинноволновой границей на 360 нм, что соответствует "видимослепому" УФ-фотодетектору. Полуширина спектра фоточувствительности составила 50 нм, максимальная чувствительность находилась на длине волны 320 нм. Увеличение x до 0.38 позволило реализовать структуру для "солнечно-слепого" детектора (длинноволновая отсечка при 290 нм) с максимум чувствительности при 263 нм. Дальнейшее увеличение доли алюминия в Al xGa1_xN сместило длинноволновый край чувствительности в область более коротких длин волн: так, структура с x = 0.65 демонстрировала чувствительность в области 250 нм до вакуумного ультрафиолета.

Таким образом, в работе оптимизированы параметры контактов "металл-твердые растворы AlGaN" и на их основе созданы фоточувствительные структуры для заданной части УФ-диапазона спектра. Отработана технология создания низко-омного омического контакта к и-AlGaN с большой долей алюминия, не требующая использования особо чистых газов и благородных металлов. Показано, что наилучшие результаты для двухслойных контактов Ti/Al достигаются при отжиге в течение 10 мин при температуре 750 °С в вакууме при давлении 10 Па. Отработана технология предварительной очистки поверхности. В результате созданы структуры с контактным сопро-

_5 2

тивлением 8 • 10 Ом • см .

Также оптимизированы параметры выпрямляющих контактов к и-AlGaN и на их основе созданы УФ-фоточувствительные структуры. Исследованы контакты со слоями таких металлов, как Ni, Au, Sn, Ag, In. Изучено влияние предварительной обработки поверхности, процессов отжига и других технологических параметров на чувствительность созданных структур. Показано, что наибольшей чувствительностью обладают струк-

туры на основе Ли, подвергнутые отжигу в вакууме при температуре 500 °С в течение 5 мин.

В статье также продемонстрирована возможность создания с помощью простых и недорогих методик УФ-фоточувствительных структур с за-

данным положением длинноволновой границы. Длины волны отсечки соответствуют требованиям к "видимослепому" и "солнечно-слепому" фотодетекторам.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Калинин Б. В., Ламкин И. А., Тарасов С. А. Моделирование вольт-фарадных и вольт-амперных характеристик DHFET на основе гетероструктур ALGAN/GAN // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". 2012. Вып. 2. С. 17-20.

2. Menkovich E. A., Tarasov S. A., Lamkin I. A. Luminescence of nanostructures based on semiconductor nitrides // Functional materials. 2012. Т. 19, № 2. С. 233-237.

3. CHVPE growth of AlGaN-based UV LEDs / S. Kurin, A. Antipov, I. Barash et al. // Physica status solidi (C). Current topics in solid state physics. 2013. Т. 10, № 3. С. 289-293.

4. Lamkin I., Tarasov S. Ultraviolet photodiodes based on AlGaN solid solutions // J. of physics: conference series. 2013. Vol. 461. С. 012025.

5. Тарасов С. А. Коротковолновые фотодетекторы на основе полупроводниковых нитридов // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". 2008. Вып. 8. С. 17-20.

6. Pikhtin A. N., Tarasov S. A., Kloth B. Ag-GaP Schottky photodiodes for UV sensors // IEEE Trans. on electron. dev. 2003. Т. ED-50, № 1. С. 215-217.

7. Тарасов С. А. Свойства реального контакта "металл-фосфид галлия" и фотоприемники на его основе // Петербургск. журн. электроники. 2006. № 4 (49). С. 132-140.

8. Ламкин И. А., Менькович Е. А., Тарасов С. А. Ультрафиолетовые фотодиоды на основе барьеров Шотки к твердым растворам AlGaN // Науч.-техн. вед. СПбГПУ. Физ.-мат. науки. 2012. № 3. С. 28-31.

9. Ламкин И. А., Тарасов С. А., Феоктистов А. О. Оптимизация технологии получения омических контактов к эпитаксиальным слоям p-GaN // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". 2011. Вып. 5. С. 14-18.

10. Высокоэффективные приборы на основе барьера Шотки "металл-AlGaN" / Б. В. Калинин, И. А. Ламкин, Е. А. Менькович, С. А. Тарасов // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". 2012. № 5. С. 24-30.

11. Омические контакты к GaN / Г. Д. Кузнецов, В. П. Сушков, А. Р. Кушхов и др. // Мат-лы электрон. техники. 2009. № 3. С. 4-13.

I. A. Lamkin, S. A. Tarasov, E. A. Menkovich, A. A. Petrov Saint Petersburg electrotechnical university "LETI"

Optimization of metal-AlGaN contacts for ultraviolet photodetectors

The results of parameters optimization of metal-AlGaN contacts and based on them ultraviolet photosensitive structures have been reported. The technology of creating of low-resistance ohmic contacts to the n-AlGaN with a high fraction of aluminum which not required using of ultra-pure gases and noble metals have been perfected. Parameters of rectifying Ni, Au, Sn, Ag and In contacts to AlxGa1 _ xN have been optimized and the ultraviolet photosensitive structures based on them were created.

AlGaN, ohmic contact, Schottky barriers, visible-blind photodetector, solar-blind photodetector Статья поступила в редакцию 16 июля 2013 г.