CC BY
63
УДК 621.315.592
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА СОЗДАНИЯ КОНТАКТОВ С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ К ПОРИСТЫМ ПОЛУПРОВОДНИКАМ
ОКСАНИЧ А.П., ПРИТЧИН С.Э., КОГДАСЬМ.Г., ХОЛОДА.Г., МАЩЕНКОМ.А. Установливается, что качество контактов определяется, главным образом, характером распределения химических элементов в приконтактной области, а также временем и температурой отжига контактной структуры. Данный метод позволяет получить контакты с удельным сопротивлением рк ~ 1,110-4 Омсм2 при температуре отжига 350 0С и времени отжига 30 мин. Предложенный метод позволяет уменьшить коэффициент неидеальности контакта с барьером Шоттки с 1,7 до 1,2.
Ключевые слова: полупроводник, пористость, GaAs, диод Шоттки.
Key words: semiconductor, porous, GaAs, diod Schott-ky.
1. Введение
Диод Шоттки (ДШ) является одним из базовых элементов современной микроэлектроники [1]. В основу технологии диода Шоттки положен контакт металла и полупроводника, приводящий к образованию потенциального барьера [1, 2]. С точки зрения физики идеальный контакт металл/полупроводник является простейшей модельной структурой. Механизмы протекания тока в диодах Шоттки подробно описаны в литературе, например, в [3, 4].
Формирование контакта металл/полупроводник может считаться одной из самых простых операций полупроводниковой технологии. Известно большое количество способов осаждения металлических слоёв на поверхности полупроводника [5-7]. В то же время свойства контакта металл/полупроводник существенно зависят от условий и применяемого метода напыления [8, 9]. При этом сложность формирования идеальной границы раздела между металлом и полупроводником остается основной проблемой технологии диодов Шоттки.
Однако для разработки устройств на базе por-GaAs наиболее важным требованием является наличие низкого сопротивления и стабильных электрических контактов. Как известно, одной из основных нерешенных проблем por-GaAs является неустойчивость его поверхности, которая вызывает спонтанное окисление в окружающей атмосфере и приводит к деградации поверхностных структур. В результате становится затруднительным образование стабильного омического контактна, что делает коммерческое применение проблематичным. Таким образом, стабилизация поверхностей por-GaAs и изготовления надежных электрических контактов к por-GaAs явля-
ются главной проблемой устройств на основе рог-ОаА8.
2. Постановка задачи
В работах [10, 11] рассмотрено использование таких металлов как Ag, Аи, Pd и их сплавов в качестве выпрямляющих контактов к рогошОаА8.
В отличие от контактов к GaAs особенностью создания контактов к porousGaAs является то, что пористый слой не подлежит полированию и травлению, а также процедура отжига контактов может разрушить структуру пористого слоя. Это говорит о проблемах, с которыми сталкиваются специалисты при создании данных контактов. Известно [1, 2], что для реализации высококачественного выпрямляющего контакта необходимо обеспечить максимально возможное равномерное смачивание поверхности полупроводника металлом, например, Pd. Проплавление полупроводника должно быть неглубоким и равномерным, а рекристаллизация из расплава - быстрой. Все вместе это гарантирует образование на границе "металл - полупроводник" тонкого высоколегированного слоя ОаА8 и исключение микро-коалесценции тонких пленок при формировании контакта [5]. В связи с этим возникает необходимость исследования влияния на качество выпрямляющего контакта целого ряда технологических факторов, в той или иной мере связанных с процессом термообработки.
3. Создание контактов с барьером Шоттки к пористым полупроводникам
В работе использовались эпитаксиальные структуры ОаА8:8и - ОаА8:81 В качестве подложки применялась сторона и+-ОаА8:8и толщиной 400 мкм с концентрацией носителей заряда 1018 см-3, на слое и-ОаА8:81 - толщиной 20 мкм с концентрацией носителей заряда 1016 см-3. Электрохимическим методом формировался пористый слой при вариации режимов травления. Всего было изготовлено 4 образца.
Перед формированием контактов пластины очищали и обезжиривали путем последовательных погружений в органические растворители три-хлорэтилена, ацетона, метанола, затем промывали дионизированной водой и сушили сухим азотом.
Первоначально на всех образцах к слою п+-ОаА8:8п методом электронно-лучевого напыления создавался омический контакт диаметром 1 мм AgGePd-GaAs с толщинами слоев 100/50/10 нм соответственно, с последующим отжигом в течение 20 мин. при температуре 350 0С в среде аргона (рис. 1,а).
Пористый слой формировался при токе травления 30 мА в течение 3 мин. в растворе травителя НР:С2ШОН=1:1. Область травления освещалась
источником света мощностью 100 Вт, в качестве которого использовалась галогенная лампа. Контакт Шоттки на слое n-porousGaAs:Si создавался методом химического осаждения с помощью раствора: 0,3 г PdCl2, смешанного с 9 мл HCl (32%) и разбавленного 9 мл H2 О. Далее этот раствор смешивали с 864 мл ледяной уксусной кислоты и затем добавляли 18 мл HF (40%) с последующим перемешиванием. Толщина полученного контакта Pd/n-GaAs и Pd/porousGaAs составляла около 0,3 мкм, далее проводился отжиг образцов при различных температурных режимах (рис. 1,6).
Охлаждение
ществлялся, в основном, через подложку. Это создавало условия для равномерной кристаллизации и улучшения морфологии контакта. Схема структуры AgGePd/porousGaAs/AgPd приведена на рис. 2.
10 мм por-GaAs
' ■■ : v
Ад (0,1 мш)
Рис. 2. Схематическое изображение структур AgGePd/porousGaAs/AgPd Для понимания природы наблюдаемых эффектов в контактах металл porousGaAs (M-porousGaAs), рассмотрим их ВАХ. Как правило, выражение для ВАХ контактов металл-полупроводник (барьеры Шоттки) описывается моделью термоэлектронной эмиссии [12]
I = Is exp
(qv - iRs) - 1
kT
(1)
где Rs - является последовательным сопротивлением, а Ь - током насыщения, который может быть выражен как
* 2 Is = A х T exp
-фб kT
(2)
В этом уравнении А* - постоянная Ричардсона; фб - высота барьера Шоттки. Согласно правилу Шоттки-Мотта, барьер между металлом и полупроводником должен быть пропорционален разности функции металл-вакуум и электронному сродству полупроводник-вакуум:
= фМ -XS,
(3)
б
Рис. 1. Температурный режим вплавления контактов к пластине в среде аргона: а - омических контактов; б -контактов с барьером Шоттки (1-1=450 0С; 2-1=350 0С; 3-1=300 0С; 4-1=250 0С) Помимо точности поддержания заданных режимов в процессе термообработки (температуры, времени, состава газовой среды), важными параметрами, влияющими на процессы формирования границы раздела "металл-полупроводник", являются скорости нагрева и охлаждения образца. Для наилучшего удовлетворения всех требований к условиям формирования применялось устройство, которое обеспечивало подъем температуры образцов со скоростью 50 - 60 оС/с, почти с такой же скоростью образцы охлаждались. Отбор тепла от расплавленной области на границе раздела "металл-полупроводник" осу-
где фм - функция металла, ах я - электронное сродство полупроводника.
Уравнение (1) для прямой ветви вольтамперной характеристики реального контакта МП (контакта с барьером Шоттки) при напряжениях, больших, чем 3кТ^, может быть записано в следующем виде:
I = Sjs exp{-}, nkl
(4)
где S - площадь металлического барьерного электрода; и - напряжение от внешнего источника, приложенное к контакту в прямом направлении; п - коэффициент идеальности контакта. В свою очередь, коэффициент идеальности контакта п можно определить из выражения (4):
„ = е. [ ЧШ ]-1 = _1
кТ Чи 1п(10) кТ
6 [^^(5)
чи
1
п = -
чи
(6)
1п(10) кТ "т
Тогда высота барьера Шоттки может быть вычислена из (2) и (4):
пкТ
А*Т 2
фб =1п(—I—)"
с
(7)
Отметим, что описанный способ справедлив для случая 1 < п < 2.
На рис. 3 приведены ВАХ контактов Шоттки Pd/porousGaAs, полученные для исследуемых образцов. Как видно, характеристики 1(У) всех структур заметно различаются. Также из ВАХ можно видеть, что контакт Pd/porousGaAs, отжиг которого проводился при температуре 350 0С, наиболее близок к контакту Шоттки.
е
Рис. 3, Вольт-амперные характеристики контактов Шоттки для исследуемых образцов Р^роши80аА8
(линейный масштаб)
На основе полученных в работе ВАХ были определены в соответствии с выражениями (6) значения коэффициента идеальности и последовательного сопротивления для структур всех образцов. Результаты сведены в таблицу. Низкоуровневые переходные сопротивления контактов Pd/porousGaAs обусловлены малой толщиной пористого слоя GaAs и низким сопротивлением начального сильно легированного п-типа GaAs.
Полученные значения потенциала высоты барьера в значительной степени выше, чем результаты измерений I (V). Такие различия обусловлены наличием межфазного слоя и интерфейсных состояний на границе Pd/porousGaAs. Образование тонкого межфазного слоя неизбежно при изготовлении устройства обычными методами. Такой межфазный слой индуцирует уровни ловушек на границе раздела металл/полупроводник, вызывая отклонение от идеального поведения и, следова-
тельно, значительно увеличивая потенциал высоты барьера.
Значения коэффициента идеальности (п), последовательного сопротивления (И^) и высоты барьера Шоттки (фб) контактовPd/GaAsи Pd/porGaAs для исследуемых образцов
Образец Коэффициент идеальности (п) Последовательное сопротивление (Яз), Ом Высота барьера Шоттки (фб), эВ
Pd/porousG aAs (1) 1,35 1,78 0,69
Pd/porousG aAs (2) 1,2 1,76 0,68
Pd/porousG aAs (3) 1,5 1,8 0,7
Pd/porousG aAs (4) 1,7 1,87 0,72
Исходя из результатов исследования (см. таблицу), лучшая адгезия контактного материала к porousGaAs получена при температуре отжига 350 0С, Rs = 1,76 Ом.
Проведено также исследование зависимости удельного сопротивления контактов рк от температуры и времени отжига в диапазоне температур 250-450 0С и времени отжига 20-40 мин. (рис. 4).
Рис. 4. Влияние температуры и времени отжига на удельное переходное сопротивление рк контактов Pd/por-GaAs
Установлено, что время и температура отжига контактной структуры существенно влияют на качество контакта. Лучшие результаты рк ~ 1,1-10-4 Омсм2 получены при температуре отжига 350 0С и времени отжига 30 мин. Кроме того, полученные значения коэффициента идеальности остаются больше единицы для контактов Pd/porousGaAs. Очевидно, что это связано с дефектами, вызванными наличием тонкого изолирующего слоя, непроизвольного образования оксидного слоя в процессе изготовления контактов между палладием и porousGaAs. 4. Выводы
Установлено, что качество контактов определяется, главным образом, характером распределения химических элементов в приконтактной области, а также временем и температурой отжига контактной структуры. Данный метод позволил получить контакты с удельным сопротивлением рк ~ 1,1-10-4 Омсм2 при температуре отжига 350 0С и времени отжига 30 мин. Усовершенствован метод создания контактов с барьером Шоттки в пористых полупроводниках, который отличается применением химического метода нанесения Pd на пористый GaAs с последующим напылением слоев Ge и Ag и отжигом. Определены температура отжига, которая составила 350 0С, и время отжига, который составил 20 мин. Усовершенствованный метод позволил уменьшить коэффициент неидеальности контакта с барьером Шоттки с 1,7 до 1,2.
Литература:
1. Newman N., M. van Schilfgaarde, Kendelewicz T., Williams M.D., W.E. Spicer Electrical study of Schottky barriers on atomically clean GaAs (100) surfaces/ // Phys. Rev. B. 1986. V.33, n.2. P. 1146-1159.
2. Heng-Yong Nie and Yasuo Nannichi. Pd-on-GaAs Schottky Contact: Its Barrier Height and Response to Hydrogen // Jpn. J. Appl. Phys. 30. 1991. Р. 906-913.
3. Nguyen D., Jaffrezic-Renault N., Martin J.R., Clechet P. and Stremsdoeder G. Contact Reactions in Pd/n-GaAs Junctions Formed by Palladium Electroless Deposition // J. Electrochem. Soc., Vol. 140, No. 2, February 1993. Р. 519-525.
4. Qankaya G., Abay B. Semicond Current- and capacitance-voltage characteristics of Cd/p-GaTe Schottky barrier diodes under hydrostatic pressure // Sci. Technol. 21(2006)124.
5. Gaponenko Sergey V. Introduction to Nanophotonics Cambridge University Press. 2010. 485p.
6. Giovanni Flamand* and JefPoortmans Porous GaAs as a possible antireflective coatingand optical diffusor for III-V solar cells // Phys. stat. sol. (a) 202, No. 8, 2005. Р. 1611-1615.
7. Alireza Salehi, Alireza Nikfarjam, and Dara Jamshidi Kalantari Highly Sensitive Humidity Sensor Using Pd/Porous GaAs Schottky Contact // IEEE SENSORS JOURNAL. Vol. 6, NO. 6, DECEMBER. 2006. Р. 14151421.
8. Newman N., M. van Schilfgaarde, Kendelewicz T., Williams M.D., Spicer W.E. Electrical study of Schottky barriers on atomically clean GaAs (100) surfaces // Phys. Rev. B. 1986. Vol. 33, n.2. P.1146-1159.
9. Heng-Yong Nie and Yasuo Nannichi. Pd-on-GaAs Schottky Contact: Its Barrier Height and Response to Hydrogen // 1991 Jpn. J. Appl. Phys. 30. Р. 906-913.
10. Salehi A., Jamshidi Kalantari D., Goshtasbi A. Rapid Response of Au/Porous-GaAs Humidity Sensor at Room Temperature // Conference on Optoelectronic and Microelectronic Materials and Devices, 2006. 6-8 Dec. 2006. P. 125 - 128.
11. Salehi A., Nikfarjam A., and Kalantari D.-J. Pd/porous-GaAs Schottky contact for hydrogen sensing applications // Sens. Actuators B, Chem., Jan. 2006. Vol. 113, no. 1. P. 419-427.
12. Qankaya G., Abay B., Current- and capacitance-voltage characteristics of Cd/p-GaTe Schottky barrier diodes under hydrostatic pressure Semicond. Sci. Technol. 21(2006)124.
Поступила в редколлегию 11.06.2018 Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. Слипченко Н.И. Оксанич Анатолий Петрович, д-р техн. наук, профессор, директор НИИ технологии полупроводников и информационно-управляющих систем КрНУ им. М. Остроградского, заведующий кафедрой информационно-управляющих систем. Научные интересы: методы и аппаратура контроля структурно-совершенных полупроводниковых монокристаллов, пористые полупроводники. Адрес: Украина, 39600, Кременчуг, ул. Первомайская, 20, тел.: (05366) 30157. E-mail: [email protected]
Притчин Сергей Эмильевич, д-р техн. наук, доцент, проф. кафедры информационно-управляющих систем КрНУ им. М. Остроградского. Научные интересы: автоматизация процессов управления производством полупроводниковых материалов. Адрес: Украина, 39600, Кременчуг, ул. Первомайская, 20, тел.: (05366) 30157. E-mail: [email protected] Когдась Максим Григорьевич, канд. техн. наук, ст. преп. кафедры информационно-управляющих систем КрНУ им. М. Остроградского. Научные интересы: автоматизация процессов управления производством полупроводниковых материалов. Адрес: Украина, 39600, Кременчуг, ул. Первомайская, 20, тел.: (05366) 30157. E-mail: [email protected] Холод Алексей Григорьевич, ст. преп. кафедры информационно-управляющих систем КрНУ им. М. Остроградского. Научные интересы: автоматизация процессов управления производством полупроводниковых материалов. Адрес: Украина, 39600, Кременчуг, ул. Первомайская, 20, тел.: (05366) 30157. Мащенко Михаил Анатольевич, аспирант кафедры информационно-управляющих систем КрНУ им. М. Остроградского. Научные интересы: автоматизация процессов управления производством полупроводниковых материалов. Адрес: Украина, 39600, Кременчуг, ул. Первомайская, 20, тел.: (05366) 30157. Oksanich Anatoly Petrovich, Dr. Tech. Sciences, Professor, Director of the Institute of Semiconductor Technology and Information Management Systems, KrNU named after M. Ostrogradsky, Head of the Department on Information Management Systems. Research interests: methods and equipment for the control of structurally perfect semiconductor single crystals, porous semiconductors. Address: Ukraine, 39600, Kremenchug, Pervo-maiskaya Str, 20, tel. (05366) 30157. E-mail: [email protected]
Pritchin Sergey Emilevich, Dr. Tech. Sciences, associate professor, Department on Information Management Systems, KrNU named after M. Ostrogradsky. Research interests: automation of semiconductor materials production management processes. Address: Ukraine, 39600, Kremenchug, Pervomayskaya Str, 20, tel. (05366) 30157. Email: [email protected]
Kogdas' Maxim Grigorievich, PhD, Senior Teacher, Department of Information Management Systems, KrNU named after M. Ostrogradsky. Research interests: automation of semiconductor materials production management processes. Address: Ukraine, 39600, Kremenchug, Pervomayskaya Str, 20, tel. (05366) 30157. E-mail: [email protected]
Holod Alexey G., Senior Teacher, Department of Information Management Systems, KrNU named after M. Os-trogradsky. Research interests: automation of production control processes for semiconductor materials. Address: Ukraine, 39600, Kremenchug, Pervomayskaya Str, 20, tel. (05366) 30157.
Mashchenko Mikhail Anatolyevich, PhD student, Department Of Information Management Systems, KrNU named after M. Ostrogradsky. Research interests: automation of production control processes for semiconductor materials. Address: Ukraine, 39600, Kremenchug, Pervomaiskaya Str, 20, tel. (05366) 30157
