Способ изготовления прозрачного омического контакта к эпитаксиальному слою p-GaN

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОЗРАЧНОГО ОМИЧЕСКОГО КОНТАКТА К ЭПИТАКСИАЛЬНОМУ СЛОЮ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Стогний Александр Иванович Новицкий Николай Николаевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(56)8569 1, 2006.02/09185 1.2004336021 , 2004.10031259 1, 2002.20020004438 , 2002.227519 , 2005.469515 , 2001. СТОГНИЙ А.И. и др. Тезисы докладов 6-й Всероссийской конференции Нитриды галлия, индия и алюминия структуры и приборы. - Санкт-Петербург, 2008. - С. 121-122.(57) Способ изготовления прозрачного омического контакта к эпитаксиальному слою , включающий ионно-плазменную очистку поверхности эпитаксиального слоя с последующим нанесением омического контакта наноразмерной толщины на нагретую до температуры 350-370 С подложку с эпитаксиальным слоем - методом ионнолучевого распыления в среде кислорода металлических мишеней, 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 13804 1 2010.12.30 контактную структуру ///-, отличающийся тем, что перед нанесением первого слоятолщиной 3 нм наносят и удаляютраз методом ионно-лучевого распыления промежуточный слой оксида алюминиятолщиной не более 0,2 мкм, 5,где- толщина исходной пленочной структуры, мкм. Изобретение относится к области изготовления контактов для 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 областей 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 осуществляется 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. Соединения нитридов элементов третьей группы отличаются химической инертностью по сравнению с известными полупроводниковыми материалами. Энергия связи для,исоставляет 8,92 эВ/атом, 7,72 эВ/атом и 11,52 эВ/атом соответственно. Поэтому, с одной стороны, 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 металлоорганических соединенийили молекулярно-лучевой эпитаксией в плазменной среде на подложках сапфира, карбида кремния и, с большими сложностями, кремния. 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 форм, 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. С другой стороны, высокая химическая инертность соединений нитридов элементов третьей группы, причем и в виде наноразмерных пленочных гетероструктур, позволяет достигать выходных параметров в оптоэлектронных приборах, разработанных на их основе, с коммерчески востребованными значениями, даже при наличии высокого уровня ростовых дефектов. Учитывая отмеченные особенности, был предложен способ 1 формирования прозрачных омических контактов к -, 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 быстром термическом отжиге образца в атмосфере кислорода в течение 1 мин при 500 С. В результате происходит формирование полностью окисленной контактной структуры /2 (или 2)/-, обеспечивающей оптическую прозрачность до 85 на длине волны 460 нм и контактное сопротивление менее 510-5 Омсм. 2 13804 1 2010.12.30 Недостатком данного способа является увеличение сопротивления омического контакта в процессе эксплуатации при повышенной температуре. Так, после выдержки на воздухе при 550 С в течение 24 часов, контактное сопротивление возрастает более чем в 20 раз, до значения около 10-3 Омсм. Ближайшим техническим изобретением к предлагаемому 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 слойтолщиной 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 6104 Омсм, которое после выдержки на воздухе при 550 С возрастает в четыре раза, до 2,410-3 Омсм. Данный способ обеспечивает более высокую термическую стабильность прозрачных омических контактов по сравнению с предыдущим. Недостатком, который наиболее ощутимо сказывается при переходе к более коротким длинам волн в ультрафиолетовую область, является уменьшение прозрачности м невысокая термическая стабильность. Слои -типа проводимости, в частности, как и пленки сплавов нитридов галлия в целом, на что выше было обращено особое внимание, 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 к примеру, 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 устранить указанные каналы токов утечек, особенно в области дислокаций, прорастающих на всю глубину -слоя и являющимися 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 сопровождается потерей оптической прозрачности с последующим уходом от значений исходных рабочих параметров. Задачей предлагаемого изобретения является увеличение термической стабильности прозрачных омических контактов к -. Поставленная задача решается следующим образом. Способ изготовления прозрачного омического контакта к эпитаксиальному слою - заключается в ионно-плазменной очистке поверхности эпитаксиального слоя - с последующим нанесением омического контакта наноразмерной толщины на нагретую до температуры 350-370 С подложку методом ионно-лучевого распыления в среде кислорода металлических мишеней, где в качестве первого слоя осаждают слойтолщиной 3 нм с собственной проводимостью-типа, затем слой золота толщиной 4 нм, а потом на полученную двухслойную контактную структуру наносят второй слой оксида металлатолщиной не менее 3 нм и в ре 3 13804 1 2010.12.30 зультате которой формируется контактная структура ///-. Перед нанесением первого слоятолщиной 3 нм наносят и удаляютраз методом ионно-лучевого распыления промежуточный слой оксида алюминиятолщиной не более 0,2 мкм,5, где- толщина исходной пленочной структуры, мкм. Положительный эффект повышения термической стабильности контактной структуры к - достигается по сравнению с прототипом тем, что при нанесении и последующем удалении дополнительных слоев оксида алюминия происходит преимущественное заполнение пустот (проколов), образовавшихся при росте пленки, диэлектрическим материалом, близкого по свойствам к соединениям нитридов третьей группы элементов, 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. Сущность изобретения заключается в ионно-плазменной очистке поверхности эпитаксиального слоя - с последующим нанесением омического контакта наноразмерной толщины на нагретую до температуры 350-370 С подложку методом ионно-лучевого распыления в среде кислорода металлических мишеней, где в качестве первого слоя осаждают слойтолщиной 3 нм с собственной проводимостью -типа, затем осаждают слой золота толщиной 4 нм, а потом на полученную двухслойную контактную структуру наносят второй слой оксида металлатолщиной не менее 3 нм и в результате чего формируется контактная структура ///-, отличающаяся тем, что перед нанесением первого слоятолщиной 3 нм наносится и удаляется -раз методом ионнолучевого распыления промежуточный слой оксида алюминия толщиной не более 0,2 мкм,гдеопределяется толщиной исходной пленочной гетероструктуры(мкм) согласно соотношению 5. Для пояснения предлагаемого изобретения приведем пример формирования контактной структуры. Контактная структура формировалась в вакуумной установке ионнолучевого распыления-осаждения в среде кислорода, содержащей источник ионов кислорода 5 для распыления-осаждения материалов мишеней, алюминия, бериллия и золота, и такой же по конструкции источник ионов кислорода для очистки и распыления поверхности пленок на подложках, располагающихся на подвижном подложкодержателе, перемещающегося от одного ионного источника к другому. Контактная структура формировалась следующим образом. Поверхность пленок исходных образцов в течение 2030 минут обрабатывалась пучком ионов азота с энергией до 200 эВ с целью очисти. Потом образцы последовательно перемещались на позицию осаждения, напуск азота прекращался и через источник ионов для распыления-осаждения материалов мишеней подавался кислород. Далее производилось распыление мишени алюминия ионами кислорода в атмосфере кислорода и нанесение со средней скоростью 4,3 нм/мин пленки оксида алюминия на поверхность образцов. Толщина и состав исходной пленочной эпитаксиальной структуры задается условиями роста и указывается в сопроводительной документации, чаще всего она составляет порядка 1 мкм, причем наиболее толстые пленки в некоторых образцах не превышают 3 мкм. Приведем для демонстрации экспериментальные данные, полученные на эпитаксиальной структуре толщиной 1200 нм. Известно, что впадины рельефа поверхности с площадями поперечного сечения в десятки-сотни квадратных нанометров заполняются более чем в два с половиной раза быстрее, чем ровные участки поверхности, при нанесении пленок оксидов металлов в условиях ионно-лучевого распыления-осаждения 6. В данном случае осаждаемым материалом являлся оксид алюминия (более точно -с аморфной структурой). Также экспериментально установлено, что при толщине наносимой пленки оксида алюминия более 0,25 мкм она из-за накопления внутренних дефектов, а также роста напряжений на границе пленка-подложка, становится менее плотной и даже приобретает неоднородный 4 13804 1 2010.12.30 характер. Поэтому оптимальной и установленной экспериментально толщина пленки оксида алюминия составила 0,2 мкм и при этом наблюдалось преимущественное заполнение впадин рельефа поверхности оксидом алюминия на эффективную толщину не менее 0,22,50,5 мкм. Однако для полного заращивания наиболее крупных дефектов в виде проколов между подложкой и поверхностью необходимо набрать толщину в 1200 нм 1,2 мкм. Поэтому образцы возвращались на позицию обработки поверхности, и ионным пучком азота с энергией до 200 эВ и плотностью тока 0,6 мА/см 2 распылялся слой оксида алюминия с плоских участков поверхности. Одновременно происходило распыление оксида алюминия и в области проколов, но незначительно. Распыление пленки оксида алюминия пучком ионов азота с плоских участков поверхности происходило со скоростью около 11 нм/мин. Скорость распыления поверхности -слоя , после ее вскрытия по мере удаления слоя оксида алюминия, трудно поддавалась измерению из-за малости величины. По оценкам она не превышала 0,2 нм/мин, что позволило пренебрегать воздействием ионов азота с энергией менее 200 эВ на вскрытый -слой. Завершение процесса распыления оксида алюминия с плоских участков поверхности фиксировалось по изменению интенсивности спектра отраженного сигнала от поверхности тестовых образцов по мере удаления оксида алюминия, калиброванного по времени распыления. После этого цикл распылениеосаждение слоя оксида алюминия повторялся три раза, согласно 1,20,53, что обеспечивало полное заращивание пустот на поверхности рабочей структуры. Далее образцы с залеченными пустотами в пленочной эпитаксиальной структуре нитридов третьей группы элементов возвращались на позицию 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 объемоподобных пленок золота 7) толщиной 4 нм при скорости осаждения 2,2 нм/мин и опятьтолщиной не менее 3 нм. Температура нагрева образцов при нахождении в вакуумной камере составляла 350370 С, предельный вакуум был не хуже 10-5 Тор, а рабочий вакуум составлял 1,82,110-4 Тор. Для иллюстрации предложенного способа нанесения прозрачной омической контактной структуры на фиг. 1 приведены изображения исходной поверхности исходного образца (для подтверждения эффективности предложенного способа приведен случай наиболее дешевого, но вместе с тем и обладающего наибольшей степенью исходной дефектности пленок, когда используется подложка кремния), полученные методом растровой электронной микроскопии. На фиг. 1,а на поверхности исходной эпитаксиальной структуры в центре хорошо различимы искаженной гексагональной формы пустоты глубиной порядка 1 мкм. После проведения технологических операций, описанным выше способом, характерный вид поверхности вместе с нанесенной на нее контактной структурой принимает вид, показанный на фиг. 1,б. Из сравнения изображений следует, что на поверхности конечного вида отсутствуют электрически активные дефектные области, причем даже в местах, соответствующих нахождению на исходной структуре пустот ростовой природы происхождения. Дополнительным подтверждением эффективности процесса нейтрализации электрически активных областей поверхности являются спектры фотолюминесценции образцов при температуре 290 К и возбуждении излучением гелий-кадмиевого лазера возб 325 нм, возб 2 Вт/см 2, приведенные на фиг. 2. Здесь наиболее слабый по интенсивности сигнал наблюдался от исходной структуры (спектр 1), после однократного цикла осаждения-распыления его интенсивность возросла (спектр 2), однако насыщения спектр по интенсивности достиг после завершения повторных циклов осаждения-распыления по предложенной формуле (спектр 3). 5 13804 1 2010.12.30 Испытания на термическую стабильность контактных структур, изготовленных предложенным способом, показало, что исходное контактное сопротивление составляло 3610-4 Омсм, что было не хуже, чем у прототипа. После выдержки на воздухе в течение 24 часов при температуре 550 С, контактное сопротивление увеличилось, но до значений менее 10-3 Омсм (в то время как у прототипа оно увеличилось до 2,210-3 Омсм) при сохранении прозрачности в 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. Источники информации 1.,, - . -, -,-// . . . . - 2002.-. 0.-. .-. 227-230. 2. Патент 8569. Способ изготовления прозрачного омического контакта к эпитаксиальному слою - / Г.П. Яблонский, Е.В. Луценко, А.И. Стогний и др. 3. Энциклопедия технологии полупроводниковых материалов. Том 1 / Под ред. К.А. Джексона и В. Шретера. / пер. с англ. Под ред. Э.П. Домашевской. - Воронеж Водолей, 2004. - 982 с. 4. Жмерик В.Н., Мизеров А.М., Шубина Т.В. и др. Квантово-размерные гетероструктуры на основедля светодиодов глубокого ультрафиолетового диапазона, полученные методом субмонослойной дискретной молекулярно-лучевой эпитаксии с плазменной активацией азота // ФТП. - 2008. - . 42. - Вып. 12. - С. 1452-1458. 5. Стогний А.И., Новицкий Н.Н. 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. Стогний А.И., Новицкий Н.Н., Стукалов О.М. Ионно-лучевое полирование наноразмерного рельефа поверхности оптических материалов // ПЖТФ. - 2002. - Т. 28. -Вып. 1. С. 39-48. 7. Стогний А.И., Новицкий Н.Н., Тушина С.Д., Калинников С.В. Получение методом ионно-лучевого распыления кислородом и оптические свойства ультратонких пленок золота // ЖТФ. - 2003. - Т.73. - Вып. 6. - С. 86-89. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6