CN101840964B - 低阻p-GaN欧姆接触电极制备方法 - Google Patents

低阻p-GaN欧姆接触电极制备方法 Download PDF

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Abstract

一种低阻p-GaN欧姆接触电极制备方法，该方法包括：取一衬底，在衬底上生长一器件外延层；对器件外延层进行表面清洗；采用腐蚀剂将器件外延层表面的氧化物去除；光刻，将光刻板上的图形转移到器件外延层上；在器件外延层的表面生长透明电极层；剥离、退火，使透明电极层发生反应，在透明电极层的表面形成高阻层；将发生反应的透明电极层表面的高阻层去除；在透明电极层的表面依次生长连接层和电极加厚层。

Description

低阻p-GaN欧姆接触电极制备方法
技术领域
本发明涉及半导体工艺技术领域，尤其涉及一种半导体光电子器件中低阻p-GaN欧姆接触电极制备方法。
背景技术
作为第三代半导体材料的代表，直接带隙半导体材料GaN由于可与InN、AlN等形成组分连续可变的三元或四元固溶体合金体(AlGaN、InGaN、AlInGaN)，对应的波长覆盖了红光到近紫外光的范围；而且具有化学稳定性和热稳定性良好等优越特性，因此在光电子和微电子领域具有极大的应用前景。
微电子方面，由于GaN材料系列具有高的热导率和高的击穿场强，非常适用于高温大功率电子器件和高频微波器件，在汽车、航空和电力应用方面都是必需的。这类器件的代表有GaN调制掺杂场效应晶体管(MODFETs)、肖特基栅场效应晶体管(MESFETs)、异质结双极晶体管(HBT)等。
光电子应用方面，在成功解决了GaN基材料生长和p型化问题之后，已研制出高亮度的蓝光和绿光发光二极管，并实现了商品化。将这种蓝光和绿光LED与AlGaAs基红光LED结合，就能实现三基色，从而应用于高亮度户外全色显示；也可用来产生固态白光光源，大大提高照明装置发光效率和可靠性。GaN基蓝光激光器由于具有可靠的短波长，在高密度光存储和光探测方面具有广阔的应用前景。此外，GaN对波长小于365的紫外光具有较大的光响应，且比其他III-V族氮化物电子迁移率大，灵敏度更高。典型的GaN基探测器是可应用于存在可见光或红外光背景下对紫外光进行探测或控制的太阳盲紫外探测器。具体的应用包括火焰探测、火炉和发动机的自动监测、航空和石油工业、海底通讯、太空通讯、导弹威胁的预警、可携带的战场试剂或化学分析系统等。
目前GaN基器件面临的问题是在金属和半导体接触处电压降过大，影响了器件的性能和可靠性。对于n型GaN欧姆接触，根据文献1：“JingxiSun，K.A.Rickert，et al，p-GaN surface treatments for metal contacts，AppliedPhysics Letter，Vol 76，pp：415-417，2000”公开，采用Ti/Al、Ti/Au和Ti/Al/Au系电极结构已经获得了小于10-5Ω·cm2的接触电阻率，满足大部分器件要求。而对于p-GaN，文献2：“Ja-Soon Jang，Seong-Ju Park，Metallization scheme for highly low-resistance，transparent and thermallystable Ohmic contacts to p-GaN，Appl.phys.lett，Vol.76，20，2000”中公开，要获得同样低的电阻率却很难，其难点来源于(1)很难获得高于1018cm-3的空穴浓度和(2)难以找到功函数比p-GaN亲和势(6.5eV)高的电极金属。
目前的主流研究认为，能有效除去表面本征氧化层和采用能与GaN表面发生合适反应的电极金属结构是有效降低欧姆接触电阻的两个方面。有研究显示金属-半导体接触界面的污染层直接增加了接触势垒的高度，根据文献3：“Ishikawa H.Kobayashi S.Koide Y.Yamasaki S.et.al A reviewof the metal-GaN contact technology.J Appl Phys 1997：81：1314-1318”计算厚度为
Figure G2009100800699D00021
的氧化层可以使肖特基势垒高度增加0.2-0.3eV。例如文献4：“Ho Won J ang，Soo Young Kim，Jong-Lam Lee，Mechanism for Ohmiccontact formation of Oxidized Ni/Au on p-type GaN，J.Appl.Phys，2003，94(3)：1748-1752”、文献5：“Jong Kyu Kim，Jong-Lam Lee，Low resistancePd/Au ohmic contacts to p-type GaN using surface treatment，Appl.Phys.Lett，1998，73(20)：2953-2955”、文献6：“Po-Sung Chen，Ching-Ting Lee，Investigation of Ohmic mechanism for chlorine-treated p-type GaN using x-rayphotoelectron spectroscopy，J.Appl.Phys，2006，100(4)：044510”、文献7：“Yow-Jon Lin，Chang-Feng You，Enhancement of Schottky barrier height onp-type GaN by(NH4)2Sx treatment，J.Appl.Phys，2006，99(5)：053706”中报道采用HCl溶液、KOH溶液、王水溶液、(NH4)2Sx溶液等对p-GaN进行表面处理获得了较低的接触电阻率。目前报道的在中等掺杂GaN上获得10-4Ω·cm2以下的接触电阻率的电极只有两种Ta/Ti和Ni/Au，前者在空气中不稳定，因而目前普遍采用的是后者。研究发现，只有在氧气氛中退火的Ni/Au电极才能获得适用的欧姆接触，其详细机理目前还没有定论，但大多认为与NiO的形成有关。
在上述采用的溶剂表面处理方法中，普遍存在一个问题是这些溶剂在加热时会产生挥发或沉淀，从而使得工艺条件不便有效控制，工艺重复性不好。因此需要采用新的工艺条件对此进行改进。
大量实验测试显示，Ni/Au电极在氧气氛中退火后，绝大部分NiO会发生层翻转至电极表面，作为一种高阻p型半导体材料，与后续电极加厚金属如Ti/Au接触形成另一个金属-半导体接触，增加了整体接触电阻。因此采用一定的方法除去这些NiO有助于降低接触电阻率。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种制备低阻p-GaN欧姆电极的方法，提高前表面处理工艺可控性和重复性，同时针对常用的电极结构Ni/Au，采用特殊的后表面处理除去附加电阻部分，有效降低接触电阻率。
为达到上述目的，本发明提供了一种低阻p-GaN欧姆接触电极制备方法，该方法包括：
取一衬底，在衬底上生长一器件外延层；
对器件外延层进行表面清洗；
采用腐蚀剂将器件外延层表面的氧化物去除；
光刻，将光刻板上的图形转移到器件外延层上；
在器件外延层的表面生长透明电极层；
剥离、退火，使透明电极层发生反应，在透明电极层的表面形成高阻层；
将发生反应的透明电极层表面的高阻层去除；
在透明电极层的表面依次生长连接层和电极加厚层。
其中采用腐蚀剂将器件外延层表面的氧化物去除的步骤是在封闭环境下的水浴法，温度为80℃，处理时间为15分钟。
其中透明电极层的材料为Ni/Au、Ni/Pt/Au或Ni/Pd/Au。
其中所述的退火，是在氧气氛或含氧气氛中退火，退火温度为450-600℃。
其中所述的腐蚀剂是氟氢化氨缓冲HF酸溶液，该酸溶液的配比为1mol/L的氟氢化氨溶液与40％的HF酸溶液按体积比＝2∶1的方式配制而成。
其中将发生反应的透明电极层表面的高阻层去除的步骤是在封闭环境下的水浴法，温度为70℃，处理时间为15分钟。
其中所述将发生反应的透明电极层表面的高阻层去除的步骤，采用的是质量分数为10％的草酸溶液。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的采用腐蚀剂将器件外延层20表面的氧化物去除的方法，由于采用的是比HCl酸和王水中的HNO3挥发性较小的HF酸，并用氟氢化氨溶液进行缓冲，使得整个处理过程中溶液中的溶剂浓度几乎保持不变，另外用密封的水浴处理形式代替HCl和王水的沸煮，再次减少和减缓了溶剂的挥发，且大大降低了多次实验之间出现较大工艺波动的可能性，便于简化操作和比较。
2、本发明提供的这种缓冲HF溶液有助于在保证实验有效性的前提下简化后续实验操作要求。由于相比HCl和王水等强电解质而言，HF的导电性较弱。因此去除器件外延层20表面的氧化物完毕并用大量去离子水冲洗后，残留在用于剥离电极的图形光刻胶罅隙中的HF对后续电极的电学性能影响较小。
3、本发明提供的将发生反应的透明电极层30表面的高阻层60去除，有助于形成低阻电流通道，降低整体接触电阻。根据研究报道和实际实验测试发现，Ni/Au等电极在含氧气氛中退火过程中会有NiO形成并伴随着层翻转至电极表面，而通常的研究认为Ni/Au能形成低阻欧姆电极的原因主要与界面处的NiO形成有关。因而在完成所有电极制备过程后，夹在各金属层之间的高阻NiO层会增加整体接触电阻。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1为用草酸溶液去除高阻层60后形成低阻电流通道的示意图。
图2为不包含除透明电极层30表面的高阻层去除步骤制备的电极结构图，其中60为所述高阻层。
图3为退火前Ni/Au电极表面AES图样，由图可知此时Ni主要位于紧邻GaN表面的位置。
图4为退火后Ni/Au电极表面AES图样，由图可知此时Ni元素主要以NiO的形式存在，并主要位于电极表面。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照图1及图2，对本发明进一步详细说明。
大部分文献中采用HCl或王水等沸煮来去除器件外延层20表面的氧化物。由于对溶剂进行沸煮的同时会有大量气泡产生，因此无法采用封闭的容器。而本发明中去除器件外延层20表面的氧化物采用密闭的水浴装置，一方面水浴过程中气泡产生较小较少，而且绝大部分附着在容器壁上并不扩散出来，溶剂的挥发较少；另一方面，水浴装置上有密封用的上盖，这样当容器内挥发的气体达到饱和时，几乎就不再挥发，而用氟氢化氨缓冲HF能保证溶液中HF浓度几乎不变。其中，所述的去除器件外延层20表面的氧化物是指在光刻图形转移后，沉积电极金属前，用溶剂处理器件外延层20表面。
上述方案中，所述采用腐蚀剂将器件外延层20表面的氧化物去除的步骤水浴温度为80℃，处理时间为15分钟。
上述方案中，所述去除器件外延层20表面的氧化物是指除去在生长器件外延层20的过程中，在器件外延层20表面形成的本征氧化物污染层。
上述方案中，所述去除器件外延层20表面的氧化物采用的溶剂是氟氢化氨缓冲HF酸溶液，该酸溶液的配比为1mol/L的氟氢化氨溶液与40％的HF酸溶液按体积比＝2∶1的方式配制而成。
上述方案中，所述的透明电极层30的材料为Ni/Au、Ni/Pt/Au或Ni/Pd/Au。
针对Ni/Au电极，去除透明电极层30表面的高阻层60采用的仍然是密闭水浴装置。其中所述的去除高阻层60是在退火完成后，沉积后续连接层40和加厚电极层50前用溶剂腐蚀高阻层60。
上述方案中，所述的对Ni/Au电极进行退火是指在氧气中或含氧气氛中450℃-600℃范围内进行退火。
上述方案中，所述去除高阻层60的目的是为了除去Ni/Au电极在含氧气氛中退火过程中形成并通过层翻转到电极表面的NiO层。如图3中退火前电极表面AES谱所示，电极中Ni元素主要存在于临近GaN表面区域，电极中的氧元素含量很少。而图4中氧气或含氧气氛中退火后电极表面AES谱显示，Ni元素主要以NiO的形式存在并主要分布在电极表面。目前大量的研究认为Ni/Au能够形成低阻欧姆接触的主要原因在于界面处的NiO的形成，而NiO作为一种高阻弱p型半导体材料，退火后翻转到电极表面的NiO在沉积完后续加厚电极金属时，会增加整体串联电阻。
上述方案中，所述去除高阻层60步骤是在封闭环境下的水浴法，温度为70℃，处理时间为15分钟。
上述方案中，所述去除高阻层60步骤采用的溶剂是质量分数为10％的草酸溶液。
基于上述的这种制备低阻p-GaN欧姆接触电极的方法，以下结合具体的实施例对本发明提供的低阻p-GaN欧姆接触电极制备方法进一步详细说明。
实施例一
本实例中所述去除器件外延层20表面的氧化物可针对包括Ni/Au电极金属在内的任何金属电极结构。本实例采用密闭水浴装置，将1mol/L的氟氢化氨溶液与40％的HF酸溶液按体积比＝2∶1的方式配制成所需的缓冲HF处理溶液。
首先用MOCVD在衬底片10上生长的GaN器件外延层20，并在氮气中750℃下快速退火15分钟，以激活p型层中的载流子。然后分别用三氯乙烯、丙酮、甲醇、乙醇、去离子水超声清洗外延片各五分钟，以除去生长过程中粘附在器件外延层20上的有机污染物，用足够的去离子水冲洗干净并用氮气吹干。随后完成器件制备的其他工艺步骤(依具体器件而定)后，在外延片上进行光刻以转移电极图形，在本实施例中，为了检验前表面处理对改善电极接触性能的影响，采用的是便于用CTLM(圆点传输线模型)法测量接触电阻率的电极图形。然后将带有光刻胶电极图形的外延片表面氧化物去除，过程如下：将密闭水浴装置注水至合适的深度并设置其温度为80℃，待水温达到80℃并稳定后，将盛有所述缓冲HF酸处理溶液的烧杯置入所述水浴装置中，并将待处理的外延片置于一个聚四氟乙烯提篓中一并放入所述烧杯中，盖上水浴装置上盖。待温度再次稳定达到80℃时用秒表开始计时，15分钟后将聚四氟乙烯提篓取出，置于一个盛有干净去离子水的大烧杯中。将所述提篓中的外延片在自来去离子水龙头下充分冲洗，去除表面残留的溶剂物质。用氮气吹干GaN外延片，并立即用电子束蒸发沉积电极金属，随后进行电极剥离和后续其他工艺步骤。
在本实施例中，带有测试电极图形的外延片可以单独作为研究欧姆接触电极制备方法的实验片，也可作为器件芯片制备过程中用于检验电极制备工艺的陪片。
本实施例中的缓冲HF酸溶液配比、水浴温度及处理时间等参数是通过大量的实验结果比较得到的。采用不同配比的HF溶液、不同的水浴温度和不同的处理时间进行实验，并用CTLM方法测量对应的接触电阻率，结果显示采用1mol/L的氟氢化氨溶液与40％的HF酸溶液按体积比＝2∶1配制成的缓冲HF溶液、80℃水浴处理15分钟时效果最好。
实施例二
本实例中的去除高阻层60主要针对的是Ni/Au等电极结构，采用的仍然是密闭水浴装置，而采用的溶液为质量分数为10％的草酸溶液。
具体操作步骤为：将按照实施例一去除器件外延层上的氧化物并沉积上Ni/Au＝5nm/5nm金属结构的外延片进行电极剥离后，优选在氧气中550℃下退火10分钟，退火前后电极表面元素形态及其分布状况可参见图3和图4所示的AES谱。将水浴装置温度调节至70℃，待其稳定后用如实施例一中同样的方法，将退火后的外延片置于聚四氟乙烯提篓一并放入盛有所述10％的草酸溶液的烧杯中，处理15分钟后用大量的去离子水冲洗外延片。然后进行后续的制备工艺步骤，如电极加厚Ti/Al金属层等。
退火后的电极用草酸溶液处理前表面颜色较深，对应的为高阻的NiO层；而草酸溶液处理后，有许多较亮的小区域出现，对应为裸露出来的Au。由图4可知，退火后在表面的NiO和与GaN表面临近的Au层之间，还存在NiO-Au混合层，因而草酸溶液只能除去表面的NiO而无法完全除去混合层中的NiO，同时这层混合层也充当了草酸腐蚀停止层，因而处理后的表面会出现裸露的Au区域和裸露的NiO区域。
当沉积完后续加厚电极例如Ti/Au后，这些裸露的Au区域就能直接与Ti/Au接触，作为低阻电流通道，从而避免在整个接触电阻中串联一个金属-NiO接触电阻或高阻NiO层电阻，降低了整体电极接触电阻。这一机理过程如图1所示。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低阻p-GaN欧姆接触电极制备方法，该方法包括：
取一衬底，在衬底上生长一器件外延层；
对器件外延层进行表面清洗；
采用腐蚀剂将器件外延层表面的氧化物去除，该腐蚀剂是氟氢化氨缓冲HF酸溶液，该酸溶液的配比为1mol/L的氟氢化氨溶液与40％的HF酸溶液按体积比＝2∶1的方式配制而成；
光刻，将光刻板上的图形转移到器件外延层上；
在器件外延层的表面生长透明电极层；
剥离、退火，使透明电极层发生反应，在透明电极层的表面形成高阻层；
将发生反应的透明电极层表面的高阻层去除；
在透明电极层的表面依次生长连接层和电极加厚层。
2.根据权利要求1所述的低阻p-GaN欧姆接触电极制备方法，其中采用腐蚀剂将器件外延层表面的氧化物去除的步骤是在封闭环境下的水浴法，温度为80℃，处理时间为15分钟。
3.根据权利要求1所述的低阻p-GaN欧姆接触电极制备方法，其中透明电极层的材料为Ni/Au、Ni/Pt/Au或Ni/Pd/Au。
4.根据权利要求1所述的低阻p-GaN欧姆接触电极制备方法，其中所述的退火，是在氧气氛或含氧气氛中退火，退火温度为450-600℃。
5.根据权利要求1所述的低阻p-GaN欧姆接触电极制备方法，其中将发生反应的透明电极层表面的高阻层去除的步骤是在封闭环境下的水浴法，温度为70℃，处理时间为15分钟。
6.根据权利要求1所述的低阻p-GaN欧姆接触电极制备方法，其中所述将发生反应的透明电极层表面的高阻层去除的步骤，采用的是质量分数为10％的草酸溶液。
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