在GaAs基电注入阴极中的TiPtAu电极制备工艺研究

电子质量
2020年第05期(总第398期)
基金项目:本项目由国家自然科学基金资助(项目编号：61661002)
作者简介:夏聚洋(1992-)，男，硕士研究生，主要研究方向为半导体器件与微电子学。

在GaAs 基电注入阴极中的Ti/Pt/Au 电极制备工艺研
究
Study on Preparation Technology of Ti/Pt/Au Electrode in GaAs-Based Electron-Injection
Cathode
夏聚洋(东华理工大学,江西南昌330013)
Xia Ju-yang (East China University of Technology,Jiangxi Nanchang 330013)
摘要：制备GaAs 基电注入阴极需要在p 型GaAs 材料上制备周期性分布的金属薄膜电极。

实验中，分别采用正性光刻胶AZ5214和负性光刻胶RPN1150作为掩膜层，利用热阻蒸发法和电子束蒸发法在材料表面沉积Ti/Pt/Au 薄膜，通过薄膜剥离技术去除多余的金属薄膜，形成基极电极。

实验结果表明采用负性光刻胶制备的电极质量更好，正性光刻胶制备的电极边缘粗糙，合理地沉积Ti/Pt/Au 薄膜厚度可提高电注入阴极的基极电极质量，从而提升电注入阴极的性能。

关键词：电注入阴极；光刻胶；Ti/Pt/Au 薄膜电极；金属沉积中图分类号：TN305
文献标识码：A
文章编号：1003-0107(2020)05-0128-04
Abstract:The preparation of GaAs-based electron-injection cathode required the preparation of a periodic distributed metal film electrode on a p-type GaAs material.In the experiment,positive photoresist AZ5214and negative photoresist RPN1150were used as masks,and Ti/Pt/Au films were deposited on the material surface by thermal resistance evaporation and electron beam evaporation.The excess metal film was removed by thin film stripping technology to form the base electrodes.The experimental results showed that the electrode pre-pared by negative photoresist was of better quality,and the edges of electrodes prepared by positive photoresist was rough.Reasonable design of Ti/Pt/Au film thickness can improve the quality of the base electrode of the electron-injection cathode,and the performance of electron-injection cathode was improved.Key words:Electron-injection cathode;Photoresist;Ti/Pt/Au thin film electrode;Metal deposition CLC number:TN305
Document code:A
Article ID ：1003-0107(2020)05-0128-04
0引言
GaAs 类光阴极具有量子效率高、
自旋极化度高、发射电子能量与角度分布集中、发射电子束脉冲宽度可调，以及可实现均匀平面发射等众多优点，被广泛应用于真空电子源领域，且在自旋极化电子领域也是一大研究热点[1-2]。

随着电子加速器的不断发展，
对电子源性能提出了更高的要求。

目前光阴极极化度虽高，但量子效率都非常低[3]，提高激光功率是一种提高量子效率的有效手段，但易使光阴极材料内部发热，
从而缩短光阴极工作寿命。

针对这一问题，我们提出了一种新型的负电子亲和势(NEA)GaAs 基电注入阴极，这种阴极不同于GaAs 光阴极，不需要昂贵且复杂的激光系统照射阴极表面，但需要在阴极表面制作金属薄膜电极，本工作将探索一种适合于电注入阴极的电极制备方法。

大多数对于金属与半导体接触的研究都是关于其接触电阻率的大小，如Au/Zn/Au、In/Ag/Au、Cr/Au、Ti/Pt/Au 等在半导体材料上的欧姆接触研究[4-5]，而对电极的形状和尺寸的研究则很少。

但在此次研究中，
需要金属128
薄膜电极周期性覆盖在阴极表面，且GaAs基电注入阴极需要通过Cs/O激活实验在GaAs表面形成Cs-O激活层，使材料表面形成负电子亲和势，从而大幅度提高阴极的量子效率[6]。

而电注入阴极的Cs/O激活实验对表面清洁程度要求极高，需要保证金属薄膜电极周期性且整齐地覆盖在阴极表面，不会影响电注入阴极的Cs/O 激活，因此解决电注入阴极中电极的周期性分布问题是此次研究的首要任务。

1电注入阴极工作机理分析
本文设计的GaAs基电注入阴极是一种类似于双极结晶体管的NEA阴极结构，利用外部偏置电压进行电子注入，由n-GaAs衬底、AlGaAs/GaAs外延层和电极组成，如图1(a)所示。

图1中序号①、②、③、④和⑤分别代表n-GaAs衬底、变带隙n-AlGaAs层、n-AlGaAs层、p-AlGaAs层和变带隙p-AlGaAs层，ΨC和ΨV分别表示突变PN异质结中导带和价带的内建电势。

生长在n-GaAs衬底上的AlGaAs/GaAs外延层包括变带隙n-AlGaAs层、n-AlGaAs层、p-AlGaAs层和变带隙p-AlGaAs层。

其中n-AlGaAs层中Al组分均匀分布，组分为0.45，变带隙n-AlGaAs层中Al组分从0(n-GaAs 衬底表面)向上线性增加到0.45(n-AlGaAs层下表面)。

p-AlGaAs层中Al组分也是均匀分布，但组分为0.25，变带隙p-AlGaAs层中Al组分从0.25(p-AlGaAs层上表面)向上线性减小到0(发射面)。

(a)原理图
(b)能带结构图
图1GaAs基电注入阴极结构
电注入阴极电极包括发射极、集电极和基极，发射极在n-GaAs衬底的底部，用于提供阴极电子发射所需的电子。

发射进入真空的电子通过集电极(阳极)被收集。

基极电极以一定距离周期性分布在变带隙p-AlGaAs层上，而未被基极电极覆盖的变带隙p-AlGaAs层表面则形成周期性分布的发射面。

在发射面上获得负电子亲和势，可使得更多的低动能电子通过表面势垒发射进入真空。

如图1(b)所示，由于禁带宽度的变化(变带隙)，在高浓度p型掺杂变带隙p-AlGaAs层的导带中会形成一个由高Al组分到低Al组分的向下能带弯曲，而价带几乎不弯曲，这会在导带中产生一个有利于电子输运的内建电场。

而在高浓度n型掺杂变带隙n-AlGaAs层中的变化则相反，价带会发生弯曲。

电注入阴极由外加电压驱动，通过在基极与发射极之间施加正向电压，使得电子从n-AlGaAs层注入到p-AlGaAs层，并通过扩散和漂移运动经过p-AlGaAs层和变带隙p-AlGaAs层到达变带隙p-AlGaAs层表面(即阴极表面)，阴极表面的电子隧穿发射面势垒发射进入真空中或被基极电极收集。

2实验内容
电注入阴极不同于GaAs光阴极，需要在阴极表面制作金属薄膜电极，用于电子注入。

从原理图中可知电注入阴极有三个电极，分别为集电极、发射极和基极。

集电极在电注入阴极外部，收集发射出来的电子，被安装在测试装置上。

在Cs/O激活和电注入测试时，会在电注入阴极的n-GaAs衬底底部用铟金属与装置接触，形成发射极电极。

因此在电极的制备过程中主要研究周期性分布的基极电极的制备工艺，下面将讲述如何制备基极电极。

2.1实验原理
半导体器件的电极制备通常是通过直接在基片上沉积金属薄膜来完成，对于有复杂形状的电极则需要使用光刻胶掩膜层或镂空金属掩膜层等作阻挡，沉积金属后去除作阻挡的掩膜层的同时也去掉了掩膜层上面的金属薄膜，留下的金属薄膜就形成了相应形状的电极。

镂空金属掩膜层只适用于毫米级别的电极尺寸，对于更微小的尺寸，就要使用光刻胶掩膜层。

电注入阴极的基极电极尺寸在微米级别，而且周期性分布在阴极表面。

为了提高电子发射效率，同时保证基极电极整齐环绕每个发射面，则需要使用光刻胶掩膜层。

因此基极电极制备原理如图2所示，首先将阴极材料进行标准的有机清洗处理，去除材料表面的污染物。

再通过光刻工艺在变带隙p-AlGaAs层表面形成掩膜层，接着在表面沉积相应的金属薄膜。

最后利用剥离液去除发射面上的光刻胶，沉积在GaAs材料上的金属薄膜不会被去掉，就形成
了周期性分布的基极电极。

129
电子质量2020年第05期(总第398期)
图2基极电极制备原理
2.2制备掩膜层
本文通过光刻技术在阴极表面形成光刻胶掩膜层，光刻工艺分为涂胶、前烘、曝光、后烘和显影等步骤。

在涂胶之前，需要对样品进行清洗以保证样品表面洁净干燥。

样品清洗后需要在样品表面进行涂胶，从而在样品表面获得厚度均匀的胶膜，胶膜厚度取决于旋涂仪的转速。

此次实验采用了两种光刻胶进行涂胶工艺，分别为正性光刻胶AZ5214和负性光刻胶RPN1150。

样品涂胶完成后需要进行前烘，以增强光刻胶与样品表面的结合力并使胶膜固化，形成更稳定的曝光特性。

接着采用H94-25C型接触式光刻机对样品进行曝光，再通过后烘促进光刻胶反应，值得注意的是AZ5214光刻胶通过后烘后会转换为负性光刻胶，因此实验中AZ5214光刻胶工艺无需后烘。

最后用显影液去掉曝光部分(正胶)或未曝光部分(负胶)的光刻胶，从而在样品表面形成准确的掩膜图案。

在理想状态下，曝光后的胶膜两侧是垂直于样品表面的。

实际情况中，由于曝光时光的反射、散射和衍射等影响，会导致如图3所示情况。

正性光刻胶曝光显影后会产生正梯形截面胶膜，而负性光刻胶则形成倒梯形截面胶膜。

图3正性光刻胶和负性光刻胶曝光显影示意图
2.3沉积金属薄膜与薄膜剥离
电注入阴极的基极电极制备在变带隙p-AlGaAs层表面，与p型GaAs材料接触。

GaAs材料由于掺杂类型的不同，欧姆接触使用的金属薄膜材料也就不同。

对于p型GaAs材料，一般使用Al、Ag和Ti/Pt/Au等金属薄膜进行欧姆接触，本文采用了Ti/Pt/Au薄膜作为电注入阴极的基极电极。

在半导体器件工艺中，物理气相沉积技术是最常用的金属薄膜沉积工艺。

Ti/Pt/Au薄膜电极的制备需要按顺序沉积80nm的Ti薄膜、40nm的Pt薄膜和200nm的Au薄膜在样品表面。

针对不同的金属材料，本文采用热阻蒸发法沉积Pt和Au薄膜，使用电子束蒸发法沉积Ti薄膜，实验设备名称为MEB-600型电子束与热阻一体蒸发镀膜机，实验原理如图4所示。

图4热阻蒸发与电子束蒸发沉积金属示意图在完成金属薄膜沉积后，整个样品表面都被金属薄膜覆盖，因此需要剥离掉多余的金属薄膜，以形成相应形状的基极电极。

通过使用剥离液与光刻胶反应，可去除光刻胶上的金属薄膜，将沉积好Ti/Pt/Au薄膜的样品放进剥离液中，通过观察样品表面变化来判断剥离是否成功，一般剥离时间为30到60分钟，也可以通过加热来缩短剥离时间。

3实验结果分析
待剥离结束后将样品进行标准的有机清洗，而后使用扫描电子显微镜(SEM)对样品进行形貌表征。

本文通过制备两种不同的掩膜层图案，得到了如图5所示的两种基极电极形状，分别为长条形和网状形。

图5(a)中基极电极形状为长条形，宽度4μm，两个相邻的基极电极间隔(即发射面宽度)12μm。

其使用负性光刻胶工艺制备，形成倒梯形截面胶膜，沉积在胶膜上的金属薄膜会留有空隙，剥离液更容易与光刻胶接触并反应，这会导致使用负性光刻胶工艺的样品更容易剥离成功。

从图5 (a)中可以看出剥离后电极表面平整，边缘光滑，质量好，发射面也无明显的瑕疵。

反之，正梯形胶膜会使得沉积的金属薄膜与样品表面紧密贴合，剥离液与光刻胶反应较为困难。

如图5(b)所示，其为网状形电极样品，电极宽度4μm，发射面宽度16μm，使用正性光刻胶工艺制备。

从图5(b)中可以看出，其电极边缘粗糙且微微翘起，这是因为正性光刻胶工艺形成的正梯形截面胶膜，导致剥离时电极边缘不易断裂且断裂处大于原本想要的电极宽度，因此与图5(a)相比，掩膜图案的基极电极宽度相同，但实验结果是图
5(b)的电极宽度要宽一些。

130
(a)使用负性光刻胶工艺
(b)使用正性光刻胶工艺
图5剥离后样品表面形貌图
从图5可知，负性光刻胶工艺制备的薄膜电极样品更容易剥离，且剥离后的样品质量更好。

此外，掩膜层的质量、沉积金属时的真空度和金属薄膜厚度等因素也会影响基极电极的质量。

下面给出了一个Ti/Pt/Au各层薄膜厚度分别160nm、40nm和300nm的样品表面SEM 观察图，如图6所示。

该样品除薄膜厚度外，其它制备工艺参数与图5(b)相同，经过60分钟的剥离工艺后，其样品发射面上的金属薄膜并未脱离，无法形成周期性分布的基极电极。

从图6中可以看出薄膜厚度对制备电注入阴极的基极电极有很大的影响，因此合理地沉积Ti/Pt/Au薄膜厚度可提高电注入阴极的基极电极质量。

图6未剥离成功的样品表面形貌图4结论
采用正性光刻胶AZ5214和负性光刻胶RPN1150作为掩膜层制备电注入阴极的基极电极，通过扫描电子显微镜进行样品的形貌表征得出：采用负性光刻胶制备的电极表面平整，边缘光滑，质量好；采用正性光刻胶制备的电极边缘粗糙且微微翘起，其宽度要大于原本设计的电极宽度；合理地沉积Ti/Pt/Au薄膜厚度可提高电注入阴极的基极电极质量，从而提升电注入阴极的性能。

参考文献：
[1]Chrzanowski K.Review of night vision technology[J].Opto-electronics review,2013,21(2):153-181.
[2]Hernandez-Garcia C,O'Shea P G,Stutzman M L.Electron sources for accelerators[J].Physics today,2008,61(2):44-49.
[3]Jin X,Ozdol B,Yamamoto M,et al.Effect of crystal quality on performance of spin-polarized photocathode[J].Applied Physics Letters,2014,105(20):203509.1-203509.5. [4]Bruce R,Clark D,Eicher S.Low resistance Pd/Zn/Pd Au ohmic contacts to P-type gaas[J].Journal of Electronic Ma-terials,1990,19(3):225-229.
[5]Song J O,Leem D S,Kwak J S,et al.Low-resistance and highly-reflective Zn-Ni solid solution/Ag ohmic contacts for flip-chip light-emitting diodes[J].Applied physics le-tters,2003,83(24):4990-4992.
[6]Zhang Y,Niu J,Zou J,et al.Surface activation behavior of negative-electron-affinity exponential-doping GaAs pho-tocathodes[J].Optics
Communications,2014,(321):32-37.
131。