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1、GaN材料的欧姆接触研究进展摘要：III-V族GaN基材料以其在紫外光子探测器、发光二极管、高温及大功率电子器件方面的应用潜能而被广为研究。低阻欧姆接触是提高GaN基器件光电性能的关键。金属/GaN界面上较大的欧姆接触电阻一直是影响器件性能和可靠性的一个问题。对于各种应用来说，GaN的欧姆接触需要得到改进。通过对相关文献的归纳分析，本文主要介绍了近年来在改进n-GaN和p-GaN工艺、提高欧姆接触性能等方面的研究进展。关键词：GaN;欧姆接触20 引 言 近年来，氮化镓（GaN）因其在紫外探测器、发光二极管（LED）、高温大功率器件和高频微波器件等领域的广泛应用前景而备受关注。实现金属与GaN
2、间的欧姆接触是器件制备工艺中的一个重要问题。作为宽带隙材料代表的GaN具有优异的物理和化学性质,如击穿场强高,热导率大,电子饱和漂移速度快,化学稳定性好等,在蓝绿光LEDs,蓝光LDs,紫外探测器及高温、微波大功率器件领域具有诱人的应用前景。近年来GaN基器件的研究取得了巨大进展,但仍面临许多难题,其中获得良好欧姆接触是制备高性能GaN基器件的关键之一,特别是大工作电流密度的半导体激光器及高温大功率器件更需要良好的欧姆接触。欧姆接触是接触电阻很低的结，它不产生明显的附加阻抗，结的两边都能形成电流，也不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著改变。本文主要介绍了2006年以来部分期刊文献中有关n-
3、GaN和p-GaN器件欧姆接触研究的进展。1 欧姆接触原理及评价方法低阻的欧姆接触是实现高质量器件的基础。根据金属-半导体接触理论,对于低掺杂浓度的金属-半导体接触,电流输运由热离子发射决定,比接触电阻为:式中:K为玻尔兹曼常数,q为电子电荷,A*为有效里查逊常数,Bn为势垒高度,T为温度。对于较高掺杂的接触,此时耗尽层很薄,电流输运由载流子的隧穿决定,比接触电阻为，式中为半导体介电常数，m为电子有效质量，为掺杂浓度，h为普朗克常量。由此可知,要获得低阻欧姆接触,必须有低的接触势垒高度,高的掺杂浓度或两者兼有之。而GaN是一种离子晶体,它的金属半导体接触性质不同于传统的Si,Ge和GaAs,费
4、米能级钉扎效应较弱,在金属与GaN界面处表面态密度较低,因此接触势垒高度主要取决于接触金属的功函数,在不考虑表面态影响的前提下,降低势垒高度的方法是:对于n型半导体,选择功函数小的金属,而对p型则应选择功函数大的金属。常用金属及GaN的功函数如表1。表1 常用金属及GaN的功函数数值金属AuPtAlTiPdNiAgITOGaNp-GaN功函数/eV5.25.74.24.35.25.24.44.94.27.5目前评价欧姆接触的方法有两种:定性评价,即通过比较不同接触的I-V特性曲线的线性度和斜率,直观地判断欧姆接触的好坏;定量评价,即通过测量,计算比接触电阻值,定量地反映电极和材料的欧姆接触特性
5、。测量比接触电阻值常用的方法是传输线模型TLM(transmission line model),它包括矩形,圆环和圆点传输线模型。通过大量的实验证明矩形和圆环传输线模型具有较大的误差,测量的数值不准确,而圆点传输线模型,能消除因端电阻引入的误差,具有较好的可操作性、准确性和重复性。2n-GaN欧姆接触2.1 AlN缓冲层欧姆接触的影响选用Si衬底GaN基蓝光LED外延片，生长后将其转移到新的Si基板上，剥离掉原生长用的Si衬底，得到了出光面为N极性n型面即N面朝上的芯片，最后在N面制作n电极并制成垂直结构的LED芯片，具体结构如图1(a)所示。其中n型GaN施主掺杂浓度为。采用同一炉外延相邻
6、位置的两片外延片来制备LED芯片，在剥离硅衬底前采用完全相同的芯片工艺得到了芯片A和B。然后A和B分别采用不同的工艺制作n电极，其中样品A不做任何处理，保留AlN缓冲层；样品B腐蚀掉AlN缓冲层。在氛围，不同温度退火5 min。在图1(b)所示电极上，测芯片的I-V曲线。 图1(a)Si衬底垂直结构LED芯片结构图;(b)电极结构图缓冲层AlN使Ti/Al电极在N面n-GaN上不用退火就能形成欧姆接触，比接触电阻率为，即使退火温度升高至600，也依旧呈现良好的欧姆接触特性，表现为很好的欧姆接触热稳定性。而去除AlN缓冲层的N面与Ti/Al电极只在退火温度500600之间形成欧姆接触。因此，缓冲
7、层AlN的存在可以使Si衬底GaN基垂直结构LED的N极性n型面更容易获得性能优良的欧姆接触。2.2 大电流密度下欧姆接触的退化机理在高电流密度应力作用下,金属薄膜中的金属离子与快速运动的电子(电子风)间发生了动量交换而产生的金属离子沿导体的输运并产生扩散。一般认为,当电流密度达到或超过时,可以称作大电流密度。在GaN晶片上蒸发四层不同金属合金序列,用Ti/Al/Ni/Au(15/220/40/50 nm)退火温度85030 s,最后加厚接触层。欧姆接触电极尺寸:20m30m。GaN与四层接触金属层只是薄薄的一层(1.3m左右)。选用制备好的Ti/Al/Ni/Au系列样品, 分别加3、10、3
8、0 mA电流时,其电流密度数量级分别为、。电阻失效速率在前10 h是迅速的,认为这属于早期失效。当早期失效过后,器件或结构开始进入工作失效老化阶段。退化失效是由于恶劣条件下,如高温、低温、大电流密度和辐照等造成器件老化,进入严重的失效阶段。因此失效速率随着时间和电流密度的增加而明显地上升。对其进行微结构及能谱分析进一步探究比接触电阻退化的机理发现，接触层中Al离子在大电流密度下发生了离子扩散而破坏了原有的良好接触,使得比接触电阻发生了退化。2.3 刻蚀与退火对GaN欧姆接触的影响不同的刻蚀方法及刻蚀条件、不同的退火条件(退火温度、时间等)对Ti/Al-n型GaN间欧姆接触有不同的影响。使用干法
9、刻蚀在GaN LED晶片上刻蚀n区,在n型GaN表面上蒸发Ti/Al双层金属接触,在环境中进行低温退火。实验发现,HDP采用RF与UHF分离的工作方式,对界面产生的损伤更小,缺陷较少;刻蚀速度却比RIE更快,产生的刻蚀表面更为粗糙,界面产生更多N空位,载流子浓度更高,形成的欧姆接触更好。但HDP在刻蚀过程中会生成更多聚合物薄膜影响欧姆接触的稳定性。另外,当刻蚀功率增加时,刻蚀速率加快,也会使欧姆接触更容易形成。低温退火过程中,由于温度太低,电极金属不能生成合金,单层金属稳定性不好,且退火中可能会生成AlN, 等绝缘层,使已经形成的欧姆接触变坏,稳定性恶化,退火后接触电阻会上下波动。高温退火过程
10、中可以形成TiN,AlxTiy等金属合金,界面处产生的N空位形成的重掺杂区,使得隧穿电流成为电流输运中主要机制,有利于提高欧姆接触的热稳定性和可靠性。2.4 n-GaN/Ti/Al/Ni/Au欧姆接触温度特性GaN可以用于制成高温、高功率电子器件,包括金属半导体场效应晶体管(MESFET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)、调制掺杂的场效应晶体管(MODFET)等。经过对数的数据处理发现,欧姆接触样品的接触电阻率随测量高温(由室温至500)呈现出良好的线性增加的趋势。不论样品的掺杂浓度如何,其接触电阻率均随测量温度的增加而增大,但增加的趋势与掺杂浓度有关:轻掺杂样品的接触电阻率增加迅速,重掺杂样
11、品的接触电阻率增加缓慢。在同一测量温度下轻掺杂样品的接触电阻率始终高于重掺杂样品。因此,重掺杂n-GaN样品的Ti/Al/Ni/Au欧姆接触具有更佳的温度可靠性。欧姆接触样品在高温存储条件(500,24h)下,在存储开始阶段,接触电阻率随存储时间呈现较快的增加,说明退化较快,当经过大约15h后,接触电阻率增加开始缓慢,热稳定性开始增强。当样品被施加100热应力并持续24h,其接触电阻率变化不大未发生明显退化;样品被施加500,24h后,欧姆接触发生较为明显的退化,且不可恢复。已经热处理后(500,24h)XRD显示GaN与Ti/Al/Ni/Au发生了一系列固相反应出现新的物质相,Ti原子可能穿
12、过了Al层而到达Ni层发生固相反应而形成了AlTi3,有利于提高整个接触的热稳定性和可靠性。3 p-GaN欧姆接触3.1 表面处理对p-GaN欧姆接触的影响目前p-GaN普遍研究和采用的是Ni/Au电极,以前研究过的电极包括Au,Ni,Pd,Pt,Ni/Au和Pt/Ni/Au。近几年,有报道用HCl溶液、KOH溶液、王水溶液、(NH4)2Sx溶液等对p-GaN进行表面处理以除去表面氧化层来获得低的接触电阻率,也有报道采用等离子体处理以改变表面原子比例和状态,引入类受主缺陷Ga空位以提高接触性能的,但在某些情况下反而会由于表面损伤造成接触性能恶化。除了在金属淀积前进行处理以外,电极后处理也能有效
13、地降低接触电阻率,改善接触性能。在蓝宝石衬底(0001)面上采用MOCVD生长GaN外延层,p型掺杂浓度为。将样片在气氛下750退火15 min后用三氯乙烯、丙酮、甲醇、乙醇和去离子水各超声清洗5 min以除去表面有机污染物。光刻前将样品分别在沸腾的王水、40%HCl和80水浴的缓冲HF溶液中处理2min,1 min和5 min,并分别标记为A,B,C样品。另一组样品不进行任何表面处理,标记为D。光刻后将A,B,C样品分别在煮沸后冷却的王水中、40%HCl和冷却后缓冲HF中浸泡若干秒以除去光刻过程中新产生的氧化层,然后在上述样品上用电子束蒸发Ni(5nm)/Au(5nm)电极结构,超声剥离后在
14、中550下退火10 min,再用10%草酸溶液70水浴浸泡10 min以除去表面形成的NiO。在间距为60m的两金属电极上测量I-V特性,由图2看出：无表面处理线性度最好,接触电阻率也最低。其次依次是缓冲HF处理、HCl处理,均实现欧姆接触而王水处理过的样品则表现为肖特基接触。在显微镜下观察I-V特性测试后电极样品表面形貌,如图3所示。采用溶剂处理过的样品表面都有不同程度的损伤,损伤程度与对应的溶剂电解质的导电能力有关,王水最强,电极图形损伤最严重,HF最弱,对应的损伤也较少,而无表面处理的样品表面测试前后基本不变。图2 样品电极接触I-V特性曲线 图3 不同表面处理样品测试后的形貌对于Ni基
15、金属电极在淀积金属前进行表面处理除去表面氧化层不是必需的,而通过在中退火形成NiO就能获得清洁的表面使与Au形成良好的接触,因为表面原始氧化层能为这一反应提供部分氧元素。省略前表面处理不仅与整个器件制备工艺兼容,而且对保持电极表面形貌完整也极其重要。一定条件下用草酸溶液对中退火后的Ni基电极进行后处理能有效除去翻转至表面的高阻的p型NiO层,从而减少测试过程中探针接触以及后续加厚电极Ti/Au接触的串联电阻。为了获得接触电阻率更低、稳定性较好的p型接触,对于Ni基电极无需进行前表面处理而应当在退火后进行相应的后处理。3.2 Pt和Zn注入对p-GaN表面Ni/Au电极欧姆接触特性的影响3.2.1 Pt注入对p-GaN表面Ni/Au电极欧姆接触特性的影响对于厚度为5/10nm的Ni/Au电极,通过TRIM(transport and recoil of ion in materials)程序模拟计算,发现Pt+的注入能量为110keV时注入的Pt+主要分布在接触界面附近,如图4所示。注入Pt+剂量分别为、。离子注入后样品在空气中经过RTA处理5min,以恢复由离子注入引起的结晶损伤,减少缺陷。图5为不同Pt注入剂量下样品的I-V特性曲线。从中可以看出,没有进行Pt+注入前的经退火处理后的样品I-V曲线呈线性,可见注入前Ni/Au电极与p-GaN的接触
