GaN材料的歐姆接觸研究進(jìn)展_圖文

1、GaN材料的歐姆接觸研究進(jìn)展摘要：III-V族GaN基材料以其在紫外光子探測(cè)器、發(fā)光二極管、高溫及大功率電子器件方面的應(yīng)用潛能而被廣為研究。低阻歐姆接觸是提高GaN基器件光電性能的關(guān)鍵。金屬/GaN界面上較大的歐姆接觸電阻一直是影響器件性能和可靠性的一個(gè)問題。對(duì)于各種應(yīng)用來說，GaN的歐姆接觸需要得到改進(jìn)。通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的歸納分析，本文主要介紹了近年來在改進(jìn)n-GaN和p-GaN工藝、提高歐姆接觸性能等方面的研究進(jìn)展。關(guān)鍵詞：GaN;歐姆接觸1 引 言 近年來，氮化鎵（GaN）因其在紫外探測(cè)器、發(fā)光二極管（LED）、高溫大功率器件和高頻微波器件等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景而備受關(guān)注。實(shí)現(xiàn)金屬與GaN間

2、的歐姆接觸是器件制備工藝中的一個(gè)重要問題。作為寬帶隙材料代表的GaN具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì),如擊穿場(chǎng)強(qiáng)高,熱導(dǎo)率大,電子飽和漂移速度快,化學(xué)穩(wěn)定性好等,在藍(lán)綠光LEDs,藍(lán)光LDs,紫外探測(cè)器及高溫、微波大功率器件領(lǐng)域具有誘人的應(yīng)用前景。近年來GaN基器件的研究取得了巨大進(jìn)展,但仍面臨許多難題,其中獲得良好歐姆接觸是制備高性能GaN基器件的關(guān)鍵之一,特別是大工作電流密度的半導(dǎo)體激光器及高溫大功率器件更需要良好的歐姆接觸。歐姆接觸是接觸電阻很低的結(jié)，它不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，結(jié)的兩邊都能形成電流，也不會(huì)使半導(dǎo)體內(nèi)部的平衡載流子濃度發(fā)生顯著改變。本文主要介紹了2006年以來部分期刊文獻(xiàn)中有關(guān)n-G

3、aN和p-GaN器件歐姆接觸研究的進(jìn)展。2 歐姆接觸原理及評(píng)價(jià)方法低阻的歐姆接觸是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量器件的基礎(chǔ)。根據(jù)金屬-半導(dǎo)體接觸理論,對(duì)于低摻雜濃度的金屬-半導(dǎo)體接觸,電流輸運(yùn)由熱離子發(fā)射決定,比接觸電阻為:式中:K為玻爾茲曼常數(shù),q為電子電荷,A*為有效里查遜常數(shù),Bn為勢(shì)壘高度,T為溫度。對(duì)于較高摻雜的接觸,此時(shí)耗盡層很薄,電流輸運(yùn)由載流子的隧穿決定,比接觸電阻為，式中為半導(dǎo)體介電常數(shù)，m為電子有效質(zhì)量，為摻雜濃度，h為普朗克常量。由此可知,要獲得低阻歐姆接觸,必須有低的接觸勢(shì)壘高度,高的摻雜濃度或兩者兼有之。而GaN是一種離子晶體,它的金屬半導(dǎo)體接觸性質(zhì)不同于傳統(tǒng)的Si,Ge和GaAs,費(fèi)米

4、能級(jí)釘扎效應(yīng)較弱,在金屬與GaN界面處表面態(tài)密度較低,因此接觸勢(shì)壘高度主要取決于接觸金屬的功函數(shù),在不考慮表面態(tài)影響的前提下,降低勢(shì)壘高度的方法是:對(duì)于n型半導(dǎo)體,選擇功函數(shù)小的金屬,而對(duì)p型則應(yīng)選擇功函數(shù)大的金屬。常用金屬及GaN的功函數(shù)如表1。表1 常用金屬及GaN的功函數(shù)數(shù)值金屬AuPtAlTiPdNiAgITOGaNp-GaN功函數(shù)/eV5.25.74.24.35.25.24.44.94.27.5目前評(píng)價(jià)歐姆接觸的方法有兩種:定性評(píng)價(jià),即通過比較不同接觸的I-V特性曲線的線性度和斜率,直觀地判斷歐姆接觸的好壞;定量評(píng)價(jià),即通過測(cè)量,計(jì)算比接觸電阻值,定量地反映電極和材料的歐姆接觸特性。

5、測(cè)量比接觸電阻值常用的方法是傳輸線模型TLM(transmission line model,它包括矩形,圓環(huán)和圓點(diǎn)傳輸線模型。通過大量的實(shí)驗(yàn)證明矩形和圓環(huán)傳輸線模型具有較大的誤差,測(cè)量的數(shù)值不準(zhǔn)確,而圓點(diǎn)傳輸線模型,能消除因端電阻引入的誤差,具有較好的可操作性、準(zhǔn)確性和重復(fù)性。2n-GaN歐姆接觸2.1 AlN緩沖層歐姆接觸的影響選用Si襯底GaN基藍(lán)光LED外延片，生長(zhǎng)后將其轉(zhuǎn)移到新的Si基板上，剝離掉原生長(zhǎng)用的Si襯底，得到了出光面為N極性n型面即N面朝上的芯片，最后在N面制作n電極并制成垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片，具體結(jié)構(gòu)如圖1(a所示。其中n型GaN施主摻雜濃度為。采用同一爐外延相鄰位置的

6、兩片外延片來制備LED芯片，在剝離硅襯底前采用完全相同的芯片工藝得到了芯片A和B。然后A和B分別采用不同的工藝制作n電極，其中樣品A不做任何處理，保留AlN緩沖層；樣品B腐蝕掉AlN緩沖層。在氛圍，不同溫度退火5 min。在圖1(b所示電極上，測(cè)芯片的I-V曲線。圖1(aSi襯底垂直結(jié)構(gòu)LED芯片結(jié)構(gòu)圖;(b電極結(jié)構(gòu)圖緩沖層AlN使Ti/Al電極在N面n-GaN上不用退火就能形成歐姆接觸，比接觸電阻率為，即使退火溫度升高至600，也依舊呈現(xiàn)良好的歐姆接觸特性，表現(xiàn)為很好的歐姆接觸熱穩(wěn)定性。而去除AlN緩沖層的N面與Ti/Al電極只在退火溫度500600之間形成歐姆接觸。因此，緩沖層AlN的存在

7、可以使Si襯底GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED的N極性n型面更容易獲得性能優(yōu)良的歐姆接觸。2.2 大電流密度下歐姆接觸的退化機(jī)理在高電流密度應(yīng)力作用下,金屬薄膜中的金屬離子與快速運(yùn)動(dòng)的電子(電子風(fēng)間發(fā)生了動(dòng)量交換而產(chǎn)生的金屬離子沿導(dǎo)體的輸運(yùn)并產(chǎn)生擴(kuò)散。一般認(rèn)為,當(dāng)電流密度達(dá)到或超過時(shí),可以稱作大電流密度。在GaN晶片上蒸發(fā)四層不同金屬合金序列,用Ti/Al/Ni/Au(15/220/40/50 nm退火溫度85030 s,最后加厚接觸層。歐姆接觸電極尺寸:20m×30m。GaN與四層接觸金屬層只是薄薄的一層(1.3m左右。選用制備好的Ti/Al/Ni/Au系列樣品, 分別加3、10、30 mA

8、電流時(shí),其電流密度數(shù)量級(jí)分別為、。電阻失效速率在前10 h是迅速的,認(rèn)為這屬于早期失效。當(dāng)早期失效過后,器件或結(jié)構(gòu)開始進(jìn)入工作失效老化階段。退化失效是由于惡劣條件下,如高溫、低溫、大電流密度和輻照等造成器件老化,進(jìn)入嚴(yán)重的失效階段。因此失效速率隨著時(shí)間和電流密度的增加而明顯地上升。對(duì)其進(jìn)行微結(jié)構(gòu)及能譜分析進(jìn)一步探究比接觸電阻退化的機(jī)理發(fā)現(xiàn)，接觸層中Al離子在大電流密度下發(fā)生了離子擴(kuò)散而破壞了原有的良好接觸,使得比接觸電阻發(fā)生了退化。2.3 刻蝕與退火對(duì)GaN歐姆接觸的影響不同的刻蝕方法及刻蝕條件、不同的退火條件(退火溫度、時(shí)間等對(duì)Ti/Al-n型GaN間歐姆接觸有不同的影響。使用干法刻蝕在Ga

9、N LED晶片上刻蝕n區(qū),在n型GaN表面上蒸發(fā)Ti/Al雙層金屬接觸,在環(huán)境中進(jìn)行低溫退火。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),HDP采用RF與UHF分離的工作方式,對(duì)界面產(chǎn)生的損傷更小,缺陷較少;刻蝕速度卻比RIE更快,產(chǎn)生的刻蝕表面更為粗糙,界面產(chǎn)生更多N空位,載流子濃度更高,形成的歐姆接觸更好。但HDP在刻蝕過程中會(huì)生成更多聚合物薄膜影響歐姆接觸的穩(wěn)定性。另外,當(dāng)刻蝕功率增加時(shí),刻蝕速率加快,也會(huì)使歐姆接觸更容易形成。低溫退火過程中,由于溫度太低,電極金屬不能生成合金,單層金屬穩(wěn)定性不好,且退火中可能會(huì)生成AlN, 等絕緣層,使已經(jīng)形成的歐姆接觸變壞,穩(wěn)定性惡化,退火后接觸電阻會(huì)上下波動(dòng)。高溫退火過程中可以形成

10、TiN,AlxTiy等金屬合金,界面處產(chǎn)生的N空位形成的重?fù)诫s區(qū),使得隧穿電流成為電流輸運(yùn)中主要機(jī)制,有利于提高歐姆接觸的熱穩(wěn)定性和可靠性。2.4 n-GaN/Ti/Al/Ni/Au歐姆接觸溫度特性GaN可以用于制成高溫、高功率電子器件,包括金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET、高電子遷移率晶體管(HEMT、調(diào)制摻雜的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MODFET等。經(jīng)過對(duì)數(shù)的數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn),歐姆接觸樣品的接觸電阻率隨測(cè)量高溫(由室溫至500呈現(xiàn)出良好的線性增加的趨勢(shì)。不論樣品的摻雜濃度如何,其接觸電阻率均隨測(cè)量溫度的增加而增大,但增加的趨勢(shì)與摻雜濃度有關(guān):輕摻雜樣品的接觸電阻率增加迅速,重?fù)诫s樣品的接觸電阻率增加

11、緩慢。在同一測(cè)量溫度下輕摻雜樣品的接觸電阻率始終高于重?fù)诫s樣品。因此,重?fù)诫sn-GaN樣品的Ti/Al/Ni/Au歐姆接觸具有更佳的溫度可靠性。歐姆接觸樣品在高溫存儲(chǔ)條件(500,24h下,在存儲(chǔ)開始階段,接觸電阻率隨存儲(chǔ)時(shí)間呈現(xiàn)較快的增加,說明退化較快,當(dāng)經(jīng)過大約15h后,接觸電阻率增加開始緩慢,熱穩(wěn)定性開始增強(qiáng)。當(dāng)樣品被施加100熱應(yīng)力并持續(xù)24h,其接觸電阻率變化不大未發(fā)生明顯退化;樣品被施加500,24h后,歐姆接觸發(fā)生較為明顯的退化,且不可恢復(fù)。已經(jīng)熱處理后(500,24hXRD顯示GaN與Ti/Al/Ni/Au發(fā)生了一系列固相反應(yīng)出現(xiàn)新的物質(zhì)相,Ti原子可能穿過了Al層而到達(dá)Ni層

12、發(fā)生固相反應(yīng)而形成了AlTi3,有利于提高整個(gè)接觸的熱穩(wěn)定性和可靠性。3 p-GaN歐姆接觸3.1 表面處理對(duì)p-GaN歐姆接觸的影響目前p-GaN普遍研究和采用的是Ni/Au電極,以前研究過的電極包括Au,Ni,Pd,Pt,Ni/Au和Pt/Ni/Au。近幾年,有報(bào)道用HCl溶液、KOH溶液、王水溶液、(NH42Sx溶液等對(duì)p-GaN進(jìn)行表面處理以除去表面氧化層來獲得低的接觸電阻率,也有報(bào)道采用等離子體處理以改變表面原子比例和狀態(tài),引入類受主缺陷Ga空位以提高接觸性能的,但在某些情況下反而會(huì)由于表面損傷造成接觸性能惡化。除了在金屬淀積前進(jìn)行處理以外,電極后處理也能有效地降低接觸電阻率,改善接

13、觸性能。在藍(lán)寶石襯底(0001面上采用MOCVD生長(zhǎng)GaN外延層,p型摻雜濃度為。將樣片在氣氛下750退火15 min后用三氯乙烯、丙酮、甲醇、乙醇和去離子水各超聲清洗5 min以除去表面有機(jī)污染物。光刻前將樣品分別在沸騰的王水、40%HCl和80水浴的緩沖HF溶液中處理2min,1 min和5 min,并分別標(biāo)記為A,B,C樣品。另一組樣品不進(jìn)行任何表面處理,標(biāo)記為D。光刻后將A,B,C樣品分別在煮沸后冷卻的王水中、40%HCl和冷卻后緩沖HF中浸泡若干秒以除去光刻過程中新產(chǎn)生的氧化層,然后在上述樣品上用電子束蒸發(fā)Ni(5nm/Au(5nm電極結(jié)構(gòu),超聲剝離后在中550下退火10 min,再

14、用10%草酸溶液70水浴浸泡10 min以除去表面形成的NiO。在間距為60m的兩金屬電極上測(cè)量I-V特性,由圖2看出：無表面處理線性度最好,接觸電阻率也最低。其次依次是緩沖HF處理、HCl處理,均實(shí)現(xiàn)歐姆接觸而王水處理過的樣品則表現(xiàn)為肖特基接觸。在顯微鏡下觀察I-V特性測(cè)試后電極樣品表面形貌,如圖3所示。采用溶劑處理過的樣品表面都有不同程度的損傷,損傷程度與對(duì)應(yīng)的溶劑電解質(zhì)的導(dǎo)電能力有關(guān),王水最強(qiáng),電極圖形損傷最嚴(yán)重,HF最弱,對(duì)應(yīng)的損傷也較少,而無表面處理的樣品表面測(cè)試前后基本不變。圖2 樣品電極接觸I-V特性曲線 圖3 不同表面處理樣品測(cè)試后的形貌對(duì)于Ni基金屬電極在淀積金屬前進(jìn)行表面處

15、理除去表面氧化層不是必需的,而通過在中退火形成NiO就能獲得清潔的表面使與Au形成良好的接觸,因?yàn)楸砻嬖佳趸瘜幽転檫@一反應(yīng)提供部分氧元素。省略前表面處理不僅與整個(gè)器件制備工藝兼容,而且對(duì)保持電極表面形貌完整也極其重要。一定條件下用草酸溶液對(duì)中退火后的Ni基電極進(jìn)行后處理能有效除去翻轉(zhuǎn)至表面的高阻的p型NiO層,從而減少測(cè)試過程中探針接觸以及后續(xù)加厚電極Ti/Au接觸的串聯(lián)電阻。為了獲得接觸電阻率更低、穩(wěn)定性較好的p型接觸,對(duì)于Ni基電極無需進(jìn)行前表面處理而應(yīng)當(dāng)在退火后進(jìn)行相應(yīng)的后處理。3.2 Pt和Zn注入對(duì)p-GaN表面Ni/Au電極歐姆接觸特性的影響3.2.1 Pt注入對(duì)p-GaN表面N

16、i/Au電極歐姆接觸特性的影響對(duì)于厚度為5/10nm的Ni/Au電極,通過TRIM(transport and recoil of ion in materials程序模擬計(jì)算,發(fā)現(xiàn)Pt+的注入能量為110keV時(shí)注入的Pt+主要分布在接觸界面附近,如圖4所示。注入Pt+劑量分別為、。離子注入后樣品在空氣中經(jīng)過RTA處理5min,以恢復(fù)由離子注入引起的結(jié)晶損傷,減少缺陷。圖5為不同Pt注入劑量下樣品的I-V特性曲線。從中可以看出,沒有進(jìn)行Pt+注入前的經(jīng)退火處理后的樣品I-V曲線呈線性,可見注入前Ni/Au電極與p-GaN的接觸為歐姆接觸,但其接觸并不理想,在電壓為1V下,其電流大約為0.01

17、mA。而注入Pt+之后,樣品的歐姆接觸特性得到了明顯的改善,在電壓為1V下,電流已增加到了5mA左右,電阻出現(xiàn)了明顯的降低。圖4 Pt注入示意圖 圖5 樣品在不同Pt注入劑量下的I-V曲線對(duì)p-GaN和Ni/Au(5/10nm界面處進(jìn)行Pt注入,歐姆接觸特性得到明顯的改善,和離子注入前相比,接觸電阻率降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。Pt注入能改善歐姆接觸特性的原因有兩個(gè):(1是作為功函數(shù)最高的金屬元素,Pt可以降低接觸面的勢(shì)壘高度;(2是注入到界面上的Pt在快速熱退火過程中和Ga反應(yīng)形成Ga-Pt絡(luò)合物,形成Ga空位,提高載流子濃度。研究不同的注入劑量對(duì)接觸電阻率的影響,發(fā)現(xiàn)接觸電阻率的降低和Pt的注入劑量

18、并不呈線性關(guān)系。因?yàn)樵谠黾覲t注入劑量的同時(shí)會(huì)增加缺陷,這對(duì)降低接觸電阻率是不利的。3.2.2 Zn注入對(duì)p-GaN表面Ni/Au電極歐姆接觸特性的影響對(duì)于厚度為5/10nm的Ni/Au電極,通過TRIM(transport and recoil of ion in materials程序模擬計(jì)算,發(fā)現(xiàn)注入能量為35keV的Zn+主要分布在接觸界面附近。采用3種Zn+注入劑量,分別為、。為恢復(fù)晶格損傷,經(jīng)Zn+注入后的樣品在空氣中300下經(jīng)RTA處理5min。圖6為Zn+注入前后樣品的I-V特性曲線。沒有進(jìn)行Zn+注入的樣品I-V曲線呈線性,可見經(jīng)RTA處理后的Ni/Au電極與p-GaN的接觸

19、為歐姆接觸,但是其接觸并不理想,接觸電阻比較大。注入Zn+之后,接觸電阻降低，歐姆接觸特性得到改善。圖6 Zn+注入前后樣品的I-V特性曲線對(duì)p-GaN/Ni/Au(5/10nm界面處進(jìn)行Zn注入,其歐姆接觸特性得到明顯改善,接觸電阻率降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。Zn+注入能改善歐姆接觸特性的原因:(1是可以提高表面載流子濃度;(2是會(huì)形成新的界面層和新的Ga絡(luò)合物;(3是使得接觸表面變粗糙,增大金屬電極和p-GaN的接觸面積。Zn+注入在提高表面載流子濃度同時(shí)還會(huì)增加缺陷,所以接觸電阻率的降低和Zn+注入劑量并不成線性關(guān)系。3.3 用InGaN/AlGaN超晶格降低p-GaN歐姆接觸電阻在-族氮化物超

20、晶格中由于較強(qiáng)的極化作用和較大的價(jià)帶帶階,空穴容易在異質(zhì)界面處積累形成2DHG。高濃度的2DHG不僅有利于降低接觸電阻,同時(shí)也充當(dāng)電流擴(kuò)展層的作用。如圖7(a,器件結(jié)構(gòu)為在p-GaN和金屬層間插入5個(gè)周期的超晶格結(jié)構(gòu)作為接觸層。根據(jù)有效質(zhì)量近似,計(jì)算2DHG在超晶格中分布,及其對(duì)Mg雜質(zhì)離化率的影響。根據(jù)InGaN/AlGaN,InGaN/GaN和GaN/AlGaN三種超晶格不同的價(jià)帶帶階和極化電場(chǎng)強(qiáng)度,可以分別得到它們的價(jià)帶分布,如圖7(b示。圖7(a超晶格作歐姆接觸接觸層的器件結(jié)構(gòu) 圖8 摻雜濃度為1×1019cm-3時(shí)三種超晶格 (b超晶格能帶圖 一個(gè)周期的價(jià)帶圖及Mg雜質(zhì)的離

21、化率分布圖8為InGaN/AlGaN,InGaN/GaN和GaN/AlGaN三種超晶格在Mg摻雜濃度為時(shí)一個(gè)周期的價(jià)帶圖及Mg雜質(zhì)的離化率沿生長(zhǎng)方向的空間分布。從圖中可以看出,三種超晶格中InGaN/AlGaN由于具有最強(qiáng)的極化效應(yīng),對(duì)應(yīng)最強(qiáng)的極化電場(chǎng),能帶傾斜最劇烈。Mg雜質(zhì)在三種超晶格中的平均離化率分別為:68.7%,42.2%和31.1%,其中在InGaN/AlGaN超晶格中的離化率最大。三種超晶格中InGaN/AlGaN超晶格同時(shí)具有最大的價(jià)帶帶階Ev和最強(qiáng)的極化電場(chǎng),所以其對(duì)空穴的限制作用也是最明顯的。相比于其他兩種超晶格,用InGaN/AlGaN超晶格做p型歐姆接觸具有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)

22、:(1提高M(jìn)g雜質(zhì)的離化率,獲得更高的空穴濃度;(2對(duì)空穴有最強(qiáng)的空間限制作用,提高空穴擴(kuò)展性能。制備樣品A(p-GaN、樣品B(用p-InGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)作為接觸層的pGaN和樣品C(用p-InGaN/AlGaN超晶格作為接觸層的p-GaN。測(cè)得樣品A,B和C的面空穴濃度和比接觸電阻分別為, ,和,。三個(gè)樣品中,樣品C空穴濃度的實(shí)驗(yàn)值和理論值都是最大值,同時(shí)比接觸電阻也具有最小值。用InGaN/AlGaN作接觸層可以獲得低p型歐姆接觸電阻。3.4 p-GaN/Ni/Au電極在相同溫度不同合金時(shí)間下的歐姆接觸目前,制作GaN基器件p型歐姆接觸一般采用Ni/Au雙金屬層,鍍金屬前的GaN

23、表面處理和鍍金屬后的低溫合金化處理是常用的降低接觸電阻的方法。關(guān)于合金溫度,在氧氣氛下500對(duì)p-GaN/Ni/Au電極合金能夠得到最低電阻的歐姆接觸。有文獻(xiàn)指出,是Ga空位的產(chǎn)生而導(dǎo)致p型GaN表面穴濃度的增加;也有文獻(xiàn)認(rèn)為,是NiO的形成導(dǎo)致金屬層對(duì)p型GaN肖特基勢(shì)壘高度的降低;還有文獻(xiàn)指出,界面處外延的Au/NiO結(jié)構(gòu)是形成歐姆接觸的關(guān)鍵。由于Ni/Au電極在氧化合金過程中相互擴(kuò)散很嚴(yán)重,并且Ni與氧氣會(huì)形成NiO結(jié)構(gòu),Au與GaN表面會(huì)形成新的外延結(jié)構(gòu)。 盧瑟福背散射(RBS/溝道技術(shù)是研究金屬電極中相互擴(kuò)散和微結(jié)構(gòu)變化的有效實(shí)驗(yàn)手段,能同時(shí)獲得樣品中各元素的含量、層厚以及沿深度擴(kuò)散

24、的信息。利用RBS技術(shù)對(duì)相同的氧化合金溫度下(500不同合金時(shí)間的p-GaN/Ni/Au電極微結(jié)構(gòu)的演化和金屬間的相互擴(kuò)散及歐姆接觸的形成機(jī)制進(jìn)行研究。圖9為樣品結(jié)構(gòu)示意圖.鍍好電極后,將樣品均勻切割成5塊在氧氣氛下進(jìn)行合金,合金時(shí)間分別為10,60,180,300,600 s,合金溫度都為500。合金后的樣品在間距為37m的電極之間測(cè)量接觸的電流-電壓(I-V曲線。比接觸電阻c通過TLM測(cè)量得到。圖9 MOCVD方法生長(zhǎng)摻Mg的p-GaN/Ni/Au電極結(jié)構(gòu)示意圖圖10是氧氣氛中500不同合金時(shí)間的Au(20nm/Ni(20 nm/p-GaN樣品局部放大的RBS/溝道沿0001軸的溝道譜。(

25、a顯示了隨著合金時(shí)間的延長(zhǎng)Au逐漸向電極金屬與半導(dǎo)體界面移動(dòng),僅合金60s后Au向電極內(nèi)部的擴(kuò)散就已非常明顯。接著,在180 s合金時(shí)間就使大部分Au擴(kuò)散到了金屬與半導(dǎo)體的界面,而隨后的300和600 s合金時(shí)間只能使Au的信號(hào)非常緩慢地向低能方向擴(kuò)散,Au的背散射峰幾乎沒有變化。(b顯示了隨著合金時(shí)間的延長(zhǎng)Ni逐漸向樣品表面移動(dòng)。在10 s合金后,Ni就有向樣品表面擴(kuò)散趨勢(shì),甚至已有少量的Ni擴(kuò)散到了電極的表面。接著, 60和180 s合金則使Ni向外的擴(kuò)散更加顯著.而更長(zhǎng)的合金時(shí)間(300 s則使Ni向外擴(kuò)散基本達(dá)到飽和狀態(tài),進(jìn)一步延長(zhǎng)合金時(shí)間(600 s給Ni信號(hào)帶來的變化已很小。合金時(shí)

26、間越長(zhǎng),電極表面Ni相對(duì)于Au的含量就越高。Au向電極內(nèi)部和Ni向電極表面的擴(kuò)散,表明500合金后Ni/Au雙層電極中層反轉(zhuǎn)效應(yīng)已經(jīng)發(fā)生。(c顯示了隨合金時(shí)間的延長(zhǎng)樣品中O信號(hào)的移動(dòng)趨勢(shì)。由于原子序數(shù)小,O的背散射產(chǎn)額很低,在隨機(jī)譜中產(chǎn)額小的O信號(hào)只能疊加在產(chǎn)額高的Ga信號(hào)上就更加難以辨認(rèn)。在RBS/溝道譜中,由于Ga信號(hào)的產(chǎn)額較低,O信號(hào)就可以得到很好辨認(rèn)。利用溝道譜研究電極金屬中O的擴(kuò)散現(xiàn)象,為研究晶體材料電極中的輕元素提供了新思路。在10和60 s合金后溝道譜中基本看不到O信號(hào)的存在,說明這么短的合金時(shí)間不足以使電極發(fā)生明顯的氧化。樣品在經(jīng)過180 s合金之后,其溝道譜中O信號(hào)開始略有顯

27、現(xiàn),隨著合金時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)到300,600 s,O元素不斷地向樣品內(nèi)部擴(kuò)散且逐漸增強(qiáng),說明電極內(nèi)部有越來越多的Ni被氧化。這也間接證明在合金時(shí)間300 s后,Ni已經(jīng)大量擴(kuò)散到樣品表面被氧化后形成NiO,同時(shí)Ni/Au雙層電極的層反轉(zhuǎn)效應(yīng)產(chǎn)生。圖10 樣品在氧氣氛中500不同合金時(shí)間的局部放大RBS/溝道沿0001軸的溝道譜(aAu信號(hào),(bNi信號(hào),(cO信號(hào).(b和(c圖中譜線左上方的數(shù)值是再增加的產(chǎn)額計(jì)數(shù),以便于觀察Ni和O在樣品內(nèi)部的擴(kuò)散趨勢(shì)氧氣氛中p-GaN/Ni/Au電極在同一合金溫度(500下,隨著合金時(shí)間的延長(zhǎng)氧氣會(huì)與Ni/Au電極中的Ni形成NiO。同時(shí),Ni/Au電極的相互

28、擴(kuò)散現(xiàn)象非常嚴(yán)重,Au向電極內(nèi)部和Ni向電極表面的擴(kuò)散表明合金后Ni/Au雙層電極中在一定的合金時(shí)間下層反轉(zhuǎn)效應(yīng)已經(jīng)發(fā)生.這兩種結(jié)構(gòu)變化都是形成歐姆接觸的有效機(jī)制。氧氣氛中p-GaN/Ni/Au電極在同一合金溫度(500下,隨著合金時(shí)間的延長(zhǎng)比接觸電阻持續(xù)降低。在合金時(shí)間60 s后降低的速度減慢,Au擴(kuò)散到GaN的表面,在p-GaN上形成外延結(jié)構(gòu),O向電極內(nèi)部擴(kuò)散反應(yīng)生成NiO對(duì)降低c起到了關(guān)鍵的作用.比接觸電阻的降低對(duì)歐姆接觸的改善是有益的。在相同合金溫度(500不同合金時(shí)間系列實(shí)驗(yàn)中,氧氣氛中的p-GaN/Ni/Au電極在合金時(shí)間為300 s時(shí)形成的歐姆接觸效果最佳。4 小結(jié)GaN材料是一

29、種寬帶隙(Eg=3.39eV半導(dǎo)體材料,具有優(yōu)良的物理和化學(xué)特性,摻入一定比例的In或Al后,其禁帶寬度可在0.776.28eV的寬廣范圍內(nèi)變化,可用于制作從紅光到紫外光的發(fā)光二極管(LED和激光二極管(LD等光電子器件,具有廣闊的應(yīng)用前景。本文從表面預(yù)處理工藝、電極材料和結(jié)構(gòu)以及退火工藝等方面,就此領(lǐng)域的進(jìn)展進(jìn)行歸納綜述,對(duì)n-GaN和p-GaN表面低阻歐姆接觸電極的形成機(jī)制和幾個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析。5 參考文獻(xiàn)1封飛飛,劉軍林,邱沖,王光緒,江風(fēng)益. 硅襯底GaN基LED N極性n型歐姆接觸研究J.物理學(xué)報(bào), 2010年8月.2李鴻漸,石瑛,趙世榮,何慶堯,蔣昌忠, p-GaN表面Ni/Au電極歐姆接觸特性的Pt+注入改性研究J.功能材料，2009年第7期（40卷）.3李