Технические науки /6.Электротехника и радиоэлектроника

Дмитриев В.С., к.т.н. Дмитриева Л.Б.

Запорожская государственная инженерная академия, Украина

ВЛИЯНИЕ МЕЖФАЗНОЙ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА НА ПАРАМЕТРЫ ОМИЧЕСКОГО КОНТАКТА

Одной из проблем создания эффективных приборов на основе арсенида галлия является изготовление высокоэффективных омических контактов к ним.

Основные требования к омическим контактам - минимальное удельное переходное сопротивление, линейность вольтамперных характеристик и достаточная механическая прочность – удовлетворяются подбором контактного материала и технологических режимов.

Из-за трудности легирования соединений A₃В₅ примесями с достаточно большой концентрацией (более 10¹⁹ см^-3) очень сложно создавать контакты с хорошими омическими свойствами. Для изготовления омических контактов к арсениду галлия n-типа используют металлы Sn, In, Рt, Аg, Аu, двухкомпонентные или трехкомпонентные сплавы Аg-Sn,Sn-Ni, Au-Ge, Ag-Ge-In, Au-Ge-Ni, Bi-Sn-Pt [1-5].

Для создания омических контактов в приборах из арсенида галлия должны использоваться металлы или сплавы, хорошо растворимые в нем или же образующие эвтектический сплав. Растворимость металла в GaAs определяет степень возможного легирования приконтактных слоев полупроводника. От растворимости арсенида галлия в металле зависит глубина вплавления металла. Эту растворимость можно определить из диаграмм состояния металл-мышьяк-галлий [1,2]. Материал контакта должен сохранить тип электропроводности GaAs, обладать достаточным коэффициентом диффузии, иметь невысокую температуру плавления (не превышающую предельную рабочую температуру прибора 873-923 К), хорошо смачивать поверхность GaAs, обладать значительной тепло- и электропроводностью, обеспечивать хорошие механические характеристики контакта. Этим требованиям в значительной степени удовлетворяют контакты из сплавов серебро - германий - индий, где Ag является основным материалом, Gе - легирующей добавкой, In - улучшает смачиваемость (для GaAs - наилучшая смачиваемость индием достигается при 773 К [1-4]). Улучшение смачиваемости достигается за счет снижения поверхностного натяжения металла контакта. Контакты из сплава Ag-Ge-In стабильны до температуры 873 К (для сравнения сплавы Au-Ge-Ni состава 80% ^:- 12% - 5% по массе стабильны до 573 К [2,3]).

Омические контакты изготавливали на эпитаксиальных слоях GaAs n-типа электропроводимости с концентрацией носителей заряда в слое n_эп.сл.= 8-10¹⁴...2-10¹⁵ см^-3 и подвижностью µ>5000см²/(В*с) и наносились методом термического испарения на установке ВУП-2К при остаточном давлении порядка 2*10^-5 тор. В качестве контактного материала использовали сплав Ag-Ge-In. Напыленные слои сплава Ag-Ge-In вплавляли при температурах 673 К…873 К соответственно с выдержкой 1…2 минуты. На электронном микроскопе просвечивающего типа изучали структуру переходного слоя омического контакта Ag-Ge-In/n-GaAs (ρ_к = 7*10^-4 Ом*см²), изготовленного при рекомендуемом режиме термообработки (температура вплавления 873 К, время вплавления - 45-60 секунд, )

Результаты расчета электронограмм, снятых с таких слоев, показали, что решетка монокристалла n-GaAs искаженаи внедрением атомов Ge и Ag.

Структура пленки тройного сплава Ag-Ge-In поликристаллическая, многофазная, мелкозернистая и довольно равномерная. По фазовому составу соответствует распыляемому тройному сплаву. Распределение серебра, германия, индия в напыляемой пленке неравномерно. В тройном сплаве по количеству преобладает серебро, но при переходе с одного микроучастка на другой для одного и того же контакта дифракционная картина меняет набор колец. На одних участках пленка обогащена серебром, на других германием или индием.

Результаты исследования микроструктуры и фазового состава пленки и приконтактных слоев полупроводника позволили предположить феноменологическую модель формирования контактов к слою n-GaAs.

Ag-Ge-эвтектика, сплавляясь с арсенидом галлия, создает на его поверхности тонкий n⁺ - слой за счет внедрения атомов четырехвалентного германия в подрешетку галлия. Эффективная концентрация легирующей примеси в сплавленном контакте может достигать 5*10¹⁹ см^-3.

Как показано, германий в арсениде галлия является амфотерной примесью. В сочетании, например, с золотом или серебром он может приводить к получению n⁺ - слоев в арсениде галлия. Индий служит только для предотвращения собирания в капли эвтектического сплава, обеспечивая однородность фронта вплавления.

В процессе вжигания происходит взаимодействие пленки сплава с приповерхностным слоем арсенида галлия, в результате чего слой заметно утолщается. При этом происходит образование избыточного Ga (по отношению к стехиометрическому) в арсениде галлия. Пока трудно сказать, какой именно процесс приводит к появлению избыточного галлия. В работах [1,4-6] высказывается предположение об аутдиффузии галлия из кристалла арсенида галлия. Однако, в работе [2] предполагается, что галлий может образовываться вследствие диссоциации какой-то части арсенида галлия в приповерхностном слое, сопровождаемой испарением мышьяка через поры в пленке сплава.

В любом случае наличие избыточного галлия существенным образом сказывается на электрических свойствах контактов. Известно [4-6], например, что наличие избытка галлия влияет на электрическое состояние примеси германия в арсениде галлия. Кроме того, галлий образует с серебром легкоплавкие сплавы и химические соединения, что может повлиять на величину термоэлектрической работы выхода пленки металла, а, следовательно, на снижение потенциального барьера в контакте и его сопротивление.

Выбор оптимальных условий температурной обработки контактов к n-GaAs из тройного сплава на основе серебра сводится к тому, чтобы создать достаточно толстый слой с повышенной концентрацией электронов за счет легирования германием в то же время не допустить чрезмерной компенсации в прилегающей к контакту области арсенида галлия за счет диффузии серебра.

При проведении исследований было показано, что качество контактов определяется, главным образом, характером распределения химических элементов, в первую очередь, германия и серебра в приконтактной области. Не менее важно также электрическое состояние этих примесей в кристаллизованном слое полупроводника.

Для понимания процессов, происходящих при вплавлении контактов, необходимы также сведения о фазовом и структурном состояниях получаемых слоев и об их влияниях на электрические свойства.

Литература.

1. Милнс А. Фойхт Д. /Гетеропереходы и переходы металл-полупроводник. -М.: Мир,1975.-432с.

2. Зи С. / Физика полупроводниковых приборов. -М.: Мир.1984.-456с.

3. Баранский П.И., Клочков В.П. , Потыкевич И.В./Полупроводниковая электроника: справочник. -К.: Наукова думка.-1975.-706с.

4. Швец Е.Я., Дмитриева Л.Б., Дмитриев В.С.Исследование влияния поверхностных состояний на показатели качества и технологичности структур Me-GaAs.//Металургія. Наукові праці ЗДІА.- Запорожье.: ЗГИА.-Вип.2 (27).- 2012.-С.138-142.

5. Дмитрієв В.С. Особливості формування омічних контактів на основі арсеніду галію.//Технологический аудит и резервы производства, №3/1(5). Спецвипуск. Матеріали міжнародної наукової конференції, Частина 1, Том «Фундаментальні дослідження».- Київ.-2012.-С.35-36.

6. Дмитрієв В.С. Oптимізація технології вакуумного нанесення омічних контактів до арсеніду галлія.//Материалы международной НТК молодых ученых и студентов «Актуальные задачи современных технологий».- Тернополь, Украиа.- 2013.-С.13.