欧姆接触
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欧姆接触
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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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。