Synchrotron radiation X-ray photoelectron spectroscopy study of interface reactions in Al/Ti/GaN ohmic contacts

Al/Ti/GaNオーミックコンタクトにおける界面反応の放射光X線光電子分光研究

野崎 幹人*; 伊藤 丈予*; 淺原 亮平*; 中澤 敏志*; 石田 昌宏*; 上田 哲三*; 吉越 章隆 ; 寺岡 有殿; 細井 卓治*; 志村 考功*; 渡部 平司*

Nozaki, Mikito*; Ito, Joyo*; Asahara, Ryohei*; Nakazawa, Satoshi*; Ishida, Masahiro*; Ueda, Tetsuzo*; Yoshigoe, Akitaka; Teraoka, Yuden; Hosoi, Takuji*; Shimura, Takayoshi*; Watanabe, Heiji*

GaNはSiC以上の絶縁破壊電界強度(3.0MV/cm)を有し、AlGaN/GaNヘテロ構造界面に高密度かつ高移動度の2次元電子ガスが形成されることから、次世代パワーデバイス材料として期待されている。高性能GaNパワーデバイスの実現には、GaNあるいはAlGaN/GaNに対するオーミックコンタクト形成技術が重要となる。n-GaNに対しては、Al/Ti積層電極を堆積し加熱処理を行うことによるオーミックコンタクト形成が一般的に用いられており、コンタクト界面でのTiN形成が報告されているが、界面反応について十分な理解はされていない。本研究では、n-GaN層上にTiおよびAl/Tiを蒸着し、加熱処理を行った際の界面反応について、放射光光電子分光分析を行った。シリコン(111)上にn-GaN層をエピタキシャル成長した基板をHCl溶液により洗浄した後、Ti層(4nm)またはAl/Ti層(各2nm)をスパッタ成膜した。これらの試料をSPring-8 BL23SUの表面化学反応解析装置(SUREAC 2000)に導入し、室温でGa 3dスペクトルを取得した。なお、GaN基板ピーク(20eV)により、結合エネルギーの較正、ピーク強度の規格化を行った。Al/Ti積層試料では、17.6eV付近に金属状態のGa起因のピーク(Ga(metal))が見られる一方、Ti単層試料ではこのようなピークはほとんど見られないことから、Ti上へのAl積層がコンタクト界面構造を顕著に変化させることが示唆された。さらにAl/Ti積層試料を超高真空中で600度まで加熱しながらGa 3dスペクトルを取得したところ、400度以上でGa(metal)ピークの増大が確認でき、界面反応がさらに進行したことがわかった。

Interface reactions between Ti-based multilayer electrodes on n-type GaN epilayers were investigated by means of synchrotron radiation X-ray photoelectron spectroscopy (SR-XPS). High-resolution SR-XPS analysis revealed formation of metallic Ga and TiN mixed interlayers at Ti/GaN interface even at room temperature by depositing Al capping layer. By comparing XPS spectra from the stacked Al/Ti electrode and single Ti electrode, an essential role of Al overlayers serving as oxygen diffusion barrier and oxygen scavenging element to produce reactive pure Ti underlayers on GaN was demonstrated. Moreover, growth of metallic interlayers consisting of Ga and Ti atoms during vacuum annealing was clearly identified from in situ SR-XPS analysis.