GaN的欧姆接触实验

GaN材料由于其所具有的优良光电性能,而成为固态照明、数字处理、光电器件、功率器件等半导体材料与器件领域的研究热点。金属与半导体接触可以形成肖特基接触，也可以形成非整流的接触，即欧姆接触。欧姆接触不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变。

室温下n-GaN的电子亲和势为4.11eV。在金属材料中Ti和Al的功函数较低，适用于和GaN形成欧姆接触。常用膜层Ti/Al/Ni/Au。

好的欧姆接触必须有一个势垒层L1，这一层是最接近n-GaN的，必须是自然情况下为金属化的，而且要有可以忽略不计的电阻，它的功函数应该很小。势垒层提供了一个阻挡层使得那些比它功函数大的金属扩散到n-GaN表面。在众多难熔的和过渡金属化合物中，硼化物、碳化物、氮化物是在化学以及热力学上十分稳定的化合物。氮化物有TiN、TaN、ZrN等。过去TiN被用于阻挡Ti-Pt间的互扩散。而在n-GaN的欧姆接触中，TiN、TaN、ZrN等氮化物成为首选。因为他们十分容易通过势垒层金属M1与n-GaN中的N原子的固相化学反应获得。在众多的势垒层金属中，Ti是一种非常高活性且难熔的金属。它比Co还有活跃。势垒层L1是M1N化合物，是n-GaN中的氮原子外扩散与势垒层金属M1反应所形成的化合物。氮原子从n-GaN中的向外扩散来形成这些金属化合物，在n-GaN中留下氮空位VN，可以起到浅施主的作用，非常有利于形成欧姆接触。

M2成为覆盖层，其作用是催化剂，促进N原子与势垒层M1的固相化学反应，且和M1形成功函数低而且致密性好的合金。

低功函数金属Al是很好的覆盖层金属，因为它即不会产生高功函数合金也不会合金产生厚的宽带隙材料。势垒层和覆盖层金属都不应该外扩散到接触表面形成氧化物/氢氧化物，因为氧化物和氢氧化物是绝缘的，会引起接触性能明显退化。但是势垒层金属和覆盖层金属都容易氧化。因此需要在覆盖层上再加一层或多层的帽层，帽层金属可以是单层金属（M4）或是两层难熔金属M3、M4。引入帽层能够降低接触系统总的自由能。帽层金属常用稳定的Au，但是Au和Al很容易发生互扩散达到GaN表面，不利于欧姆接触。因此在Al和Au之间常加入Ni作为隔离层，阻止Au向GaN表面扩散。隔离层也可以选用Ti、Cr、Pt、Pd、Mo等，Ni是常见的一种。总之，金属层M1、M2、M3、M4并不会在n-GaN/M1/M2/M3/M4系统中自动建立化学平衡。因此，必须采用快速热退火（RTA）使得金属间互扩散，从而发生固相界面反应形成一系列金属间化合物。通过这样的方法，绝大多数的金属在反应中消失了，取而代之的反应产物是由薄的低电阻，低功函数金属势垒层L1A、L1B等以及势垒层L1上面的热稳定金属间合金组成的。这些层的实际构成取决于RTA时间，RTA温度以及各层金属的厚度。因此，优化这些参数对于获得低阻抗，热稳定金属合金及其重要。

Ti/Al/Ni/Au=50A/1000A/200A/2000A

Ti/Al/Ni/Au高温退火过程中与AlGaN/GaN所发生的各种反应。第一，Al熔点仅为660℃，在高温退火过程中首先液化，一部分液态Al会和下层的Ti发生反应形成Ti-Al二元相，Ti-Al二元相熔点和电阻率要比Ti低，可以促进Ti与AlGaN/GaN中N原子反应。第二，液态Al会与AlGaN/GaN中的N发生反应形成AlN，进而产生更多的N空位。第三，液态Al和Ni也会发生反应，反应程度随着Al比例增长或温度升高而逐渐深化，同时该反应抑制了液态Al继续向上扩散。第四，高温下Ti和AlGaN/GaN发生替位反应，替换掉Ga元素，反应形成TiN，在这一过程中Ga元素向外扩散，晶格中会出现大量的Ga空位并引发电荷不平衡，为缓解这种不平衡，附近的N原子将填补Ga空位，进而产生N空位。Au在反应过程中主要作用为保护Ti和Al，防止其在高温下被氧化。整个反应过程直接决定了直接接触能否形成和隧穿机制的效率。各层金属的比例以及退火温度、时间等条件均会影响高温退火反应过程，直观反映在欧姆接触电阻的大小上。

另一个欧姆接触的主要影响因素是氮空位在n-GaN表面的大量堆积。如果氮空位和镓空位在RTA或者表面处理中产生，氮空位一定要比镓空位多。n-GaN表面处理包括等离子体刻蚀或湿法刻蚀。表面处理要在金属化前进行。Mohammad指出了n-GaN的表面处理对于制造低阻接触十分重要，有几个原因：1. 可以消除GaN表面的氧化物和氢氧化物，甚至是残留的镓，形成了少氮GaN表面2. 刻蚀后粗糙的GaN表面增大了接触面积，易于金属与GaN表面的黏附3. 刻蚀后金属半导体表面的势垒高度低于肖特基势垒高度4. 在GaN表面产生大量的氮空位。

镀金属电极前简单的湿法处理比如泡稀盐酸进行表面处理。金属淀积前处理。将样品放入浓度为25%的盐酸溶液中浸泡1分钟，去除表面自然氧化层，也有用氨水浸泡的。

估计试验推荐Ti/Al/Ni/Au=200A/1200A/550A/1000A作为N-GaN的电极，RTA条件采用氮气环境，10s内升到850℃，保持30s，然后自然冷却，欧姆接触达到10-6次方。

审核编辑：汤梓红