表面處理對肖特基接觸的影響

霍蕩蕩，鄭英奎，陳詩哲，魏 珂，李培咸

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表面處理對肖特基接觸的影響

霍蕩蕩1,2，鄭英奎2，陳詩哲1,2，魏 珂2，李培咸1

（1. 西安電子科技大學(xué)先進(jìn)材料與納米科技學(xué)院，陜西西安 710126；2. 中國科學(xué)院微電子研究所，北京 100029）

研究了不同的表面處理方法對器件肖特基特性的影響。實驗結(jié)果表明，采用氧等離子體及體積比(HF:NH4F)為1:7的BOE溶液對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料表面進(jìn)行處理后，其肖特基接觸特性比鹽酸或者氨水溶液處理有了明顯的改善。當(dāng)柵壓為–50 V時，柵反向漏電僅為3.8×10–5A/mm，相比降低了1~2個數(shù)量級。另外，電容電壓CV測試結(jié)果顯示，經(jīng)過BOE溶液處理表面，明顯降低了器件表面態(tài)密度，達(dá)到1013cm–2·eV–1量級，表面態(tài)密度的降低，提高了肖特基勢壘高度，降低了隧穿電流和表面漏電。

AlGaN/GaN；肖特基接觸；表面處理；反向漏電；電導(dǎo)法；表面態(tài)密度

近年來，AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）以其優(yōu)越的特性，在制備高頻、高壓、高溫及大功率器件方面?zhèn)涫荜P(guān)注[1-3]。高質(zhì)量器件工藝的研究是器件取得高性能的保證，其中肖特基接觸是制備器件眾多關(guān)鍵技術(shù)之一，肖特基接觸的優(yōu)劣直接影響了GaN HEMT的性能，同時對器件能否在高電壓下工作以及大功率的取得至關(guān)重要。此外，肖特基柵漏電也是低頻噪聲的主要來源，嚴(yán)重制約了器件高性能的獲得。而表面缺陷和界面態(tài)成為影響肖特基特性的重要因素，表面存在的自然氧化層、雜質(zhì)的積累都會改變金半接觸能帶狀態(tài)，導(dǎo)致肖特基勢壘高度降低，理想因子增大，進(jìn)而造成柵泄漏電流增大。因此，為了提高肖特基特性，降低柵泄漏電流，有效的表面處理是必要的。目前常用的表面處理方法有等離子體處理和酸堿溶液處理等，為了獲得更好的實驗結(jié)果，本文將這兩種方法相結(jié)合，首先對樣品進(jìn)行氧等離子體處理，之后進(jìn)行不同的酸堿溶液處理。采用氧等離子體處理表面不僅可以減少表面殘留的光刻膠薄膜，同時也去除了酸堿處理氧化層時的阻礙層。通過對比樣品肖特基反向漏電的大小，得到了提高肖特基特性的有效表面處理方法，并從界面態(tài)角度對這一結(jié)果進(jìn)行解釋。

1 制備

在4H-SiC襯底上采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積方法（MOCVD）生長器件外延材料，自下而上依次為SiC襯底層、2 μm GaN緩沖層、1 nm AlN插入層、23 nm AlGaN 勢壘層(Al組分大約為摩爾分?jǐn)?shù)24%)以及2 nm GaN帽層。器件結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，歐姆接觸采用電子束蒸發(fā)Ti/Al/Ni/Au(20 nm/180 nm/55 nm/50 nm)，在870 ℃ N2氛圍中快速熱退火50 s，采用線性傳輸線模型（LTLM）進(jìn)行測試，得到歐姆比接觸電阻率為（2~5）×10–5Ω·cm2。肖特基接觸采用Ni/Au（40 nm/500 nm），在蒸發(fā)肖特基金屬前，先使用氧等離子體對表面進(jìn)行處理，之后采用不同的溶液清洗表面，其中樣品A采用體積比(HCl:H2O)=1:3的溶液處理；樣品B采用BOE溶液處理；樣品C采用體積比(NH4OH:H2O)=1:5的溶液處理，處理時間均為40 s。

圖1 材料外延結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)果及討論

采用Keithley 4200半導(dǎo)體表征系統(tǒng)對柵寬為60 μm的單指器件進(jìn)行肖特基特性測量，結(jié)果如圖2所示。當(dāng)柵壓gs為–50 V時，采用BOE、鹽酸、氨水處理后的器件肖特基漏電gs分別為3.8×10–5，9.2×10–4，0.0058 A/mm，可以明顯看出，經(jīng)過BOE處理后，器件漏電最低，相比較于鹽酸和氨水處理表面，器件漏電降低1~2個數(shù)量級。

圖2 表面處理后肖特基接觸的反向I-V特性

實際制備的器件形成的肖特基接觸并不是理想的金半接觸，諸多因素都會使得肖特基接觸特性偏離理想狀態(tài)，比如存在于金屬半導(dǎo)體之間的薄氧化層中的界面態(tài)。表面氧化層的存在，促使半導(dǎo)體電場強度下降，肖特基勢壘高度降低，理想因子變大，柵漏電增大。實際金屬-半導(dǎo)體接觸的能帶示意圖，如圖3所示，其中為界面層上的電勢，為界面層的厚度，it為界面處界面態(tài)密度。

圖3 金屬-半導(dǎo)體肖特基接觸的實際能帶圖

實驗過程中，HCl和BOE對Al2O3和Ga2O3等異質(zhì)結(jié)表面氧化物都具有一定的腐蝕作用，同時可以去除樣片上殘留的雜質(zhì)，減少由于雜質(zhì)引起的肖特基性能的退化，因此表面處理后肖特基特性得到良好的改善[4-6]。但是由于鹵素Cl–與Ga3+反應(yīng)生成GaCl3，GaCl3溶解性較差，會阻礙HCl與表面氧化層的反應(yīng)，所以樣品經(jīng)過BOE處理器件肖特基特性要優(yōu)于HCl處理。而相對于HCl和BOE，氨水的腐蝕能力則較差，從而造成器件的柵漏電比較大，肖特基特性差。

對三個樣品中的肖特基圓環(huán)二極管進(jìn)行不同頻率下電容電壓和電導(dǎo)電壓測試，采用-、-曲線中器件在零偏壓附近的差異來反映實際AlGaN表面處不同能級表面態(tài)[7]。仿照MIS結(jié)構(gòu)分析方法，可以把AlGaN層假想為絕緣層，則AlGaN/GaN肖特基二極管的電容由四部分組成：肖特基柵/AlGaN表面態(tài)等效的電容surf、AlGaN耗盡層電容AlGaN、AlGaN/GaN界面態(tài)等效的電容it和GaN耗盡層電容GaN，其等效電路圖如圖4所示。

圖4 AlGaN/GaN肖特基二極管等效電路模型

當(dāng)柵電壓較大時，半導(dǎo)體的費米能級相對金屬費米能級上升且高過異質(zhì)結(jié)三角形勢阱很多，如圖5（a）所示，此時異質(zhì)結(jié)界面態(tài)都填滿了電子，并不會隨柵壓的增加而響應(yīng)變化，而肖特基柵/AlGaN界面態(tài)會在固定時間內(nèi)及時釋放電子做出響應(yīng)，此時能反映金屬與AlGaN界面處界面態(tài)信息而不能反映異質(zhì)結(jié)處的界面態(tài)。

當(dāng)柵電壓為負(fù)值并且導(dǎo)致二維電子氣（2DEG）耗盡時，半導(dǎo)體費米能級在金屬與AlGaN界面處禁帶中下部，如圖5（b）所示，對于金屬與AlGaN界面態(tài)陷阱而言，發(fā)射電子非常困難，而界面態(tài)陷阱能及時釋放電子響應(yīng)柵電壓變化，此時能反映到異質(zhì)結(jié)處的界面態(tài)而不能反映金屬與AlGaN界面處的界面態(tài)。因此，可以通過控制柵電壓的取值來表征器件不同界面的缺陷密度。

圖5 平行電導(dǎo)法中正柵壓（a）和負(fù)柵壓（b）能帶示意圖

由平行電導(dǎo)法知，

式中：p為平行電導(dǎo)；為器件測試所加的交變信號的角頻率；為表面缺陷態(tài)的時間常數(shù)；it為表面缺陷態(tài)密度。當(dāng)=2時，存在極大值，平行電導(dǎo)p可通過實際測量電容m、電導(dǎo)m和AlGaN勢壘層等效電容b得出，因此通過p/與的特性曲線即能夠得到表面缺陷態(tài)的值[8]。

(2)

利用公式（2）計算得到零偏壓下p/與的關(guān)系如圖6所示，通過極大值可以估算出it，因為選取的柵壓為0 V，所以這個it實際表征的是肖特基柵與AlGaN界面處的界面態(tài)，同時假設(shè)此時2DEG已經(jīng)完全填滿，因此求得的值比實際值偏大。表1給出了經(jīng)過不同表面處理后器件的表面態(tài)密度，經(jīng)過BOE處理后，表面態(tài)密度有了明顯的降低，這主要是由于F–的電負(fù)性很強，AlGaN的表面會吸附一部分的F–從而引入了固定的負(fù)電荷，而勢壘層中存在的陷阱呈現(xiàn)正電荷效應(yīng)，中和后表面態(tài)密度降低[9-10]，器件柵漏電降低。

圖6 零偏壓下Gp/ω與ω的關(guān)系曲線

表1 不同表面處理后的表面態(tài)密度

Tab.1 The Dit of the samples after surface treatment

3 結(jié)論

實驗表明，表面處理對器件的肖特基特性有顯著影響，采用BOE溶液可以有效去除AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)表面氧化物和樣片上殘留的雜質(zhì)，氧化層的清除使肖特基勢壘高度變高，從而使柵反向電流減小1~2個量級。另外由于AlGaN表面會吸附一部分F–，降低了表面的施主型表面態(tài)的密度，使得肖特基勢壘高度增加，勢壘寬度變寬，隧穿電流和表面漏電減少，最終提高了器件的肖特基特性，這對于制備高性能器件具有指導(dǎo)意義。

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（編輯：陳豐）

Effects of surface treatment on Schottky contact

HUO Dangdang1,2, ZHENG Yingkui2, CHEN Shizhe1, WEI Ke2, LI Peixian1

(1. School of Advanced Materials and Nanotechnology, Xidian University, Xi’an 710126, China; 2. Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Science, Beijing 100029, China)

The effects of different surface treatment methods on Ni/Au Schottky characteristic were investigated. It is found that the characteristics of Schottky contact are improved obviously by using O2plasma etching the surface of AlGaN and cleaning the surface with the solution of BOE (volume ratio of HF to NH4F is 1:7). The reverse leakage current is reduced by 1－2 orders compared with the sample treated by hydrochloric acid or ammonia water, which is 3.8×10–5A/mm on the bias of –50 V. In addition, the capacitance voltage test results show that the density of surface states of the sample treated by BOE is reduced effectively, which is in the range of 1013cm–2·eV–1magnitude. Due to the decrease of surface state density, the Schottky barrier height increases, and the tunneling current and surface leakage reduce.

AlGaN/GaN; Schottky contact; surface treatment; reverse leakage current; conductance method; surface state density

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.06.013

TN43

A

1001-2028（2017）06-0066-04

2017-04-28

李培咸

國家863高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助（No. 2015AA016801）

李培咸（1972－），男，陜西人，教授，博士，研究方向為GaN基紫外LED材料生長方法與器件工藝、GaN基紫外探測器，E-mail: peixian_li@163.com ；霍蕩蕩（1993－），男，陜西人，研究生，研究方向為GaN基HEMT器件工藝及電路設(shè)計，E-mail:huodangdang0923@163.com。

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2017-06-07 13:44

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170607.1344.013.html