（微电子学与固体电子学专业论文）p型gan欧姆接触特性研究.pdf

摘要 摘要 g a n 由于其优越的物理性质和在高温高频大功率电子器件中的应用潜力，近 年来一直得到了许多研究者的青睐。尤其是当p - g a n 材料生长的研究获得很大进 展后，双极器件和光电器件受到更多的关注。在理论研究、材料生长和器件制造 等方面都有了巨大的进展，但是仍然没有实现产业化，归根到底，是因为工艺技 术还不够成熟，影响到器件的性能、可靠性等各项指标。因此，很多关键的工艺 技术还有待于进一步优化和提高。本文正是在这种背景下，对p g a n 材料欧姆接 触这项关键工艺，从理论和实验上进行系统详尽地研究。主要研究工作和成果如 下： l 、从理论上研究了p - g a n 材料欧姆接触的形成机制，确定了实验中所需要的 测试欧姆接触比接触电阻率的测试模型。 研究并说明了在实际中利用隧道原理制作欧姆接触，其遵循场发射理论，得 出通过提高半导体材料掺杂浓度来减小势垒层厚度这一原理。分析了测试比接触 电阻率的几种模型，比较其优缺点，选择一种适合本论文研究的测试模型。 2 、成功地对实验中p - g a n 材料样品进行微分析。 g a n 器件不同于硅半导体器件，它的材料层的掺杂都是原位的，因此对于g a n 器件来说，材料生长是关键环节，是优化欧姆接触工艺的前提。本文详细介绍了 p - g a n 材料生长的工艺流程，对所生长出的材料进行了多种微分析( x d s 、x p s 、 透射谱) 。研究了材料的结晶质量，表面粘污，以及生长元素含量比。 3 、成功优化了p - g a n 欧姆接触制作工艺条件。 本文中，使用圆点型传输线模型制作p - g a n 欧姆接触，并且详细研究了欧姆 接触的制作工艺流程。在分析n i a u 接触原理的基础上，通过大量的实验，得出 一系列优化的条件，包括材料激活条件、金属淀积比例、合金退火的条件，以及 有效的表面处理方法。测试结果表明，欧姆接触电阻率从l o 。2 量级下降到了1 0 。3 量 级，有了明显的改善。 4 、此外，还研究了i c p 刻蚀p g a n 表面的欧姆接触。 g a nh b t 制作中，已刻蚀p 型g a n 表面金属接触的非欧姆特性是严重影响器 件特性的因素。论文针对此问题重点研究了刻蚀表面的p - g a n 欧姆接触。一方面 利用a f m 和x p s 分析了刻蚀对表面的影响；另一方面还通过实验摸索了修复并 降低刻蚀损伤、提高欧姆接触特性的方法。 关键词：p - g a n ，欧姆接触，n i a u ，异质结双极晶体管，刻蚀损伤 a b s t r a c t a b s t r a c t c u r r e n t l y t h e r ei ss t r o n gi n t e r e s ti nt h ed e v e l o p m e n to f g a l l i u mn i t r i d e ( g a n ) d u e t ot h e i rs u p e r i o rp h y s i c sp r o p e r t i e sa n dp o t e n t i a li nh i g h - t e m p e r a t u r e ，h i g h - f r e q u e n c y a n dh i g h p o w e re l e c t r o n i ca p p l i c a t i o n s e s p e c i a l l y , w h e nt h er e s e a r c h e so fp - g a n g r o w i n gs u c c e e d ，b i p o l a rd e v i c e sa n do p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sh a v eb e e n m u c ha a e n d e d a l t h o u g hg r e a tp r o g r e s sh a sb e e nm a d ef o rt h et h e o r yr e s e a r c h ，m a t e r i a lg r o w i n g ，a n d d e v i c ep r o c e s s ，i ts t i l lc a n tr e a l i z ei n d u s t r i a l i z a t i o n ，b e c a u s eo ft h ep r o c e s sl i m i t a t i o n s t h e yi n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t y o fd e v i c e s t h e r e f o r e ，m a n yk e y t e c h n i q u e ss h o u l db eo p t i m i z e da n di m p r o v e d u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h ep a p e rs t u d ) , o no h m i cc o n t a c t so np - g a nt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y t h em a j o ra c h i e v e m e n t s a r el i s t e d 1 、t h ef i r s tp a r to ft h i sw o r kc o n c e n t r a t e so nt h eb a s i cm e c h a n i s m so fo h m i c c o n t a c t so np - g a nm a t e r i a l t h em e a s u r e m e n tm o d e li sd e c i d e dt om e a s u r es p e c i f i c c o n t a c tr e s i s t i v i t yi ne x p e r i m e n t s a c t u a l l y ，o h m i cc o n t a c t sc a l lb em a d eb yt u n n e lp r i n c i p l e ，w h i c hf o l l o wt h ef e t h e o r y t h eb a r r i e rh e i g h tc a nb ed e c r e a s e db yh i g hd o p i n go fs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l t h r e el i n et r a n s m i s s i o nm o d e l sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d a n dt h eo n es u i t a b l es h o u l d b ec h o s e n 2 、p - g a nm a t e r i a l sa r ea n a l y z e db ym a n ym i c r o a n a l y t i ct e c h n i q u e s g a n b a s e dd e v i c e sa r ed i f f e r e n tf r o ms i s t ot h ef o r m e r ，t h eg r o w t ho fm a t e r i a li s i m p o r t a n tp r o c e s ss i n c et h e ya r ei n - s i t ud o p e d t h ea n a l y s i so fm a t e r i a l si s f o u n d a t i o n o nr e s e a r c ho fd e v i c e s t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eg r o w i n gp r o c e s sf l o wo fp - g a n m a t e r i a li nd e t a i l ，a n da n a l y z e st h e s em a t e r i a l su s i n gm a n ym i c r o - a n a l y t i ct e c h n i q u e s ， s u c ha sx d s ，x p sa n dt r a n s m i s s i o ns p e c t r a t h ec r y s t a lq u a l i t y ，s u r f a c ec o n t a m i n a t i o n s a n de l e m e n tc o n t e n ta r ed i s c u s s e d 3 、t h ep r o c e s s e so fo h m i cc o n t a c t so np - g a na r eo p t i m i z e d i nt h i sp a p e r ，t h eo h m i cc o n t a c t so np - g a na r ef a b r i c a t e du s i n gt h ed o tc t l m p r o c e s sf l o wi sa l s oi n t r o d u c e di nd e t a i l b a s e do nt h ea n a l y s i so fn i a uc o n t a c t p r i n c i p l e ，as e r i e so fc o n d i t i o n s a r eo b t a i n e db ym a n ye x p e r i m e n t s ，s u c ha sm a t e r i a l a c t i v ec o n d i t i o n ，m e t a lt h i c k n e s s ，a n n e a lg a sa n dt i m e ，a n de f f e c t i v es u r f a c et r e a t m e n t s i ti ss h o w nt h a tt h es p e c i f i cc o n t a c tr e s i s t a n c ei sr e d u c e df r o m10 。t o10 一t h e p e r f o r m a n c eo f o h m i cc o n t a c t so np - g a ni si m p r o v e do b v i o u s l y 4 、t h eo h m i cc o n t a c t so np g a ne t c h e db yi c pa r ea l s od i s c u s s e d p 型g a n 欧姆接触特性研究 i nt h ef a b r i c a t i o no fg a n h b t ，t h en o n - o h m i cc o n t a c tt oe t c h e dp - g a ni se s s e n t i a l f o rt h er e a l i z a t i o no fd e v i c e t ot h i sp o i n t ，t h ec o n t a c tm e c h a n i s mo np - g a ne t c h e db y i c pi sd i s c u s s e d t h ei n f l u e n c e so fe t c h i n gt os u r f a c ec a nb ea n a l y z e db ya f ma n d x p s ；o nt h eo t h e rh a n d ，t h em e t h o d so fr e p a i r i n ga n dr e d u c i n gt h ee t c h i n gd a m a g ea r e a l s od i s c u s s e d ，w h i c hc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fo h m i cc o n t a c t s k e y w o r d ：p - g a n ，o h m i cc o n t a c t ，n i a u ，h b t ，e t c hd a m a g e 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：墨生垒 本人承担一切相关责任。 日期： 亿筮：主z ：兰三 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学和中国科学院 微电子研究所。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位 仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论 文：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。( 保密论文在解密后应遵守此规定) 本人签名：量於 导师签名： 日期：垒盆：芝匕。至圭 f 桁醐2 獬 第一章绪论 第一章绪论 随着科学与技术发展的日新月异，以硅( s i ) 为代表的传统半导体材料已经逐 渐不能满足人们对现代信息技术同益提高的各种要求。全色显示、高密度存储、 海量光通信、新一代微波通信、高带宽无线传输、大功率微波收发组件、更高速 度的处理器等领域迫切需要新型器件，如波长更短的l e d 、l d 器件、功率密度更 高的微波功率器件、频率更高的射频器件等。而要满足以上新型器件的种种苛刻 要求，必须寻求全新的、性能更加优越的半导体材料。以氮化镓( g a n ) 为代表的 第三代宽禁带半导体材料j 下是在这种情况下应运而，土【1 卜1 j 】。 1 1 p - g a n 欧姆接触的研究意义 1 1 1g a n 材料的优势 g a n 是继第一代s i 、锗( g e ) 和第二代砷化镓( g a a s ) 、磷化铟( i n p ) 等材 料以后的第三代新型半导体材料，具有直接带隙、大禁带宽度、高临界场强、高 热导率、高载流子饱和速度、高异质结界面二维电子气浓度等特性，其品质因数 远远超过了s i 和g a a s ，因而成为制造高功率、高频电子器件、短波长光电子器件、 高温器件和抗辐射器件等最重要的半导体材料。表1 1 总结了g a n 与其他主要半 导体材料系统相比出众的材料特性。 表1 1 半导体材料的物理性质 禁带宽度e g 迁移率饱和速度吃 击穿场强e 占 带隙 材料 ( e v ) ( c m 2 i v s ) ( 1 0 7c m s ) ( 1 0 6v l c m )类型 s i1 11 5 0 01 0o 3 间接 g a a s1 48 5 0 01 00 4 直接 4 h s i c3 37 0 02 o2 o 间接 g a n3 49 0 01 5 3 3直接 为了说明半导体材料特性对器件的影响，常用品质因数表示所选材料的优势。 品质因数( f o m ：f i g u r eo fm e r i t ) 表征器件特性的理论极限，给出一种比较器件 性能并凸现它们的不足、评估器件设计及工艺水平的准绳，也表示这种材料在提 高器件陛能方面的潜力。 a ) j o h n s o n 品质因数j f m 1 6 】( j o h n s o n sf i g u r eo f m e r i t ) ： j f m = e y ，2 刀( 1 1 ) 其中e 。是临界电场，v ，为载流子饱和漂移速度。 p 型( s a n 欧姆接触特性研究 j o h n s o n 品质因数表征材料在高频高功率方面的应用潜力。 b ) b a l i g a 品质因数b f o m t l 7 】( b a l i g af i g u r eo f m e r i t ) ： b f o m = 占e 。 ( 1 - 2 ) 其中占是半导体介电常数，是迁移率，e 。，是禁带宽度。 b a l i g a 品质因数主要从如何将功率f e t 的电导损耗降到最低的角度考虑。它 假定功率f e t 中电流流过开念电阻产生的功率损耗是功率f e t 唯一的损耗。因此， b f o m 仅适用于低频下的工作系统，在那里电导损耗占优势。考虑到在高频应用 时的转换损耗，b a l i g a 又提出了功率f e t 的高频品质因数b h f f o m 。转换功率损 耗是指输入电容在每一个周期内充放电引起的损耗。 c ) 高频高功率综合品质因数c f o m 1 8 1 ( c o m b i n e df i g u r eo f m e r i t ) ： 删2 丙2 瓦e u v , e c ( 1 - 3 )u 掣v 。e c k 。m 式中，五是热导率，占是半导体介电常数，是迁移率，e 。是临界电场，l ，。为载 流子饱和漂移速度。 高频高功率综合品质因数表征了材料在高频高功率方面的综合能力。表1 2 给 出了不同材料的各种品质因数对比。从中可以看出，g a n 和s i c 材料的性质远优 于s i 和g a a s 。 表1 2不同材料的各种品质囚数对比 材料 j f mb f o m s i1 01 0 g a a s3 59 6 6 h s i c6 0 03 1 g a n8 0 o2 4 6 1 1 2 p - g a n 材料相关器件研究进展 理想的n 型与p 型材料是各种半导体材料得以应用的前提，是各种半导体器 件得以构造的基础。目前对g a n 材料的研究集中在以h e m t 、h f e t 等器件为代 表的电子导电器件上，它们通常利用g a n 材料和a i g a n 材料的极化效应与异质结 效应柬获得具有高电子迁移率的二维电子气来实现的，仅用n 型材料即可。但是 对于其它的器件，p 型材料显示出很重要的作用，例如，具有巨大研究与应用潜力 的异质结双极晶体管( 1 9 1 1 1 1 ( h b t ：h e t e r j u n c t i o nb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 器件和目前已 丌始大规模进入市场化阶段的g a n 蓝光二极管( l e d ：l i g h t e m i t t i n gd i o d e ) 器件 1 2 叫1 4 l ，都需要性能优良的低电阻率、高空穴浓度的p - g a n 材料。 图1 1 是g a nh b t 常用的结构示意图。 第一章绪论 l l g f a n n a l g 图1 1 g a nh b t 常用结构示意图 h b t 的发射区采用宽禁带材料，基区和集电区采用窄禁带材料。由于发射区 材料和基区材料的禁带宽度不同，h b t 在异质界面处存在导带不连续和价带不连 续。价带不连续阻挡基区空穴向发射区反向注入，所以h b t 的电子注入效率和电 流增益大大提高。 h b t 基区掺杂浓度升高可以大大减小基区电阻，从而提高丌关速度和最高振 荡频率厶。而且基区高掺杂可以减弱基区宽度调制效应，降低谐波失真。h b t 的基区很薄，可以减少电子的渡越时间，从而进一步提高h b t 的开关速度和最高 振荡频率厶。发射区掺杂浓度降低可以减小单位面积的结电容，从而降低h b t 的噪声。因此，h b t 具有很高的开关速度，高的截止频率，高的电流增益和高的 输出功率。 此外，g a nh b t 与g a nh f e t 相比具有一些重要的潜在优势，如高跨导、可 控的线性度、特征频率( 厶，) 和击穿电压之间可控的折中1 5 】。 鉴于g a nh b t 独特的优势，国内外有大量的研究。但是只是处于初步阶段， 在材料生长和器件工艺制造方面都存在大量的问题。从图1 1 可以看出，g a nh b t 器件通过刻蚀台面引出电极。发射区台面、基区台面、集电区台面以及隔离台面 图形都要由干法刻蚀工艺完成，电极通过欧姆接触来实现。但是由刻蚀引起的表 面损伤i i 3 4 1 导致n 空位形成，使得p 型欧姆接触比较困难，严重影响了器件的性能。 所以在g a nh b t 器件研究中，基区欧姆接触是关键之处，也是众多研究者关注的 焦点。 g a n 基材料是一种理想的短波长发光器件材料，是直接跃迁型，具有优良的 光学性能，可以作出高效率的发光器件。随着合金组份的改变，其禁带宽度可以 从i n n 的1 9 e v 连续变化到g a n 的3 4 e v ，再到a 1 n 的6 2e v ，这相当于覆盖光谱 中整个可见光及远紫外光范围。 p 型g a n 欧姆接触特性研究 自从1 9 9 1 年r 本研制出同质结g a n 蓝光l e d 之后，a 1 g a n i n g a n 双异质结 超高高亮度蓝光l e d 、i n g a nl e d 相继问世。目前，2 c d 和6 c d 单量子阱g a n 蓝 光和绿光l e d 已进入大批量的生产阶段，从而填补了市场上蓝光l e d 多年的空白。 蓝色发光器件再高密度光盘的信息存取、全光显示、激光打印机等领域有着巨大 的应用市场。 g a n 材料是制造紫光和紫外光大功率短波长耐高温器件方面是理想的材料。 它对于波长大于3 6 5 n m 的可见光和红外光是不敏感的，而对于波长小于3 6 5 n m 紫 外光却有大的光响应，而且g a n 比其它i i i v 族氮化物有更大的电子迁移率，在相 同紫外光照射下产生更大的光电流，从而使得探测器有更高的灵敏度。因此，g a n 是制作紫外探测器的理想材料。 p - g a n 调制结构 n 电极 n g a n _ i g a n 缓冲层 蓝宝千i 衬底 图1 2 g a nl e d 基本结构不恿图 图1 2 是g a nl e d 基本结构示意图。通过欧姆接触引出n 型和p 型电极，在 这罩p 型欧姆接触至关重要，直接影响了l e d 的电学性f j - , 匕e , 和光学性能。 综上所述，有必要对p - g a n 欧姆接触进行详细地研究，对其相关的工艺进行 优化。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 p - g a n 欧姆接触研究中存在的问题 g a n 材料具有致密的六角纤锌矿结构，g a 原子和n 原子形成的共价键具有较 强的能量，因此g a n 材料研究进展多年来一直很缓慢。直到1 9 8 9 年h a m a n o l l 1 6 j 等人发明了利用低能电子束照射的方法对生长好的g a n 样品进行处理，g a np 型 掺杂研究才有的突破性进展。p 型掺杂的主要掺杂剂是m g 。 实现p - g a n 欧姆接触的难点有以下几个方面： 第一章绪论 ( 一) p - g a n 载流子浓度不高。首先要面对的问题是如何降低无意识引入的n 型背景载流子的浓度。它的产生机制有多种理论：早期研究认为，g a n 材料在生 长时引入的氮( n ) 空位造成的【，而n 空位是由材料在高温生长时热分解形成 的，这一点可以在本文中第三章的x p s 分析证明；后来的研究认为，替位式氧( o ) 在g a n 中的形成能较低并且能形成浅施主态，成为n 型背景载流子主要来源【l 1 8 】； 还有研究认为，n h g a 复合体形成，g a 原子会出现悬挂键，导致n 型背景载流子 的形成9 1 。 m g 杂质的激活是面临的又一个重点问题。这是因为：用m o c v d 技术生长 p - g a n 时，受主m g 原子在生长过程中被h 严重钝化，大大提高了受主元素的激 活能，导致离化率进一步降低，材料空穴浓度很低【l 。2 们。研究表明，m g 在g a n 基 材料中的激活能为：0 1 6 0 2 1 e v 。为了获得性能良好的p 型材料，人们研究了 m g h 复合体的钝化效应，受主激活机理【1 2 1 】【1 2 2 】等。研究结果表明，只有经过适当 激活处理才能获得可用的p - g a n 材料，否则是高阻念的。通常采用的方法有：低 能电子束照射( l e e b hl o we n e r g ye l e c t r o nb e a mi r r a d i a t i o n ) 和热退火( r t a ：r a p i d t h e r m a la n n e a l i n g ) 。 l e e b i 的作用原理剧6 】：通过电子束照射屏蔽掉m g h 复合体中h 原子对 m g 原子的影响，进而打破m g h 复合体，提高m g 原子的离化率。受到低能电子 束的照射后，g a n 材料中将会产生大量的电子与空穴对，这些电子、空穴会聚集 于m g h 复合体的附近，其中电子将会和呈j 下电性的h 原子相互中和，产生中性 的h 原子，这些中性的h 原子将失去对m g 原子的束缚能力从而激活受主m g 。 r t a 1 2 3 】的机制是m g h 复合体在退火时会发生热分解，分解后的h 原子有一 部分会与氮气发生反应被带出g a n 材料，一部分没有被带出的h 原子在退火温度 下降后会再次形成m g h 复合体。温度越高m g h 复合体的分解越充分，h 原子被 带出g a n 材料的比率也会越大。但是高的退火温度同样会引起g a n 外延层的分解， 形成大量的氮空位并且受主m g 也会有一部分扩散出g a n 材料。 ( 二) 缺少一种合适的接触金属。根据金半接触势垒模型，势垒高度与金属 功函数、材料的电子亲和能有关系。金属与p 型半导体接触，假设金属功函数大 于半导体的功函数，即形， 矿，不考虑表面态的影响，可以形成反阻挡层，实现 欧姆接触。g a n 的禁带宽度为3 4 e v ，电子亲合能大约为4 o e v ，而功函数最大 的会属p t 只有5 6 5e v 。除此之外，金属化工艺条件也会影响p - g a n 接触电阻。 ( 三) g a n 表面具有化学活性，容易吸收氧原子，从而在表面形成一氧化层。 通常有一自然的绝缘氧化层，包含g a 2 0 3 和c 杂质。这氧化层增加了额外的势 垒高度，阻碍载流子从金属到半导体的输运，从而使欧姆接触电阻率增加。需要 有一种有效的方法去除表面沾污层和氧化层。 物理去除的方法有辉光放电和溅射等，但是效果不佳，更常用的方法采用化 6 p 型g a n 欧姆接触特性研究 学腐蚀预处理。 ( 四) 若在刻蚀后的表面制作欧姆接触，特性会变差。刻蚀造成的损伤导致n 空位形成，p 型欧姆接触更加困难。 想要获得高质量的p 型欧姆接触，就要一一解决上述的问题。这对提高器件 性能、可靠性，都具有很重要的意义。 1 2 2 p - g a n 欧姆接触研究进展 鉴于其重要的意义，国内外大量研究人员致力于提高p - g a n 材料欧姆接触特 性。如表1 3 中，列出了近几年研究报道值。 表】3 p - g a n 材料欧姆接触的相关文献报道总结表 载流子浓度比接触电阻率 金属表面处理方法合金热退火 ( c m 一3 )( f 2 c m 2 ) n i au 【l2 4 】4 6 1 0 1 7 h c i ：h 2 0 ( 1 ：1 ) 4 0 0 n ，3 3 1 0 2 n i p t a u l l 2 5 9 4 1 0 1 6b o e 5 0 0 a r 2 1 1 0 2 p t l l2 6 】1 8 1 0 7 b o e 洲h 4 ) 2 5 。 朱退火 2 0 1 0 3 n i a u l l2 7 】2 9 x1 0 1 7 h c i ：h n 0 3 ( 3 ：i ) 6 0 0 n ， 3 6 1 0 4 n i a u 【12 8 j3 0 1 0 7 h c i ：h 2 0 ( 1 ：1 ) 4 5 0 n ，1 7 1 0 2 n i p d a u 【1 2 9 14 1 10 5 0 0 o ，1 0 1 0 4 n i a u 3 0 】3 6 1 0 7b o e5 0 0 n ，2 5 l o q n i a u i 3 1 】 1 4 1 0 1 7 热h c i ：h n 0 3 ( 3 ：1 ) 6 0 0 n ，o ，9 8 1 0 4 p d a u t 3 2 14 4 1 0 1 6 煮沸h c i ：h n 0 3 ( 3 ：1 ) 朱退火 2 0 l o 。4 p d i 3 3 13 0 1 0 1 7 a c c t o n e h f i s o p r o p a n o l 4 5 0 a r ，h ， 0 2 n i a u l l3 4 12 0 1 0 1 7 h c i ：h 2 0 ( 1 ：1 )5 0 0 人气 4 0 1 0 4 n i i t o 13 5 j2 0 1 0 1 7 h c i ：h n 0 3 ( 3 ：1 ) 6 0 0 人气8 6 1 0 一 p t i l3 6 1 7 0 1 0 1 75 0 0 n ，1 8 1 0 6 1 3 本论文主要的研究工作 本文的研究是在国家重大基础研究( 9 7 3 计划) 等项目支持下丌展的。会属和 p - g a n 材料的欧姆接触对于g a n 电子器件和光电器件性能有着非常大的影响。本 文系统研究了材料因素和工艺因素对欧姆接触的影响，在分析这些因素影响机理 的基础上，通过实验摸索出了一系列提高欧姆接触性能的方法，优化了欧姆接触 工艺，使得比接触电阻率有了明显降低。 研究了刻蚀材料表面对欧姆接触的影响， 特性。具体的内容安排如下： 同时基于异质结双极晶体管( h b t ) ，也 通过实验去除刻蚀损伤来提高欧姆接触 第一章绪论 第一章为绪论，介绍了g a n 材料优势，以及p - g a n 相关器件的研究进展。并 且详细说明了p g a n 欧姆接触研究中存在的问题，总结了国内外的研究成果。 第二章主要介绍了欧姆接触理论和测试方法。说明了欧姆接触形成的两种主 要机制：势垒模型和隧道模型。并对测试欧姆接触比接触电阻率的传输线模型 ( t l m ) 、圆形传输线模型( c t l m ) 和圆点型传输线模型( d o tc t l m ) 详细介绍 其测试原理，比较其优缺点，选择一种合适本文研究的测试方法。 第三章主要介绍了p g a n 材料生长和材料的多种表征方法。材料质量是研究 欧姆接触的前提，所以在本章中给出了材料生长机理、结构和流程，对生长出的 材料进行x r d 、x p s 以及透射谱分析，来证明材料的质量好坏。 第四章重点研究了p - g a n 欧姆接触工艺。通过大量实验系统地对工艺条件进 行优化，首先是p 型材料的激活条件，然后是接触金属比例及合金退火条件，再 有是材料表面处理。得出一套优化的欧姆接触工艺，实现低的比接触电阻率。 第五章重点研究了p - g a n 刻蚀表面的欧姆接触。利用x p s 和a f m 微分析方 法说明刻蚀对表面的影响，并且通过实验去除干法刻蚀造成的损伤，来提高欧姆 接触特性。 最后的第六章为本论文的结论。 第二章欧姆接触基本理论 第二章欧姆接触基本理论 9 一 欧姆接触定义为相对于半导体的体电阻或扩展电阻而言其接触电阻可以忽略 的会属一半导体接触【2 。理想的欧姆接触的接触电阻应对于器件性能影响不大， 当有电流流过时，欧姆接触上的电压降应当远小于样品或器件本身的压降，这种 接触不影响器件的伏安特性。在实际应用中欧姆接触有十分重要的作用。半导体 器件一般都要利用金属电极输入或输出电流，这就要求在会属和半导体之间形成 良好的欧姆接触。在超高频和大功率器件中，欧姆接触是设计和制造中的关键问 题之一。 2 1 1 金属一半导体接触 2 1 欧姆接触的基本理论 金属和半导体材料具有不同的功函数，两者接触，在界面处电子浓度梯度， 会发生扩散，直到达到一个平衡状态，即二者具有统一的费米能级【2 2 1 。金属与p 型半导体接触，假设金属功函数大于半导体的功函数，即形， 暇，不考虑表面态 的影响，可以形成反阻挡层，实现欧姆接触，如图2 1 所示。 jl ： ( a ) l e l ) ； 鼠 图2 1 金属与p 型二卜导体接触能带图 e c e x e 。 接触前，尚未达到平衡时的能带图如图2 1 ( a ) 所示。此时令属的费米能级 ( e ) 。低于半导体的费米能级( 。) ，接触后，半导体中的电子向金属中流动，使 金属表面带负电，半导体表面带正电。由于半导体自由电荷密度的限制，这些负 电荷分布在半导体表面相当厚的一层表面层内，即空间电荷区。空i 、日j 电荷区存在 由半导体指向金属的电场，因此造成半导体中的能带向上弯曲。这里的空穴浓度 比体内大的多，因而是一个高电导的区域，称之为p 型反阻挡层，如图2 1 ( b ) 所 示。半导体表面与内部之问存在电势差，即表面势以 呸眇g ) 一e 彤出 ( 2 - 3 ) 隧穿几率的大小，取决于势垒的高度和厚度。对于有限的势垒高度，只要势 垒足够薄就可以有高的隧穿几率。 第二章欧姆接触基本理论 e 。是隧道效应种的一个重要参数，它决定了电子输运属于哪一范畴，其表达 耻差( 丧) 2 陋4 ， 式中所是半导体的有效质量，s = f - s e 。是介电常数，是施主杂质浓度。 当e 0 0 k t ，是场发射机理；e 0 0 k t ，是热电子一场发射机理； 1 5 m r 2 ) 清 洗，氮气吹干； ( 4 ) 涂胶：先涂黏附剂，然后再涂一层正性光刻胶； ( 5 ) 前烘； ( 6 ) 光刻：光刻图形； ( 7 ) 显影：使用正性显影液，并用去离子水清洗，氮气吹干： ( 8 ) 底膜处理：先用等离子去胶机，再用化学试剂彻底清除未显影掉的光刻 胶； ( 9 ) 蒸发p 型电极：用电子束蒸发淀积一定厚度金属到材料表面； ( 1 0 ) 剥离：丙酮溶液超声剥离圆环，并清洗，氮气吹干； ( 1 1 ) 合金：快速退火炉高温处理，实现金属合金化； ( 1 2 ) 测试：先估测，用参数分析仪h p 4 1 5 6 两探针测i - v 特性，然后采用四 探针测试法，消除探针与样品之间的接触电阻和接触电势带来的影响。 4 2 材料热退火对欧姆接触的影响 p - g a n 材料发展不成熟，严重制约了相关器件的研究进展。器件性能也因p 型掺杂的问题受到严重影响】。 3 4 - 一 p 型g a n 欧姆接触特性研究 本文重点研究了热退火( r t a ) 对p - g a n 材料的影响。实验中采用大气和氮 气两种氛围对p - g a n 材料进行了激活，并进行了室温下的霍尔h a l l 测试。实验研 究了退火氛围和退火温度对p - g a n 的欧姆接触结果的影响。 4 2 1 霍尔( h a l l ) 测试 本文中退火采用r t p 5 0 0 型快速退火设备，通过卤钨灯产生的光辐射加热样 品，退火时以s i 片作为加热热源衬托，样品外延层面朝上放于s i 片上，用热电耦 测温，温度波动范围小于5 。 通过室温h a l l 测试，研究了退火氛围和温度对m g 掺杂p - g a n 材料的电阻率、 和空穴载流子浓度的影响。 本文使用的是改进后的v a nd e rp a u w 方法。使用一个完整的薄片型样品，样 品四个角上制作有四个非常小的欧姆接触电极。电阻率测试的目的是确定方块电 阻r ，首先测得两个特征电阻尺爿和r 口，测试方法如图4 1 所示。然后代入v a nd e r p a u w 方程求出方块电阻r 。的值g e x p ( - n r g ，) + e x p ( - x r 8 r 。) = l ( 4 1 ) 再由r 。求出材料的体电阻率t ，= r ，d( 4 2 ) k 4 r 一= 圪，如 r 占= k 4 ，2 3 图4 i v a nd e rp a u w 法测量特征电阻r 爿和r 占的原理 h a l l 效应测试原理：通电导体置于磁场中，若磁场的方向与电流方向垂直， 则在导体内会产生一个垂直于电流与磁场方向的电场。不同类型的载流子会在洛 仑兹力作用下运动的方向不同，由此产生正负相反的h a l l 电压，根据这一特性判 断半导体是p 型还是n 型。并且用范德堡法可测得方块电阻率。 根据h a l l 效应，可以计算出导电薄层的载流子浓度，首先由洛仑兹力和电场 力平衡得到： q e 村= q v 。b ， 第四章p - g a n 材料欧姆接触 i j ： 乜2v j 6 【4 。j ) 其中，e 为电场强度，b 为磁场强度，以为载流子速度。 i = a n q v x , 得到= 南。 ( 4 4 ) + 又因为：e w ，把( 4 1 ) 3 1 1 ( 4 2 ) 代入( 4 3 ) ，并令么：w d 得到： 力= 瓦i 面b ， ( 4 1 5 )力= 一， i 一1 弘 、7 其中九为载流子浓席w 为样品存诵申方向的长席d 为材料样品匣序 表4 1x d 4 0 2 3p - g a n 材料退火条件及h a l l 测试统计结果 退火条件电阻率( q c m )空穴载流子浓度( c m 一3 ) 大气5 5 0 c 退火1 0 m i no 5 72 4 9 1 0 1 7 大气6 0 0 退火5 m i n o 3 91 6 7 1 0 1 8 大气7 6 0 c 退火1 0 m i n 0 4 66 8 2 1 0 1 7 氮气7 6 0 退火1 0 m i n o 5 l 7 3 8 1 0 1 7 表4 1 为x d 4 0 2 3p - g a n 材料在不同退火条件下的h a l l 测试结果。可以看出， 在大气氛围下退火比在氮气中退火能更好地激活杂质。这是因为：大气中的o 在 高温下可以和m g h 复合体中的h 结合，从而释放m g 杂质。但是从表中可以看 n - 在大气氛围7 6 0 中退火，材料的空穴载流子浓度比较小。这是因为大气中的 o 也可能与g a 形成g a 的氧化物，降低了受主浓度。 随着大气中退火温度的上升，材料电阻率会减小、空穴载流子浓度增大。当 温度达到一定值时，再继续增大，电阻率反而会增大。这是因为随着温度的升高， 进一步打破m g h 复合体，很大程度上消除了h 对受主的钝化作用，使大量的受 主m g 激活，由深施主能级跃迁到m g g 。受主能级【4 引。但是退火的温度继续上升或 者时间继续加长，会造成n 原子扩散逸出，留下大量作为施主性质的n 空位，因 此电阻率增大。 在大气6 0 0 退火5 m i n 时，材料的电阻率显示出一个最小值，空穴载流子浓 度显示一个最大值。 4 2 2 材料退火对欧姆接触的影响 将以上不同条件退火后的材料，进行欧姆接触的制作，并测试。在这里，只 进行最小间距圆环的两探针测试，估测其i v 特性，进行比较。 p 型g a n 欧姆接触特性研究 图4 2 大气氛围退火欧姆接触i v 特性图图4 3 氮气氛围退火欧姆接触