Способ изготовления прозрачного омического контакта к эпитаксиальному слою нитрида галлия p-GaN

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОЗРАЧНОГО ОМИЧЕСКОГО КОНТАКТА К ЭПИТАКСИАЛЬНОМУ СЛОЮ НИТРИДА ГАЛЛИЯ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Новицкий Николай Николаевич Пашкевич Михаил Викторович Стогний Александр Иванович Труханов Алексей Валентинович(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Способ изготовления прозрачного омического контакта к эпитаксиальному слою нитрида галлия -, включающий ионно-плазменную очистку поверхности эпитаксиального слоя - с последующим нанесением омического контакта наноразмерной толщины на нагретую до температуры 350-370 С подложку с эпитаксиальным слоемметодом ионно-лучевого распыления в среде кислорода мишеней - бериллияи золота , причем сначала наносят первый слой омического контактатолщиной 3 нм с собственной проводимостью -типа, затем слой золота толщиной 4 нм, а потом на полученную двухслойную контактную структуру наносят второй слойтолщиной не менее 3 нм и в результате формируют контактную структуру ///-, отличающийся тем, что перед нанесением первого слоятолщиной 3 нм на слой р- наносят слой аморфного нитрида галлия толщиной не менее толщины исходного слоя методом распыления ионами азота мишени , а затем удаляют слой аморфного нитрида галлия методом распыления ионами азота до плоской поверхности исходного слоя-. Изобретение относится к области оптоэлектронных приборов (светоизлучающих диодов, детекторов излучения и лазеров) на основе соединений нитридов металлов третьей группы , ,и их комбинаций, рабочие длины волн которых могут находиться в интервале от ультрафиолетовой до сине-желтой области спектра. Белые светодиоды на основе сплавов нитрида галлия имеют коммерческое применение в качестве энергосберегающих светотехнических устройств. Прозрачные омические контакты к эпитаксиальным слоям - являются составной частью среди тех перечисленных выше приборов, где вывод и прием излучения осуществ 15439 1 2012.02.28 ляется верхним -слоем. Контакты, кроме собственно обеспечения оптической прозрачности более 50 в рабочем интервале длин волн, должны соответствовать стандартным требованиям, основными из которых являются низкое значение контактного сопротивления, механическая прочность и термическая стабильность при длительной непрерывной эксплуатации. Из-за рассогласования свойств подложек и получаемых пленочных гетероструктур последние являются неидеальными в плане совершенства кристаллической решетки, поэтому содержат дефекты в виде границ кристаллитов правильной и искаженной гексагональной формы, пустот в области сопряжения отдельных кристаллитов, прорастающих дислокаций из областей интерфейсов, в том числе в виде скоплений. Стандартные технологические операции формирования контактов, базирующиеся на многослойной металлизации и подборе условий термообработок, не могут удовлетворить техническим требованиям, так как должны производиться при недопустимо высоких температурах (более 700 С), при которых происходит деградация основных свойств используемых материалов из-за неконтролируемых диффузионных процессов на интерфейсах и в слоях. Известен способ 1 изготовления прозрачных омических контактов к -, заключающийся в предварительной химической и плазмохимической очистке поверхности образца,последовательном нанесении методом электронно-лучевого испарения слоев рутения (или иридия) и никеля толщиной 5 нм каждый и быстром термическом отжиге образца в атмосфере кислорода в течение 1 мин при 500 С. В результате происходит формирование полностью окисленной контактной структуры 2/2(или 2)/-. обеспечивающей оптическую прозрачность до 85 на длине волны 460 нм и контактное сопротивление менее 510-5 Омсм. Недостатком данного способа является рост контактного сопротивления в процессе эксплуатации при повышенной температуре. Так, после выдержки на воздухе при 550 С в течение 24 часов контактное сопротивление возрастет более чем в 20 раз до значения около 10-3 Омсм. Ближайшим к предлагаемому техническому решению является способ 2 изготовления прозрачных омических контактов к эпитаксиальному слою -, заключающийся в предварительной ионно-плазменной очистке поверхности эпитаксиального слоя - и последующем нанесении омических контактов наноразмерной толщины на нагретую до температуры 350-370 С подложку методом ионно-лучевого распыления в среде кислорода металлических мишеней, где в качестве первого слоя осаждается стойтолщиной 3 нм с собственной проводимостью -типа, затем слой золота толщиной 4 нм, а потом на полученную двухслойную контактную структуру наносится второй слой оксида металлатолщиной не менее 3 нм. В результате формируется контактная структура ///прозрачностью 78 на длине волны 460 нм с контактным сопротивлением 610-4 Омсм,которое после выдержки на воздухе при 550 С возрастает в четыре раза, до 2,410-3 Омсм. Однако указанный способ обладает недостатком, который наиболее ощутимо сказывается при переходе к более коротким длинам волн в ультрафиолетовую область. Слои типа проводимости в частности, как и пленки сплавов нитридов галлия в целом, характеризуются повышенным содержанием дефектов ростовой природы происхождения 3. Обычно плотность ростовых дислокаций существенно превышает 106108 см-2. В области выхода скоплений дислокаций на поверхность образуются пустоты (проколы), причем чаще всего искаженной гексагональной формы с площадью поперечного сечения каждой до нескольких сотен квадратных нанометров и с разбросом размеров по глубине от значений,соответствующих локализации в чисто -слое, до значений, соответствующих прорастанию вплоть до области интерфейса пленка-подложка 4. 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 устра 2 15439 1 2012.02.28 нить указанные каналы токов утечек, особенно в области дислокаций, прорастающих на всю глубину -слоя и являющихся наиболее электрически активными областями омических потерь при протекании тока. Места выхода этих дислокаций на поверхность -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 сопровождаются потерей оптической прозрачности с последующим уходом от значений исходных рабочих параметров. Также недостатком прототипа является невысокая термическая стабильность. Задачей предлагаемого изобретения является залечивание ростовых дефектов -слояи, как следствие, увеличение термической стабильности прозрачных омических контактов к -. Поставленная задача решается следующим образом. Способ изготовления прозрачного омического контакта к эпитаксиальному слою нитрида галлия - включает ионноплазменную очистку поверхности эпитаксиального слоя - с последующим нанесением омического контакта наноразмерной толщины на нагретую до температуры 350-370 С подложку с эпитаксиальным слоем - методом ионно-лучевого распыления в среде кислорода мишеней - бериллияи золота , причем сначала наносят первый слой омического контактатолщиной 3 нм с собственной проводимостью -типа, затем слой золота толщиной 4 нм, а потом на полученную двухслойную контактную структуру наносят второй слойтолщиной не менее 3 нм и в результате формируют контактную структуру ///-. Новым, по мнению авторов, является то, что перед нанесением первого слоятолщиной 3 нм на слой - наносят слой аморфного нитрида галлия толщиной не менее толщины исходного - методом распыления ионами азота мишени , а затем удаляют слой аморфного нитрида галлия методом распыления ионами азота до плоской поверхности исходного слоя -. Термическая стабильность контактной структуры к - достигается как следствие оптимизации поверхности слоя - при нанесении и последующем удалении дополнительного слоя аморфного нитрида галлия. При этом процессе происходит преимущественное заполнение пустот (проколов), образовавшихся при росте пленки, аморфным по структуре материалом, близким по свойствам к свойствам исходной пленки, без его постороннего присутствия на плоских (бездефектных) участках поверхности, т.е. осуществляется избирательное залечивание наиболее активных в электрическом плане низкоомных шунтирующих каналов утечек тока без нарушения вакуумного цикла формирования контактной структуры и без ухудшения ее исходных свойств. Для пояснения предлагаемого изобретения приведем пример формирования контактной структуры. Контактная структура формировалась в вакуумной установке ионно-лучевого распыления-осаждения в среде кислорода, содержащей источник ионов кислорода 5 для распыления-осаждения материалов мишеней бериллия и золота и такой же по конструкции источник ионов азота для очистки и распыления поверхности пленок на подложках,располагающихся на подвижном подложкодержателе, который перемещается от одного ионного источника к другому. Сущность изобретения заключается в том, что контактная структура формировалась следующим образом. Поверхность пленок исходных образцов в течение 20-30 минут обрабатывалась пучком ионов азота с энергией до 200 эВ с целью очистки. Потом образцы последовательно перемещались на позицию для осаждения слоя аморфного нитрида галлияв атмосфере азота со средней скоростью 3,5 нм/мин пленки нитрида галлия на поверхность образцов. Толщина и состав исходной пленочной эпитаксиальной структуры задаются условиями роста, чаще всего толщина составляет порядка 1 мкм, причем наиболее толстые пленки некоторых образцов не превышают 3 мкм. Толщина -слоя обычно не превышает 200 нм. Приведем для демонстрации экспериментальные данные, полученные на эпитаксиальной структуре толщиной -слоя 120 нм. Известно, что впадины рельефа поверхности с площадями поперечного сечения в десятки-сотни квадратных нанометров 3 15439 1 2012.02.28 заполняются более чем в два раза быстрее, чем ровные участки поверхности, при нанесении пленок оксидов металлов в условиях ионно-лучевого распыления-осаждения 6. В данном случае осаждаемым материалом являлся нитрид галлия (более точнос аморфной структурой). За время 35 минут на плоские участки поверхности р-слоя происходило нанесение пленкитолщиной около 120 нм. Одновременно наблюдалось преимущественное заполнение впадин рельефа поверхности . Далее образцы возвращались на позицию для обработки поверхности, и ионным пучком азота с энергией до 200 эВ и плотностью тока 0,6 мА/см 2 распылялся слойс плоских участков поверхности. Одновременно происходило распылениеи 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. Следовательно,наблюдался даже рост эффективной толщины залечивающею слоя в области проколов. Распыление пленкипучком ионов азота с плоских участков поверхности происходило со скоростью около 14 нм/мин. Скорость распыления поверхности р-слояпосле ее вскрытия по мере удаления слоя оксида алюминия трудно поддавалась измерению из-за малости величины. По оценкам, она не превышала 0,1 нм/мин, что позволило пренебрегать воздействием ионов азота с энергией менее 200 эВ на вскрытый р-слой. Завершение процесса распыленияс плоских участков поверхности фиксировалось по изменению интенсивности спектра отраженного сигнала от поверхности тестовых образцов по мере удаления , калиброванного по времени распыления. Далее образцы с залеченными пустотами в пленочной эпитаксиальной структуре нитридов третьей труппы элементов возвращались на позицию для нанесения собственно слоев контактной структуры. В частности, во-первых, прекращался напуск азота в вакуумную установку, потом подавался кислород через ионный источник для распыления-осаждения мишеней. После этого производилось последовательное осаждение путем дискретного вращения трехпозиционной металлической мишени слоя(со скоростью нанесения 0,6 нм/мин) толщиной 3 нм,золота (пленки золота, полученные методом ионно-лучевого распыления ионами кислорода в атмосфере кислорода, на наноразмерном уровне толщин обладают свойствами объемных пленок золота 2) толщиной 4 нм при скорости осаждения 2,2 нм/мин и опятьтолщиной не менее 3 нм при. Температура нагрева образцов при нахождении в вакуумной камере составляла 350370 С, предельный вакуум был не хуже 10-5 Тор, а рабочий вакуум составлял (1,82,1)10-4 Тор. Для иллюстрации предложенного способа нанесения прозрачной омической контактной структуры на фиг. 1 приведены изображения поверхности образцов, полученные методом растровой электронной микроскопии. На фиг. 1 а на поверхности исходной эпитаксиальной структуры (слой -) в центре хорошо различимы дефекты искаженной гексагональной формы пустоты - глубиной порядка 1 мкм. На фиг 1 б показано изображение,полученное с образца, изготовленного с помощью методики, описанной в патенте, который является прототипом. После проведения технологических операций выше описанным способом характерный вид поверхности вместе с нанесенной на нее контактной структурой принимает вид, показанный на фиг. 1 в. Из сравнения изображений следует, что на поверхности пленочной структуры (фиг. 1 в) отсутствуют электрически активные дефектные области, причем даже в местах, соответствующих нахождению на исходной структуре пустот ростовой природы происхождения. Испытания на термическую стабильность контактных структур, изготовленных предложенным способом, показало, что исходное контактное сопротивление составляло 2410-4 Омсм. После выдержки на воздухе в течение 24 часов при температуре 550 С контактное сопротивление увеличилось до 0,810-3 Омсм (в то время как у прототипа оно увеличилось до 1,810-3 Омсм) при сохранении прозрачности 80 на длине волны 460 нм. Таким образом, термическая стабильность контактной структуры, изготовленной предложенным способом, по крайней мере, в два раза выше, чем у прототипа при сравнимых значениях остальных характеристик. 4 15439 1 2012.02.28 Источники информации 1. Но,, - . -, -,-// . . . . - 2002. . 0. - . 1. -. 227-230. 2. Патент 8569. 3. -. , ,/ // 2004. -. . . - . 270. 4. Жмерик , Мизеров Шубина Т.В. и др. Квантово-размерные гетероструктуры на основедля свегодиодов глубокого ультрафиолетового диапазона, полученные методом субмонослойной дискретной молекулярно-лучевой эпитаксии с плазменной активацией азота // ФТП, 2008.-Т. 42. Вып. 12. - С. 1452-1458. 5. Стогний А.И. Новицкий Н.П. Плазменно-пучковый механизм генерации анодной плазмы двухкаскадного самостоятельного разряда низкого давления с холодным полым катодом // ЖТФ, 2003. - Т. 73. - Вып. 9. - С. 64-69. 6. Беспалов А.В., Стогний А.И., Новицкий Н.Н., Шуленков А.С. Заращивание поверхностных дефектов в пленкахметодом многоразовою ионно-лучевого осажденияпереосаждения наноразмерного оксидного слоя // Нанофизика и наноэлектроника МатериалыМеждународного симпозиума. - Нижний Новгород Институт физики микроструктур РАН, 16-20 марта 2009. - Т. 2. - С. 438. Фиг. 1 в Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5