СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОЗРАЧНОЙ ОМИЧЕСКОЙ КОНТАКТНОЙ СТРУКТУРЫ BeO/Au/BeO/p-GaN
METHOD OF PREPARING TRANSPARENT OHMIC CONTACT STRUCTURE BeO/Au/BeO/p-GaN

Изобретение относится к способу изготовления контактной структуры BeO/Au/BeO/p-GaN для оптоэлектронных приборов, таких как светоизлучающие диоды, детекторы излучения, лазеры, а также для устройств спинтроники, рабочие длины волн которых могут находиться в интервале от ультрафиолетовой до сине-желтой областей спектра.
Прозрачные омические контактные структуры к эпитаксиальным слоям p-GaN являются составной частью среди тех перечисленных выше приборов, где вывод и прием излучения осуществляется верхним р-слоем. Контакты должны обеспечивать оптическую прозрачность более 50% в рабочем интервале длин волн, а также соответствовать стандартным требованиям, основными из которых являются низкое значение контактного сопротивления, механическая прочность и термическая стабильность при длительной непрерывной эксплуатации.
Соединения нитридов элементов третьей группы отличаются химической инертностью по сравнению с известными полупроводниковыми материалами [Е.В.Калинина. Омические контакты к p-GaN (обзор) // Светодиоды и лазеры. 2002. №1-2. С.88-112]. Энергия связи для InN, GaN и AlN составляет 8.92 эВ/атом, 7.72 эВ/атом и 11.52 эВ/атом соответственно. Поэтому технология роста и постростовой обработки пленочных структур указанных материалов основывается на повсеместном применении плазменных методов в химически активных средах. Выращивают исходные структуры чаще всего химическим осаждением из паров металдоррганических соединений (MOCVD) или молекулярно-лучевой эпитаксией в плазменной среде на подложках сапфира, карбида кремния и кремния. Однако из-за рассогласования кристаллографических параметров решеток подложек и получаемых пленочных гетероструктур последние содержат дефекты в виде границ кристаллитов правильной и искаженной гексагональной форм, пустот в области сопряжения отдельных кристаллитов, прорастающих дислокаций, в том числе в виде скоплений.
2
2
-5
Учитывая отмеченные особенности, был предложен способ [Но Won Jang, Chang Min Jeon, Jong-Lam Lee. Low-Resistance, High-Transparency, and Thermally Stable Ohmic Contacts on p-Type GaN Using Ru and Ir// Phys. Stat. Sol. (c). 2002. №1. P.227-230] формирования прозрачных омических контактов к p-GaN, заключающийся в предварительной химической и плазмохимической очистках поверхности образца, последовательном нанесении методом электронно-лучевого испарения слоев рутения или иридия и никеля толщиной 5 нм каждый и термическом отжиге образцов в атмосфере кислорода в течение 1 мин при 500°С. В результате происходило формирование полностью окисленной контактной структуры NiO/RuO или IrO/p-GaN, обеспечивающей оптическую прозрачность до 85% на длине волны 460 нм и контактное сопротивление менее 5·10 Ом·см.
2
2
-3
Недостатком данного способа является то, что в процессе эксплуатации при повышенной температуре происходит рост сопротивления контактной структуры NiO/RuO или IrO/p-GaN. Так, после выдержки на воздухе при 550°С в течение 24 ч, контактное сопротивление возрастало более чем в 20 раз, до значения около 10 Ом·см.
-4
-3
Ближайшим к предлагаемому техническому решению является способ [BY 8569] (прототип) изготовления прозрачного омического контакта к эпитаксиальному слою p-GaN, заключающийся в ионно-плазменной очистке поверхности эпитаксиального слоя p-GaN с последующем нанесением методом распыления металлических мишеней омического контакта наноразмерной толщины, содержащего первый слой оксида металла и слой золота, при этом на подложку с эпитаксиальным слоем p-GaN, нагретую до температуры 350÷370°С, наносится омический контакт методом ионнолучевого распыления в среде кислорода, в качестве первого слоя оксида металла наносится слой ВеО толщиной 3 нм с собственной проводимостью р-типа, затем слой золота толщиной 4 нм, и на полученную двухслойную контактную структуру наносится второй слой оксида металла ВеО толщиной не менее 3 нм. В результате формировалась контактная структура BeO/Au/BeO/p-GaN прозрачностью 78% на длине волны 460 нм с контактным сопротивлением 6·10 Ом·см, которое после выдержки на воздухе при 550°С возрастало в четыре раза, до 2.4·10 Ом·см.
6
8
Основным недостатком указанного способа, как и приводимого выше, является повышенное содержание дефектов роста. Слои р-типа проводимости, в частности, как и пленки сплавов нитридов галлия в целом, характеризуются повышенным содержанием дефектов ростовой природы [Энциклопедия технологии полупроводниковых материалов. Том 1. Под ред. К.А.Джексона и В.Шретера./Пер. с англ. Под ред. Э.П.Домашевской. Воронеж, Изд-во "Водолей", 2004. 982 с.]. Обычно плотность ростовых дислокаций существенно превышает 10÷10 см. В области выхода скоплений дислокаций на поверхность образуются пустоты или проколы, чаще всего искаженной гексагональной формы с площадями поперечного сечения до нескольких сотен квадратных нанометров и с разбросом размеров по глубине от значений, соответствующих локализации в чистом р-слое, до значений, соответствующих прорастанию вплоть до области границы пленка-подложка [В.Н.Жмерик, A.M.Мизеров, Т.В.Шубина и др. Квантово-размерные гетероструктуры на основе AlGaN для светодиодов глубокого ультрафиолетового диапазона, полученные методом субмонослойной дискретной молекулярно-лучевой эпитаксии с плазменной активацией азота [ФТП 2008. Т.42. Вып.12. С.1452-1458]]. С точки зрения формирования контактной металлизации участки поверхности, включающие места выхода дислокаций на поверхность и их окрестности, являются паразитными низкоомными каналами, шунтирующими активные области протекания тока по глубине многослойной структуры, что приводит к большим значениям токов утечек и вызывает нестабильность в работе приборов. Контактная металлизация прозрачными наноразмерными слоями не позволяет устранить указанные каналы токов утечек, особенно в области дислокаций, прорастающих на всю глубину р-слоя, являющимися наиболее электрически активными областями омических потерь при протекании тока. Места выхода этих дислокаций на поверхность р-слоя являются основными причинами отслоения контактных слоев и их термической нестабильности при эксплуатации при повышенных температурах. В свою очередь, отслоения металлизации в местах локального разогрева сопровождается потерей оптической прозрачности с последующим уходом от значений исходных рабочих параметров.
Задачей предлагаемого изобретения является минимизация дефектов ростовой структуры и связанное с этим увеличение термической стабильности прозрачной контактной структуры BeO/Au/BeO/p-GaN.
Технический результат достигается тем, что предложен способ изготовления прозрачной омической контактной структуры BeO/Au/BeO/p-GaN, заключающийся в ионно-плазменной очистке поверхности эпитаксиального слоя p-GaN с последующим нагреванием поверхности до температуры 350÷370°С и нанесением омического контакта, состоящего из слоя ВеО с проводимостью р-типа толщиной от 2.8 до 3.2 нм, слоя золота толщиной от 3.8 до 4.2 нм и второго слоя ВеО толщиной от 3.0 до 4.0 нм, отличающийся тем, что после ионно-плазменной очистки и перед нанесением первого слоя ВеО на поверхность нагретого эпитаксиального слоя p-GaN наносят, а затем удаляют слой оксида алюминия толщиной не менее 30% от толщины эпитаксиального слоя p-GaN.
-2
Значения температуры нагревания поверхности эпитаксиального слоя p-GaN выбирают из соображений, что при температуре <350°С сопротивление получаемой контактной структуры возрастает до значений 1.0·10 Ом·см, а при температуре >370°С происходит разрыхление пленки оксида бериллия.
Значения толщины первого слоя ВеО с проводимостью р-типа выбирают из соображений, что при толщине слоя <2.8 нм наблюдается пробой контактных структур вдоль стенок залеченных дефектов, а при толщине слоя >3.2 нм резко возрастает сопротивление контактной структуры.
Значения толщины слоя золота выбирают из соображений, что при толщине слоя золота <3.8 нм происходит сворачивание слоя золота в гранулы и образование участков с отслоениями, а при толщине слоя >4.2 нм происходит уменьшение прозрачности омической контактной структуры.
Второй слой ВеО защищает полученную контактную структуру от воздействия атмосферы при эксплуатации прозрачной омической контактной структуры при повышенных температурах и компенсирует избыточные деформации, возникающие на интерфейсных границах гетероструктуры Au/BeO/p-GaN. Значения толщины второго слоя ВеО с проводимостью р-типа выбираются из соображений, что при толщине слоя <3.0 нм наблюдается пробой контактных структур вдоль стенок залеченных дефектов, а при толщине слоя >4.0 нм сопротивление контактной структуры резко возрастает.
Положительный эффект предлагаемого способа, выраженный в повышении термической стабильности прозрачной омической контактной структуры, достигается тем, что при нанесении и последующем удалении дополнительного слоя оксида алюминия происходит заполнение диэлектрическим материалом пустот и проколов, образующихся при росте пленки, т.е. наблюдается "залечивание" низкоомных шунтирующих каналов утечек тока.
Заявленный способ реализуется в вакуумной установке, например в такой, какая указана в прототипе, следующим образом.
На первом этапе с поверхности эпитаксиального слоя p-GaN ионноплазменным методом с использованием пучка ионов азота энергией до 200 эВ в течение 20÷30 минут удаляют посторонние примеси. Затем на нагретую до температуры 350÷370°С поверхность эпитаксиального слоя наносят оксид алюминия. Нанесение осуществляют с помощью мишени из алюминия в атмосфере кислорода со средней скоростью 4.3 нм/мин. За время 120 минут на плоские участки поверхности эпитаксиального слоя наносят пленку оксида алюминия толщиной не менее 30% от толщины эпитаксиального слоя. При этом наблюдается заполнение впадин рельефа поверхности оксидом алюминия. Затем оксид алюминия ионным пучком азота с энергией до 200 эВ и плотностью тока 0.6 мА/см удаляют с плоских участков поверхности. Одновременно оксид алюминия удаляется и с области проколов, но при этом протекают также процессы переосаждения продуктов распыления как с плоских участков поверхности во впадины рельефа, так и внутрь области самих проколов. Одновременно наблюдают рост эффективной толщины "залечивающего слоя" в области проколов. Завершение процесса удаления оксида алюминия с плоских участков поверхности фиксируют по изменению интенсивности спектра отраженного сигнала от поверхности эпитаксиального слоя.
-5
-4
На втором этапе на нагретую поверхность эпитаксиального слоя методом ионно-лучевого распыления в атмосфере кислорода со средней скоростью 4.3 нм/мин производят последовательное осаждение слоя ВеО, слоя золота, а затем второго слоя ВеО. При этом предельный вакуум составлет 10 Тор, а рабочий - 1.8÷2.1·10 Тор.
Ниже приведены примеры осуществления способа изготовления прозрачной омической контактной структуры BeO/Au/BeO/p-GaN. Примеры иллюстрируют, но не ограничивают предложенный способ.
-4
-3
Пример 1. Формирование контактной структуры BeO/Au/Bep/p-GaN проводилось следующим образом. На поверхность эпитаксиального слоя толщиной 1200 нм после ее очистки от посторонних примесей наносился, а затем удалялся оксид алюминия толщиной около 460 нм. После этого производилось последовательное нанесение слоя ВеО толщиной 2.7 нм, золота толщиной 3.4 нм, а затем второго слоя ВеО толщиной 2.8 нм. Температура нагрева образцов при нахождении в вакуумной камере составляла 350°С, рабочий вакуум составлял l.8·10 Top. После выдержки на воздухе в течение 24 часов при температуре 550°С контактное сопротивление BeO/Au/BeO/p-GaN принимало значение 1.1·10 Ом·см.
-4
-3
Пример 2. Формирование контактной структуры BeO/Au/BeO/p-GaN до стадии нанесения первого слоя ВеО проводилось аналогично Примеру 1. После этого производилось последовательное осаждение слоя ВеО толщиной 3.3 нм, золота толщиной 4.4 нм, а затем второго слоя ВеО толщиной 4.4 нм. Температура нагрева образцов при нахождении в вакуумной камере составляла 370°С, рабочий вакуум составлял 2.1·10 Top. После выдержки на воздухе в течение 24 часов при температуре 550°С контактное сопротивление принимало значение 1.2·10 Ом·см.
2
-5
-4
-3
Пример 3 (наилучший вариант осуществления способа). Формирование контактной структуры BeO/Au/BeO/p-GaN проводилось следующим образом. На поверхность эпитаксиального слоя толщиной 1200 нм после ее очистки от посторонних примесей наносился, а затем удалялся оксид алюминия. Нанесение осуществляется с помощью мишени из алюминия в атмосфере кислорода со средней скоростью 4.3 нм/мин. Толщина слоя оксида алюминия за время нанесения 120 минут составила около 520 нм. Затем оксид алюминия удалялся с плоских участков поверхности ионным пучком азота с энергией до 200 эВ и плотностью тока 0.6 мА/см. Одновременно оксид алюминия удалялся и в области проколов, но при этом протекали также процессы переосаждения продуктов распыления, в том числе с плоских участков поверхности во впадины рельефа, как и внутри области самих проколов. После этого производилось последовательное осаждение слоя ВеО толщиной 3.0 нм, слоя золота толщиной 4.0 нм, а затем второго слоя ВеО толщиной 3.5 нм. Температура нагрева образцов при нахождении в вакуумной камере составляла 360°С, предельный вакуум был не хуже 10 Тор, а рабочий вакуум составлял 1.8·10 Top. После выдержки на воздухе в течение 24 часов при температуре 550°С контактное сопротивление составило величину 1.0·10 Ом·см при сохранении прозрачности в 80% на длине волны 460 нм.
Достижение технического результата иллюстрируется Фиг.1 и 2 «Изображение поверхности эпитаксиального слоя p-GaN, полученное с электронно-ионного сканирующего микроскопа DualBeam (FIB/SEM) systems, Helios NanoLab (FEI Company), Focused Ion Beam (FIB):
Фиг.1. Изображение поверхности после ионно-плазменной очистки.
Фиг.2. Изображение поверхности после нанесения, а затем удаления слоя оксида алюминия.
Как видно из Фиг.1, на поверхности эпитаксиального слоя p-GaN после ионно-плазменной очистки хорошо различимы искажения гексагональной формы и пустоты глубиной порядка 1 мкм. После проведения технологических операций заявляемым способом поверхность эпитаксиального слоя p-GaN принимает вид, показанный на Фиг.2. Из сравнения изображений следует, что на поверхности эпитаксиального слоя р-GaN, полученной с помощью заявленного способа, отсутствуют электрически активные дефектные области, причем даже в местах, соответствующих нахождению на структуре прототипа пустот ростовой природы.
-3
-3
Испытания на термическую стабильность контактной структуры BeO/Au/BeO/p-GaN, изготовленной предложенным способом, показало, что после выдержки на воздухе в течение 24 часов при температуре 550°С контактное сопротивление составило величину 1.0·10 Ом·см при сохранении прозрачности в 80% на длине волны 460 нм, в то время как у прототипа оно составляло величину 2.2·10 Ом·см при сохранении прозрачности в 80% на длине волны 460 нм. Таким образом, термическая стабильность контактной структуры, изготовленная предложенным способом, оказалась в 2 раза более высокой, чем у прототипа.