Universum

Keywords: gallium nitride, Schottky diode, ohmic contact, specific contact resistance, forward voltage drop, current 

density. 

Ключевые слова: нитрид галлия, диод Шоттки, омический контакт, удельное контактное сопротивление, 

прямое падение напряжения, плотность тока. 

________________________________________________________________________________________________ 

 

Recently, much attention has been paid to the wide-

band semiconductors gallium nitride (GaN), silicon car-

bide (SiC) and diamond as promising materials for cre-

ating efficient devices for  power and high-temperature 

electronics. The technology of devices based on gallium 

nitride is developing most intensively, thanks to its use 

for the production of LEDs. At the same time, this sem-

iconductor is also attractive for use in power electronics 

due to its sufficient speed and high breakdown voltage. 

To  date,  several  types  of  diodes  have  been developed, 

which differ fundamentally in the structure and geome-

try  of  the  contact  arrangement.  In  particular,  Schottky 

diodes with horizontal and vertical geometry of regions 

and contacts are intensively studied [1]. Diodes with a 

vertical structure are characterized by large forward cur-

rents,  but  so  far  they  are  characterized  by  low  break-

down voltages and large leakage currents compared to 

diodes with a horizontal configuration. This is due to the 

insufficient quality of GAN substrates containing a suf-

ficiently large number of defects for this technology and 

the design of diodes. 

The aim of this work is to develop and study hori-

zontal Schottky diodes based on epitaxial layers of gal-

lium nitride. In this paper, possible variants of the for-

mation  of  ohmic  contacts  are  considered,  and  the  for-

ward and reverse current-voltage characteristics are in-

vestigated. 

The Schottky diodes under study were made on the 

basis of epitaxial layers of gallium nitride grown on sap-

phire substrates.An active layer of n-type gallium nitride 

with a thickness of 2.5 microns was added to the initial 

---

№ 5 (86)                                     

                                 май, 2021 г. 

 

93 

sapphire substrate with a high-resistance buffer layer of 

gallium nitride with a thickness of 1.5 microns (the so-

called template substrate) by chemical deposition from 

the gas phase using organometallic compounds. 

The technological process of manufacturing diodes 

consisted of four stages, including ion-beam etching of 

the mesastructure, the creation of ohmic contact with the 

active  layer,  the  formation  of  a  Schottky  barrier  at  the 

border with the n-layer, passivation and protection of the 

crystal surface with a dielectric film. Ion-beam etching 

with 

Ar

+

ions  was  used  to  form  mesa  insulation.  Tita-

nium  obtained  by  magnetron  sputtering  was  used  as  a 

mask.  The  etching  rate  of  gallium  nitride  with  this 

method is about 6 nm / min, and the selectivity with re-

spect to the mask is 6:1. 

Two  methods  were  used  to  create  low-resistance 

ohmic contacts. The first is a local increase in the doping 

level by ion implantation of the impurity in gallium ni-

tride [2]. Silicon ion doping was performed at the Vesu-

vius-1 facility with an energy of 50 keV and a dose of 

10

15

 

sm

−2

. In order to eliminate the effect of ion chan-

neling, doping was carried out at a sample tilt of 7°. The 

impurity was activated by annealing in a nitrogen atmos-

phere at 900°C for an hour. Under such doping condi-

tions, a profile with a maximum concentration of 2·10

17

 

was obtained 

sm

−3

.at a depth of 0.2 microns. Then the 

contacts  were  formed  on  the  basis  of  the  Ti/Al/Ni/Au 

metallization system. 

The second method is based on the introduction of 

a tantalum layer into the traditionally used metallization 

system  [3].  Using  a  tantalum  layer  allows  you  to  im-

prove  the  quality  of  the  ohmic  contact  formed  to  the 

high-resistance layer of gallium nitride [4]. The contacts 

in both cases were made using contact "explosive" pho-

tolithography  followed  by  annealing  in  a  nitrogen  at-

mosphere.  Schottky  contacts  with  an  area  of  9 

∙ 10

−4

 

sm

2

 were formed on the basis of a Ni/Au system with a 

thickness of 20 nm and 150 nm, respectively. At the fi-

nal stage, the crystal surface was passivated with a film 

SiO2  obtained  by  plasma  chemical  deposition.  In  the 

course of the work, experimental samples of diode crys-

tals with a size of 600×600 microns were made and stud-

ied. The measurements were carried out on a semi-auto-

matic  probe  station  Cascade  Microtech  12000S.  The 

Agilent  B1500A  semiconductor  device  performance 

meter was used to monitor the DC parameters.  

The quality of three different variants of ohmic con-

tacts was evaluated. First of all, traditional metallization 

based on the Ti/Al/Ni/Au system, formed on a high-re-

sistance  layer  of  gallium  nitride,  was  used.  In  another 

variant, the same system was used, but with additional 

sub-editing of the contact areas. In the third option a tan-

talum  sublayer  was  applied,  resulting  in  five  layers  of 

Ta/Ti/Al/Ni/Au.  The  current-voltage  characteristics  of 

the listed contact systems are shown in Fig.1. As can be 

seen  from  Figure  1,  the  Ta/Ti/Al/Ni/Au  metallization 

system has the lowest resistance. The contact resistance 

was estimated using the Transmission Length Method. 

The result is the following values of the specific contact 

resistance:  Ti/Al/Ni/Au  system  (without  sub  —  alloy-

ing) — 9.9·

10

−3

 Ohm·

𝑠𝑚

2

; Ti/Al/Ni/Au (with sub  — 

alloying) 

- 

4.5·10

−6

Ohm·𝑠𝑚

2

; 

Ta/Ti/Al/Ni/Au-

1.6·10

−6

 Ohm·

𝑠𝑚

2

. 

 

 

 

a)                                                                                b)