（材料物理与化学专业论文）gan基材料的欧姆接触及相关器件研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 g a n 基材料的欧姆接触及相关器件研究 摘要 g a n 是直接带隙半导体材料，以其禁带宽度大、电子饱和漂移速度大、熔 7 点i l 采热导率高、抗辐射能力强和化学稳定性好等优点成为制造短波长光发射器 件及高温、高频、大功率电子器件的理想材料。这些光电子器件包括半导体发光 二极管( l e d ) ，激光器( l d ) ，紫外光探测器( u v - d e t e c t o r ) ，金属半导体场效 应晶体管( m e s f e t ) ，高电子迁移率晶体管( h e m t ) ，以及调制掺杂的场效应晶体 管( m o d f e t ) 等。 九十年代以来，在先进制备技术的基础上，g a n 基l e d s 和l d s 分别研制 成功，其中蓝宝石衬底上的l e d s 已经进入了商品化。g a n 基微电子器件也得到 了广泛的关注，取得了一定的研究进展。在国内，g a n 基微电子器件的研究刚开 始起步，制备g a n 分立器件的工艺尚处于探索研究阶段，特别是受a l g a n g a n 二 维电子气材料来源的限制，国内a i g a n g 萄n 基的场效应晶体管的研究开展得较 少，关于肖特基整流二极管的研究更少。i 本论文在系统总结了国内外g a n 材料 制备和器件应用的研究历史和现状的基柚上，对金属与n 型g a n 的欧姆接触进 行了较细致的研究，计算出接触电阻率，并在此基础上制备了a j c r a n 基肖特基 二极管原型器件，向g a n 及其合金的微电子器件研究迈出了重要一步。另一项 主要工作是对石英衬底上多晶g a n 的外延生长进行了研究。 主要工作如下： 1 、研究了a l 单层及t i a i 双层电极与n 型g a n 在不同退火条件下的欧姆 接触情况，并用挖补圆盘法计算出接触电阻率。f 其中t v a l 双层电极与n 型g a n 的接触电阻率最低可达到2 1 7 1 0 。4 q c m 2 。口 、 2 、利用t i a 1 双层电极作欧姆接触，a u 电极作肖特基接触，制造出a 1 g a n _ 。_ 。- 。h _ 。一 基肖特基二极管原型器件。国内首次采用变温i - - v 测试方法对该二极管的 a u a i g a n 肖特基接触的势垒高度进行了标定。经计算，其势垒高度为1 0 8 e v 。 3 、采用金属镓层氮化技术，利用我们自行改造的热蒸发设备和氨气氮化设 备，在无定形石英衬底上生长出具有择优取向的多晶g a n ，取得了一些阶段性 的成果。 浙江大学硕士学位论文g a n 基材料的欧姆接触及相关器件研究 a b s t i 己a c t d u et oi t si n t r i n s i cm e r i t s ，s u c ha sw i d eb a n dg a p ，h i g he l e c t r o ns a t u r a t e dd r i f t v e l o c i t y , h i g hm e l t i n gp o i n t ，g o o dc o e f f i c i e n to ft h e r m a lc o n d u c t i v i t y , a n t i - r a d i a t i o n a n dg o o dc h e m i c a ls t a b i l i t y , g a l l i u mn i t r i d ea sad i r e c tb a n dg a ps e m i c o n d u c t o rh a s b e c o m et h e p r o m i s i n g m a t e r i a lf o rt h e a p p l i c a t i o n o fs h o r t - w a v e l i g h t - e m i a i n g d e v i c e sa n dh i 曲t e m p e r a t u r e ，h i g hf r e q u e n c ya n dh i g hp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s t h e s ed e v i c e si n c l u d e l i g h t e m i r i n gd i o d e ，l a s e rd i o d e ，u v - d e t e c t o r , m e s f e t , h e m t , m o d f e t e t c s i n c e1 9 9 0 s ，o nt h eb a s i so fa d v a n c e dt e c h n i q u e so fm a t e r i a l sp r e p a r a t i o n ， g a n b a s e dl e d sa n dl d sw e r ea c h i e v e d s u c c e s s f u l l y , a n d l e d so ns a p p h i r e s u b s w a t e sh a v ea l r e a d yb e e nc o m m e r c i a l i z e d r e c e n t l yg a n - b a s e dm i c r o e l e c t r o n i c d e v i c e sa t t r a c tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s h o w e v e r , i no u rn a t i o n ，t h er e s e a r c ho n g a n b a s e dm i c m e l e c t r o n i cd e v i c e si si nt h e e a r l ys t a g e ，a n d a g r e a t d e a lo f v e s t i g a t i o n i ss t ln e e d e dt op e r f o r mo ns e p a r a t i v ep r o c e s s e so fg a nd e v i c e s d u et o t h el a c ko fa i g a n g a nh e t e r o j u n c t i o nm a t e r i a l si nt h ec o u n t r y , af e wr e s e a r c h e so n a 1 g a n g a nw e r em a d e ，a n dt h ei n v e s t i g a t i o no ns c h o t t k yr e c t i f i e r si sm u c hl e s s i nt h i sp a p e r , w ef i r s tp r e s e n t e dac o m p r e h e n s i v er e v i e wo ft h er e s e a r c hh i s t o r y a n dc u r r e n ts t a t u so fg a nm a t e r i a lp r e p a r a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o n s o nt h eb a s i so f t h a t , w ec o n d u c t e dad e t a i l e ds t u d yo fo h m i cc o n t a c tr e s i s t i v i t yo fm e t a l - g a n ，a n d a 1 g a n - b a s e ds c h o t t k yb a r r i e rd i o d ew a ss u c c e s s f u l l ya c h i e v e d i na d d i t i o n ，w e r e p o r t e dp o l y c r y s t a l l i n eg a ne p i t a x i e d o ns i l i c ag l a s ss u b s t r a t e s t h em a i nw o r ki n c l u d e st h r e ec o n t e n t sa sf o l l o w i n g s ： 1 、t h es i t u a t i o no fo h m i cc o n t a c ta b o u ta 1e l e c t r o d e ，t i a 1e l e c t r o d eo nn - g a ni n d i f f e r e n ta n n e a l i n gc o n d i t i o n sa l ei n v e s t i g a t e d t h eb e s tc o n t a c tr e s i s t i v i t yo f 删o n n - g a n i sc a l c u l a t e d t ob e 2 1 7 x 1 0 - 4 m m 2b y a d d i n g a n d t a k i n gd i s c m e t h o d 2 、a 1 g a n - b a s e ds b dw a sm a d eu s i n gt “a 1a n da u 觞o h m i c c o n t a c ta n ds c h o t t k y c o n t a c t r e s p e c t i v e l y f o r t h ef i r s tt i m e ，w er e p o r t e dt h eb a r r i e rh e i g h to fa u a 1 g a n i s 1 0 8 e vb y a n a l y s i so n v a r i o u si - vc a l v e su n d e r c o r r e s p o n d i n gt e m p e r a t u r e s - 3 、w e r e p o r t e do r i e n t e dp o l y c r y s t a l l i n eg a n o ns i l i c as u b s t r a t e su s i n gan e wm e t h o d n a m e dg an i t r i d a t i o n 浙江大学硕士学位论文 g a n 基材料的欧姆接触及相关器件研究 第一牵引言 近三十年来，人们广泛认为族氮化物半导体材料在蓝锻、紫色和紫外笛 短波长光发射器件及微波半导体器件翩备方面疑有良好豹应用前景。作为m 族氮 化物的成员，a i n 、g a n 、i n n 及其会众均为宽带隙半嚣体材料，面且郑具有纡 锌矿和闪锌矿两种晶体结构。纤锌矿结构的t k l n 、g a n 、i n n 都为直接带隙半导 体，其禁带宽发努另为6 2 e v 、3 4 e v 秘1 9 e v ，恁翻魏溺溶钵念金体系对应熬波 长覆盖了从红外到近紫外光的范围( 如图1 1 ) ，因此通过对i 族氮化物半导体材 料器器转戆疆究开发，露戳将警导钵发毙器俘黪波长扩震蘩全帮霹觅先范围，癌 此可实现图象的全色动态显示，使信息的光存储密度成倍增加，并将以高效节能、 长寿俞的国体发光器 孛取代传统的照锈技术。 戳族氮化甥半导体謇砉料与g e 、s i 、g a a s 等窄带豫半导体榴魄，荚毒禁豢燮 度大、迁移率岗、电子饱和漂移速度高等优良的电传输特性，因此在高温大功察 毫予器传领域魄援其瘦弱潜力。建终，鬻蔟氮玩物半导钵还其鸯褰兹援猿稳定瞧、 热力学稳定性和大压电常数。g a 2 0 3 和舢2 0 3 可形成良好的钝化层，有利于和大 规模集成电路豹工艺兼容。 g a n 的磺究起步予6 0 零代表7 0 年代翅，是囊美国憋h 。e m a r v s k a 及 p a n k o v e 等人采用卤化物晶体生长法生长的。缎在早期工作中，由于受到了材料 生长襞爨不裹，缺乏爨好数毒重藤，薄袋审夔鸷爨电子浓渡过大，鞋及不能形成p 型g a n 某些基本物理特性，实际应用的研究进展比较缓慢。进入到8 0 年代，分 子束磐延( m 转e ) 、金耩有机物亿学气稳舞延( m 0 c v d ) 等夔长技术的出现， 对g a n 材料的发展起了很大的促进作用，人们对g a n 材料的投质有了更深的了 解，g a n 也就弓i 起了擞多的注意。9 0 年代初，出现了用双气流m o c v d ( t f m 0 c v d ) 或等离子增强m b e 技术生长g a n ，直接健避了具农优异续晶学特性 和低背景电子浓度g a n 及合金材料的出现，并且g a n 的p 型掺杂也得到了实现。 在器俘帚l 备方面，蓝、绿必发光器 牟领域蒋先取褥重大突破。1 9 9 1 年n i c h i a 公司的n a k a m u r a 等人首先以嬷宝石为衬底，研制成掺m g 的g a n 间质结蓝光 l e d s ，1 9 9 3 年将蓝光发光亮发提高到l c d ，1 9 9 5 年达割2 c d ，并于同年实现绿光 浙江大学硕士学位论文 g a n 基材料的欧姆接触及相关器件研究 l e d s 的商品化，其亮度达到6 e d 。1 9 9 5 年1 1 月，在由材料研究会( m r s ) 主办的 第一届g a n 及其相关材料国际学术会议中，n a k a m u r a 展示了用于交通信号灯的 l e d s ，引起全世界的重视。1 9 9 7 年，n i c h i a 公司研制成功连续波工作寿命超过 1 0 0 0 0 小时的蓝光l d s ，更引起了全世界的关注。 在微电子器件应用领域，美国u c s b 大学研制的g a nm o d f e t 的施主层厚 度仅有2 0 r i m ，减小了器件的输入电容，使得0 2 u m 栅长的器件的厂t 达到5 0 g h z ， 在1 0 g h z 工作下的功率密度为1 7 w m m ，器件性能超过用其它材料制作的 h e m t 。南卡罗来纳州立大学等以s i c 为衬底研制的h f e t 的跨导为1 4 2 m s m m ， 室温下的功率耗散为o 6 m w c m 2 ，比以蓝宝石为衬底的同类器件高3 倍。a p a 光学公司在1 9 9 8 年初推出了世界上第一个商品化的g a n 基u v 探测器系列。同 传统的s i 探测器相比，g a n 探测器在可见光范围内的工作要有效得多，而且可 在3 0 0 高温环境中工作。 9 0 1 1咖7 0 06 0 0 d4 g o w w i 脚m ( n 呻 图1 ii u v 族化合物带隙覆盖的光谱范围 本文在国内首次采用与m o c v d 、m b e 和h v p e 不同的材料生长方法一镓 层氮化方法，以高纯g a 和高纯氨作为镓源和氮源，在热蒸发设备中蒸发金属镓 沉积在经过特殊处理的石英衬底上，然后在氨气氮化设备中通入氨气，与镓发应 生成具有择优取向的g a n 多晶。我们还对n g a n 的欧姆接触进行了研究。在 n g a n 表面分别沉积了a l 单层电极和t i a 1 双层电极，进行了i v 测试。并 采用挖补圆盘法计算出接触电阻率。最后制作了a 1 g a n 基肖特基二极管，并对 其制备工艺和整流特性进行了研究。在国内首次采用变温i v 曲线法对 a u a 1 g a n 肖特基接触的势垒高度进行标定，结果为1 0 8 e v 。 在行文安排上，第一章简要介绍了论文选题的意义和所作的主要工作；第 6 浙江大学硕士学位论文 g a n 基材料的欧姆接触及相关器件研究 二章综述了g a n 材料的基本性质，材料制各方面的研究历史和现状，介绍了本 文的立题思路和意义所在：第三章研究了金属与n g a n 的欧姆接触，计算出接 触电阻率；第四章研究了a 1 g a n 肖特基二极管的制各及其性能测试；第五章介 绍了采用金属镓层氮化技术在石英衬底上生长出具有择优取向的多晶g a n ；第 六章对全文的主要论点做出总结。 浙江大学硕士学位论文 g a n 基材料的欧姆接触及相关器件研究 第二章文献综述 2 1 族氮化物的物理性质 在半导体产业的发展中，硅和锗一起被称为第一代电子材料。6 0 年代开发 出了第二代电子材料，日1 i i i - - v 族化合物半导体，包括g a a s 、g a p 、i n p 及其合 金。这些化合物半导体形成了制作所有光电子器件的基础，并且为高性能微波和 数字系统开拓了新的市场。宽禁带半导体材料近年来发展十分迅速，成为第三代 电子材料，其性能与第一、第二代电子材料相比( 表2 1 ) 有极大优势。 与许多的传统半导体材料不同，如s i 和g a a s 都是金刚石或闪锌矿结构， i 族氮化物在稳定状态是六角对称的钎锌矿结构，属于6 m m 点群。因为i 族氮 化物没有对称中心，所咀它们都是极性晶体【l 】。因此它们也拥有了许多非常有 用的性质，比如说压电性和热电性等【2 】。族元素和v 族元素之间电负性的很 大差距( a i = i 1 8 ，g a = 1 1 3 ，i n = 0 9 9 ，n = 3 0 ) 使族氮化物有很强的化学键，这也 是i i i 族氮化物具有很多独特的物理性质的根本所在。其中最直接的一个影响就是 m 族氮化物都是宽禁带半导体。i n n 的能隙为1 9 e v ，对应的波长为6 5 0 n m ；g a n 的能隙为3 3 4 e v ，对应的波长为3 6 5 n m ；a 1 n 的能隙为6 2 e v ，对应的波长为 2 0 0 n m ( 如图2 1 ) 。它们组成的合金可以覆盖整个可见光区和近紫外光区。而且纤 锌矿结构的族氮化物都是直接带隙，非常适合于光电子器件的应用。因为本征 载流子浓度是与能隙和温度成指数关系，所以在很大的温度范围内半导体的能隙 越大，其本征载流子浓度就越低。 ，、3 一( c m - ，) = 4 9 x 1 0 t ，f 华n 8 一 lm ij 这就使器件中的漏电电流和暗电流很低，而这一切对于光探测器和高温电 子器件是非常重要的。强化学键的另一个结果就是这些材料的物理和化学性质都 十分稳定( 高熔点和高机械强度) 。另外，它们的热导率也很高。与传统的半导 体相比，i i i 族氮化物载流子的有效质量较高，导致了载流子迁移率较低，但是这 可以由氮化物的高饱和电子漂移速度来弥补。i i i 族氮化物的折射指数要小于窄带 隙半导体，所以在界面处的反射率较低，这对于提高光探测器的效率是有利的， 羔壁螳堡主堂些堡苎 鱼型苎塾竖塑堕塑堡塾墨塑墨矍壁婴塞 但对于想获得低阈值电流的激光器来说是不利的。 所有这些性质使i 族氮化物在可见光到紫外光区域以及在高温、高频、强 辐射的环境下都有很好的应用前景。i 族氮化物的具体性质见表2 2 。 表2 1 室温下半导体材料性能比较 性质s ig a a s 4 h s i cg a n c f o m ：c o m b i n e d f i g u r eo f m e r i tf o rh i g ht e m p e r a t u r 胡 t i g hp o w e r h i g hf r e q u e n c y a p p l i c a t i o n s 浙江大学硕士学位论文 g a n 基材料的欧姆接触及相关器件研究 表2 2i i i 族氮化物的物理性质 l a n c e c o n s t a n t ( ) 图2 1 纤锌矿与闪锌矿结构族氮化物的带隙宽度和晶格常数关系 精 王武学疆士掌靛潦室g a n 基嚣辩靛黎舞接齄蕊拯蓑器件爵究 虽然基于l h 羧氮拨物半导体的器件已经被溉割出来并且郝分实现了商品 化，但悬仍有很澎的问题需要解决。首先，i 族氮化物的高熔点和在熔点温度时 檄蕊熬氮分垂毽褥它翻豹肇螽璧长十分爨蓬。嚣越，就没蠹了齑疆量豹强i 族氮化 物衬底，飘化物晶体的合成就必须在其它材料村底上以薄膜的形式形成。衬底材 瓣与氮纯镪之阕在磊疆鬻鼗霸热黪张系数懿失配导致了簿貘靛潞髂曩量不好。露 且，不同组分的飘化物齿象的晶格常数也存在必配，同样导致了m 族氮化物异质 雅梅酶大餮蘸黧。最螽，虫于在爨禁蒂氮键耪睾罨俸孛，掺杂元蘩麓形戴深襞级， 聪以缀难获得赢的自由电子和空穴浓度。同时农生长过程中过多掺杂酒的加入会 撙致奉| 料静结树藕光学髓镌下降f 3 - 5 】。 浙江大学硕士学位论文 g a n 基材料的欧姆接触及相关器件研究 2 2 g a b 材料的制备方法 g a n 是i i i 族氮化物的基本材料，制各高质量的g a n 体单晶材料和薄膜单晶材 料，是研究开发i i i 族氮化物发光器件、电子器件以及保证器件性能和可靠性的前 提条件。目前g a n 的外延生长还是局限于异质外延，主要是在蓝宝石( a 1 2 0 3 ) 、 碳化硅( s i c ) 和硅( s i ) 上等。由于衬底材料与g a n 材料本身的晶格和热膨胀 系数的失配。所以为了生长出高质量的g a i n 材料，就需要人们用新的办法来解 决。现在最主流的外延生长技术是化学气相沉积( c v d ) 和分子束外延( m b e ) 。 2 2 1g a n 体单晶生长 1 9 9 7 年波兰u n i p r e s s 的p o r o w s k i 等人报道了采用液态金属g a 在极高的 n 气氛压力下高温反应制各出4 0 r a m 2 的片状体单晶 6 - - 8 ，获得了无缺陷的一些 区域，是非常有前景的，目前需要发展和控制这种高压制备方法，以便在将来用 来生长大直径体单晶。 近期m e l n i k 等人报道在s i c 衬底长很厚的g a n 膜，然后把s i c 衬底去掉， 这样就可以获得同质外延的衬底，并且制备出了质量较好的g a n 薄膜 9 。1 0 。 2 2 2g a n 外延生长技术 金属有机物化学气相沉积( m o c v d ) 到目前为止，m o c v d 方法是生长族氮化物多层结构最主流的方法【1 1 】， 也是用来产业化生产i v 族半导体器件的唯一成熟技术。 对于g a n 材料的生长，一般用三甲基镓( t m g a ) 和氨气分别做为g a 源和n 源，氢气和氮气则做为载气。g a i n 的m o c v d 生长的最适宜温度大约为10 5 0 4 c 。 典型的生长速率大约为2um h 。文献【1 2 】和【1 3 】比较详细地描述了g a n 的 m o c v d 生长过程。 g a n 的n 型掺杂源是硅烷( s i h 4 ) ，掺杂浓度最大可以到1 o ：2 0 c m 。3 数量级【14 。 最适合的p 型掺杂元素是m g ，在生长中掺杂源是c p 2 m g ，同样掺杂浓度最大可 以到1 0 2 0 c m - 3 数量级。 浙江大学硕士学位论文 g a n 基材料的欧姆接触及相关器件研究 分子束外延( m b e ) 分子束外延( m b e ) 法是一种超高真空生长工艺，与m o c v d 工艺相比，它 具有生长温度低( 6 0 0 7 5 0 ) 、可精确控制薄膜厚度和组份、p 型薄膜掺杂浓度 高且不用生长后退火等优点，最适于生长要求界线分明、组份控制精度高的器件 结构。但使m b e 工艺受限的最大缺点是生长速率太低，典型值是o 1 0 1 5 g mh 1 1 5 1 。这项技术是建立在g a 与激活态的n 之间的反应，所以为了激活n h 3 中的n 并与g a 反应，通常地采用等离子体增强 1 6 、电子回旋共振c r ) 【1 7 或射频f r f ) 源 1 8 1 9 1 等附加设备以促使n 原子的产生，提高反应完成程度，同 时也提高了生长速率。 卤化物气相外延( h y b r i d ev a p o rp h a s ee p i t a x y ) ： h v p e 是最早用于生长g a n 的外延材料生长技术 2 0 1 。在生长g a n 材料时， 采用金属镓作为族源材料，以n h 3 作为v 族源材料，以氮气或氦气作为载气， 以h c i 作为反应气体。在源区，h c i 与g a 在8 5 0 c 下产生反应生成o a c l 3 。在 1 0 5 0 的淀积区，g a c l 3 与n - r 1 3 反应生长出g a n 的外延层。h v p e 技术的优势是 生长系统简单便宜，生长速率比m o c v d 和m b e 方法要高的多，可以达到几百 n m h 2 1 2 2 ，然而为了获得光滑平整的薄膜，典型的生长速率则为1 0 u m h 。 横向外延过生长( l a t e r a l e p i t a x i a l l yo v e r g r o w n ) 前面介绍的几种外延生长技术，特别是m o c v d ，已经发展到了生长出的 界面粗糙度只有几个单层，这也就使包括量子阱和超晶格等复杂的器件结构的生 长得到了更好的控制。然而，仍然存在着一些问题，其中最主要的是外延层的高 缺陷密度。在衬底和缓冲层附近的区域的缺陷密度非常高，即使远离这个区域的 缺陷密度也高达l o s m 0 1 0 c m - 3 。改善这种隋况的一种方法就是利用在不同的晶向 生长的速度也不同的事实，采用在有图形的衬底上进行选区生长。l e o g 技术就 是由此发展而来的一种非常有前景的用来生长准无缺陷单晶薄膜材料的方法。 1 9 9 7 年d a v i s 等人首次采用横向外延过生长( l e o g ) 的方法在a 1 2 0 3 上获 得了准无缺陷的g a n 基材料( 使面缺陷密度由1 0 1 0 t c m 2 降低到1 0 6 1 c m 2 ) ，大大 提高了g a n 基薄膜材料的质量【2 3 。先在衬底上生长0 - 2 um 的g a n 层，然后淀 积一层o 1p m 多晶态的s i 0 2 或s i n 掩膜层；再利用光刻技术，刻蚀成4 “m 宽 浙江大学硕士学位论文 g a n 基材料的欧姆接触及相关器件研究 的条纹窗刚好露出g a n 薄膜，由7 8 um 的s i 0 2 条纹掩膜层间隔开来。g a n 外 延层生长在g a n 薄膜的开窗区域。进行同质外延。典型的掩埋层方向是沿着 或 ，后者表现出了更快的过生长速度。随着外延层的厚度不断增 加，g a n 薄膜横向生长在s i 0 2 条纹掩膜层上。当厚度大约1 0 1 tm ，生长在s i 0 2 条纹掩膜层两个边缘的g a n 外延层合并，在刻有图案的衬底上形成连续而又平 坦的g a n 薄膜。生长在s i 0 2 条纹掩膜层上的g a n 外延层的缺陷密度很低，仅为 1 0 7 c m 2 。根据s i 0 2 掩埋层的宽度，平面化需要总厚度达到1 0 - - 2 0 um 。在s i 0 2 掩埋层上面的材料的晶体质量得到了很大的提高，有非常低的线形位错密度，这 是因为缓冲层与衬底间的晶格失配所形成的线缺陷在生长过程中有向上延伸的 趋势。当形成过生长，即产生横向生长后，线缺陷的一部分在横向生长区被截断、 消失，一部分向横向过生长区弯曲9 0 。，继续延伸，使表面的线缺陷太大减少， 从而达到了降低缺陷密度的目的。 二步外延生长工艺 目前常用的衬底材料与g a n 之间存在较大的晶格失配和热失配，早期的研 究中，外延层在随后的冷却过程中由于热应变常常开裂。1 9 8 3 年，y o s h i d a 等 2 4 】 通过对比分析发现，用m b e 的方法，在d a 1 2 0 3 村底上，先低温生长a i n ，然 后再在其上生长g a n ，获得的单晶层的质量明显要优于直接生长在n a 1 2 0 3 上的 单晶层。随后，a k a s a k i 2 5 等人详细地研究了a i n 的作用，低温时为非晶态， 升温至生长温度时变成取向化很高的微单晶，为后续的高温外延提供了相对完美 的生长模板。在随后的研究中，这种二步外延的生长方法迅速地被大家采用以提 高g a n 的质量。到目前为至，人们已经在多种衬底上成功地采用g a n 、a 1 n 、 s i c 、z n o 、a 1 2 0 3 等作为缓冲层生长出了高质量的g a n 外延薄膜1 2 6 - 3 3 。1 9 9 8 年，a k a s a k i 等人又发展了一种多低温缓冲层技术 3 4 】，即在传统的先低温生长缓 冲层，高温生长外延层过程结束后再多次重复上述过程。实验证明，此方法生长 的g a n 薄膜的缺陷密度比传统的要低两到三个数量级。 浙江大学硕士学位论文 g a n 基材料的欧姆接触及相关器件研究 2 3 g a n 材料的掺杂 对于任何电子材料，掺杂的控制对于器件的制各都是非常重要的。g a n 材 料的n 型掺杂要比其p 型掺杂容易得多，这主要是因为在各种生长条件下g a n 都很容易生长成n 型。在典型的外延生长温度( 9 0 0 1 0 5 0 c ) 下，g a n 表面的n 蒸 汽压超过la t r i a ，g a n 可以分解：g a n - - - * 1 2 n 2 + g a ，导致n 空位形成。因此很久 以来，氮空位( v n ) 一直被认为是引起g a n 材料n 型电导的根源。然而， j n e u g e b a u e r 等认为在n g a n 中v n 是能量很高的缺陷【3 5 ，因此在生长不掺杂 或n 型掺杂的g a n 材料中不太可能形成具有这么高形成能的缺陷所以v n 也就 不是非故意掺杂n g a n 材料n 型电导的根源 3 6 1 ，而非故意掺入的氧元素和硅元 素才是引起n 型电导的真正原因【3 7 】。通过计算得知这两种杂质元素在g a n 中是 溶解度很高的浅施主。很显然与v n 相比，s i 和0 都有很小的形成能，所以他们 很容易被引入到n g a n 中。 同其它的i 一v 族半导体一样，g “的n 型掺杂源为族元素，而p 型掺杂 源为i i 族元素。目前，关于g a n 薄膜的r l 型掺杂的研究最多的是用s i ，g e 3 8 ， s e ，s 3 9 和0 ，而最成功的施主元素是s i 和g e ，掺杂浓度可以达到1 0 ”c m 。 在g a n 的带隙中s i 的能级估计是在导带底2 2 4 m e v 4 0 。 g a n 的高背景电子浓度给制各低阻p 型g a n 带来了一定的困难。但在早期主 要的原因是没有认识到h 在g a n 中的作用。直到1 9 8 9 年，h a m a n o 等人对掺m g 的g a n 进行低能电子束照射( l e e b i ) 处理，首次获得了p 型g a n ，其空穴浓度为2 1 0 ”c m 3 ，电阻率为1 2q c m 。利用l e e b i 技术制备p 型g a n 的缺点是费时过长， 而且难以达到深度方向的均匀性，尤其不利于制各均匀性好的大面积单晶 4 1 。 1 9 9 2 年，s n a k a m u r a 等人实现了一种获得大面积p 型g a n 单晶的简单有效的技 术。其具体方法是将已实行了m g 掺杂的g a n 单晶在真空或n 。气氛中进行热退火。 通过这种技术，他们同样获得了空穴浓度为1 0 ”c m 3 数量级的p 型g a n 。v v e c h t e n 等人提出了一种关于g a n 中m g 掺杂的机理。由于普遍使用的氮源为n h 3 ，其带入 的h 污染在g a n 中与掺入的m g 结合形成m g h 复合缺陷从而使m g 失去了电活 性，需要通过l e e b i 或热退火处理来打破m g h 复合体，激活m g ，达到掺杂效果 4 2 4 3 。 浙江大学硕士学位论文 g a n 基材料的欧姆接触及相关器件研究 2 4g a n 材料的器件应用 g a n 及其i i i 族氮化物之所以能引起人们极大的兴趣来研究，主要是因为这 些材料有着很多的器件应用前景，包括在民用方面和军事方面。这些器件可以分 为两大领域：微电子和光电子( 光探测器和发光) 器件。 2 4 1 微电子应用 g a n 材料系列具有高的热导率和高的击穿电场，是研制高温大功率电子器 件和高频微波器件的重要材料。大功率和高温器件在汽车、航空和电力应用中都 是必需的。以i 族氮化物为基高温电子器件可以在恶劣的环境下工作，而且不需 要庞大的冷却设备，所以就大大地降低了成本和整个器件系统的体积。 g a n 基f e t 器件 在族氮化物为基的电子器件的研究中，相对于双极型晶体管而言，场效 应晶体管结构( f i 玎) 的器件对材料生长和器件制造技术要求较低。近来，肖特 基栅场效应晶体管( m e s f e t s ) 和调制掺杂场效应晶体管( m o d f e t s ) 研制取 得了显著的进步，证实了g a n 及其合金在高温大功率高频电子器件领域具有广 阔的发展前景【4 4 q 7 】。 图2 2 表示g a n a 1 g a n 异质结能带图。由于存在较大的导带偏移，电子从 宽带隙的a i g a n 一侧扩散进相对带隙较窄的g a n 一侧，在异质结界面处的三角 形量子阱内会形成二维电子气( 2 d e g ) 。g a n 具有大的压电系数( 比传统的g a a s 高一个数量级【4 8 ) ，强压电效应大大提高了二维电子气的电子浓度。经理论模 拟，电子浓度为1 0 ”c m - 3 时，异质结界面处的电子饱和速率可达3x1 0 7 c m s ，电 子迁移率可达2 0 0 0 c m 2 vs 。 要实现高性能的f e t 器件，下列材料和掺杂特性必须加以保证：高阻( 非 复合) 缓冲层； l 1 0 1 7 1x1 0 1 9 范围内可控n 型掺杂；陡峭的a i g a n g a n 界 面：a 1 g a n 的调制掺杂。 浙旺大学硕士学位论文 g a n 基材料的欧姆接触及相关器件研究 a i g a nj c s a n 7 嘎 ， 口) 处的浮置电位为 _ = 2 p 万, l n a _ ，( 3 1 ) 则，= 詈= 鲁晔喁 睁z ， - = 2 岳h ( 型铲m - c 。s ， 式中p ，为样品薄层电阻。r 。= 以，积2 为流向半导体的纵向电流引起的接触 电阻r ，为横向电流扩展引起的接触电极之下的扩展电阻，r 。为金属探针和测 试装置等引起的附加电阻。这里我们不能简单地用只= r c 删2 去求接触电阻 率，因为电流从金属电极流向半导体时，不仅有纵向流动，同时还有横向扩展， 所以必须用圆形传输线模型才能得到见。 如图4 4 所示，根据圆形传输线模型，可以求得： ( r + r s ) = 彘，榴。， 其中a = ( n ，以) m ，i o ( a a ) 和l ，( 鲫) 分为第一类零级变形和第一类一级变形 浙江大学硕士学位论文g a n 基材料的欧姆接触及相关器件研究 的贝塞尔函数。实验中，只要测出电流电压，再测出几或者是r ，就可以根据 ( 3 2 ) 、( 3 3 ) 、( 3 4 ) 式测出接触电阻率p 。 卜丑一! 一一区口一 t o 叫0 d g ：v t m ， o 一一亡= - o 一dr i ( r ) h r + d r 】 d g = , f 2 1 r i x ) d r d r ：i p 2 x r k l r 图3 5 圆形传输线模型等效电路 本实验中欧姆接触电阻率的计算，主要是通过选定恒定电流i 。分别测出电 压v 。和v 一代入“挖补圆盘法”程序，即可得出接触电阻率。 图3 6 挖补圆盘法接触电阻率计算程序界面 - 3 0 辫江夫警馥尘学镣论文 尊测撩撼料黪酸姆接触艇柱关器件斜究 3 。3 蠢凝嚣棼王艺秘l i f t - o f f 王艺 1 标准器件工艺 在半等髂嚣稼王艺譬，耄麓冀空蒸没与裁懿魏舅滚挺潼袋袋鬻覆袈金黧薄 膜，必制铸欧姆接触电极。为了满足半导体器件对金属材料的良好欧姆接触，低 魄淹连羧鞋及稔定淫、哥翥茬熬簧寨，簿溪翡灸瓣麓辩必矮潇避瑟下簧求： 1 、鸯襄好鼹荨壤瞧魏； 2 、容易舄p 型和n 型薄膜车孝料形成良好黼欧姆接触： 3 、餐霭蒸菱或溅麓魏方法淀积斌薅婺； 4 、易于进行光刻。 金满沆获翳薄貘袭箍，黉缝鑫絮黟壤一褰黪浚嚣邀棱鋈形之瑟，述磐霞遴 褥会金他，就是把案4 各好电极的样品，放桎真空巍内或瓢气保护的炉管中，进行 段对瓣耨蒸簸壤，霞惫疆、薄貘之麓形戚氟鬻酸篱羧碰。 耩，餐凝技末 图3 7 制版工艺一般流程 铡嫒王霪憩囊藜黪绘裁、餐缝、糖鳕蒸分多耋巍、复印莓过程；其一般工 艺过獠如图3 了所示。 b 。光瓤 程孚垂蛰糟集成壤霎蠡垒产孛，粼簧经过黟次毙刻。虽然咎敬强剡的丑的要 求和工艺有胼嫠别，德其工艺过程都怒基本桶间的。滟蒜n 工篙般都亵经过涂麓、 蘩鬃、曝囊、基雾、藤錾、爨媵、瘸镪窝去黢警，弋个涉臻，王芝过聪姆銎3 8 糖 浙江大学硕士学位论文 g a n 基材料的欧姆接触及相关器件研究 示。光刻过程中的每个步骤对光刻质量都有直接影响。所以必须选择合适的工艺 条件，严格做好光刻中的每一步，保证刻蚀图形正确，清晰，没有钻蚀、毛刺、 针孔和小岛等缺陷。 ( d ) 腐蚀( e ) 去胶 图3 8 光刻工艺流程图 ( a ) 涂胶 本实验采用的光刻胶为负胶，涂胶方法为旋转法或喷涂法。旋转法具体的 操作为采用真空吸附法把样品固定在小转盘的轴心上，然后用滴管将光刻胶涂在 样品上( 要求胶液中无气泡) ，再开始转动小转盘( 由电动机带动) ，使大部分的 胶液因旋转而甩出，只有少部分留在样品上。这些胶在表面张力和旋转离心力联 合作用下，展开成一均匀的薄膜。胶膜的厚度由转速和胶的浓度来调节。 ( b ) 前烘 前烘的目的是促使胶膜体内溶剂充分地挥发，使胶膜干燥，以增加胶膜与 金属膜的粘附性和胶膜的耐磨性，即在曝光对准时允许胶膜与掩模版有一定紧贴 而不磨损胶膜，不沾污掩模版。同时，只有光刻胶干燥，在曝光时才能充分进行 化学反应。 影响前烘效果的主要因素是温度和时间。烘焙不足( 温度太低或时间太短) ， 在交界处，胶中的溶剂未能完全挥发，曝光时阻碍抗蚀剂中分子的交联，因而在 浙江大学硕士学位论文g a n 基材料的欧姆接触及相关器件研究 显影时有部分胶被溶除，形成浮胶或图形变形等。但如果烘焙时间过长，则由于 增感剂挥发而造成曝光时间增长，甚至显影不出图形。 ( c ) 曝光 曝光就是在涂好光刻胶的样品表面复盖掩膜版，用紫外光进行选择性照射， 使受光照部分的光刻胶发生光化学反应，经显影，在胶膜上显现出与掩膜版相应 的图形。具体的操作程序是：先预热紫光灯( 约1 0 分钟) ，使光源稳定。把光刻 掩模版安装在支架上，使有图形的玻璃面向下，再把涂有光刻胶的样品放在可微 调的工作台上，胶面朝上，然后把光刻掩模版移到样品的上方，平行靠近而不接 触。在显微镜下，仔细调节微动装置，使样品与掩模版紧紧相贴，然后用显微镜 复查一下是否对准。定位好之后就可推至曝光灯下进行曝光。曝光完毕，取出样 品待显影。 ( d ) 显影和定影 显影的目的是将未感光部分的光刻胶溶除，留下感光部分的胶膜，从而显 现出我们所需要的图形。对于我们用的光刻胶，我们采用溶解能力较强的丁酮作 为显影液。它具有显影速度快、图形清晰和显影干净等优点。而采用丙酮作为定 影液。 操作过程如下：将曝光后的样品放在丁酮中显影，再放入到定影液丙酮和 去离子水中漂洗。显影和定影时用镊子夹住样品不断晃动，对于图形上小部分胶 要去掉的，可晃动得利害些；而对于图形上小部分胶要保留的，就晃动得轻些， 避免这小部分的胶去掉。显影和定影时间由胶膜的厚薄，显影液和定影液的温度 和操作方法来决定。 ( e ) 坚膜 由于在显影和定影时胶膜发生软化、膨胀，所以显影后必须进行坚固胶膜 的工作，简称坚膜。坚膜可以使胶膜与金属膜之间紧贴得更牢，同时也增强了胶 膜本身的抗蚀能力。 ( d 腐蚀 腐蚀是用适当的腐蚀液将无光刻胶膜复盖的金属膜腐蚀掉，而有光刻胶复 塑垩查堂堡主兰些堡苎 鱼型苎塾型塑堕塑堡墼垦塑差堡壁婴塞 盖的区域保存下来。因此所选用的腐蚀液必须既能腐蚀掉裸露的金属膜，又不损 伤g a n 片表面的光刻胶层。只有这样，才能把所需要的图形在金属膜上完整， 准确地刻蚀出来。 ( 1 ) a 1 的腐蚀 选择铝腐蚀液的一般原则是：对铝有很好的溶解性，同时对光刻胶的侵蚀 作用应尽量小。我们采用的腐蚀液是磷酸，利用浓磷酸( 8 5 ) 与铝反应，产生 可溶于水的酸式磷酸铝，使铝膜被溶除干净。其反应式如下： 2 a l + 6 h 3 p 0 4 = 2 a z ( h 2 p 0 4 ) 3 + 3 月j 个 铝与浓磷酸反应激烈，会有气泡不断冒出。为了消除这些气泡，使腐蚀顺 利进行，可在浓磷酸中加入少量的无水乙醇( 酒精) 。也可用毛笔轻轻抹去气泡。 在腐蚀过程中把烧杯放在恒温水浴锅内，温度为8 0 。 ( 2 ) t i 的腐蚀 t i 的腐蚀液有多种，常用的配方为h c i ：h 2 0 2 ：h 2 0 = 1 ：l ：2 0 ( 体积比) ， 腐蚀温度为8 0 ( 2 左右。 ( 3 ) a u ，p t 的腐蚀 金和铂的腐蚀液为王水，其配方为发烟硝酸( h n 0 3 ) ：盐酸( h c i ) = 1 ：3 ( 体积比) 。腐蚀温度为2 5 3 5 * c 。 其化学反应式为： 一“+ h n 0 3 + 3 h c i = a u c l 3 - i - d + 2 h 2 0 3 p t + 4 h n 0 3