Untersuchung von MBE -Erwachsenen mit hoher Al -Konzentration Algan Ohmic Kontakt

Das Erreichen niederohmiger ohmscher Verbindungen ist einer der wesentlichen Faktoren für die Verbesserung der Leistung optoelektrischer und Halbleiterbauelemente. In dieser Arbeit untersuchten wir die Abnahme des spezifischen Kontaktwiderstands (ρc) nach Hochtemperaturglühen und Variation der Vanadiumdicke auf einer AlGaN-Epitaxieschicht vom n-Typ mit einer hohen Aluminiumkonzentration (75 %). Um ihn zu messen, haben wir rechteckige Übertragungsleitungsmodellelektroden hergestellt und den spezifischen Kontaktwiderstand bei Glühtemperaturen zwischen 800 und 950 °C gemessen. Die Ergebnisse zeigten, dass der minimal erreichte spezifische Kontaktwiderstand 4,12 × 10⁻² Ω cm² bei einer Glühtemperatur von 850 °C betrug, was im Vergleich zum Oberflächenkontaktmodus doppelt so hoch war. Es wird auch gezeigt, wie der Kontaktwiderstand der epitaktischen AlGaN-Schicht vom n-Typ variiert, wenn sich die Vanadiumdicke von 2 auf 15 nm ändert.

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AlGaN/GaN als Bauelemente mit hoher Elektronenmobilität sind vielversprechend für Hochspannungs-, Hochleistungs- und Hochtemperaturanwendungen.¹ Die ohmschen Kontakt²⁻⁵-Eigenschaften dieser Bauelemente müssen jedoch verbessert werden, um in Hochleistungsanwendungen⁶ eingesetzt zu werden und eine höhere Effizienz zu erreichen.⁶,⁸ Aufgrund der Notwendigkeit einer transparenten Stromverteilungsschicht sind ultraviolette Leuchtdioden (UVC-LEDs) mit einer Wellenlänge unter 240 nm erforderlich eine n-AlₓGa₁₋ₓN-Schicht mit einem Aluminium (Al)-Molanteil x größer als x = 0,8.⁸ Damit Tief-UV-LEDs eine höhere Wall-Plug-Effizienz (WPE) haben, sind ohmsche n-Kontakte mit niedrigen Kontaktwiderständen auf dem hohen Al-Molanteil n-AlGaN erforderlich.

Die Bildung eines ohmschen Kontakts ist aufgrund der hohen Al-Konzentration² (75 %) in n-AlGaN eine Herausforderung. Darüber hinaus ist es aufgrund der hohen Al-Konzentration an der Metall-Halbleiter-Grenzfläche schwieriger, die Potentialbarrieren zu senken; Daher nimmt die Elektronenaffinität von AlGaN ab und geht von 3,18 eV für GaN auf 1,01 eV für AlN.⁷ Neben dem Problem der hohen Al-Konzentration hat auch die Verdickung von Vanadium an der Schottky-Barriere einen großen Einfluss. Wenn die Metallaustrittsarbeit niedrig ist, erhöht sich die Schottky-Barriere, da AlGaN energetisch stabil ist, was die N-Entfernung und die Bildung einer n-dotierten Schicht während des Glühens verhindert.⁴

Ohmsche Kontakte mit n-AlGaN werden durch Ti/Al-basierte Metallisierungsschemata nur bis zu einem Al-Molanteil von x = 0,5 gebildet. Aufgrund der geringen Bildungsenthalpie von TiN (−336 kJ/mol) interagiert Ti stark mit der n-AlGaN-Schicht.⁵ Ti ersetzt dann Ga in der Legierung, wenn die Al-Konzentration erhöht wird, was zu (i) stark defekten Al-Ti-N-Phasen, (ii) Hohlräumen und (iii) TiN-Vorsprungsinseln (die sich vorzugsweise entlang von Versetzungen bilden) an der M/S-Grenzfläche führt. Diese Ereignisse behindern die Entwicklung einer einheitlichen Kontaktfläche. Unter Verwendung von V/Al/Ni/Au-basierten Elektroden haben Nagata et al. Kürzlich wurden ohmsche Verbindungen auf n-AlGaN bis zu einem Al-Molanteil von x = 0,70 etabliert.⁹ Für Al-Molanteile von mehr als 0,4 ergaben Metallisierungen auf V/Al-Basis bei niedrigeren Glühtemperaturen nachweislich schlechtere Kontaktwiderstände als solche auf Ti/Al-Basis, was zum Teil auf eine relativ begrenzte Reaktivität mit dem Halbleiter zurückzuführen ist.¹⁰,¹¹ In diesem Fall ist das Aluminium im Metallisierungsschema die treibende Kraft Entwicklung der hoch n-dotierten dünnen Schicht an der M/S-Grenzfläche, während das Vanadium als Eindiffusionsbarriere dient.

In dieser Arbeit wurden die strukturellen und elektrischen Eigenschaften von n-Kontakten auf V/Al/Ti-Basis auf n-AlGaN mit erhöhtem Al-Gehalt untersucht. Anschließend wurden diese Elektroden 60 s lang bei Temperaturen zwischen 800 und 950 °C geglüht. Zur Bestimmung des spezifischen Kontaktwiderstands wurde das Übertragungsleitungsmodell (TLM) verwendet.

Der spezifische Kontaktwiderstand wird üblicherweise mit der Transmission Line Model (TLM)-Methode gemessen, die entweder mit kreisförmigen oder rechteckigen Elektrodenkonfigurationen implementiert werden kann. Bei der TLM-Methode mit kreisförmiger Elektrode wird die Metallelektrode direkt auf dem Schüttgut abgeschieden, ohne dass eine Mesa-Bildung erforderlich ist. Allerdings kann die Berechnung des spezifischen Kontaktwiderstands bei dieser Methode komplex sein. Andererseits bietet die TLM-Methode mit rechteckigen Elektroden eine einfachere und genauere Möglichkeit zur Berechnung des spezifischen Kontaktwiderstands, erfordert jedoch die Vorbereitung einer isolierten Mesa. Abbildung 1(a) zeigt das schematische Diagramm der rechteckigen Elektroden-TLM-Struktur.

Das zur Charakterisierung verwendete TLM-Muster besteht aus einem Quadrat mit einer Seitenlänge von 100 µm und einer Breite von 80 µm. Der Kontaktwiderstand wurde durch Analyse von TLM-Mustern mit Spaltbreiten im Bereich von 10 bis 40 µm bestimmt, wie in Abb. 1(a) dargestellt. Der spezifische Kontaktwiderstand wurde durch Untersuchung der aus TLM-Messungen erhaltenen Strom-Spannungs-Beziehung bestimmt. Die elektrische Charakterisierung ergab, dass die Spannungs-Strom-Charakteristik (IV) der Kontakte (V/Al/Ti auf AlGaN) bis zu einem bestimmten angelegten Spannungsschwellenwert ein relativ lineares Verhalten aufwies. Der gemessene Gesamtwiderstand besteht aus mehreren Komponenten: R T = 2R m + 2R C + R semi

Wo

R semi = R s *(L/W).

Im Zusammenhang mit dem Kontaktwiderstand können wir den Gesamtwiderstand als die Summe von drei Komponenten betrachten: R m , der den Widerstand aufgrund des Kontaktmetalls darstellt; R C , verbunden mit der Metall/Halbleiter-Grenzfläche; und R semi , was den üblichen Halbleiterwiderstand darstellt. Der Widerstand eines einzelnen Kontakts kann als R m + R C ausgedrückt werden . In vielen Fällen ist der spezifische Widerstand des Metalls im Kontakt jedoch deutlich niedriger als R C , sodass R C viel größer als R m ist . Dadurch wird der Beitrag von R m vernachlässigbar und kann ignoriert werden.

R T = R s * (L/W) + 2R C = R s * (L/W) + 2(R s * L T ) / W.

Die aktuelle Crowding-Analyse zeigt, dass der Stromabfall exponentiell mit einer charakteristischen Länge erfolgt, die als L T bezeichnet wird und allgemein als Übertragungslänge bekannt ist. Diese Übertragungslänge kann als effektive Länge des Kontakts angesehen werden. Folglich kann die effektive Kontaktfläche als das Produkt von L T und W angenähert werden, wobei W die Breite des Kontakts darstellt.

ρ c = R C ∗ A C = R C ∗ ( L T ∗ W ).

Der Kontaktwiderstand zwischen Metall (AlGaN) spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Leistung und Stabilität von Halbleiterbauelementen. Daher ist die Durchführung umfassender Untersuchungen zum Kontaktwiderstand wichtig. Der Entstehungsmechanismus des Kontaktwiderstands umfasst mehrere Faktoren, darunter die Bandstruktur an der Metall-Halbleiter-Grenzfläche, Elektronentransfereigenschaften und chemische Reaktionen an der Grenzfläche. Bei Schottky-Kontakten entsteht eine Potentialbarriere zwischen Metall und Halbleiter. Die Höhe dieser Elektronenpotentialbarriere bestimmt die Effizienz der Elektroneninjektion und -extraktion, die ein Schlüsselfaktor für die Größe des Kontaktwiderstands ist. Andererseits stellen ohmsche Kontakte eine gute elektrische Verbindung zwischen dem Metall und dem Halbleiter her, und der Transportprozess der Elektronen durch die Metall-Halbleiter-Grenzfläche bestimmt die Höhe des Kontaktwiderstands. Ohmsche Kontakte weisen lineare oder quasilineare Strom-Spannungs-Kennlinien (IV) auf, während Schottky-Kontakte nichtlineare IV-Kennlinien aufweisen. Das Energieniveau kann durch Variation der Dicke des n-AlGaN gesteuert werden und hängt auch von der Vanadiumdicke ab, die im Bandlückendiagramm in Abb. 1 (c) dargestellt ist.

Die Optimierung des Kontaktwiderstands metallischer AlGaN-Kontakte wird jedoch von verschiedenen Faktoren beeinflusst. Zu diesen Faktoren gehören die Wahl des Kontaktmetalls, Oberflächenbehandlungsmethoden und Glühbedingungen, die alle erhebliche Auswirkungen auf den resultierenden Kontaktwiderstand haben. Die Abbildungen 2(a)–2(d) konzentrieren sich hauptsächlich auf die Untersuchung des Einflusses der Glühtemperatur auf den Kontaktwiderstand, während der Einschub der Abb. 2(a)–2(d) zeigt den Einfluss der Glühtemperatur auf die Oberflächenmorphologie des oberen Kontakts.

Der Einfluss der Glühtemperatur auf den Kontaktwiderstand des Metalls AlGaN ist ein komplexes Phänomen. Eine optimale Glühbehandlung kann mehrere vorteilhafte Auswirkungen haben, wie z. B. die Verbesserung der Kristallqualität und der Gitteranpassung an der Metall-AlGaN-Grenzfläche, die Förderung der Metalldiffusion und Grenzflächenbindung, die Verringerung der Barrierenhöhe und die Umwandlung von Schottky-Kontakten in ohmsche Kontakte. Diese Effekte führen letztendlich zu einer Verringerung des Kontaktwiderstands. Es ist jedoch zu beachten, dass zu hohe Glühtemperaturen zu Strukturveränderungen im Material führen können, die sich negativ auf den Kontaktwiderstand auswirken können. Daher ist es entscheidend, die richtige Balance bei der Glühtemperatur zu finden, um die gewünschten Kontakteigenschaften zu erreichen und den Kontaktwiderstand zu minimieren.

Die Abbildungen 2(a)–2(d) zeigen verschiedene Glühtemperaturen innerhalb des üblicherweise verwendeten Bereichs von 800–950 °C, um ihre Auswirkungen auf den Kontaktwiderstand zu validieren. Einfügungen in Abb. 2(a)–2(d) zeigen auch optische Bilder, die die morphologischen Veränderungen der Oberfläche aufgrund des Hochtemperaturglühens beschreiben. Die Abbildungen 2(e) und 2(f) veranschaulichen die für jede Glühtemperatur erhaltenen Testergebnisse zusammen mit den entsprechenden Werten von R C (Kontaktwiderstand) und ρ (spezifischer Widerstand). Aus der Analyse der Abb. Anhand von 2(e) und 2(f) kann beobachtet werden, dass der Kontaktwiderstand eine merkliche Variation mit sich ändernder Glühtemperatur aufweist. Der niedrigste Kontaktwiderstand wird erreicht, wenn die Glühtemperatur auf 850 °C eingestellt wird, was zu einem spezifischen Kontaktwiderstandswert von 4,12 x 10 ² Ω-cm² führt. Der Kontaktwiderstand nimmt tendenziell zu, wenn die Glühtemperatur unter 850 °C fällt. Dieser Anstieg ist in erster Linie auf eine unzureichende Grenzflächenbindung zurückzuführen, die durch eine unzureichende Glühtemperatur verursacht wird, was zu einer begrenzten Verringerung der Höhe der Grenzflächenpotentialbarriere führt. Umgekehrt erhöht sich der Kontaktwiderstand bei Temperaturen über 850 °C deutlich um das Zwei- bis Dreifache. Dieser erhebliche Anstieg wird auf Strukturveränderungen des Metallmaterials durch zu hohe Temperaturen zurückgeführt, die sich negativ auf den Kontaktwiderstand auswirken.

Der vorherige Abschnitt konzentrierte sich auf die Untersuchung des Einflusses der Glühtemperatur auf den Kontaktwiderstand und identifizierte die optimalen Glühbedingungen für die derzeit verwendeten Metallelektroden. Es wurde jedoch beobachtet, dass selbst unter diesen optimalen Glühbedingungen die Strom-Spannungs-Kurve (IV) keine Linearität aufwies. Dies deutet darauf hin, dass der Kontakt zwischen dem Metall und AlGaN immer noch kein ohmscher Kontakt ist, was Raum für weitere Optimierung lässt. Wie bereits erwähnt, spielt auch die Wahl des Kontaktmetalls eine entscheidende Rolle für den Kontaktwiderstand. Daher untersuchen wir in diesem Abschnitt den Einfluss der Kontaktmetalldicke auf den Kontaktwiderstand.

In diesem Abschnitt haben wir Experimente mit einem einheitlichen epitaktischen AlGaN-Wafer durchgeführt. Das Substrat wurde in vier Abschnitte unterteilt und TLM-Metallelektroden mit unterschiedlichen Vanadiumdicken von 2, 5, 10 und 15 nm hergestellt. Anschließend verwendeten wir die optimale Glühtemperatur (850 °C) und führten ein Glühen mit anschließendem TLM-Test durch. Die Testergebnisse für verschiedene Metalldicken sind in den Abbildungen dargestellt. 3(a)–3(d) und der entsprechende Kontaktwiderstand ( R c ) und der spezifische Widerstand ( ρ ) wurden basierend auf diesen Ergebnissen berechnet.

Um außerdem den Einfluss des Kontaktwiderstands auf die Leistung von LED-Geräten zu ermitteln, haben wir einen einfachen LED-Chip unter Verwendung von Metallelektroden mit unterschiedlichen V-Dicken hergestellt. Die N-Elektroden des LED-Chips wurden bei der gleichen Temperatur mit verschiedenen V-Dicken (2, 5, 10 und 15 nm) getempert, während für die P-Elektroden eine Standardelektrode vom P-Typ (Ti/Au/Ti) verwendet wurde. Mithilfe dieser Struktur können wir den Zusammenhang zwischen der Leistung von LED-Geräten und dem Kontaktwiderstand untersuchen, der bereits in anderer Literatur untersucht wurde.

Hier untersuchten wir die Eigenschaften von V/Al/Ti auf ohmschen AlₓGaN-Kontakten vom n-Typ, die auf einem Saphirsubstrat mittels hochfrequenter Stickstoffplasma-unterstützter Molekularstrahlepitaxie (PA-MBE) aufgewachsen sind. Rechteckige TLM-Elektroden wurden im seitlichen ohmschen Kontaktmodus hergestellt und dann bei Temperaturen zwischen 800 und 950 °C getempert. Unsere Ergebnisse zeigten, dass der ohmsche Kontaktmodus für die doppelkanalige GaN/AlGaN-Epitaxieschicht insbesondere bei niedrigeren Glühtemperaturen einen geringeren spezifischen Kontaktwiderstand im Vergleich zum herkömmlichen Oberflächenkontaktmodus erreichte. Es wurde festgestellt, dass Schwankungen der Glühtemperatur und der Glühdauer einen Einfluss auf die spezifischen Kontaktwiderstände des Doppelschichtsystems haben. Basierend auf den Berechnungen wurde der minimale spezifische Kontaktwiderstand von 4,12 x 10 ² Ω cm² bei einer Glühtemperatur von 850 °C erreicht. Es wird außerdem geschlussfolgert, dass mit zunehmender Dicke des Metalls (V) die für das Gerät erforderliche Spannung abnimmt. Dies bedeutet, dass ein geringerer Kontaktwiderstand zu einer verbesserten Leistung von LED-Geräten führt.

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