張偉畢設答辯

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畢業(yè)設計答辯高Al組分n型AlGaN層高可靠性

歐姆接觸電極制備研究

學生:張偉專業(yè):光電信息工程指導老師：戴江南老師陳長清教授

選題背景與研究現(xiàn)狀方案論證實驗內容與結果總結與展望致謝

內容提要二四三一五選題背景課題來源：國家自然科學基金項目“背照式SAM結構AlGaN基日盲紫外雪崩光電探測器研究”。選題背景：紫外線技術在軍用和民用領域有著廣泛應用，而高Al組分AlxGa1-xN(x＞0.4）材料在研制深紫外LED、LD和日盲探測器存在巨大潛力，但目前制備高可靠性、低電阻的歐姆接觸是應用AlGaN基器件的瓶頸之一。WaterPurification應用:在野外作戰(zhàn)水凈化、生化試劑探測、生化武器預警、導彈告警系統(tǒng)、制導、安全通信、空氣凈化、食品殺菌與消毒、醫(yī)療保健、固態(tài)照明、等軍民用領域有著廣泛應用UV

AlGaN基紫外發(fā)光與探測器件Proc.ofSPIEVol.612761271D-4SchematicofasolarblindavalanchephotodiodeUV

歐姆接觸歐姆接觸國內外研究進展

目前國內外對于AlGaN器件歐姆接觸研究集中在以下四個方面：接觸形成機理，金屬方案，接觸前表面處理，退火工藝參數(shù)。接觸形成機理：分析Al組分對于歐姆接觸形成影響，金屬接觸界面結構和基本物理理論等問題。金屬方案：主要分為Ti基和V基兩種體系。Ti基采用Ti/Al/金屬/Au結構，金屬可選Ti、Ni、Mo等，V基多采用V/Al/V/Ag結構。接觸前表面處理：常用緩沖的氧化刻蝕(BOE)或BCl3/Cl2/Ar基等離子體刻蝕，除去表面氧化物，降低表面態(tài)密度。退火工藝參數(shù)：快速退火時，優(yōu)化退火溫度和時間，獲得最小比接觸電阻率。Forn-AlGaNofhighAluminumcontentThePennsylvaniaStateUniversity,USA

REVIEW:OhmiccontacttoAlGaNepilayers2002,EL

,V(15)/Al(85)/Pt(25)/Au(75)n-Alo.44Gao.56N1×10-5Ω?cm2

n-Alo.6Gao.4N4×10-5Ω?cm22006,APL,V(20)/Al(100)/V(20)/Au(60)plasmaetchedn-Alo.58Gao.42N4.7×10-4Ω?cm2

2008,JAP,V(20)/Al(95)/V(5)/Ag(120)n-Alo.58Gao.42N(2.4±0.3)×10-4Ω?cm2V-basedapproachTi/Al/X/AuTi,Ni,Pt,Pd,Mo,Cretc.SampleSurfaceMetalCombinationI-VcurveρcAAsgrownTi/Al/Ti/Aulinear5×10-5Ω?cm2

BPlasmaetchedTi/Al/Ti/AunonlinearCPlasmaetchedTi/Al/Ni/Aulinear5×10-4Ω?cm2

Ohmiccontanctston-Al0.68Ga0.32NSurendraSrivastavaetal.JournalofElectronicMaterials,Vol.38,No.11,2009V-basedTi-basedMetallizationScheme:Whichisbetter?versus方案論證根據(jù)歐姆接觸制備與測試涉及的理論與工藝，對實驗方案做如下論證：

一、傳輸線模型(TLM)的選擇——計算比接觸電阻率ρc

矩形傳輸線模型

圓點傳輸線模型

圓環(huán)傳輸線模型

——綜合對比分析，我們采用圓點形傳輸線模型方案論證二、金屬化方案

Ti基方案研究最深入，使用最多。Ti/Al/金屬/Au中不同的“金屬”層會影響接觸性能。結合國內外已有報道，以及電子束蒸發(fā)臺現(xiàn)有的金屬靶材，我們采用Ti/Al/Ni/Au多層結構。1、Ti/Al結構對歐姆接觸的影響：保持Ni/Au厚度不變，研究Ti/Al比值的變化對接觸I-V特性的影響，獲得最優(yōu)金屬層結構。2、退火工藝對歐姆接觸的影響：研究退火溫度或時間的變化對接觸I-V特性的影響，獲得最優(yōu)退火條件。

研究內容實驗內容高Al組分n-AlxGa1-xN的生長與表征歐姆接觸制備、測試和工藝優(yōu)化?光刻機?電子束蒸發(fā)臺?快速熱退火爐?吉時利2420數(shù)字源表?AlGaN-MOCVD?金相顯微鏡?紫外-可見光分光光度計?Hall效應測試儀高Al組分n-AlGaN的生長與表征

采用金屬有機化合物化學氣相沉積(MOCVD)在2英寸c面藍寶石襯底上，外延Si摻雜的n型AlxGa1-xN薄膜(樣片編號A520)。其中，我們選擇三甲基鋁(TMA)作為Al源，三乙基鎵(TEG)作為Ga源，氨氣(NH3)作為N源、硅烷(SiH4)作為摻雜劑，氫氣作為載氣。A520外延片結構A520部分工藝參數(shù)參數(shù)LT-AlNHT-AlNi-Al0.44Ga0.56Nn-Al0.44Ga0.56N溫度(℃)7201100980980時間(min)4.493535TMA(sccm)4.116.31818TEG(sccm)××4747Silane(sccm)×××20.3A520外延片表征A520的C-V測試A520的透射光譜A520的表面形貌(500X)1、由金相顯微鏡圖像可以看出外延片表面較平整潔凈，無裂紋和爐渣。2、由透射光譜測試結果，計算得A520中心處Al組分為43.6%，邊緣處Al組分為44.36%。3、由Hall效應測試得外延片摻雜濃度為1.7×1018cm-3，載流子遷移率為95cm2/(V

?s)?！獪y試結果顯示該樣品具有良好的晶體質量和電學性能，可用于歐姆接觸制備研究。歐姆接觸制備、測試和工藝優(yōu)化

歐姆接觸

——不產生明顯的附加阻抗，也不會使半導體內部的平衡載流子濃度發(fā)生顯著變化。就其電學特性而言，理想歐姆接觸的接觸電阻和半導體材料或器件相比應很小，當電流流過時，接觸不會影響器件的電流-電壓特性，并且接觸電阻呈現(xiàn)出線性電流-電壓特性。金屬和n型半導體接觸時能帶圖比接觸電阻率的計算

衡量歐姆接觸質量的參數(shù)——比接觸電阻率ρc

G.S.Marlow,M.B.Das.Solid-StateElectronics,1982,Vol.25,No.2左圖為圓點傳輸線模型圖樣，灰色區(qū)域為金屬層。在無接觸金屬圓環(huán)兩側通恒定電流，測量電壓，計算出總電阻RT。作RT~d圖（d=r1-r0)。由實驗數(shù)據(jù)進行直線擬合，得到RSH和LT，則所求比接觸電阻率ρc=RSHLT2。當r0或r1大于4LT，I0/I1和K0/K1趨近于1，則上式化簡為r1>>d，則上式還可化簡為樣品參數(shù)樣品編號TiAlNiAu樣品1201204050樣品2201604050樣品3202004050樣品4203004050樣品5401604050

我們采用Ti/Al/Ni/Au金屬方案，共制作五個樣品組。

五組樣品的接觸結構參數(shù)，厚度單位:nm掩模板圖形尺寸：長方形區(qū)域大小為1300μm×900μm，6個圓環(huán)具有相同的外徑，值為150μm，內環(huán)半徑分別為100μm、105μm、110μm、120μm、130μm、140μm，

圓心間距400μm。(1)減薄：采用精密磨拋機將外延片厚度減薄至200μm，不拋光。(2)劃裂：采用激光劃片、裂片，將外延片分成若干份，用以制作不同金屬結構的樣品。(3)清洗：丙酮超聲清洗5min→無水乙醇超聲清洗5min→去離子水沖洗→90℃烘烤外延片20min。(4)負膠光刻：采用標準光刻工藝，步驟為前烘→勻膠→軟烤(softbake)→曝光→PEB(post-exposurebaking)→顯影。其中前烘是120℃下持續(xù)20分鐘；勻膠時使用ENPI202型負膠，膠厚3.5μm；軟烤和PEB都是105℃下持續(xù)1.5分鐘；顯影2分鐘。(5)等離子去膠：采用氧離子去膠，功率為200W，時間3分30秒。(6)蒸鍍金屬：采用電子束蒸發(fā)系統(tǒng)蒸鍍金屬層，依次為Ti、Al、Ni、Au。(7)剝離和清洗：采用Lift-off工藝，即丙酮超聲清洗20min→無水乙醇超聲清洗20min。(8)劃裂：采用激光劃片、裂片，將每份樣品中幾十個

傳輸線模型塊分為若干小片，每片含有9個獨立圓點傳

輸線模型圖案，方便后續(xù)退火工藝實驗取樣。(9)快速退火：通過快速退火爐面板設定升溫、恒溫

過程時間和溫度參數(shù)，對接觸電極進行真空氛圍快

速熱退火完成合金化。接觸制作流程接觸表面形貌觀測我們比較了所有樣品在退火前后表面形貌的改變。以850℃下真空退火30s為例，選擇具有代表性的樣品1和樣品3作展示。樣品1的50X金相樣品3的50X金相1000X金相接觸I-V特性測試

所有樣品退火前的I-V測試顯示均為肖特基接觸。在四種退火條件下，接觸的特性發(fā)生改變。我們比較了同一退火條件下，形成歐姆接觸的不同樣品的I-V特性和同一樣品在不同退火條件下的I-V特性。

接觸退火前的I-V曲線退火條件850℃

30s850℃60s850℃90s880℃30s樣品1非線性線性線性線性樣品2非線性接近線性接近線性非線性樣品3接近線性線性線性線性樣品4線性線性線性線性樣品5線性接近線性接近線性線性附注：1、I-V曲線呈線性，對應電阻波動為1~3Ω2、I-V曲線呈接近線性，對應電阻波動為5~8Ω

3、I-V曲線呈非線性，對應電阻波動為＞10Ω

Ti/Al結構對接觸特性的影響

本實驗中，樣品4在四種退火條件下均形成歐姆接觸。通過比較相同退火條件下，形成歐姆接觸樣品的I-V曲線，可以判斷在實驗設置的樣品組中，樣品4的金屬方案，即Ti(20nm)/Al(300nm)/Ni(40nm)/Au(50nm)，為最優(yōu)金屬方案。退火工藝對接觸特性的影響樣品4樣品5樣品3樣品2樣品11、對于樣品1、2、3，提高退火溫度或延長退火時間能改善接觸I-V特性。2、對于樣品4、5，提高退火溫度能改善接觸I-V曲線線性度，但延長退火時間使接觸有退化趨勢。對于形成歐姆接觸的樣品，計算了對應比接觸電阻率。以樣品4在850℃下退火30s后測試數(shù)據(jù)處理為例，表中d為用金相顯微鏡實測內外圓環(huán)間距，RT由I-V測試得到對應圓環(huán)總電阻。用Origin8.0軟件對上表中數(shù)據(jù)進行線性擬合，計算得到傳輸線長度LT=4.8631μm，RSH=1111.78Ω/sq，則比接觸電阻率ρc=2.63×10-4Ω?cm2。環(huán)號123456d(μm)11.8719.7831.1338.5745.6148.82RT(Ω)25.6735.5345.9458.4564.2769.93實驗數(shù)據(jù)處理退火條件850℃30s850℃60s850℃90s880℃30s樣品1×4.85×10-44.52×10-44.03×10-4樣品2××××樣品3×5.93×10-43.1×10-44.04×10-4樣品42.63×10-43.06×10-43.39×10-41.4×10-4樣品58.77×10-4××7.04×10-4——樣品的比接觸電阻率計算結果單位：Ω?cm2

總結與展望本實驗工作總結：

1、我們在硅摻雜的n型Al0.44Ga0.56N材料上，采用電子束蒸發(fā)沉積多層金屬Ti/Al/Ni/Au作為接觸。