欧姆接触
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欧姆接触
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
王书方
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引言
任何两种相接触的固体的费米能级（Fermi level）（或者 严格意义上，化学势）必须相等。 费米能级和真空能级的 差值称作功函。 接触金属和半导体具有不同的工函，分别 记为φM和φS。 当两种材料相接触时，电子将会从低功函 一边流向另一边直到费米能级相平衡。
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致谢
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1.
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2. 改善表面p－GaN的表面状况 利用MOCVD方法生长的GaN的表面上通常都存在一层 绝缘的污染层——氧化物（如GaO3等）和其它被吸附的 有机物等，如不除去将会使фb升高0.2～0.3eV。因此，在 制作金属—p－GaN接触前应进行表面处理。处理的方法 通常有化学溶剂清洗、离子溅射和热处理等。 进一步的研究表明所用的化学溶剂对фb也有影响，经 KOH清洗的p－GaN，其Fermi能级较之于经HCl清洗的向 价带方向移动约1.0eV，从而使其具有更低的фb，利用王 水清洗也有类似的效果。 通常在较高的温度和还原性气氛中退火有利于去氧化 物，但过高的温度（600℃以上）有可能使GaN表面产生N 空位。
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实现金属-p-GaN欧姆接触的方法 欧姆接触的方法 实现金属 如上所述，金属—p－GaN间形成欧姆接触存在着两大障碍， 因此，欲形成欧姆接触必须寻找更为合适的金属或合金系统以 降低Schottky势垒（фb），或提高p－GaN的空穴浓度。 选用功函数高的金属或合金系统 说起降低Schottky势垒（фb），人们首先想到的便是选 用功函数高的金属或合金系统，如：Pt（5.65eV)、Au （5.20eV）、Pd（5.17eV）、Ni（5.15eV）、Ni/Au、Ni/Pt、 Pt/Au、Ta/Ti、Co/Au、Cu/Au、Pd/Au、Pt/Ru、Ti/Pt/Au、 Pt/Ni/Au、Ni/AuZn，其中研究最多的是Ni/Au基合金系统。 在研究表面处理和金属（Pt、Ni、Pd、Au、Cu、Ti、Al、 Ta等）功函数对金属—p－GaN接触势垒фb的影响后发现：无 论在退火前或退火后（即是否发生合金化），фb都随功函数的 提高而降低，但最低的不是功函数最高的Pt，而是Ni。这说明 影响фb的不仅仅是功函数，还有表面状况等其它因素，这与已 有的理论是一致的。
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金属—半导体接触电阻 金属 半导体接触电阻 金属—半导体接触电阻是由Schottky势垒（фb）和半导体 掺杂浓度（确切地说应为载流子浓度）决定的→凡是能够 降低势垒фb或增大载流子浓度的方法都有助于降低接触电 阻。 目前人们制备金属—半导体欧姆接触依据的主要是以下两 条原则： （1）对于近似符合简单Mott理论的半导体， 找到一种比n型半导体功函数小或比p型半导体功函数大金 属，就应该能做成欧姆接触。 （2）将紧靠金属的一层做成重掺杂半导体（即载流子浓度 很高），此时耗尽层很薄，以致能发生场发射（即载流子 可借隧道效应穿过势垒），因此在零偏压下接触具有很低 的电阻。绝大部分金属—半导体欧姆接触都是根据这一原 则制成的。
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3. 形成中间半导体层（ISL） 研究结果表明：将Ni/Au—p－GaN接触置于含O2的 气氛中退火后比接触电阻ρc会明显降低，究其原因就是在 界面处形成了NiO。 Ni/Au—p－GaN系统于含O2气氛中退火的冶金过程 可简述如下：由于Ni对O的亲和力比Au大，所以Ni向外扩 散，通过Au的晶界与表面的O发生反应形成NiO。与此同 时，Au向内扩散，形成富Ni的Au岛。呈不连续状Au岛与p －GaN紧密接触，并被连续的NiO薄膜所覆盖，三者间的 位向关系为：NiO(111)∥Au(111)∥GaN(0002)和 NiO(110)∥Au(110)∥GaN(1120)。此外，还会形成Ni— Ga—O非晶相。NiO本身为一具有fcc结构的p型半导体， 由于它的存在，使得原来的Ni/Au—p－GaN接触变成了p －p双异质结Au/p－NiO/p－GaN，p－NiO被称为中间半导 体层（ISL）。
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由于Au的功函数（5.20eV）比p－NiO（4.9eV）的大， 两者之间可以形成理想的欧姆接触。而对于p－NiO/p－ GaN接触，p－NiO较厚时，界面处p－NiO的能带向上弯 曲，p－GaN的能带向下弯曲，紧靠p－GaN处的p－NiO内 就存在一个很深的空穴阱，由于价带顶在Fermi能级之上， 有大量空穴被俘获于阱中。正向偏压时，电流由Au注入p －NiO，空穴从p－NiO流向p－GaN须克服的势垒仅为 0.185eV p NiO 0.185eV；p－NiO较薄（实验中约为33nm）时，虽然紧靠 33nm p－GaN处p－NiO内的空穴阱依然存在，但在Au/p－NiO 界面由于能带不连续会有一个较小（约为0.3eV）的附加 势垒。正向偏压时，空穴通过热场发射可容易地从p－NiO 注入p－GaN，偏压为负时，电子能够隧穿Au/p－NiO界面 势垒，与阱中的空穴复合。所以，Au/p－NiO/p－GaN具 有很低的接触电阻[21]。 Jin－KuoHo等人[21]的实验结果表明，Ni/Au （5nm/5nm）—p－GaN（2×1017cm－3）在空气中退火 （500℃，10min）后，其ρc可达4×10－6 cm2。
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p－GaN的欧姆接触 － 的欧姆接触 对于p－GaN来说，实现其与金属间的欧姆接触存在着两 大障碍： （1）缺少功函数比GaN功函数（7.5eV）更大的金属或合金 系统； （2）由于GaN为宽带隙（3.4eV）半导体材料，典型的受主 2 GaN 3.4eV 杂质为Mg，功函数为3.19eV，属深受主杂质；尽管Mg的 Mg 3.19eV Mg 激活能（170meV与其它受主相比属较低的，但是仍然太 高，室温下Mg的掺杂浓度即使达到1×1020cm－3，也只有 大约1％的Mg电离；此外，Mg还可与材料中的H形成络合 物Mg－H（即氢钝化作用），并补偿部分残余施主杂质， 这些将使p－GaN的空穴浓度进一步降低，所以利用目前 生长GaN方法制备的p－GaN的空穴浓度通常都难以达到 1×1018cm－3，难以达到空穴可以隧穿Schottky势垒的水平。 因而无法形成金属—p－GaN欧姆接触比较困难。
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4. 提高p－GaN空穴浓度 除了提高Mg的掺杂浓度外，提高p－GaN空穴浓度的 主要方法之一就是去H，或使Mg－H断裂，从而激活Mg， 提高Mg的电离率。目前较为普遍的方法有LEEBI和热处理 等。 Shoou－JinnChang等[43]对微波处理（2.45GHz、 560W）p－GaN进行了研究，并与经过热处理（730℃、 20min）和未经任何处理的p－GaN进行了比较。PL图谱表 明：经微波处理和热处理的p－GaN具有很高的437.5nm峰 （前者更高），远高于未经处理p－GaN该波长处的发光 强度。利用Ni/Au制作金属—p－GaN接触后测量的电阻率 ρs和空穴浓度也有相同的趋势：经微波处理p－GaN的ρs和 空穴浓度分别为1.1～1.65 cm和9.75×1017cm－3～ 2.15×1018cm－3，并且几乎不随微波处理时间而变化。 微波处理可提高空穴浓度的原因在于Mg－H吸收能量而断 裂，激活了p－GaN中的Mg。而空穴浓度和ρs几乎不随微 波处理时间而变化则说明p－GaN吸收微波能量是非常快 的。
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任何两种相接触的固体的费米能级（Fermi level）（或者 严格意义上，化学势）必须相等。 费米能级和真空能级的 差值称作功函。 接触金属和半导体具有不同的工函，分别 记为φM和φS。 当两种材料相接触时，电子将会从低功函 一边流向另一边直到费米能级相平衡。
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2. 改善表面p－GaN的表面状况 利用MOCVD方法生长的GaN的表面上通常都存在一层 绝缘的污染层——氧化物（如GaO3等）和其它被吸附的 有机物等，如不除去将会使фb升高0.2～0.3eV。因此，在 制作金属—p－GaN接触前应进行表面处理。处理的方法 通常有化学溶剂清洗、离子溅射和热处理等。 进一步的研究表明所用的化学溶剂对фb也有影响，经 KOH清洗的p－GaN，其Fermi能级较之于经HCl清洗的向 价带方向移动约1.0eV，从而使其具有更低的фb，利用王 水清洗也有类似的效果。 通常在较高的温度和还原性气氛中退火有利于去氧化 物，但过高的温度（600℃以上）有可能使GaN表面产生N 空位。
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实现金属-p-GaN欧姆接触的方法 欧姆接触的方法 实现金属 如上所述，金属—p－GaN间形成欧姆接触存在着两大障碍， 因此，欲形成欧姆接触必须寻找更为合适的金属或合金系统以 降低Schottky势垒（фb），或提高p－GaN的空穴浓度。 选用功函数高的金属或合金系统 说起降低Schottky势垒（фb），人们首先想到的便是选 用功函数高的金属或合金系统，如：Pt（5.65eV)、Au （5.20eV）、Pd（5.17eV）、Ni（5.15eV）、Ni/Au、Ni/Pt、 Pt/Au、Ta/Ti、Co/Au、Cu/Au、Pd/Au、Pt/Ru、Ti/Pt/Au、 Pt/Ni/Au、Ni/AuZn，其中研究最多的是Ni/Au基合金系统。 在研究表面处理和金属（Pt、Ni、Pd、Au、Cu、Ti、Al、 Ta等）功函数对金属—p－GaN接触势垒фb的影响后发现：无 论在退火前或退火后（即是否发生合金化），фb都随功函数的 提高而降低，但最低的不是功函数最高的Pt，而是Ni。这说明 影响фb的不仅仅是功函数，还有表面状况等其它因素，这与已 有的理论是一致的。
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金属—半导体接触电阻 金属 半导体接触电阻 金属—半导体接触电阻是由Schottky势垒（фb）和半导体 掺杂浓度（确切地说应为载流子浓度）决定的→凡是能够 降低势垒фb或增大载流子浓度的方法都有助于降低接触电 阻。 目前人们制备金属—半导体欧姆接触依据的主要是以下两 条原则： （1）对于近似符合简单Mott理论的半导体， 找到一种比n型半导体功函数小或比p型半导体功函数大金 属，就应该能做成欧姆接触。 （2）将紧靠金属的一层做成重掺杂半导体（即载流子浓度 很高），此时耗尽层很薄，以致能发生场发射（即载流子 可借隧道效应穿过势垒），因此在零偏压下接触具有很低 的电阻。绝大部分金属—半导体欧姆接触都是根据这一原 则制成的。
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3. 形成中间半导体层（ISL） 研究结果表明：将Ni/Au—p－GaN接触置于含O2的 气氛中退火后比接触电阻ρc会明显降低，究其原因就是在 界面处形成了NiO。 Ni/Au—p－GaN系统于含O2气氛中退火的冶金过程 可简述如下：由于Ni对O的亲和力比Au大，所以Ni向外扩 散，通过Au的晶界与表面的O发生反应形成NiO。与此同 时，Au向内扩散，形成富Ni的Au岛。呈不连续状Au岛与p －GaN紧密接触，并被连续的NiO薄膜所覆盖，三者间的 位向关系为：NiO(111)∥Au(111)∥GaN(0002)和 NiO(110)∥Au(110)∥GaN(1120)。此外，还会形成Ni— Ga—O非晶相。NiO本身为一具有fcc结构的p型半导体， 由于它的存在，使得原来的Ni/Au—p－GaN接触变成了p －p双异质结Au/p－NiO/p－GaN，p－NiO被称为中间半导 体层（ISL）。
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由于Au的功函数（5.20eV）比p－NiO（4.9eV）的大， 两者之间可以形成理想的欧姆接触。而对于p－NiO/p－ GaN接触，p－NiO较厚时，界面处p－NiO的能带向上弯 曲，p－GaN的能带向下弯曲，紧靠p－GaN处的p－NiO内 就存在一个很深的空穴阱，由于价带顶在Fermi能级之上， 有大量空穴被俘获于阱中。正向偏压时，电流由Au注入p －NiO，空穴从p－NiO流向p－GaN须克服的势垒仅为 0.185eV p NiO 0.185eV；p－NiO较薄（实验中约为33nm）时，虽然紧靠 33nm p－GaN处p－NiO内的空穴阱依然存在，但在Au/p－NiO 界面由于能带不连续会有一个较小（约为0.3eV）的附加 势垒。正向偏压时，空穴通过热场发射可容易地从p－NiO 注入p－GaN，偏压为负时，电子能够隧穿Au/p－NiO界面 势垒，与阱中的空穴复合。所以，Au/p－NiO/p－GaN具 有很低的接触电阻[21]。 Jin－KuoHo等人[21]的实验结果表明，Ni/Au （5nm/5nm）—p－GaN（2×1017cm－3）在空气中退火 （500℃，10min）后，其ρc可达4×10－6 cm2。
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p－GaN的欧姆接触 － 的欧姆接触 对于p－GaN来说，实现其与金属间的欧姆接触存在着两 大障碍： （1）缺少功函数比GaN功函数（7.5eV）更大的金属或合金 系统； （2）由于GaN为宽带隙（3.4eV）半导体材料，典型的受主 2 GaN 3.4eV 杂质为Mg，功函数为3.19eV，属深受主杂质；尽管Mg的 Mg 3.19eV Mg 激活能（170meV与其它受主相比属较低的，但是仍然太 高，室温下Mg的掺杂浓度即使达到1×1020cm－3，也只有 大约1％的Mg电离；此外，Mg还可与材料中的H形成络合 物Mg－H（即氢钝化作用），并补偿部分残余施主杂质， 这些将使p－GaN的空穴浓度进一步降低，所以利用目前 生长GaN方法制备的p－GaN的空穴浓度通常都难以达到 1×1018cm－3，难以达到空穴可以隧穿Schottky势垒的水平。 因而无法形成金属—p－GaN欧姆接触比较困难。
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4. 提高p－GaN空穴浓度 除了提高Mg的掺杂浓度外，提高p－GaN空穴浓度的 主要方法之一就是去H，或使Mg－H断裂，从而激活Mg， 提高Mg的电离率。目前较为普遍的方法有LEEBI和热处理 等。 Shoou－JinnChang等[43]对微波处理（2.45GHz、 560W）p－GaN进行了研究，并与经过热处理（730℃、 20min）和未经任何处理的p－GaN进行了比较。PL图谱表 明：经微波处理和热处理的p－GaN具有很高的437.5nm峰 （前者更高），远高于未经处理p－GaN该波长处的发光 强度。利用Ni/Au制作金属—p－GaN接触后测量的电阻率 ρs和空穴浓度也有相同的趋势：经微波处理p－GaN的ρs和 空穴浓度分别为1.1～1.65 cm和9.75×1017cm－3～ 2.15×1018cm－3，并且几乎不随微波处理时间而变化。 微波处理可提高空穴浓度的原因在于Mg－H吸收能量而断 裂，激活了p－GaN中的Mg。而空穴浓度和ρs几乎不随微 波处理时间而变化则说明p－GaN吸收微波能量是非常快 的。