Optimisation des contacts ohmiques des hétérostructures InAlN/GaN sur substrat

Les premières hétérostructures étudiées dans le cadre ce travail ont été réalisées par croissance MOCVD au laboratoire CRHEA à Valbonne dans le cadre d’une collaboration à travers le contrat ANR SATELLITE. Les premiers contacts fabriqués sur des hétérostructures ze4.0»vw4.¨ y/xJy sur substrat Si(111) ne présentant pas un caractère ohmique, il a été

nécessaire de revoir les conditions de réalisation de ces contacts. Un nombre important de paramètres entre en jeu lors de la réalisation des contacts ohmiques : la nature et les épaisseurs des métaux déposés, la rampe de montée en température et la température de recuit, le temps de recuit, la gravure de la barrière avant métallisation, etc. Compte tenu du nombre important de variables à considérer, l’étude de l’optimisation s’est focalisée sur la rampe de montée en température et la température de recuit. Ce choix se justifie par les différentes études reportées dans la littérature. En effet, la nature et les épaisseurs des métaux déposés restent quasiment identiques que ce soit une barrière InAlN ou AlGaN [6], [7] et correspondent au séquentiel Ti/Al/Ni/Au (12/200/40/100 nm).

(a) (b)

Figure 2.9 : Structure utilisée pour l’optimisation des contacts ohmiques avec une barrière

ze4.0»vw4.¨ y sur substrat Si(111) HR (a), topologie de la surface par AFM (b)

La structure sur laquelle l’optimisation a été réalisée correspond à l’hétérostructure représentée sur la figure 2.9 (a). Cette structure, nommée T2494, a été obtenue par croissance MOCVD sur substrat Si(111) hautement résistif (HR). Celle-ci est composée d’une barrière de 10 nm d’ ze_4.0»vw_4.¨ y, d’une couche d’exclusion de 1 nm et d’un buffer de GaN de 0.9 µm avec une couche de nucléation en AlN de 0.2 µm. Sur la figure 2.9 (b), une image AFM a permis de mettre en évidence une rugosité de surface de l’ordre de 0.32 nm.

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L’ensemble des essais a été réalisé avec une même métallisation des contacts ohmiques en utilisant le séquentiel Ti/Al/Ni/Au (12/200/40/100 nm).

Dans un premier temps, la température de recuit a été fixée à 850°C et les essais ont porté sur la variation de la rampe de montée en température : 5°C/s, 10°C/s, 20°C/s et 45°C/s. Des mesures quatre pointes sur des échelles TLM disposant de quatre espacements séparés de 5 µm, 10 µ m, 15 µm et 20 µm ont ensuite permis d’extraire les paramètres caractérisant les contacts ohmiques à savoir : RC, ρC, R□ et LT.

Rampe de montée en température 5 °C/s 10 °C/s 20 °C/s 45 °C/s

áq â. rr 0.27 0.22 0.15 0.29

ãq â. •rU 3x10-7 5.9x10-7 3x10-7 1.2x10-6

á□ â./□ 657 834 707 657

äå ær 0.42 0.27 0.23 0.438

Tableau 2.1 : Caractéristiques des contacts ohmiques pour différentes rampes de montée en

température à une température de recuit de 850 °C.

Les valeurs des paramètres des contacts ohmiques sont indiquées dans le tableau 2.1. Elles ont été déduites en effectuant une moyenne sur plusieurs échelles TLM présentes sur les échantillons.

Figure 2.10 : Résistance de contact en fonction de la rampe de montée en température

à une température de recuit de 850 °C/s fixe

La figure 2.10 décrit l’évolution de la résistance de contact en fonction de la rampe de montée en température. Comme discuté précédemment, les alliages composant les contacts se forment au cours de la montée en température du recuit. En particulier, cela a un impact direct

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 0,24 0,26 0,28 0,30 0,32 RC ( Ω .m m )

Rampe de montée en température (°C/s)

T

recuit = 850 °C

t

sur l’enthalpie de formation des espèces intermétalliques mises en jeu. Il apparait, en conséquence, une résistance de contact optimale de l’ordre de 0.15 Ω.mm obtenue pour une rampe de montée en température de 20 °C/s.

Dans un second temps, la rampe de montée en température a été fixée à la valeur optimale de 20 °C/s, et les essais ont porté sur la variation de la température de recuit : 825 °C, 850°C, 875 °C et 900 °C pendant 30s (tableau 2.2). Température de recuit 825 °C 850°C 875 °C 900 °C Rè Ω. mm 0.34 0.15 0.18 1.2 ρè Ω. cm 1.6x10-6 3x10-7 4x10-7 1.8x10-5 R□ Ω./□ 741 707 742 708 Lê μm 0.47 0.23 0.23 0.34

Tableau 2.2 : Caractéristiques des contacts ohmiques pour différentes températures de recuit

pour une rampe de montée en température de 20 °C/s.

La figure 2.11 décrit la variation de la résistance de contact en fonction de la température de recuit. Dans la gamme de températures [825°C ; 875 °C], les contacts ohmiques présentent des résistances de contacts raisonnables avec un minimum observé pour une température de 850 °C. On peut noter qu’à la température de 900 °C, il apparait une valeur relativement élevée de la résistance de contact traduisant la dégradation de celle-ci.

Figure 2.11: Résistance de contact en fonction de la température de recuit pour une

rampe de montée en température fixée à 20 °C/s

800 825 850 875 900 925 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

R

(

.m

m

)

Température de recuit (°C)

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Par ailleurs, on observe que l’évolution de la résistance carrée ne semble pas suivre celle de la résistance de contact. Intuitivement, on s’attendrait à obtenir de meilleurs résultats en termes de résistance en augmentant la température de recuit sachant que la croissance de l’hétérostructure a été réalisée autour de 1000 °C par MOCVD. La montée en température devrait engendrer une meilleure diffusion des métaux dans la barrière et ainsi permettre la minimisation de la résistance de contact et de la résistance carrée. Dans notre cas, cette hypothèse n’est pas vérifiée car ces paramètres se dégradent sensiblement à haute température.

À travers cette optimisation, nous avons mis en exergue les principaux paramètres nécessaires à l’obtention de bons contacts ohmiques sur des structures disposant d’une barrière ze_4.0»vw_4.¨ y sur substrat Si(111) HR. Ainsi, il a été montré que pour une rampe de montée en température de 20 °C/s et une température de recuit de 850°C, il est possible d’obtenir une résistance de contact moyenne de l’ordre de 0.15 Ω.mm associée à une faible résistivité spécifique de contact. Néanmoins, les contacts ohmiques fabriqués au cours de ce travail sur d’autres structures avec des barrières ze_4.0»vw_4.¨ y, n’ont pas donné des résultats similaires. Une moyenne globale de 0.26 Ω.mm des résistances de contacts sur l’ensemble des hétérostructures avec des barrières ze_4.0»vw_4.¨ y a été ainsi calculée.