Stabilne termicznie i chemicznie kontakty omowe do GaN n

Stabilne termicznie i chemicznie kontakty
omowe do GaN n-typu oparte o fazy MAX
.
Michał A. Borysiewicz1, Marcin Myśliwiec1, Krystyna Gołaszewska1, Rafał Jakieła2,
1,2
1
1
Elżbieta Dynowska , Eliana Kamińska , Anna Piotrowska
.
1. Instytut Technologii Elektronowej, al. Lotników 32/46, 02-668 Warszawa
2. Instytut Fizyki, PAN, al. Lotników 32/46, 02-668 Warszawa
1. Wprowadzenie
4. Wyniki eksperymentalne
Ze względu na swoją szeroką
przerwę energetyczną,
wysokie napięcie przebicia
oraz wysoką stabilność
chemiczną i termiczną,
półprzewodniki oparte na
GaN znajdują zastosowania
nie tylko w niebieskich
diodach świecących i
laserowych ale również w
tranzystorach HEMT w.mocy i
w.częstości pracujących przy
gęstościach mocy nawet 30
W/mm [1] i częstościach do
120 GHz [2].
Rezystancja kontaktów
-4
2
po uformowaniu = 8 · 10 Ωcm
Dyfrakcja promieni X: PANalytical Empyrean, katoda Cu,
monochromator Johanssona
2,0
AlTi 111
AlTi 002
TiN0.34O0.76 30-4
Al2O3 00.6
as formed
aged in air:
o
300 C
o
400 C
o
500 C
TiN0.6O0.4 311
-3
1,0
TiN 111
2
Intensity (a.u.)
1,5
rc (10 Wcm )
GaN 00.2
o
300 C
o
400 C
o
500 C
0,5
Source: Nitronex
Jednym z podstawowych wyzwań dla tych przyrządów jest
niezawodność i stabilność metalizacji kontaktów omowych i
Schottkiego w powietrzu w temperaturach podwyższonych ze
względu na zewnętrzne źródła ciepła lub na wewnętrzne
rozpraszanie wysokiej mocy.
0,0
0
20
40
60
80
100
30
35
40
Aging time (h)
Omowy charakter złącza zachowany po wszystkich
krokach starzeniowych
Obrazy TEM
Obraz wysokorozdzielczy po prawej
stronie ukazuje strukturę nanolaminarną
warstwy przejściowej pomiędzy
podłożem i pierwszą warstwą Ti-Al,
uformowaną podczas wygrzewania
formującego.
Dwa podejścia do poprawy stabilności kontaktu:
- zastosowanie bariery antydyfuzyjnej
- zastąpienie dwuwarstwy Ti/Al innym materiałem
Zakładając, że odległość między dwiema
kolejnymi widocznymi warstwami
odpowiada odległości między dwiema
kolejnymi warstwami MX, można
wyznaczyć stałą sieci Ti2AlN c = 15 Å.
Zbliżona wartość c = 13.6 Å jest
podawana przez Barsouma [10].
Wprowadzenie bariery dyfuzyjnej:
o
Ti/Al/Ni/Au stabilność: 10 godz. w 500 C w azocie [3]
Ti/Al/Mo/Au stabilność: 25 godz. w 600oC w azocie [4]
13x(ZrN/ZrB2) stabilność: 10 godz. w 800oC w argonie [5]
Stabilność w powietrzu (nieliczne prace):
- Ti/Al/Ni/Au: 100 godz. w 350oC [7]
- Ti/Al/Cr/Au: 120 godz. w 400oC [8]
- Ti/Al/Ti/Au: 2 godz. w 600oC [9].
Ta praca: poprawa stabilności dzięki zastosowaniu metalizacji
zawierającej fazę MAX Ti2AlN oraz TiN.
Przewodzący SPM (CSPM) obrazy przewodnictwa i
morfologii dla próbek po uformowaniu i starzeniu w
o
300 C
Po uformowaniu: znaczny przepływ prądu,
przewodnictwo ziarnowe
Po starzeniu: brak przewodnictwa
powierzchniowego poza obszarem nacisku ostrza
Profile głębokościowe SIMS: tworzenie się tlenku w górnych
20-30 nm, czyli w wierzchniej warstwie TiN
Całkowita zawartość tlenu w starzonych warstwach w
szczególności na międzypowierzchniach nieznacznie różni
się od zawartości w warstwach po osadzeniu, co wskazuje na
skuteczne blokowanie dyfuzji.
PO UFORMOWANIU
8
8
10
2. Fazy MAX
6
10
5
10
N
4
10
3
10
Ti
Al
2
10
Nanolaminarna struktura daje
metaliczno-ceramiczne własności:
4dobre przewodnictwo cieplne (M) c
4dobre przew. elektryczne (M)
4wysoka twardość (M)
4odporność na utlenianie (C)
4tolerancja na uszkodzenia (C)
4możliwość obróbki skrawaniem (M)
4stabilność termiczna nawet przy
o
temperaturach powyżej 1000 C [10,11] (C)
N
4
10
Al
3
10
Ti
2
1
O
10
10
O
0
0
10
c
0
50
100
150
Depth (nm)
200
c
PO UFORMOWANIU
M atom
A atom
X atom
Zsyntezowano > 50 faz MAX [10].
3. Przygotowanie próbek
17
6
10
5
10
10
1
-3
Podłoże: epi-GaN:Si/Al2O3, n = 10 cm
1. Przygotowanie powierzchni w HCl
2. Osadzenie rozpylaniem katodowym wielowarstw Ti/Al/TiN
3. Formowanie kontaktu: RTP, 600oC, 6 minut w argonie
Morfologia SPM: bardzo gładka powierzchnia,
chropowatość rms obliczona z powierzchni 10 μm x
10 μm równa 2.2 nm dla metalizacji po wygrzewani
formującym i 5.7 nm, 4.7 nm i 5.2 nm dla metalizacji
o
starzonych przez 100 godzin odpowiednio w 300 C,
o
o
400 C i 500 C.
250
10
Ga
7
10
6
S IM S s ig n a l (1 /s )
300oC, 100 h
S IM S S ig n a l (1 /s )
413
10
Ga
7
10
10
312
8
10
Ga
7
10
S IM S s ig n a l (1 /s )
Zastąpienie dwuwarstwy Ti/Al:
- Mo/Al/Mo/Au stabilność: kilka godzin w 700oC w azocie [4]
-Ti/TiN stabilność: 5 dni w 600oC w próżni [6]
211
50
Po uformowaniu: TiN i AlTi (por. obrazy TEM)
Po starzeniu: rekrystalizacja TiN, pojawienie się TiNxOy
Konwencjonalne kontakty omowe do n-GaN: dwuwarstwa Ti/Al [1].
o
Ulega degradacji w próżni w 600 C po kilkugodzinnym
wygrzewaniu [2].
Fazy Mn+1AXn składają się z:
M - metalu przejściowego,
A - pierwiastka z gr. IIIA albo IVA
X - węgla albo azotu.
45
2q (deg)
5
N
10
4
10
Al
3
10
Ti
2
10
O
1
10
0
0
50
100
150
Depth (nm)
200
250
10
0
50
100
150
200
Depth (nm)
300oC, 100 h
Ti/Al/Ni/Au
PO UFORMOWANIU
400oC, 100 h
500oC, 100 h
Chropowatość mierzona na takiej samej powierzchni
dla typowego kontaktu 20 nm Ti/120 nm Al/40 nm Ni/22
nm Au do n-GaN formowanego w 850oC przez 30 s w
przepływie azotu wynosiła 52 nm.
5. Podsumowanie
strukturyzacja cTLM
przy pomocy techniki
lift-off
4Przedstawiono kontakty omowe dla n-GaN o stabilności termicznej i chemicznej klasy światowej
o
4Własności kontaktów nie ulegały zmianom podczas wygrzewań do 500 C w powietrzu przez 100 godzin
4Bardzo niska chropowatość powierzchni, o rząd wielkości mniejsza niż dla konwencjonalnych kontaktów,
zachowana po procesach starzenia.
4W górnej warstwie TiN tworzy się cienka warstwa tlenku azotku
7. Bibliografia
6. Podziękowania
Część prac była finansowana w ramach projektu
kluczowego InTechFun realizowanego w ramach
Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka
(POIG.01.03.01-00-159/08)
1. M.E. Lin et al., Appl. Phys. Lett. 64, 1003 (1994).
2. J.S. Kwaket al., Semicond. Sci. Technol. 15 (2000) 756–760.
3. N.A. Papanicolaou et al., Solid-State Electronics 46 (2002) 1975–1981.
4. D. Selvanathan et al.,Journal of Electronic Materials 32 (2003) 336.
5. Eliana Kamińska et al., MRS Online Proceedings Library / Volume 1298 / mrsf10-1298-t05-09 (2011).
6. E. Kamińska et al., Mat. Res.Soc. Symp. Proc. 449 (1996) 1055.
7. C.M.. Pelto et al., J. Appl. Phys. 92 (2002) 4284.
8. J-H. Chern et al., High Temperature Electronics Conference, 1998. HITEC. 1998 Fourth International, (1998) 114.
9. C.-C. Lee et al., Jpn. J. Appl. Phys. 42 (2003) 2313–2315.
10. M.W. Barsoum, Prog. Solid St. Chem. 28, 201 (2000).
11. J. Emmerlich et al., Acta Materialia, 55, 1479 (2007).
250