GaN的歐姆接觸實驗

GaN材料由于其所具有的優(yōu)良光電性能,而成為固態(tài)照明、數(shù)字處理、光電器件、功率器件等半導體材料與器件領域的研究熱點。金屬與半導體接觸可以形成肖特基接觸，也可以形成非整流的接觸，即歐姆接觸。歐姆接觸不產生明顯的附加阻抗，而且不會使半導體內部的平衡載流子濃度發(fā)生顯著的改變。

室溫下n-GaN的電子親和勢為4.11eV。在金屬材料中Ti和Al的功函數(shù)較低，適用于和GaN形成歐姆接觸。常用膜層Ti/Al/Ni/Au。

好的歐姆接觸必須有一個勢壘層L1，這一層是最接近n-GaN的，必須是自然情況下為金屬化的，而且要有可以忽略不計的電阻，它的功函數(shù)應該很小。勢壘層提供了一個阻擋層使得那些比它功函數(shù)大的金屬擴散到n-GaN表面。在眾多難熔的和過渡金屬化合物中，硼化物、碳化物、氮化物是在化學以及熱力學上十分穩(wěn)定的化合物。氮化物有TiN、TaN、ZrN等。過去TiN被用于阻擋Ti-Pt間的互擴散。而在n-GaN的歐姆接觸中，TiN、TaN、ZrN等氮化物成為首選。因為他們十分容易通過勢壘層金屬M1與n-GaN中的N原子的固相化學反應獲得。在眾多的勢壘層金屬中，Ti是一種非常高活性且難熔的金屬。它比Co還有活躍。勢壘層L1是M1N化合物，是n-GaN中的氮原子外擴散與勢壘層金屬M1反應所形成的化合物。氮原子從n-GaN中的向外擴散來形成這些金屬化合物，在n-GaN中留下氮空位VN，可以起到淺施主的作用，非常有利于形成歐姆接觸。

M2成為覆蓋層，其作用是催化劑，促進N原子與勢壘層M1的固相化學反應，且和M1形成功函數(shù)低而且致密性好的合金。

低功函數(shù)金屬Al是很好的覆蓋層金屬，因為它即不會產生高功函數(shù)合金也不會合金產生厚的寬帶隙材料。勢壘層和覆蓋層金屬都不應該外擴散到接觸表面形成氧化物/氫氧化物，因為氧化物和氫氧化物是絕緣的，會引起接觸性能明顯退化。但是勢壘層金屬和覆蓋層金屬都容易氧化。因此需要在覆蓋層上再加一層或多層的帽層，帽層金屬可以是單層金屬（M4）或是兩層難熔金屬M3、M4。引入帽層能夠降低接觸系統(tǒng)總的自由能。帽層金屬常用穩(wěn)定的Au，但是Au和Al很容易發(fā)生互擴散達到GaN表面，不利于歐姆接觸。因此在Al和Au之間常加入Ni作為隔離層，阻止Au向GaN表面擴散。隔離層也可以選用Ti、Cr、Pt、Pd、Mo等，Ni是常見的一種?？傊?，金屬層M1、M2、M3、M4并不會在n-GaN/M1/M2/M3/M4系統(tǒng)中自動建立化學平衡。因此，必須采用快速熱退火（RTA）使得金屬間互擴散，從而發(fā)生固相界面反應形成一系列金屬間化合物。通過這樣的方法，絕大多數(shù)的金屬在反應中消失了，取而代之的反應產物是由薄的低電阻，低功函數(shù)金屬勢壘層L1A、L1B等以及勢壘層L1上面的熱穩(wěn)定金屬間合金組成的。這些層的實際構成取決于RTA時間，RTA溫度以及各層金屬的厚度。因此，優(yōu)化這些參數(shù)對于獲得低阻抗，熱穩(wěn)定金屬合金及其重要。

Ti/Al/Ni/Au=50A/1000A/200A/2000A

Ti/Al/Ni/Au高溫退火過程中與AlGaN/GaN所發(fā)生的各種反應。第一，Al熔點僅為660℃，在高溫退火過程中首先液化，一部分液態(tài)Al會和下層的Ti發(fā)生反應形成Ti-Al二元相，Ti-Al二元相熔點和電阻率要比Ti低，可以促進Ti與AlGaN/GaN中N原子反應。第二，液態(tài)Al會與AlGaN/GaN中的N發(fā)生反應形成AlN，進而產生更多的N空位。第三，液態(tài)Al和Ni也會發(fā)生反應，反應程度隨著Al比例增長或溫度升高而逐漸深化，同時該反應抑制了液態(tài)Al繼續(xù)向上擴散。第四，高溫下Ti和AlGaN/GaN發(fā)生替位反應，替換掉Ga元素，反應形成TiN，在這一過程中Ga元素向外擴散，晶格中會出現(xiàn)大量的Ga空位并引發(fā)電荷不平衡，為緩解這種不平衡，附近的N原子將填補Ga空位，進而產生N空位。Au在反應過程中主要作用為保護Ti和Al，防止其在高溫下被氧化。整個反應過程直接決定了直接接觸能否形成和隧穿機制的效率。各層金屬的比例以及退火溫度、時間等條件均會影響高溫退火反應過程，直觀反映在歐姆接觸電阻的大小上。

另一個歐姆接觸的主要影響因素是氮空位在n-GaN表面的大量堆積。如果氮空位和鎵空位在RTA或者表面處理中產生，氮空位一定要比鎵空位多。n-GaN表面處理包括等離子體刻蝕或濕法刻蝕。表面處理要在金屬化前進行。Mohammad指出了n-GaN的表面處理對于制造低阻接觸十分重要，有幾個原因：1. 可以消除GaN表面的氧化物和氫氧化物，甚至是殘留的鎵，形成了少氮GaN表面2. 刻蝕后粗糙的GaN表面增大了接觸面積，易于金屬與GaN表面的黏附3. 刻蝕后金屬半導體表面的勢壘高度低于肖特基勢壘高度4. 在GaN表面產生大量的氮空位。

鍍金屬電極前簡單的濕法處理比如泡稀鹽酸進行表面處理。金屬淀積前處理。將樣品放入濃度為25%的鹽酸溶液中浸泡1分鐘，去除表面自然氧化層，也有用氨水浸泡的。

估計試驗推薦Ti/Al/Ni/Au=200A/1200A/550A/1000A作為N-GaN的電極，RTA條件采用氮氣環(huán)境，10s內升到850℃，保持30s，然后自然冷卻，歐姆接觸達到10-6次方。

審核編輯：湯梓紅