宋淑芳，趙建建，譚 振，孫 浩

(華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 引言

GaAs/AlGaAs量子阱紅外探測器具有材料熱穩(wěn)定性好、均勻性好、響應波長易控制等優(yōu)點，成為了第三代紅外探測器的選用材料，廣泛用于空間研究和軍事防御等方面，并且通過對GaAs/AlGaAs量子阱材料結(jié)構(gòu)的設計實現(xiàn)了遠紅外和太赫茲波段的探測［1－2］。

研究發(fā)現(xiàn)，隨著探測波長的增加，量子阱結(jié)構(gòu)探測材料接觸層的摻雜濃度會極大影響探測效率，即接觸層的摻雜濃度越高，接觸層對遠紅外和太赫茲波段的吸收也增加，從而降低了量子阱結(jié)構(gòu)對該譜段波的響應，探測效率降低，因此在用于太赫茲波段探測的GaAs/AlGaAs量子阱材料結(jié)構(gòu)中，兩端的n型接觸層的摻雜濃度應低于5 ×1017at/cm3［3］。但是 n 型 GaAs接觸層上制備歐姆接觸時，接觸層的摻雜濃度越高(＞1×1018at/cm3)越易于形成低電阻的歐姆接觸，接觸層的摻雜濃度越低(＜1×1018at/cm3)越難形成低電阻的歐姆接觸，因此一直以來低摻雜濃度n型GaAs接觸層的制備是研究的難點和重點［4］。在本文中，我們將重點研究低摻雜濃度(2×1017at/cm3)n型GaAs接觸層的歐姆接觸，通過改變金屬層AuGe/Ni的厚度，合金化的溫度和時間等參數(shù)獲得優(yōu)化的制備條件。

2 測量歐姆接觸電阻的方法

在薄層材料歐姆接觸電阻的測量中，目前最廣泛的方法之一就是傳輸線模型(TLM)，這種方法是由Schockley首先提出，后來Berger等人作了進一步改進［5］。在與周圍環(huán)境絕緣的條形半導體材料上，制備不等距的長方形接觸塊，如圖1所示，分別在兩個不同距離(Ln)的長方形接觸間通恒定電流I，并測出相應的電壓 V，可得總電阻 RT，RT可由下式表示:

式中，LT=為傳輸線長度;Rsk和Rsh分別為接觸下的方塊電阻和薄層材料本身的方塊電阻，對應不同的距離Ln，可測出一組RT，則能作出RT=f(L)曲線，如圖2所示，這些點應成一條直線，當L=0時，在RT軸上交點是2Rc。即可得Rc值，直線的斜率為Rsh/W。

圖1 TLM的樣品示意圖

圖2 總接觸電阻與L的關系圖

3 實驗過程

目前普遍使用AuGe/Ni/Au的金屬體系做為n型GaAs歐姆接觸的材料［6］，其中，AuGe固溶體的重量比 Au:Ge為88:12，AuGe的熔點為375℃，在AuGe/Ni/Au的金屬體系中Ni層的作用是高溫退火時(溫度高于375℃)抑制AuGe融合成球，AuGe固溶體中的Au可以增加界面層Ga的外擴散，使得Ge占據(jù)Ga的晶格位置，形成重摻雜的n+GaAs層，易于形成好的歐姆接觸。但是過量的Au會引起過多Ga的外擴散，在晶格中留下過剩的As，同時Au和Ni做為受主雜質(zhì)補償了部分n+GaAs層的施主雜質(zhì)，從而引起了接觸電阻的增加。因此在給定的金屬體系中，需要通過改變金屬層AuGe/Ni的厚度，合金化的溫度和時間，獲得最佳的制備歐姆接觸的條件。最上層的Au層，主要的作用是降低測試時探針的接觸電阻，因此對n型GaAs歐姆接觸的結(jié)果不產(chǎn)生影響。

我們利用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)方法在半絕緣的2in GaAs襯底上生長n型GaAs接觸層，摻雜濃度為2×1017at/cm3，然后將樣品劃成幾份，使用標準的光刻技術(shù)制備TLM圖形，每個電極是100 μm×200 μm的長方形，兩個相鄰電極之間的距離從5 μm 增加到75 μm，增量步長為5 μm，經(jīng)過清洗、刻蝕等步驟后，使用離子束蒸發(fā)的方法按照順序生長AuGe，Ni，Au，厚度分別為50nm/50nm/100nm，50nm/25nm/100nm，50nm/17nm/100nm。分別在氮氣氣氛中 350℃，375℃，400℃，425℃，450℃退火，退火時間為 30s，60s，120s，180s。然后對樣品進行電流－電壓(I－V)等電學測量，利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察電極表面形貌，同時利用能量色散X射線光譜儀(EDX)對電極表面進行成分分析。

4 結(jié)果與討論

4.1 I－V測量結(jié)果

表1中統(tǒng)計了樣品編號、退火條件及其接觸電阻率等參數(shù)，樣品分為三個系列，樣品1系列、樣品2系列、樣品2系列的AuGe厚度和Ni層厚度比分別為1∶1、2∶1和3 ∶1，圖3是樣品2系列的 I－V曲線。從表1中可知，對于所有的樣品，當退火溫度低于375℃時，很難形成歐姆接觸，對應于I－V曲線中為過零點的曲線，而不是直線，例如圖3中樣品2－350的曲線，因而無法得到具體數(shù)值的接觸電阻率。AuGe合金的熔點為375℃，因此當退火溫度高于AuGe合金的熔點時，更有利于Ga的外擴散和Ge占據(jù)Ga的晶格位置，獲得歐姆接觸。在相同溫度和時間退火條件下，從表1中可知，樣品2系列的接觸電阻率低于相對應的樣品1和樣品3系列的接觸電阻率，因此獲得好的歐姆接觸的AuGe/Ni最佳厚度比為2∶1，此時Ni層既能在高溫退火時抑制AuGe融合成球，又沒有成為增加電阻率的受主雜質(zhì)。對于樣品2系列，如圖3中所示，通過比較相同退火時間不同退火溫度和相同退火溫度下不同退火時間樣品的接觸電阻率，得到最佳的退火溫度和時間為400℃和120/s，因此我們獲得了制備歐姆接觸的最佳工藝條件為:AuGe/Ni/Au的厚度為50 nm/25 nm/100 nm，退火溫度為400℃，退火時間為120/s時，歐姆接觸電阻率為最低3.52×10－4Ω/cm2。

表1 樣品編號和樣品參數(shù)的統(tǒng)計表

圖3 樣品2系列的I－V曲線(相同退火時間下，不同退火溫度)

4.2 SEM和EDX測量結(jié)果

圖4是樣品2系列的SEM圖譜，從圖中可知，當退火溫度低于400℃時，表面很平整。在350～400℃范圍內(nèi)，隨著退火溫度增加，表面出現(xiàn)合金化圖紋，尤其是退火溫度為400℃時，即使退火溫度高于AuGe固溶體的熔點(375℃)，仍然沒有出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象，表面維持平整狀態(tài)，表明中間的Ni層起到了抑制金屬結(jié)晶成球的作用。但是當退火溫度高于400℃時，出現(xiàn)了明顯的結(jié)晶成球，樣品表面極其凸凹不平，并且隨退火溫度增加，結(jié)晶的程度逐步增加。這一結(jié)果進一步說明了上述退火溫度和接觸電阻率的關系，退火溫度從350℃到400℃，樣品表面平整，接觸電阻率隨溫度增加逐漸減小，400℃時達到最低點，再繼續(xù)增加退火溫度，樣品的表面粗糙，接觸電阻率隨溫度增加而增加。

圖4 樣品2系列的SEM圖譜

表2中列出了樣品2系列表層元素的原子百分比，從表中可知，未退火時，樣品中Ga和As的原子比基本相同，說明樣品的Ga和As的原子比為1:1;隨著退火溫度增加Ga原子的百分比遠高于As，表明部分Ga原子從界面處析出，和Au形成AuGa合金;當退火溫度達到425℃時，表面出現(xiàn)結(jié)晶，平坦處的As原子比高于Ga的原子比，說明過量的Ga析出，導致晶格中留下大量的As原子，從而會引起接觸電阻率的增加，凸起處只有AuGa合金，表明在該溫度下AuGa結(jié)晶成球。進一步理解各層結(jié)構(gòu)(晶格、原子配比)等情況，需要其他的實驗手段來驗證。

表2 樣品2系列表層元素的原子百分比

5 結(jié)論

利用TLM方法研究低摻雜濃度(2×1017at/cm3)n型GaAs接觸層的歐姆接觸，通過I－V測量、SEM、EDX等測試手段詳細研究金屬各層的厚度、合金化的溫度和時間等參數(shù)對接觸電阻率、表面形貌和成分的影響。研究表明最優(yōu)化的制備條件:AuGe/Ni/Au的厚度為50nm/25nm/100nm，退火溫度為400℃，退火時間為120s時，歐姆接觸電阻率為最低3.52×10－4Ω/cm2，這一結(jié)果為量子阱結(jié)構(gòu)太赫茲探測器芯片的制備奠定了基礎。

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