n型GaN過渡族難熔金屬歐姆電極對比*

何天立 魏鴻源 李成明 李庚偉?

1) (中國地質(zhì)大學(xué)(北京)數(shù)理學(xué)院,北京 100083)

2) (中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所,中國科學(xué)院半導(dǎo)體材料科學(xué)重點實驗室,北京 100083)

研究了過渡族難熔金屬Hf體系Hf/Al電極在不同退火條件下與n型GaN的歐姆接觸特性,并與Ti基Ti/Al電極進(jìn)行了對比.采用圓點型傳輸線模型測量了Hf/Al和Ti/Al電極的比接觸電阻率.結(jié)果表明,同等退火條件下的Hf/Al電極,相比于傳統(tǒng)Ti/Al電極,展現(xiàn)出了更加優(yōu)越的歐姆接觸性能.在N2氛圍中低溫650 ℃條件下退火60 s的Hf/Al電極得到了最低的比接觸電阻率為4.28×10-5 Ω·cm2.本文還利用深度剖析的俄歇電子能譜儀對電極的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了分析,經(jīng)歷退火的Hf/Al電極樣品中金屬與金屬,金屬與GaN之間發(fā)生了相互擴散.對Hf/Al,Ti/Al電極表面進(jìn)行了掃描電子顯微鏡表征,兩種電極均表現(xiàn)出顆粒狀的粗糙表面.

1 引 言

第三代半導(dǎo)體材料GaN,因其具有寬的帶隙、高的擊穿電壓、大的飽和漂移速率、高的熱導(dǎo)率,以及優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點,特別適合用于制作高頻、高效、耐高溫、耐高壓、抗輻射的大功率微波器件[1-7].對于大功率電子器件和高頻器件,電極低的接觸電阻意味著低功耗和高的器件可靠性,歐姆接觸直接關(guān)系到GaN器件的性能,是影響器件性能的重要因素之一.

目前,Ti基多層金屬結(jié)構(gòu)(Ti/Al/Ni/Au)是應(yīng)用于n型GaN歐姆接觸最為廣泛的電極材料，如圖1所示.通常是在n型GaN表面沉積多層金屬結(jié)構(gòu),其后是快速熱退火(RTA)工藝,在高于800 ℃的溫度下快速退火,使金屬間、金屬-半導(dǎo)體間發(fā)生固相反應(yīng)以獲得低的接觸電阻[8-15].van Daele等[16]發(fā)現(xiàn),若僅用單層的Ti作為電極形成歐姆接觸,退火后的金屬-半導(dǎo)體界面處會形成大的空隙.這是由于金屬Ti在退火過程中會奪取GaN中的N發(fā)生固相反應(yīng)產(chǎn)生TiN以及Ga-Ti合金,導(dǎo)致了接觸界面處的GaN分解.這種反應(yīng)在較高的溫度下退火時,發(fā)生得更加徹底,導(dǎo)致了更大的空隙出現(xiàn).Al的引入可以一定程度地抑制GaN的分解,減少金屬-半導(dǎo)體界面處的“空洞”產(chǎn)生.然而傳統(tǒng)的Ti金屬電極需要的退火溫度都在800 ℃以上[11],作為Ti基歐姆接觸電極體系中的關(guān)鍵金屬Al,其熔點為660.4 ℃[17].Gong等[18]發(fā)現(xiàn)電極材料在退火的過程中,Al處于熔融狀態(tài),部分Al會外溢與Au形成晶體顆粒狀合金,使電極表面變得粗糙.這種粗糙的電極表面會導(dǎo)致尖端放電現(xiàn)象,使功率電子器件的擊穿特性下降.對于微波器件,會引起電流分布不均勻以及信號衰減.GaN器件在大電流環(huán)境下工作時,還可能導(dǎo)致電極表面凸起開裂,從而影響器件的可靠性.因此,尋找合理的歐姆電極金屬體系以及開發(fā)歐姆電極低溫退火工藝可以提高電極的性能.

圖1 目前最常應(yīng)用于n型GaN歐姆接觸的Ti基多層金屬體系Fig.1.Ti-based multilayer metal system most commonly used in n-type GaN ohmic contact.

近些年來,很多課題組就電極金屬材料的選擇、退火工藝等問題對n型GaN歐姆接觸進(jìn)行了研究[19].France等[20]使用V/Al/V/Au (15/18/20/200 nm)金屬體系,在N2氛圍中650 ℃退火30 s,得到的比接觸電阻率為2.2×10-6Ω·cm2.Park等[21]在GaN半極性面上使用Ti/Ta/Al/Au (10/10/150/30 nm)作為電極,在N2氛圍中600 ℃條件下退火1 min,得到了比接觸電阻率為4.8×10-5Ω·cm2.2017年,Zhao等[22]在沒有退火的條件下,制作了比接觸電阻率為3×10-4Ω·cm2的Al/Au (30/300 nm)電極.

理論上,功函數(shù)接近GaN電子親和勢的金屬都能與n型GaN形成良好的歐姆接觸[23],因此與Ti處于同一族且功函數(shù)較低的Hf[24]是與n型GaN形成歐姆接觸的更好選擇，如表1所示.本文制備了n型GaN基Hf/Al歐姆電極,研究了不同退火條件對其歐姆接觸性能和結(jié)構(gòu)特性的影響,并與Ti/Al電極進(jìn)行了對比.

表1 不同金屬的功函數(shù)、熔點、電阻率 (273 K)Table 1.Work function,melting point and resistivity of different metals.

2 實 驗

本實驗選用的樣品是利用金屬有機物化學(xué)氣相沉積工藝在藍(lán)寶石(0001)面上生長的n型GaN薄膜.室溫下通過霍爾測量表明n型GaN樣品的載流子濃度約為2.39×1019cm-3,載流子遷移速率約為128 cm/(V·s),電阻率為1.98×10-4Ω·cm.

在本文中,測量電極歐姆接觸比接觸電阻率使用的是圓點型傳輸線模型(dot CTLM),具體結(jié)構(gòu)如圖2所示.它是由8個半徑為60 μm的內(nèi)圓和不同半徑的外圓所組成,外圓半徑與內(nèi)圓半徑的差值分別為5,10,15,20,25,30,35,40 μm.

圖2 實驗中用到的圓點型傳輸線模型(dot CTLM)結(jié)構(gòu)Fig.2.The scheme of dot circular transmission line model(dot CTLM) in this experiment.

歐姆接觸的樣品處理過程如下.

1) 劃片：將大小為4英寸的n型GaN原片進(jìn)行激光劃片,切割成為多片尺寸為1.5 cm×1.5 cm的正方形小片.

2) 表面清洗：樣品先分別在丙酮,無水乙醇,去離子水中各超聲清洗15 min以去除有機物與表面顆粒.隨后使用兩步法清洗樣品,將樣品置于SC1溶液(NH4OH∶H2O2∶H2O=1∶1∶5)中煮沸10 min以去除表面氧化物,置于SC2溶液(HCl∶H2O2∶H2O=1∶1∶5)中煮沸10 min以去除堿性物質(zhì)以及過渡族金屬.樣品取出后用去離子水沖洗3 min,最后將樣品分別在丙酮、無水乙醇、去離子水中超聲清洗各15 min,氮氣吹干.

3) 光刻：制備好光刻掩膜版,按照UV光刻法工藝標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行操作.涂膠→前烘→光刻→顯影→底膜處理.在本文的實驗中,使用的光刻膠為負(fù)膠.

4) 電極的制備：將樣品送至磁控濺射反應(yīng)室中,通過磁控濺射工藝依次濺射Hf/Al (30/300 nm)、Ti/Al (30/300 nm)的金屬電極薄膜.

5) 剝離：使用丙酮超聲清洗蒸鍍有電極的樣品,并隨時使用顯微鏡進(jìn)行觀測,超聲至附有光刻膠的區(qū)域完全剝離為止.之后將樣品分別置于無水乙醇、去離子水中各超聲清洗15 min,氮氣吹干.

6) 快速熱退火：將所有樣品分為三組,確保每一組都有不同體系的電極.分別在650 ℃,N2氛圍下退火60 s以及在850 ℃,N2氛圍下退火30 s,另一組樣品不進(jìn)行退火處理.

3 結(jié)果與討論

在室溫下測量了Ti/Al,Hf/Al樣品分別在N2氛圍中650 ℃退火60 s與850 ℃退火30 s的I-V特性曲線,測試中電極之間的距離為10 μm.如圖3所示.

圖3 不同退火條件下Ti/Al,Hf/Al樣品間距為10 μm的電極之間的I-V曲線Fig.3.I-V curve between Ti/Al,Hf/Al pads with 10 μm spacing anneales at different condition.

從圖3可以看出,所有樣品的I-V曲線均表現(xiàn)出了歐姆接觸特性.其中,在N2氛圍中進(jìn)行650 ℃退火60 s的Hf/Al電極樣品具有最低的電阻.

根據(jù)dot CTLM模型測試原理,測量計算出了各種材料電極在不同退火條件下的比接觸電阻率,列于表2.

由表2 Ti/Al,Hf/Al電極樣品在不同退火條件下的比接觸電阻率可知：Hf/Al電極在沒有退火的情況下比接觸電阻率為1.21×10-4Ω·cm2,在650 ℃的退火條件下比接觸電阻率為4.28×10-5Ω·cm2,在850 ℃的退火條件下比接觸電阻率為1.13×10-4Ω·cm2; Hf/Al電極在低溫退火(650 ℃)條件下具有更好的歐姆接觸性能; 而Ti金屬電極,Ti/Al電極樣品在650 ℃的退火條件下比接觸電阻率為5.85×10-5Ω·cm2,當(dāng)退火溫度為850 ℃時,比接觸電阻率為1.27×10-4Ω·cm2.在相同的退火溫度下,Hf/Al比Ti/Al有更低的比接觸電阻率.

表2 各電極樣品在不同退火條件下的比接觸電阻率Table 2.Specific contact resistivity of each electrode sample at different annealing conditions.

對650 ℃退火條件下的Hf/Al樣品進(jìn)行了深度剖析的AES測試.圖4顯示了在650 ℃條件下退火前后Hf/Al電極與n型GaN材料中各種元素的深度分布情況.可以觀察到,在650 ℃條件下退火60 s后,兩種金屬材料已經(jīng)混合到了一起,并擴散到了GaN材料當(dāng)中.

這意味著在金屬電極與GaN材料之間的接觸界面出現(xiàn)了摻雜層,這類似于Ti基金屬電極與n型GaN形成歐姆接觸的原因[26].N原子在退火過程中擴散到金屬層中與Hf-Al合金反應(yīng)生成氮化物,這導(dǎo)致了GaN表面留下了N空位,這些N空位成了GaN的n型施主原子,相當(dāng)于n型摻雜.這有助于形成電阻率較低的歐姆接觸.

圖5展示了不同退火條件下的Ti/Al,Hf/Al電極截面SEM圖像.可以發(fā)現(xiàn),正如文獻(xiàn)記載[12],Ti/Al電極在650 ℃退火條件下的金屬-半導(dǎo)體界面處出現(xiàn)了“空洞”的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象在850 ℃的退火條件下更為明顯.而Hf/Al電極在不同退火條件下的界面處都沒有出現(xiàn)這樣的情況.這種空隙的出現(xiàn),也是導(dǎo)致比接觸電阻率變大的原因.

對850 ℃退火條件下的Hf/Al,Ti/Al電極表面進(jìn)行了SEM表征.圖6為兩種電極Hf/Al,

Ti/Al的表面SEM圖像,可以看出,在850 ℃條件下退火的兩種電極表面均表現(xiàn)出了顆粒狀的形貌,且在粗糙程度上并沒有太大差異.這與文獻(xiàn)中記載的“在高溫退火條件下,電極表面會變得粗糙”表述一致,這種粗糙的表面對GaN器件的電學(xué)性能有一定的影響.

圖4 Hf/Al電極樣品深度剖析的AES圖 (a)未退火; (b) 650 ℃退火60 sFig.4.AES depth profiles of Hf/Al electrodes：(a) No annealing and (b) after annealing at 650 ℃ for 60 s in N2 ambient.

圖5 各電極的截面SEM圖像 (a) Hf/Al,650 ℃; (b) Hf/Al,850 ℃; (c) Ti/Al,650 ℃; (d) Ti/Al,850 ℃Fig.5.Cross-sectional SEM image of each electrode：(a) Hf/Al,650 ℃; (b) Hf/Al,850 ℃; (c) Ti/Al,650 ℃; (d) Ti/Al,850 ℃.

圖6 各電極在850 ℃條件下退火的表面SEM圖 (a) Hf/Al; (b) Ti/AlFig.6.SEM image of each electrode annealed at 850 ℃ condition：(a) Hf/Al; (b) Ti/Al.

4 結(jié) 論

研究了以過渡難熔金屬Hf為基礎(chǔ)的Hf/Al歐姆接觸電極,較之Ti基金屬體系Ti/Al電極,在同樣的退火條件下,Hf/Al電極展現(xiàn)出了更好的歐姆接觸特性,有更低的比接觸電阻率.而在N2氛圍中低溫(650 ℃)條件下退火30 s,Hf/Al電極與n型GaN之間的比接觸電阻率達(dá)到了最小的4.28×10-5Ω·cm2,實現(xiàn)了低溫退火條件下的歐姆接觸.深度剖析的AES表明,退火后的Hf/Al電極中,金屬-半導(dǎo)體之間發(fā)生了固相反應(yīng),這是形成較低比接觸電阻率的主要原因.同時,Hf/Al電極在經(jīng)歷不同溫度的退火之后,金屬-半導(dǎo)體界面處并沒有出現(xiàn)空洞現(xiàn)象,這也導(dǎo)致了較低的歐姆接觸電阻.對高溫(850 ℃)條件下退火的Hf/Al,Ti/Al電極表面進(jìn)行了SEM表征,發(fā)現(xiàn)兩種電極均出現(xiàn)了相似的顆粒狀粗糙表面.這種粗糙的表面對GaN器件的電學(xué)性能有一定影響.