p型GaN欧姆接触的研究进展.docx

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1、P型GaN欧姆接触的研究进展潘群峰，刘宝林(原门大学物理系，福建原门361005)摘要：宽带隙的GaN作为半导体领域研究的热点之一，近年来发展得很快。p型GaN的欧姆接触问题一直阻碍高温大功率GaN基器件的研制。本文讨论了金属化方案的选择、表面预处理和合金化处理等几个问题，回顾了近年来p型GaN欧姆接触的研究进展。关键词：P型；GaN；欧姆接触中图分类号：TN304.23文献标识码：A文章编号：1003-353X(2004)08-OOI5-04Researchandprogressofohmiccontacttop-typeGaNPANQun-feng,1IUBao-IinDeptofPhys

2、ics,XiamenUniversity,Xiamen361005,China)Abstract:Thewide-bandgapGaNhasbeenextensive1yinvestigatedanddeve1opedrapid1yinrecentyears.Butdifficu1tyinobtaining1ow-resistanceohmiccontactstop-typeGaNb1ocksthedeve1opmentofhightemperature,highpowerGaN-baseddevices.Choiceofmeta11izationscheme,surfacepretreatm

3、entanda1Ioyingprocessarediscussed.Theprogressofohmiccontactstop-typeGaNarereviewed.Keywords:p-type；GaN；ohmiccontact1引言以GaN为代表的TII族氮化物因具有一系列优越的性质，而成为近年来化合物半导体研究的热点之一。利用其禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、导热性能良好等特点适合于制作高频、大功率电子器件:而利用其宽的直接带隙可以制作蓝、绿光和紫外光的光电子器件。虽然GaN基器件在近年来取得了相当大的进展，但是由于较难实现低阻的P型GaN欧姆接触，GaN基高温大功率器件的研制一直受到限

4、制。本文回顾了近年来P型GaN欧姆接触的研究进展，主要讨论了金属化方案的选择、表面预处理和合金化处理三个方面的问题，最后介绍了其他一些获取低阻欧姆接触的方法。基金项目：国家自然科学基金项目（60276029）：福建省自然科学基金项目（A0210006）2P型GaN欧姆接触问题n型GaN的欧姆接触相对容易制作，用几种金属组合，如Ti/A1,Ti/A1/Ti/Au等，接触电阻率通常可以达到10一-10FQ-C1n2，而制作低阻的p-GaN欧姆接触比较困难。有两方面的原因阻碍低阻的P-GaN欧姆接触：一方面是难于生长重掺杂的p-GaN材料（P型浓度10,8cmD；另一方面是缺乏合适的接触金属材料，P

5、-GaN材料的功函数很大（7.5eV）,而功函数最大的金属Pt也只有5.65eV。除此之外，金属化工艺（包括表面处理，金属沉积和合金化处理）的条件也会影响P-GaN的接触电阻。虽然采用不同的工艺条件可以获得类似欧姆性质的特性，但是接触电阻率通常为IO.、1。3口c120这样的阻值对于一般显示用的发光二极管（1ED）不存在严重的问题，但是对于高电流密度工作的激光二极管（1D）,会金属P-GaN浓度cr3工艺过程接触电阻率6Ccm?参考文献NiA2IO17500C空气中退火10min4.0IO63Pt/Ni/Au310,300C氯气中退火IInin5.110*MZrNZZrB21IO18105(C

6、氮气中退火30S(68)XIO5NiO2IO17王水预处理，600t空气中退火8.6IorCr/Au1.4102500退火1min3.010*7WSi1.010,83001C退火6.8IO28Pd/Au10王水预处理，700C退火1.991049Pt/Ru(23)10176009氮气中退火2.0IOd10Pt7IO17500*C氮气中退火1.8+1.710511表1各种P型欧姆接触金属化方案及结果引起诸如缺陷生成，退化或者互扩散等问题。实现1D要求接触电阻率必须低于10TQcm?,目前只有少数的研究小组能做到。表1列出了各种金属化方案及目前较好的研究结果。3金属化方案的选择高质量的欧姆接触要求

7、具备低阻和热稳定的特点，对于发光器件还要求高的透射率，所以在选择金属化方案时必须考虑这几个问题。通常，要获得低阻的欧姆接触，金属和半导体界面的肖特基势垒高度要小。在不考虑表面态影响的前提下，降低势垒高度的方法是：对于n型半导体，选择功函数小的金属：而对P型选择功函数大的金属。对于n型GaN欧姆接触的电学性质和金属功函数的关系存在着两种截然不同的观点：Bermudez等人1认为肖特基模型可用于n型GaN,肖特基势垒高度由金属功函数和半导体电子亲合势的差别决定；而反之，GUo等人”3：报道了n型GaN的肖特基势垒高度不取决于金属的功函数。对于P型GaN的欧姆接触，Mori等人M认为肖特基势垒高度和

8、接触电阻都只是很弱地依赖于金属的功函数，测量得到的P型肖特基势垒高度主要受界面态和损伤的影响：而IShikaWa等人提出接触电阻随金属功函数的增加指数地减小，在GaN表面，金属/P-GaN界面的肖特基势垒高度没有被锁住(Unpinned)。虽然Mori等人和IShikaWa等人的解释机理不一致，但二者都认为使用功函数大的金属与p-GaN欧姆接触可以得到小的接触电阻。因此目前P型GaN欧姆接触所用的材料基本上都是功函数大的金属。接触的热稳定性会影响器件的性能，特别是对于大功率器件，高温下的接触质量直接影响到器件的寿命。Au基接触(Ni/Au,Pd/Au,Ni/Pt/Au等)的热稳定性通常较差，一

9、些小组采用无Au金属化方案尝试获得热稳定和低阻的p-GaN欧姆接触。Cao等人采用W和WSi方案获得热稳定的P-GaN欧姆接触，但是它会产生较大的接触电阻率(约102Ccm?)。Suzuki等人1采用Ta/Ti方案，经热退火后得到低阻(310Rcm2),然而这种接触在空气中就会变质。一些小组采用Pt基的接触，结果表明Pt基接触可以同时获得热稳定性和低阻，Jang等人采用Pt/Ru与P-GaN接触，经热退火得到低阻(2.210ticm2),将接触表面在600C下退火30min,发现表面非常平滑并没有发生变化，表明Pt/Ru具有很优越的热稳定性，适用于大功率器件。对于采用p型接触做透明电极的GaN

10、基发光器件，接触材料的透射率对于发光器件的性能(如外量子效率、光输出功率等)至关重要。传统的1ED采用Ni/Au作为p型GaN的接触材料，而几个纳米厚的Ni/Au接触是半透明的，其在可见光波段的透射率只有60%75%.虽然可以通过减小接触层的厚度来提高透射率，但是太薄的接触层会带来热稳定性和可靠性的问题。Pt基与P型GaN的接触具有较高的透射率，如Pt/Ru(20nm50nm)接触在47Onn1的透射率为87.3%,0,而且Pt基接触具有低阻和热稳定性，所以Pt基接触非常适合用于GaN基发光器件。ITO(indiumtinoxide)由于在可见光波段的高透明度（约90%）和低阻（510cm）而

11、广泛地用作透明导体。ITo用作n型GaN的接触材料可以获得透明的低阻欧姆接触，但是ITO直接用作p型GaN的接触材料却得到整流性的接触。研究者们想到用NiIT0与P型GaN接触工，结果获得比较理想的低阻欧姆接触（约103cm2）和高透射率（约87%）,因此NiZITO无论在光学上还是电学上都是GaN基1ED可用的P型接触材料。4表面预处理化合物半导体的表面具有化学活性，容易吸收氧原子，从而在表面形成一氧化层。GaN表面通常有一自然的绝缘氧化层（包含Ga/,和C猴），厚大约2nm。这一氧化层增加了额外的约02eV网的势垒高度，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，因此必须在沉

12、积金属前采用物理或化学的方法把它去除。物理去除的方法有辉光放电和溅射等。Wenze1等人采用辉光放电的方法清洗P型GaN表面，得到整流性质的接触，原因是清洗过程产生了高密度的表面损伤。IShikaWa等人采用低离子密度的Ar和N,溅射GaN表面，但是去除的效果不佳。另外退货的方法也可以部分的去除氧化层。更常用的方法是采用化学腐蚀预处理。化学腐蚀剂一般是用HC1溶液，也有用HF,HNOJNHOH和NHF溶液等，处理前后接触电阻率的荽化木大，效集都不明显。原因可能是：没有完全去除氧化层、腐蚀造成的表面损伤和表面被重新氧化。Cao等人1将P型GaN用HC1溶液和缓冲HF溶液处理之后，又在（NHI）S

13、溶液中煮沸20min,发现Pt/Au与p-GaN的接温现垒高度比只用HC1溶液处理过的要小。他们认为（NH）S溶液能有效地去除表面的自然氧化层并阻止随3的重新氧化，虽然处理完在表面形成了Ga-S薄层,但其厚度比自然氧化层小得多，不会影响电流流动.Kim等人,采用Pt与p-GaN接触,表面预处理分别用沸腾的王水和HC1溶液，HC1溶液处理过的接触电阻率为4.7101cm2,而王水处理过的为14X10；cm2,后者较前者减小了近3个量级，说明王水有效的去除了GaN表面的氧化层，降低了肖特基势垒高度。KOH溶液也同样具有有效去除氧化层的作用,1ee等人在沉积Pd/Au前将p-GaN外延片放在沸腾的K

14、OH溶液中浸泡1min,发现接触电阻率从原来的2.9X101c）2减小到7.1X103cm2o5合金化处理未经合金化处理的金属与GaN接触一般都表现出整流特性，所以沉积后的材料必须进行热退火处理以形成欧姆接触。金属与P型GaN的接触一般都采用快速热退火（RTA;rapidtherma1annea1ing）进行处理。为了获得低阻的欧姆接触，必须对退火的氛围、温度和时间等条件进行优化，而优化的条件又因不同的接触金属而异。退火的氛围有空气、。2、N2、Ar或组合气体（如N/H,N/0等），3数主验表明在含氧的氛围市退入的效果食好，一般认为氧可以有效地吸收P型GaN表面层中残留的氢，激活Mg受主，从而

15、提高P型载流子浓度。Miste1e等人比较了Ni/AU与P型GaN接触在0,Ar和N/%氛围下快速热退火，结果发威在。中退火而效巢最好（550C退火2min,巧109cM）。在氧气中退火，一方面去除了p：GaN表面层内的氢，提高了P型载流子浓度；另一方面形成了具有P型性质的NiO从而降低了界面的势垒高度，而在N/H中22退火却得到肖特基接触，原因是H钝化了Mg受主，降低了空穴浓度。退火的氛围不但影响接触的电学性质，还会改变接触的光学性质。Horng等人在P型GaN上沉积NiZITO做欧姆接触，沉积后分别在真空、氮气和空气氛围中60（TC热退火，比较三者发现，在空气中退火不仅获得最低的接触电阻率（约8.6X101cm2）,而且在47Onm的透射率也是最高的（空气中88%,真空中只有74%）。Wenze1等人网研究了不同温度退火对接触电阻的影响，认为接触电阻变化的原因有：金属/P-GaN界面形成反应相，金属与P-GaN外延层之间形成更紧密的接触和P-GaN外延层分解。500C左右退火,界面反应相的形成和紧密接触对接触电阻的减小起了主要作用；而大于700C退火，反应相的变化和