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        n型GaAs歐姆接觸電極制備工藝

        2022-05-17 09:02:30翟章印
        人工晶體學(xué)報 2022年4期
        關(guān)鍵詞:肖特基歐姆勢壘

        左 芬,翟章印

        (淮陰師范學(xué)院物理系,淮安 223300)

        0 引 言

        砷化鎵(GaAs)是一種Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體,具有閃鋅礦的晶體結(jié)構(gòu)。其可以制成電阻率比硅、鍺高3個數(shù)量級以上的半絕緣高阻材料,并應(yīng)用于光電導(dǎo)開關(guān)、光伏、光導(dǎo)、探測器等[1-5]。另外,GaAs的電子遷移率比硅高6倍,成為了超高速、超高頻器件和集成電路的必需品[6-9]。它還被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,是激光制導(dǎo)導(dǎo)彈的重要材料??梢?,GaAs在現(xiàn)代先進技術(shù)中具有很高的應(yīng)用價值。

        在集成電路中,電極的好壞對半導(dǎo)體的光電性能影響極大。當(dāng)前,半導(dǎo)體器件一般采用一種或幾種金屬,或金屬與合金的組合作為電極材料。金屬和半導(dǎo)體材料相接觸時一般有兩種接觸方式:肖特基接觸和歐姆接觸。肖特基接觸情況下,界面處半導(dǎo)體的能帶發(fā)生彎曲,形成肖特基勢壘,勢壘的存在導(dǎo)致界面電阻較大。而歐姆接觸方式中,界面處勢壘非常小或是沒有接觸勢壘。肖特基接觸的電流-電壓特性曲線顯示為整流性,而歐姆接觸的電流-電壓(I-V)特性曲線為線性。對半導(dǎo)體材料而言,其歐姆接觸電極的形成不僅取決于電極材料種類,還與制備工藝,如金屬成分、合金化溫度、退火時間等有關(guān)。早期,人們使用AuGe共晶合金制作n型GaAs的歐姆接觸電極[10]。但AuGe合金容易“起球”,造成電極體凹凸不平,甚至可使電極脫落。為了解決該問題,人們在共晶過程中加入了Ni。Ni作為潤濕劑使用,其低表面張力有助于防止AuGe合金化過程中的“成球”,從而提高接觸質(zhì)量[11]。目前,比較成熟的n型GaAs的歐姆接觸電極材料為Au 88%(質(zhì)量百分比),Ge 12%,另加Ni 5%的AuGeNi/Au。至于制備工藝方面,n型GaAs的AuGeNi/Au電極制備技術(shù)一般采用蒸鍍法[12]。蒸鍍時,為防止合金氧化,需要很高的真空度,僅使用機械泵抽氣無法達到要求,須配備分子泵,致使設(shè)備造價高昂。并且,在蒸鍍過程中材料擴散至整個腔體,浪費嚴重且清洗麻煩。為此,n型GaAs的歐姆接觸電極及其制備工藝的改進一直是相關(guān)科研人員致力研究的課題[13]。

        本文報道了一種使用小型離子濺射儀制備AuGeNi/Au電極的方法,該方法設(shè)備成本低,流程簡便,節(jié)省電極材料,具有良好的經(jīng)濟效益和實用價值,適合科研實驗室使用。

        1 實 驗

        在n型GaAs(Si摻雜濃度2×1018cm-3,[100] 晶向)基片上電極區(qū)先后濺射AuGeNi合金(國材科技有限公司定制,Au 88%,Ge 12%,另加Ni 5%)和Au。濺射儀采用小型離子濺射儀(中科科儀SBC-12)。濺射前用細砂紙打磨兩個靶材表面,酒精擦拭干凈,然后分別空濺射10 min。GaAs基片依次用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗5 min。首先濺射AuGeNi合金,將基片放入沉積腔,AuGeNi合金靶與基片距離為5 cm。打開機械泵,將腔內(nèi)真空抽至2 Pa,沖入空氣調(diào)整腔內(nèi)氣壓到6 Pa即可開始濺射,濺射過程通過微調(diào)氣壓使電流保持5 mA。然后濺射Au,Au靶與基片距離為7 cm,其他條件與此前相同。AuGeNi和Au電極層厚度分別為50~70 nm和100~120 nm。將基片移至管式退火爐,在氬氣氛中退火處理,退火溫度分別為350~500 ℃,時間為10 h。表面形貌分別采用掃描電子顯微鏡(FEI Quanta 450FEG)和原子力顯微鏡(Bruker MultiMode 8)測試,電輸運特性測量使用Keithley 2400數(shù)字源表。

        2 結(jié)果與討論

        圖1(a)和圖1(b)顯示了400 ℃退火樣品的表面形貌。掃描電鏡照片(見圖1(a))表明AuGeNi/Au電極表面平整光滑。原子力顯微鏡測得AuGeNi/Au電極的三維表面形貌圖(見圖1(b)),表面粗糙度僅為2.4 nm,再次證明電極表面十分平整。圖形顯示電極材料呈柱狀生長模式。

        圖1 (a)AuGeNi/Au電極的SEM照片;(b)AuGeNi/Au電極的AFM照片F(xiàn)ig.1 (a) SEM image of AuGeNi/Au electrode; (b) AFM image of AuGeNi/Au electrode

        圖2為AuGeNi電極層的能量彌散的X射線分析圖譜。Au的M、Lα、Lβ能級,Ge的L、Kα、Kβ能級,Ni的L、Kα、Kβ能級峰清晰可見,證實其存在。對各原子能級峰形面積積分,設(shè)備自帶的軟件可算出組分比例,如插圖所示。Au、Ge、Ni的原子百分比為8.38∶4.80∶1.83。表1中,由原子百分比算得AuGeNi合金中Au與Ge的質(zhì)量百分比為82.5∶17.5,與合金靶的組分88∶12略有偏差。這可能與能譜分析的精度有關(guān),在誤差范圍內(nèi)。Ni的質(zhì)量百分比為5%,與合金靶的組分一致。在基片上選擇幾個不同區(qū)域進行測試,顯示成分均勻,無偏析現(xiàn)象。

        圖2 GaAs/AuGeNi的能量彌散的X射線分析圖譜,插圖顯示了各原子的組分Fig.2 EDAX spectrum of GaAs/AuGeNi, the insert shows the composition of each atom

        表1 電極中Au、Ge、Ni組分計算Table 1 Calculation of Au, Ge and Ni components in electrode

        圖3為400 ℃退火前后兩個AuGeNi/Au電極之間的I-V曲線。圖3(a)為電極退火之前的I-V曲線,曲線呈現(xiàn)整流特性,說明電極與GaAs基片之間為肖特基接觸,而非歐姆接觸。圖3(b)為退火之后I-V曲線,曲線呈線性,說明電極與基片之間為歐姆接觸。與圖3(a)相比,其電阻降為原來的1/20。該結(jié)果充分說明了退火處理的重要性。

        圖3 AuGeNi/Au電極間I-V曲線Fig.3 I-V curves between AuGeNi/Au electrodes

        為了深入了解退火溫度對電極歐姆接觸的影響,對不同溫度下退火的樣品進行了比接觸電阻率測量。測試原理基于TLM模式[14],測試方法如圖4插圖所示,圖中W為基片寬度,d為電極寬度,l1和l2分別為兩相鄰電極間距,則:

        圖4 AuGeNi/Au電極的比接觸電阻率隨退火溫度的變化關(guān)系,插圖為比接觸電阻率測量過程示意圖Fig.4 Variation of contact resistivity of AuGeNi/Au electrode with annealing temperature, the insert is the schematic diagram of contact resistivity measurement process

        Rc=[(R2-rp)l1-(R1-rp)l2]/2(l1-l2)

        (1)

        R□=(R1-R2)W/(l1-l2)

        (2)

        ρc=Rc2W2/R□

        (3)

        式中:Rc、R□、rp、ρc分別為接觸電阻、方塊電阻、探針引線電阻和比接觸電阻率,R1和R2為包括rp的電阻測量值。

        由圖4可以看出,當(dāng)退火溫度在400~500 ℃時可以獲得較小的比接觸電阻率,ρc達到10-6Ω·cm2,而退火溫度低于400 ℃和高于500 ℃后ρc增大。AuGeNi/Au電極在室溫下濺射到GaAs基片上,由于GaAs的逸出功比AuGeNi合金小,故當(dāng)AuGeNi合金與n-GaAs接觸時形成肖特基勢壘,從而造成AuGeNi與GaAs之間在退火之前為肖特基接觸。退火過程中,GaAs會在300 ℃左右發(fā)生分解,而合金層Au的存在會加速Ga的外擴散。相變過程如下:Au+GaAsAuGa+As。GaAs中由于Ga的外擴散在晶格中留下大量Ga空位,當(dāng)溫度升高到400 ℃時,Ge會向晶體內(nèi)擴散占據(jù)Ga空位成為施主雜質(zhì)提供電子,因此在電極下方可以得到一層n+-GaAs,使富Au的合金與n-GaAs接觸由最初的肖特基勢壘接觸變?yōu)闅W姆接觸[15],正如圖3(a)和圖3(b)所示。實驗研究發(fā)現(xiàn),AuGeNi合金(Au 88%,Ge 12%,另加Ni 5%)的合金化溫度為450 ℃左右,更有利于形成低阻歐姆接觸[16]。而在更高溫度下的接觸性能退化可能與接觸界面Au-Ge合金的“球聚”有關(guān)[13]。當(dāng)Au-Ge與接觸材料浸潤性較差時,容易在合金化過程中出現(xiàn)“球聚”現(xiàn)象,收縮成不同大小的孤立小島?!扒蚓邸睍菇佑|界面粗糙,提高接觸電阻,同時降低歐姆接觸性能的穩(wěn)定性。Ni的加入雖然能降低AuGe合金化過程中的“球聚”概率,但不能完全阻止。

        3 結(jié) 論

        本工作采用離子濺射法制備了n型GaAs歐姆接觸電極AuGeNi/Au。研究結(jié)果表明,通過優(yōu)化制備過程,可降低電極的比接觸電阻率。制備過程中,由于Au比AuGeNi合金導(dǎo)電性強,Au靶與基片間距應(yīng)略大于AuGeNi合金與靶間距。并且,調(diào)整空氣壓力減小離子束電流,以保證電極表面平整、組分均勻。電極制備后退火過程也非常關(guān)鍵,400~500 ℃退火處理可以實現(xiàn)低阻歐姆接觸??梢?,通過改善工藝過程,離子濺射法也可用于制備n型GaAs的AuGeNi/Au電極,且該方法相對于蒸鍍法具有設(shè)備成本低、節(jié)約材料等優(yōu)點。

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