GaN材料的欧姆接触研究进展_图文

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1 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间

2、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-G

3、aN和p-GaN器件欧姆接触研究的进展。2 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,费米

4、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位置的

6、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(aSi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，缓冲层AlN的存在

7、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、30 mA电流时,其电

8、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。使用干法刻蚀在GaN LED晶

9、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。高温退火过程中可以形成TiN,Al

10、xTiy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,重掺杂样品的接触电阻率增加缓慢。在同一

11、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(500,24hXRD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原子可能穿过了Al层而到达Ni层发生固相反应

12、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、(NH42Sx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地降低接触电阻率,改善接触性能。在蓝

13、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,超声剥离后在中550下退火10 min,再用10%草酸

14、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基金属电极在淀积金属前进行表面处理除去表面氧

15、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对于厚度为5/10nm的Ni/Au电极,通过TRI

16、M(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的接触为欧姆接触,但其接触并不理想,在电压为1V下,其电流大约为0.01mA。而注入Pt+之后,样品的欧姆接触特性得到了明显的改善,在电压为1V下,电流

17、已增加到了5mA左右,电阻出现了明显的降低。图4 Pt注入示意图 图5 样品在不同Pt注入剂量下的I-V曲线对p-GaN和Ni/Au(5/10nm界面处进行Pt注入,欧姆接触特性得到明显的改善,和离子注入前相比,接触电阻率降低了两个数量级。Pt注入能改善欧姆接触特性的原因有两个:(1是作为功函数最高的金属元素,Pt可以降低接触面的势垒高度;(2是注入到界面上的Pt在快速热退火过程中和Ga反应形成Ga-Pt络合物,形成Ga空位,提高载流子浓度。研究不同的注入剂量对接触电阻率的影响,发现接触电阻率的降低和Pt的注入剂量并不呈线性关系。因为在增加Pt注入剂量的同时会增加缺陷,这对降低接触电阻率是不利

18、的。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,发现注入能量为35keV的Zn+主要分布在接触界面附近。采用3种Zn+注入剂量,分别为、。为恢复晶格损伤,经Zn+注入后的样品在空气中300下经RTA处理5min。图6为Zn+注入前后样品的I-V特性曲线。没有进行Zn+注入的样品I-V曲线呈线性,可见经RTA处理后的Ni/Au电极与p-GaN的接触为欧姆接触,但是其接触并不理想,接触电阻比较大。注入Zn+之后,接触电阻降低，欧姆接触特性得到改善。图6 Zn+注入前后样品的I-V特性曲线对p-G

19、aN/Ni/Au(5/10nm界面处进行Zn注入,其欧姆接触特性得到明显改善,接触电阻率降低了两个数量级。Zn+注入能改善欧姆接触特性的原因:(1是可以提高表面载流子浓度;(2是会形成新的界面层和新的Ga络合物;(3是使得接触表面变粗糙,增大金属电极和p-GaN的接触面积。Zn+注入在提高表面载流子浓度同时还会增加缺陷,所以接触电阻率的降低和Zn+注入剂量并不成线性关系。3.3 用InGaN/AlGaN超晶格降低p-GaN欧姆接触电阻在-族氮化物超晶格中由于较强的极化作用和较大的价带带阶,空穴容易在异质界面处积累形成2DHG。高浓度的2DHG不仅有利于降低接触电阻,同时也充当电流扩展层的作用。

20、如图7(a,器件结构为在p-GaN和金属层间插入5个周期的超晶格结构作为接触层。根据有效质量近似,计算2DHG在超晶格中分布,及其对Mg杂质离化率的影响。根据InGaN/AlGaN,InGaN/GaN和GaN/AlGaN三种超晶格不同的价带带阶和极化电场强度,可以分别得到它们的价带分布,如图7(b示。图7(a超晶格作欧姆接触接触层的器件结构 图8 掺杂浓度为11019cm-3时三种超晶格 (b超晶格能带图 一个周期的价带图及Mg杂质的离化率分布图8为InGaN/AlGaN,InGaN/GaN和GaN/AlGaN三种超晶格在Mg掺杂浓度为时一个周期的价带图及Mg杂质的离化率沿生长方向的空间分布。

21、从图中可以看出,三种超晶格中InGaN/AlGaN由于具有最强的极化效应,对应最强的极化电场,能带倾斜最剧烈。Mg杂质在三种超晶格中的平均离化率分别为:68.7%,42.2%和31.1%,其中在InGaN/AlGaN超晶格中的离化率最大。三种超晶格中InGaN/AlGaN超晶格同时具有最大的价带带阶Ev和最强的极化电场,所以其对空穴的限制作用也是最明显的。相比于其他两种超晶格,用InGaN/AlGaN超晶格做p型欧姆接触具有以下两个优点:(1提高Mg杂质的离化率,获得更高的空穴浓度;(2对空穴有最强的空间限制作用,提高空穴扩展性能。制备样品A(p-GaN、样品B(用p-InGaN/GaN超晶格

22、结构作为接触层的pGaN和样品C(用p-InGaN/AlGaN超晶格作为接触层的p-GaN。测得样品A,B和C的面空穴浓度和比接触电阻分别为, ,和,。三个样品中,样品C空穴浓度的实验值和理论值都是最大值,同时比接触电阻也具有最小值。用InGaN/AlGaN作接触层可以获得低p型欧姆接触电阻。3.4 p-GaN/Ni/Au电极在相同温度不同合金时间下的欧姆接触目前,制作GaN基器件p型欧姆接触一般采用Ni/Au双金属层,镀金属前的GaN表面处理和镀金属后的低温合金化处理是常用的降低接触电阻的方法。关于合金温度,在氧气氛下500对p-GaN/Ni/Au电极合金能够得到最低电阻的欧姆接触。有文献指

23、出,是Ga空位的产生而导致p型GaN表面穴浓度的增加;也有文献认为,是NiO的形成导致金属层对p型GaN肖特基势垒高度的降低;还有文献指出,界面处外延的Au/NiO结构是形成欧姆接触的关键。由于Ni/Au电极在氧化合金过程中相互扩散很严重,并且Ni与氧气会形成NiO结构,Au与GaN表面会形成新的外延结构。 卢瑟福背散射(RBS/沟道技术是研究金属电极中相互扩散和微结构变化的有效实验手段,能同时获得样品中各元素的含量、层厚以及沿深度扩散的信息。利用RBS技术对相同的氧化合金温度下(500不同合金时间的p-GaN/Ni/Au电极微结构的演化和金属间的相互扩散及欧姆接触的形成机制进行研究。图9为样

24、品结构示意图.镀好电极后,将样品均匀切割成5块在氧气氛下进行合金,合金时间分别为10,60,180,300,600 s,合金温度都为500。合金后的样品在间距为37m的电极之间测量接触的电流-电压(I-V曲线。比接触电阻c通过TLM测量得到。图9 MOCVD方法生长掺Mg的p-GaN/Ni/Au电极结构示意图图10是氧气氛中500不同合金时间的Au(20nm/Ni(20 nm/p-GaN样品局部放大的RBS/沟道沿0001轴的沟道谱。(a显示了随着合金时间的延长Au逐渐向电极金属与半导体界面移动,仅合金60s后Au向电极内部的扩散就已非常明显。接着,在180 s合金时间就使大部分Au扩散到了金

25、属与半导体的界面,而随后的300和600 s合金时间只能使Au的信号非常缓慢地向低能方向扩散,Au的背散射峰几乎没有变化。(b显示了随着合金时间的延长Ni逐渐向样品表面移动。在10 s合金后,Ni就有向样品表面扩散趋势,甚至已有少量的Ni扩散到了电极的表面。接着, 60和180 s合金则使Ni向外的扩散更加显著.而更长的合金时间(300 s则使Ni向外扩散基本达到饱和状态,进一步延长合金时间(600 s给Ni信号带来的变化已很小。合金时间越长,电极表面Ni相对于Au的含量就越高。Au向电极内部和Ni向电极表面的扩散,表明500合金后Ni/Au双层电极中层反转效应已经发生。(c显示了随合金时间的

26、延长样品中O信号的移动趋势。由于原子序数小,O的背散射产额很低,在随机谱中产额小的O信号只能叠加在产额高的Ga信号上就更加难以辨认。在RBS/沟道谱中,由于Ga信号的产额较低,O信号就可以得到很好辨认。利用沟道谱研究电极金属中O的扩散现象,为研究晶体材料电极中的轻元素提供了新思路。在10和60 s合金后沟道谱中基本看不到O信号的存在,说明这么短的合金时间不足以使电极发生明显的氧化。样品在经过180 s合金之后,其沟道谱中O信号开始略有显现,随着合金时间进一步延长到300,600 s,O元素不断地向样品内部扩散且逐渐增强,说明电极内部有越来越多的Ni被氧化。这也间接证明在合金时间300 s后,N

27、i已经大量扩散到样品表面被氧化后形成NiO,同时Ni/Au双层电极的层反转效应产生。图10 样品在氧气氛中500不同合金时间的局部放大RBS/沟道沿0001轴的沟道谱(aAu信号,(bNi信号,(cO信号.(b和(c图中谱线左上方的数值是再增加的产额计数,以便于观察Ni和O在样品内部的扩散趋势氧气氛中p-GaN/Ni/Au电极在同一合金温度(500下,随着合金时间的延长氧气会与Ni/Au电极中的Ni形成NiO。同时,Ni/Au电极的相互扩散现象非常严重,Au向电极内部和Ni向电极表面的扩散表明合金后Ni/Au双层电极中在一定的合金时间下层反转效应已经发生.这两种结构变化都是形成欧姆接触的有效机

28、制。氧气氛中p-GaN/Ni/Au电极在同一合金温度(500下,随着合金时间的延长比接触电阻持续降低。在合金时间60 s后降低的速度减慢,Au扩散到GaN的表面,在p-GaN上形成外延结构,O向电极内部扩散反应生成NiO对降低c起到了关键的作用.比接触电阻的降低对欧姆接触的改善是有益的。在相同合金温度(500不同合金时间系列实验中,氧气氛中的p-GaN/Ni/Au电极在合金时间为300 s时形成的欧姆接触效果最佳。4 小结GaN材料是一种宽带隙(Eg=3.39eV半导体材料,具有优良的物理和化学特性,掺入一定比例的In或Al后,其禁带宽度可在0.776.28eV的宽广范围内变化,可用于制作从红光到紫外光的发光二极管(LED和激光二极管(LD等光电子器件,具有广阔的应用前景。本文从表面预处理工艺、电极材料和结构以及退火工艺等方面,就此领域的进展进行归纳综述,对n-GaN和p-GaN表面低阻欧姆接触电极的形成机制和几个关键问题进行了分析。5 参考文献1封飞飞,刘军林,邱冲,王光绪,江风益. 硅衬底GaN基LED N极性n型欧姆接触研究J.物理学报, 2010年8月.2李鸿渐,石瑛,赵世荣,何庆尧,蒋昌忠, p-GaN表面Ni/Au电极欧姆接触特性的Pt+注入改性研究J.功能材料，2009年第7期（40卷）.3李鸿渐,石瑛,赵世