GaN材料的欧姆接触的研究进展

GaN材料的欧姆接触的研究进展引言GaN材料是一种宽带隙(Eg=3.4eV)半导体材料，它具有优良的物理和化学性质，如大的热导率和介电常数，高的电子饱和速度和化学稳定性，因而它在短波长发光器件、紫外探测器、大功率微波器件和高温电子器件方面具有广阔的应用前景。

近年来，Nakamura等报道了脉冲电流注入式激光器[1]和在室温下实现连续波工作的InGaN多量子阱(MQW)结构激光器[2]。

另外GaN基MESFET、HEMT、紫外光探测器(UV detector)也相继研制成功[3]。

但这些器件中，GaN材料和金属界面接触处存在较大的电压降，导致器件的电学性能和稳定性变差。

实现金属与n型和P型GaN的低阻欧姆接触是最主要的解决办法之一，因此GaN的欧姆接触是制备商品化GaN器件的关键工艺，也是GaN器件性能进一步提高的基础。

1 形成欧姆接触的机理形成机理有两种：一是势垒模型；二是隧道模型。

金属和半导体接触的能带图分析，金属与n型半导体接触能带示意图金属与p型半导体接触能带示意图势垒模型：从金属和半导体接触的能带图分析，对n型半导体，若金属功函数小于半导体功函数，形成反阻挡层；而对p型半导体，若金属功函数大于半导体功函数，也能形成反阻挡层所谓反阻挡层，就是在接触区没有整流作用，其I-V特性为线性关系，即产生欧姆接触[4]。

对Ge, Si, GaAs这些通用半导体材料,由于它们的表面态密度高，钉扎了金属半导体界面的费米能级，受其影响，金属的功函数对形成的接触势垒高度的有效作用被屏蔽，故很难靠选择不同功函数的金属材料来作成欧姆接触。

但对离子性强的化合物GaN，却不受费米能级钉扎的影响[1]，没有费米能级的钉扎，就降低了制备GaN欧姆接触的复杂性，只采用合适功函数的金属即可，如Al和n-GaN, Au和p-GaN的欧姆接触，均可用势垒模型解释。

隧道模型：若金属与半导体接触时，半导体一侧的掺杂浓度高（即重掺杂的情形），势垒区宽度变得很薄，载流子就可通过隧道效应,穿越势垒,产生相当大的隧道电流，以这种模式形成欧姆接触[4]。

如在n-GaN的Ti/Al接触,Ti和GaN的固相反应形成TiN，这个过程可看成从GaN中抽取N，但并未分解GaN的结构。

换言之，这相当于N从GaN晶格中向外扩散。

于是接近于接触界面的GaN中的N空位将积累增多，造成该界面区成为重掺杂的n-GaN，提高了隧道穿透几率，增加了隧道电流[2]。

又如Au-Zn/Ni与p-GaN的欧姆接触中，Zn扩散入中等掺杂的p-GaN的表面，降低了耗尽层宽度，增加了隧道穿透几率[4]。

2 N型GaN的欧姆接触GaN的价键表现出明显的离子性，在金属与GaN界面处不会产生高的表面态密度，所以接触势垒高度主要取决于接触金属的功函数。

对于n—GaN实现欧姆接触的首选方案是选择使用功函数小的金属，其中Al(= -4.28eV)和Ti((=- 4.33eV)是最常用的两种金属。

(1)Al、Ti系列欧姆接触Al是最早得到研究的接触金属之一，单层的A1／n—GaN 接触就能够形成欧姆接触。

用ECR-MBE方法在蓝宝石衬底上生长的n—GaN经575o C、10min退火后，接触电阻率为1.2×10 ～4.4×10Ωˑcm2孔。

值得注意的是长时间的高温退火会降低接触性能，这可能是Al氧化生成Al2O3。

，形成高阻层的缘故。

单层的Ti／n—GaN欧姆接触通常需要高温退火，当退火温度升至900~ 950o C时，Ti与n—GaN接触电阻率从2×10 降至7×10Ωˑcm2[5]。

这是因为Ti与GaN高温下反应生成TiN，在GaN与金属边界处产生N空位，形成重掺杂产生隧穿电流，从而降低了电阻率。

另外与A1N不同，TiN是金属化的，并不损害器件的欧姆接触。

但Ti在室温下比Al更容易被氧化，所以单层的Al接触或Ti接触对于要求稳定、高性能的器件来说都是不可行的。

一种简单的提高单层金属薄膜接触性能的方法就是使用Ti／Al双层金属。

Ti在下面一层作接触层，Al作盖帽层。

S．Ruvimov等报道了Ti／Al与n—GaN(MBE方法在蓝宝石衬底上生长)的接触经900o C、30s退火后，(接触电阻率)达到8 ×10Ωˑcm2。

为进一步提高Ti／Al接触性能，可以在Ti／Al上面再加盖一层电阻更小且更不易氧化的Au，为阻止Au与Ti／Al互扩散发生反应，还需添加一层阻挡层。

近来Ti／A1／Ti／Au、Ti／A1／Pt／Au、Ti／A1／Ni／Au等多层结构也得到了广泛的研究。

(2)非合金欧姆接触为了有效地降低金半接触的势垒高度，获得低的欧姆接触，可以在晶体生长过程中生长一层带隙较窄的外延层。

对于GaN基器件，InN、InGaN和InA1N都是理想的窄带隙材料。

对于InN(Eg=1.9eV)虽能有效降低与金属的接触势垒，但InN和外延GaN的突变异质结势垒仍对欧姆接触有不良影响。

为解决这一问题，在InN顶层与GaN之间生长一层InN／GaN短周期超晶格(sps)，从而可以降低GaN与InN的异质结势垒。

在InN顶层上淀积200nmTi 和100nmAl后，无需退火，其接触电阻率可达到6×10-5Ωˑcm2[6]。

3 P型GaN的欧姆接触相对于n-GaN，在p-GaN上制备成功的欧姆接触是一个巨大的挑战。

事实上，p-GaN 的高接触电阻是实现长寿命连续波工作的GaN基器件的主要技术障碍之一。

开发器件高质量欧姆接触的主要困难是：第一缺少功函数足够高的金属。

GaN的禁带宽度为3.4eV，电子亲和能为4.1eV，但金属的功函数一般都小于5eV。

第二是来自生长重掺杂p-GaN方面的困难。

P—GaN中通常Mg的掺杂浓度为1020cm-3，但是Mg会形成深受主能级且Mg的离化能很高(～170meV)。

根据费米一狄拉克统计，Mg 掺杂剂的离化率应该在29 (Mg浓度为1017 cm-3 )和1% (Mg浓度为1020cm-3 )范围内变化，导致载流子浓度很难超过1018cm-3。

低的载流子浓度限制了形成低阻欧姆接触所需的隧道电流。

第三是工艺过程中很容易造成GaN表面N空位的产生，使p-GaN表面处可能会转型成n型电导。

(1)非合金欧姆接触如果接触势垒较低，只要金属能和半导体良好浸润、紧密接触，也能形成欧姆接触。

此类接触属于非合金接触。

理论上，高功函数金属可以形成最好的p型半导体接触。

Pt 是功函数最大的金属（5.65 eV）。

有关的欧姆接触的研究也获得了较多的关注。

文献[7]指出，在激活过程中形成氢饱和的Ga空位（例如，V GaH2）；但是在沉积Pt后，由于Pt强烈吸收氢，表面附近的V GaH2又转化为V Ga。

界面存在的大量V Ga将费米能级钉扎固定在价带边缘上方0.3eV 处，在界面形成低势垒，同时由于界面出现空穴的隧穿输运，导致非合金欧姆接触的形成。

（2）InGaN/AlGaN超晶格分析了压电电极化效应影响下的超晶格内的极化电场，通过一维薛定谔方程和泊松方程的自洽求解，得到了Mg杂质离化率的空间分布。

计算表明由于屏蔽效应，随着掺杂浓度的增加Mg杂质的平均离化率会迅速减小,超晶格对空穴的限制作用也有所减弱。

实验结合理论，利用InGaN/AlGaN超晶格实现了比接触电阻为7.27×10-5Ω·cm2的良好p型欧姆接触。

用InGaN/AlGaN超晶格做p型欧姆接触具有以下两个优点：(1)提高Mg杂质的离化率，获得更高的空穴浓度；(2)对空穴有最强的空间限制作用,提高空穴扩展性能。

（3）表面处理GaN 表面活跃，易被氧化。

另外，在材料的外延生长时，表面也容易吸附一些有机物，这种表面的氧化物和被吸附的有机物就在导电的外延层上形成一层绝缘层。

因此在制备接触之前通常需要做表面处理。

表面处理是目前常用的表面处理技术之一，它通过物理作用及化学反应破坏沾污物质与表面的作用力，以有效去除表面氧化物，降低表面态密度。

文献[8]报道，经过(NH4)2Sx处理，与p-GaN表面氮空位缺陷相关的表面态减少，导致表面能带弯曲有0.25 eV 的降低，从而有利于在金属和p-GaN 层之间形成欧姆接触和肖特基接触。

文献报道，用(NH4)2S的叔丁醇溶液处理可以降低空穴从Pt金属注入到p-GaN 的表面势垒高度。

文献[9]报道，与HCl 处理的表面相比，KOH处理的表面费米能级更靠近价带边缘约1.0 eV，使其具有比HCl处理的表面小得多的表面势垒高度。

文献[10]报道，用王水处理的GaN 界面的正电子（postitron）参数的变化要比用HCl 处理的明显，这意味着在Pd沉积之前用王水处理表面，可以去除表面氧化物，导致费米能级从能带中间移近至价带，降低了空穴从金属注入p-GaN 的势垒，使ρc降低两个数量级。

4 结束语使用金属(合金)作为电极的n-GaN欧姆接触已得到了相当系统、深入的研究，接触电阻率可达到10-5～10-8Ω.cm2，可满足器件商品化的要求。

p-GaN 基器件欧姆接触的制备研究是一个实践性、工艺性很强的课题。

表面预处理、合适的金属或合金体系、合适的合金化工艺是改善欧姆接触性能的主要方法。

虽然已取得了很多成果，但仍存在一些问题，如作用机理、各种表面处理技术对接触的影响、可靠性、可重复性等，需要不断地深入研究。

从概念上说，形成一个良好的欧姆接触，需要生成一个低势垒，并且在半导体表面重掺杂。

表面重掺杂的半导体必须利用隧道效应的原理形成欧姆接触。

隧道结的形成要通过扩散、离子注入或者生长一层外延层实现。

半导体表面的掺杂浓度受限于杂质的固溶度。

掺杂浓度的不均匀也会使接触电阻难以达到理论值。

在纳米尺度上制备欧姆接触的难度更大。

实际制备工艺和测试条件的限制，使得在p-GaN 与能带较宽的金属之间实现良好的欧姆接触并没有理论上说的那样容易。

在获得良好的欧姆接触之前，需要大量的实践检验。

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