CN103077963B - 一种欧姆接触电极、其制备方法及包含该欧姆接触电极的半导体元件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种置于n型宽带隙半导体基底上的欧姆接触电极、其制备方法及包含该欧姆接触电极的半导体元件。该欧姆接触电极包括置于n型宽带隙半导体基底上的金属电极层，所述金属电极层的第一电极层是Ti金属层，第二电极层是Ni金属层，第三电极层是Ti金属层，第四电极层是热惰性金属层。其制备方法包括在n型宽带隙半导体基底表面制备出电极图案，再采用真空热电子束蒸发或溅射法在基底上依次沉积Ti金属、Ni金属、Ti金属和热惰性金属层。本发明可以提供n型宽带隙半导体基底上具有低接触电阻率、热稳定性和热平整性的欧姆接触电极，及具有该欧姆接触电极的半导体元件。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种置于n型宽带隙半导体基底上的欧姆接触电极、其制备方法及包含该欧姆接触电极的半导体元件。
背景技术
半导体的发展分别经历了硅、锗元素第一代半导体材料，砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)等化合物第二代半导体材料，氧化锌(ZnO)、金刚石、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)和硫化锌(ZnS)为代表的第三代半导体材料。相对于第一、第二代半导体材料，第三代半导体材料具有宽的禁带宽度、高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，通常又被称为宽带隙半导体材料(禁带宽度大于2.2 eV)，也成为高温半导体材料。
GaN材料系列是一种理想的短波长发光器件材料，GaN及其合金的带隙覆盖了从红色到紫外的光谱范围。自从1991年日本研制出同质结GaN蓝色LED之后，InGaN/AlGaN双异质结超亮度蓝色LED、InGaN单量子阱GaN LED相继问世。目前，Zcd和6cd单量子阱GaN蓝色和绿色LED已进入大批量生产阶段，从而填补了市场上蓝色LED多年的空白。蓝色发光器件在高密度光盘的信息存取、全光显示、激光打印机等领域有着巨大的应用市场。在制备这些以蓝光LED为基本元器件的高密度光盘、全光显示、激光打印机等商品时，制备性能优良的欧姆接触电极则是根本所在。
ZnO作为第三代半导体的代表，是一种宽带隙半导体材料。由于资源丰富、常温下具有较大的激子结合能(60 meV)和易进行湿法刻蚀等优点，可望应用于蓝光发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和紫外光电探测器等光电子器件，并且在透明电极、显示材料、太阳能电池、可变电阻、压电传感器等光电器件方面也有着广阔的应用前景而成为当前国内外的研究热点之一。由于接触性能的好坏直接影响到器件的性能和商业价值，低欧姆接触是实现高质量器件的基础。
紫外探测是当今各国争相发展的一项新型军民两用光电探测技术。作为一种直接带隙宽禁带半导体材料，ZnO室温下禁带宽度为3.37 eV，在紫外区具有优异的光电特性。掺入Mg组分后，形成ZnMgO合金半导体，可实现带隙在３.3 eV(ZnO)～７.8 eV(MgO)之间可调。ZnMgO吸收边在紫外光区随Mg含量的增加而蓝移，能够覆盖地球大气臭氧层吸收的主要窗口200～280 nm，进而实现日盲区紫外光的探测，具有巨大的军事和经济价值。这一切的实现同样依赖性能优良的欧姆接触电极。
为了制备高使用寿命的宽带隙半导体光电器件，就需要制备低的接触电阻、热稳定并且可靠的欧姆接触电极。这可以通过降低金属和半导体之间的势垒高度差或者提高金属/半导体界面的电子浓度来实现。金属Ti是一种理想的n型宽带隙半导体欧姆接触电极材料，这主要归功于钛的低功函数和与宽带隙半导体材料之间的结合性能。迄今为止，Ti/Ni作为n型ZnO半导体欧姆接触电极的研究已经很多。但是J. J. Chen(J. J. Chen, S. Jiang, T. J. Anderson, F. Ren, Y. J. Li, H. S. Kim, B. P. Gila, D. P. Norton, S. J. Pearton, Low specific contact resistance Ti/Au contacts on ZnO [J]. Appl. Phys. Lett. 2006. 88: 122107)和M. S. Aida(A. Mosbah, M. S. Aida, Influence of deposition temperature on structural, optical and electrical properties of sputtered Al doped ZnO thin films, [J]. J. Alloys Compd. 2012. 515:149-153)研究结果共同表明Ti/Ni电极的形貌和表面平整度受退火处理温度的影响极大，Ti/Ni金属电极在经过350℃退火后变得非常粗糙。因此开发具有低接触电阻率性能的电极变得很有必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种新结构的、具有低接触电阻率的欧姆接触电极，其制备方法以及包含该电极的半导体元件，可适用于发光二极管(LED)、激光二极管(LD)场效应晶体管(FET)、薄膜晶体管(TFT)、光电探测器、压电探测器、气敏传感器、生物探测传感器等。
本发明的采用的技术方案如下：
一种置于n型宽带隙半导体基底上的欧姆接触电极，所述的电极包括置于n型宽带隙半导体基底上的金属电极层，所述金属电极层的第一电极层是Ti金属层，第二电极层是Ni金属层，第三电极层是Ti金属层，第四电极层是热惰性金属层。
所述的热惰性金属是指在不高于1000℃高温下能保持化学稳定性而不与空气中的物质反应，同时还能保持一定机械强度的金属。
作为优选，所述的热惰性金属层选自Au金属层、Pt金属层、Pd金属层、Ir金属层中的任意一种。
作为优选，所述的n型宽带隙半导体基底选自块状n型宽带隙半导体、n型宽带隙半导体薄膜、n型宽带隙半导体纳米结构，其中n型宽带隙半导体薄膜、n型宽带隙半导体纳米结构生长在衬底上才能作为欧姆接触电极的基底，所述的衬底包括但不限于石英、玻璃、蓝宝石、硅等；所述的n型宽带隙半导体薄膜的厚度可从纳米级到微米级，优选几十纳米到几十微米；n型宽带隙半导体纳米结构是指在二维尺寸上达到纳米范围的n型宽带隙半导体，包括但不限于n型宽带隙纳米线、n型宽带隙纳米棒、n型宽带隙纳米锥、n型宽带隙纳米带等。所述的块状n型宽带隙半导体是指不需要衬底，自身可充当结构材料的半导体，可直接作为欧姆接触电极的基底。
作为优选，所述的n型宽带隙半导体选自n型ZnO、n型ZnMgO、n型ZnBeO、n型金刚石、n型SiC、n型GaN、n型AlGaN、n型AlN、n型ZnS。上述的n型宽带隙半导体包括上述纯的n型宽带隙半导体，也包括掺杂的n型宽带隙半导体。例如：n型ZnO包括非掺杂n型ZnO、n型Al掺杂ZnO、n型In掺杂ZnO、n型Ga掺杂ZnO、n型In和Ga共掺杂ZnO；n型ZnMgO包括非掺杂n型ZnMgO、n型Al掺杂ZnMgO、n型In掺杂ZnMgO、n型Ga掺杂ZnMgO、n型In和Ga共掺杂ZnMgO；n型ZnBeO包括非掺杂n型ZnBeO、n型Al掺杂ZnBeO、n型In掺杂ZnBeO、n型Ga掺杂ZnBeO、n型In和Ga共掺杂ZnBeO；n型ZnS包括非掺杂n型ZnS、n型Al掺杂ZnS、n型In掺杂ZnS、n型Ga掺杂ZnS、n型In和Ga共掺杂ZnS。
作为优选，所述的第一电极层的厚度为20～70 nm，第二电极层的厚度为30～60 nm，第三电极层的厚度为10～70 nm，第四电极层的厚度为20～90 nm；更优选地，所述的第一电极层的厚度为35～65 nm，第二电极层的厚度为45～60 nm，第三电极层的厚度为30～65 nm，第四电极层的厚度为25～60 nm。
本发明提供了一种新结构的欧姆接触电极。所述的欧姆接触电极包括置于n型宽带隙半导体基底上的金属电极层，所述金属电极层的第一电极层是Ti金属层，第二电极层是Ni金属层，第三电极层是Ti金属层，第四电极层是热惰性金属层。根据半导体-金属接触的理论，应当采用功函数较小的金属才能与n型宽带隙半导体形成欧姆接触，为此本发明选用了功函数较小的金属Ti（W Ti=4.33eV）作为与n型宽带隙半导体直接接触的第一电极层。金属Ti和金属Ni可形成Ni-Ti合金保护层，使欧姆接触电极在高温的情况下，电极表面形貌能保持平整。欧姆接触电极的使用环境多变，为此本发明采用一种具有热稳定性、在高温下能保持化学稳定性而不与空气中的物质反应，同时还能保持一定机械强度的热惰性金属作为第四电极层。整个金属电极层与n型宽带隙半导体之间在高温退火处理情况下会发生各原子之间的相互扩散，第二电极层Ni和第三电极层Ti组成的Ni-Ti合金保护层能有效地阻止n型宽带隙半导体中各原子的外扩散，从而保证半导体中载流子浓度不会随着温度的升高而降低，同时高温的环境可以活化n型宽带隙半导体，进而提高半导体中载流子浓度。两个因素共同提高n型宽带隙半导体中载流子浓度，使得本发明的欧姆接触电极具有低接触电阻率并且耐高温，具有很好的热稳定性。
本发明还提供一种半导体元件，所述的半导体元件包含上述的欧姆接触电极。
所述的半导体元件包括但不限于发光二极管(LED)、激光二极管(LD)场效应晶体管(FET)、薄膜晶体管(TFT)、光电探测器、压电探测器、气敏传感器、生物探测传感器等。
本发明的第三个目的是提供该欧姆接触电极的制备方法，包括两种方法：掩模法和光刻法。
一、 采用掩模法制备本发明所述的置于n型宽带隙半导体基底上的欧姆接触电极，包括如下步骤：
1） 清洗n型宽带隙半导体基底并吹干；
2） 在清洗好的n型宽带隙半导体基底上覆盖上带有电极图案的掩模版；
3） 在n型宽带隙半导体基底上依次生长第一电极层、第二电极层、第三电极层和第四电极层，所述的第一电极层是Ti金属层，第二电极层是Ni金属层，第三电极层是Ti金属层，第四电极层是热惰性金属层；
4） 移除掩模版，制得置于n型宽带隙半导体基底上的欧姆接触电极。
为了进一步降低电极的接触电阻率，可在步骤4)后增加将制得的欧姆接触电极进行退火处理的步骤，所述的退火处理为快速退火热处理，退火的气氛为氩气或氮气气氛，退火温度为：400～800℃，退火时间为：30～150秒。
二、 采用光刻法制备本发明所述的置于n型宽带隙半导体基底上的欧姆接触电极，包括如下步骤：
1） 清洗n型宽带隙半导体基底并吹干；
2） 在清洗好的n型宽带隙半导体基底上光刻出电极图案；
3） 在n型宽带隙半导体基底上依次生长第一电极层、第二电极层、第三电极层和第四电极层，所述的第一电极层是Ti金属层，第二电极层是Ni金属层，第三电极层(4)是Ti金属层，第四电极层是热惰性金属层；
4） 将不需要沉积的金属部分剥离，制得置于n型宽带隙半导体基底上的欧姆接触电极。
为了进一步降低电极的接触电阻率，可在步骤4)后增加将制得的欧姆接触电极进行退火处理的步骤，所述的退火处理为快速退火热处理，退火的气氛为氩气或氮气气氛，退火温度为：400～800℃，退火时间为：30～150秒。
所述的热惰性金属是指在不高于1000℃高温下能保持化学稳定性而不与空气中的物质反应，同时还能保持一定机械强度的金属。
作为优选，所述的热惰性金属层选自Au金属层、Pt金属层、Pd金属层、Ir金属层中的任意一种。
作为优选，所述的n型宽带隙半导体基底选自块状n型宽带隙半导体、n型宽带隙半导体薄膜、n型宽带隙半导体纳米结构，其中n型宽带隙半导体薄膜、n型宽带隙半导体纳米结构生长在衬底上才能作为欧姆接触电极的基底，所述的衬底包括但不限于石英、玻璃、蓝宝石、硅等；所述的n型宽带隙半导体薄膜的厚度可从纳米级到微米级，优选几十纳米到几十微米；n型宽带隙半导体纳米结构是指在二维尺寸上达到纳米范围的n型宽带隙半导体，包括但不限于n型宽带隙纳米线、n型宽带隙纳米棒、n型宽带隙纳米锥、n型宽带隙纳米带等。所述的块状n型宽带隙半导体是指不需要衬底，自身可充当结构材料的半导体，可直接作为欧姆接触电极的基底。
作为优选，所述的n型宽带隙半导体选自n型ZnO、n型ZnMgO、n型ZnBeO、n型金刚石、n型SiC、n型GaN、n型AlGaN、n型AlN、n型ZnS。上述的n型宽带隙半导体包括上述纯的n型宽带隙半导体，也包括掺杂的n型宽带隙半导体。例如：n型ZnO包括非掺杂n型ZnO、n型Al掺杂ZnO、n型In掺杂ZnO、n型Ga掺杂ZnO、n型In和Ga共掺杂ZnO；n型ZnMgO包括非掺杂n型ZnMgO、n型Al掺杂ZnMgO、n型In掺杂ZnMgO、n型Ga掺杂ZnMgO、n型In和Ga共掺杂ZnMgO；n型ZnBeO包括非掺杂n型ZnBeO、n型Al掺杂ZnBeO、n型In掺杂ZnBeO、n型Ga掺杂ZnBeO、n型In和Ga共掺杂ZnBeO；n型ZnS包括非掺杂n型ZnS、n型Al掺杂ZnS、n型In掺杂ZnS、n型Ga掺杂ZnS、n型In和Ga共掺杂ZnS。
作为优选，所述的第一电极层的厚度为20～70 nm，第二电极层的厚度为30～60 nm，第三电极层的厚度为10～70 nm，第四电极层的厚度为20～90 nm；更优选地，所述的第一电极层的厚度为35～65 nm，第二电极层的厚度为45～60 nm，第三电极层的厚度为30～65 nm，第四电极层的厚度为25～60 nm。
本发明提供的欧姆接触电极的制备方法，包括掩模法和光刻法。其中掩模法适用于大尺寸电极的制备，光刻法适用于小尺寸电极的制备。同时，本发明将制得的一种新结构的n型宽带隙半导体基底欧姆接触电极进行退火处理，在400～800℃之间退火处理之后获得比较理想一致的欧姆接触。并且随着退火温度的提升，在高温处理之后的情况下，金属电极表面形貌保持平整，且获得较低的欧姆接触电阻率，改善了n型宽带隙半导体元件的性能，提供一种具有低接触电阻率且耐高温，具有热稳定性的新型n型宽带隙半导体基底欧姆接触电极。使以n型宽带隙半导体基底欧姆接触电极作为基本元件的器件的工作范围扩展至高温环境。
附图说明
图1是本发明的欧姆接触电极的结构示意图；
图中所示：1为n型宽带隙半导体基底，2为第一电极层，3为第二电极层，4为第三电极层，5为第四电极层。
图2是实施例1制得的n型Al掺杂ZnO薄膜欧姆接触电极中Ti、Ni、Au、Al、Z和O的二次离子质谱(SIMS)图谱：图2(a)表示未退火处理的欧姆接触电极，图2(b)表示经400℃退火处理的欧姆接触电极，图2(c)表示经500℃退火处理的欧姆接触电极；
图3是实施例1制得的n型Al掺杂ZnO薄膜欧姆接触电极退火处理前后的扫描电镜照片，其中图3(a)表示退火前，图3(b)表示退火后。
具体实施方式
以下结合附图及实施例进一步说明本发明，下述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示，本发明提供一种置于n型宽带隙半导体基底上的欧姆接触电极，所述的电极包括置于n型宽带隙半导体基底1上的金属电极层，所述金属电极层的第一电极层2是Ti金属层，第二电极层3是Ni金属层，第三电极层4是Ti金属层，第四电极层5是热惰性金属层。
所述的热惰性金属是指在不高于1000℃高温下能保持化学稳定性而不与空气中的物质反应，同时还能保持一定机械强度的金属。
作为优选，所述的热惰性金属层选自Au金属层、Pt金属层、Pd金属层、Ir金属层中的任意一种。
作为优选，所述的n型宽带隙半导体基底选自块状n型宽带隙半导体、n型宽带隙半导体薄膜、n型宽带隙半导体纳米结构，其中n型宽带隙半导体薄膜、n型宽带隙半导体纳米结构生长在衬底上才能作为欧姆接触电极的基底，所述的衬底包括但不限于石英、玻璃、蓝宝石、硅等；所述的n型宽带隙半导体薄膜的厚度可从纳米级到微米级，优选几十纳米到几十微米；n型宽带隙半导体纳米结构是指在二维尺寸上达到纳米范围的n型宽带隙半导体，包括但不限于n型宽带隙纳米线、n型宽带隙纳米棒、n型宽带隙纳米锥、n型宽带隙纳米带等。所述的块状n型宽带隙半导体是指不需要衬底，自身可充当结构材料的半导体，可直接作为欧姆接触电极的基底。
作为优选，所述的n型宽带隙半导体选自n型ZnO、n型ZnMgO、n型ZnBeO、n型金刚石、n型SiC、n型GaN、n型AlGaN、n型AlN、n型ZnS。上述的n型宽带隙半导体包括上述纯的n型宽带隙半导体，也包括掺杂的n型宽带隙半导体。例如：n型ZnO包括非掺杂n型ZnO、n型Al掺杂ZnO、n型In掺杂ZnO、n型Ga掺杂ZnO、n型In和Ga共掺杂ZnO；n型ZnMgO包括非掺杂n型ZnMgO、n型Al掺杂ZnMgO、n型In掺杂ZnMgO、n型Ga掺杂ZnMgO、n型In和Ga共掺杂ZnMgO；n型ZnBeO包括非掺杂n型ZnBeO、n型Al掺杂ZnBeO、n型In掺杂ZnBeO、n型Ga掺杂ZnBeO、n型In和Ga共掺杂ZnBeO；n型ZnS包括非掺杂n型ZnS、n型Al掺杂ZnS、n型In掺杂ZnS、n型Ga掺杂ZnS、n型In和Ga共掺杂ZnS。
作为优选，所述的第一电极层的厚度为20～70 nm，第二电极层的厚度为30～60 nm，第三电极层的厚度为10～70 nm，第四电极层的厚度为20～90 nm；更优选地，所述的第一电极层的厚度为35～65 nm，第二电极层的厚度为45～60 nm，第三电极层的厚度为30～65 nm，第四电极层的厚度为25～60 nm。
本发明还提供一种半导体元件，所述的半导体元件包含上述的欧姆接触电极。
所述的半导体元件包括但不限于发光二极管(LED)、激光二极管(LD)场效应晶体管(FET)、薄膜晶体管(TFT)、光电探测器、压电探测器、气敏传感器、生物探测传感器等。
实施例1
本发明的n型宽带隙半导体基底欧姆接触电极制备方法包括以下步骤：
1) 采用脉冲激光沉积(PLD)法在石英衬底上生长约300 nm厚n型Al掺杂ZnO薄膜作为n型宽带隙半导体基底；
2) 将n型宽带隙半导体基底分别在丙酮和去离子水中超声清洗15 min，再用氮气吹干；
3) 将清洗好的n型宽带隙半导体基底在90℃条件下烘烤5 min，然后置于旋涂仪中旋涂上一层均匀的光刻胶，将旋涂好光刻胶的半导体基底在90℃条件下再次烘烤3 min，之后将光刻版贴在其表面，进行曝光，然后置于显影液中进行显影操作，在半导体基底表面出现光刻出的电极图案；
4) 将光刻好的半导体基底置于真空电子束蒸发设备中，生长室真空抽至3×10-4 Pa，在半导体基底上依次沉积50 nm的Ti金属层、40nm的Ni金属层、40nm的Ti金属层和30nm的Au金属层；
5) 沉积完毕之后，将制得的电极自然冷却，浸入丙酮中，将不需要沉积的金属部分剥离；
6) 剥离完成之后，将制得的n型Al掺杂ZnO薄膜欧姆接触电极置入快速热退火炉中，在氮气气氛下，于500℃情况下退火60 s，制得n型Al掺杂ZnO薄膜欧姆接触电极。
本实施例制得的n型Al掺杂ZnO薄膜欧姆接触电极的二次离子质谱(SIMS)图谱见图2(c)。
采用圆形传输线模型(CTLM)法计算出n型Al掺杂ZnO薄膜欧姆接触电极的接触电阻率为6.69×10-5Ω·cm2，在500℃退火处理条件下电极能保持平整性和热稳定性，有利于制备高温稳定的n型宽带隙半导体基底欧姆接触电极。生长金属电极采用热真空电子束蒸发法，适用于大规模生产。采用光刻法制备的欧姆接触电极，适用于小型或微型器件。
本实施例制得的n型Al掺杂ZnO薄膜欧姆接触电极退火处理前后的扫描电镜照片，其中图3(a)表示退火前，图3(b)表示退火后，图中所示，退火对金属电极层的表面形貌影响不大，因而包含该欧姆电极的半导体元件耐高温，具有热稳定性，使n型宽带隙半导体元件的工作范围扩展至高温环境。
对比实施例1
重复实施例1的步骤1)～5)，步骤6)是在400℃情况下退火60 s，制得的n型Al掺杂ZnO薄膜欧姆接触电极，其二次离子质谱(SIMS)图谱见图2(b)。
对比实施例2
重复实施例1的步骤1)～5)，制得的n型Al掺杂ZnO薄膜欧姆接触电极不经过退火处理，其二次离子质谱(SIMS)图谱见图2(a)。
如图2(a)所示，对于未退火的欧姆接触电极，不同金属层之间以及金属层和ZnO薄膜层之间的界面层很陡峭，除了少量的Al外扩散至金属电极层并在金属Ti和金属Ni的界面形成一个比较大的峰值，其他不同金属电极层之间以及金属电极层和ZnO薄膜之间没有明显的元素界面扩散。对于在400℃和500℃退火条件下处理的欧姆接触电极，如图2(b)和图2(c)所示，大量的金属Ti和金属Ni互扩散，形成Ti-Ni合金。第二电极层Ni和第三电极层Ti组成的Ni-Ti合金保护层有效地阻止了n型Al掺杂ZnO薄膜中Zn和Al的大量外扩散，从而保证ZnO薄膜中载流子浓度不会随着退火温度的提高而降低，同时高温退火的环境可以活化n型Al掺杂ZnO薄膜中的掺杂剂Al，进而提高ZnO薄膜中的载流子浓度。两个因素共同作用提高了n型Al掺杂ZnO薄膜中载流子的浓度，从而起到降低金属电极接触电阻率的效果，改善了n型Al掺杂ZnO器件性能，更利于高性能器件的制备。
实施例2
本发明的n型宽带隙半导体基底欧姆接触电极制备方法包括以下步骤：
1) 采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)法在蓝宝石衬底上生长约300 nm厚n型ZnO薄膜作为n型宽带隙半导体基底；
2) 将n型宽带隙半导体基底分别在丙酮和去离子水中超声清洗15 min，再用氮气吹干；
3) 将清洗好的n型宽带隙半导体基底在90℃条件下烘烤5 min，然后置于旋涂仪中旋涂上一层均匀的光刻胶，将旋涂好光刻胶的半导体基底在90℃条件下再次烘烤3 min，之后将光刻版贴在其表面，进行曝光，然后置于显影液中进行显影操作，在半导体基底表面出现光刻出的电极图案；
4) 将光刻好的半导体基底置于真空电子束蒸发设备中，生长室真空抽至3×10-4 Pa，在半导体基底上依次沉积20 nm的Ti金属层、30nm的Ni金属层、10nm的Ti金属层和20nm的Pt金属层；
5) 沉积完毕之后，将制得的电极自然冷却，浸入丙酮中，将不需要沉积的金属部分剥离；
6) 剥离完成之后，将制得的n型ZnO薄膜欧姆接触电极置入快速热退火炉中，在氩气气氛下，于800℃情况下退火30 s，制得n型ZnO薄膜欧姆接触电极。
本实施例制备的欧姆接触电极的接触电阻率为5.05×10-4Ω·cm2，在800℃退火处理条件下电极能保持平整性和热稳定性，有利于制备高温稳定的n型宽带隙半导体基底欧姆接触电极。同时生长金属电极采用电子束蒸发方法，适用于大规模生产；采用光刻法制备电极，适用于小型或微型器件的制备；采用MOCVD方法制备n型宽带隙半导体基底，有利于大规模工业化集成生产。
实施例3
本发明的n型宽带隙半导体基底欧姆接触电极制备方法包括以下步骤：
1) 采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)法在蓝宝石衬底上生长约300 nm厚n型ZnMgO薄膜作为n型宽带隙半导体基底；
2) 将n型宽带隙半导体基底分别在丙酮和去离子水中超声清洗15 min，再用氮气吹干；
3) 将清洗好的n型宽带隙半导体基底在90℃条件下烘烤5 min，然后将具有电极图案的掩模版紧贴于n型宽带隙半导体基底的表面；
4) 将掩模好的半导体基底置于真空电子束蒸发设备中，生长室真空抽至3×10-4 Pa，在半导体基底上依次沉积70 nm的Ti金属层、60nm的Ni金属层、70nm的Ti金属层和90nm的Pd金属层；
5) 沉积完毕之后，移除掩模版；
6) 将制得的n型ZnMgO薄膜欧姆接触电极置入快速热退火炉中，在氩气气氛下，于400℃情况下退火150 s，制得n型ZnO薄膜欧姆接触电极。
本实施例制备的欧姆接触电极的接触电阻率为4.27×10-4Ω·cm2。在400℃退火处理条件下电极能保持平整性和热稳定性，有利于制备高温稳定的n型宽带隙半导体基底欧姆接触电极。同时生长金属电极采用电子束蒸发方法，适用于大规模生产；采用掩模法制备电极，适用于中型或大型器件的制备。
实施例4
本发明的n型宽带隙半导体基底欧姆接触电极制备方法包括以下步骤：
1) 采用约2 mm厚块状n型SiC半导体作为n型宽带隙半导体基底；
2) 将n型宽带隙半导体基底分别在丙酮和去离子水中超声清洗15 min，再用氮气吹干；
3) 将清洗好的n型宽带隙半导体基底在90℃条件下烘烤5 min，然后将具有电极图案的掩模版紧贴于n型宽带隙半导体基底的表面；
4) 将掩模好的半导体基底置于真空电子束蒸发设备中，生长室真空抽至3×10-4 Pa，在半导体基底上依次沉积30 nm的Ti金属层、50nm的Ni金属层、40nm的Ti金属层和60nm的Ir金属层；
5) 沉积完毕之后，移除掩模版；
6) 将制得的块状n型SiC欧姆接触电极置入快速热退火炉中，在氩气气氛下，于600℃情况下退火90 s，制得n型ZnO薄膜欧姆接触电极。
本实施例制备的欧姆接触电极的接触电阻率为7.13×10-5Ω·cm2。在600℃退火处理条件下电极能保持平整性和热稳定性，有利于制备高温稳定的n型宽带隙半导体基底欧姆接触电极。同时生长金属电极采用电子束蒸发方法，适用于大规模生产；采用掩模法制备电极及使用块状n型宽带隙半导体基底，适用于中型或大型器件的制备。
实施例5
本发明的n型宽带隙半导体基底欧姆接触电极制备方法包括以下步骤：
1) 采用脉冲激光沉积(PLD)法在玻璃衬底上生长约300nm厚n型AlGaN薄膜作为n型宽带隙半导体基底；
2) 将n型宽带隙半导体基底分别在丙酮和去离子水中超声清洗15 min，再用氮气吹干；
3) 将清洗好的n型宽带隙半导体基底在90℃条件下烘烤5 min，然后置于旋涂仪中旋涂上一层均匀的光刻胶，将旋涂好光刻胶的半导体基底在90℃条件下再次烘烤3 min，之后将光刻版贴在其表面，进行曝光，然后置于显影液中进行显影操作，在半导体基底表面出现光刻出的电极图案；
4) 将光刻好的半导体基底置于真空电子束蒸发设备中，生长室真空抽至3×10-4 Pa，在半导体基底上依次沉积35 nm的Ti金属层、45nm的Ni金属层、30nm的Ti金属层和25nm的Au金属层；
5) 沉积完毕之后，将制得的电极自然冷却，浸入丙酮中，将不需要沉积的金属部分剥离；
6) 剥离完成之后，将制得的n型AlGaN薄膜欧姆接触电极置入快速热退火炉中，在氮气气氛下，于400℃情况下退火30 s，制得n型Al掺杂ZnO薄膜欧姆接触电极。
本实施例制得的欧姆接触电极的接触电阻率为2.69×10-4Ω·cm2，在400℃退火处理条件下电极能保持平整性和热稳定性，有利于制备高温稳定的n型宽带隙半导体基底欧姆接触电极。生长金属电极采用热真空电子束蒸发法，适用于大规模生产。同时采用光刻法制备欧姆接触电极，适用于小型或微型器件的制备。
实施例6
本发明的n型宽带隙半导体基底欧姆接触电极制备方法包括以下步骤：
1) 采用化学气相沉积(CVD)法在硅衬底上生长约20 μm长的n型GaN纳米棒作为n型宽带隙半导体基底；
2) 将n型宽带隙半导体基底置于旋涂仪中旋涂上一层均匀的光刻胶，将旋涂好光刻胶的半导体基底在90℃条件下再次烘烤3 min，之后将光刻版贴在其表面，进行曝光，然后置于显影液中进行显影操作，在半导体基底表面出现光刻出的电极图案；
3) 将光刻好的半导体基底置于真空电子束蒸发设备中，生长室真空抽至3×10-4 Pa，在半导体基底上依次沉积65 nm的Ti金属层、60nm的Ni金属层、65nm的Ti金属层和60nm的Pt金属层；
4) 沉积完毕之后，将制得的电极自然冷却，浸入丙酮中，将不需要沉积的金属部分剥离；
5) 剥离完成之后，将制得的n型GaN纳米棒欧姆接触电极置入快速热退火炉中，在氮气气氛下，于400℃情况下退火30 s，制得n 型GaN纳米结构欧姆接触电极。
本实施例制得的欧姆接触电极的接触电阻率为2.37×10-4Ω·cm2，在400℃退火处理条件下电极能保持平整性和热稳定性，有利于制备高温稳定的n型宽带隙半导体基底欧姆接触电极。生长金属电极采用热真空电子束蒸发法，适用于大规模生产。同时采用光刻法制备欧姆接触电极，适用于小型或微型器件的制备。
Claims (8)
1.一种置于n型宽带隙半导体基底上的欧姆接触电极，其特征在于：所述的电极包括置于n型宽带隙半导体基底(1)上的金属电极层，所述金属电极层的第一电极层(2)是Ti金属层，第二电极层(3)是Ni金属层，第三电极层(4)是Ti金属层，第四电极层(5)是热惰性金属层；所述的第一电极层(2)的厚度为20～70nm，第二电极层(3)的厚度为30～60nm，第三电极层(4)的厚度为10～70nm，第四电极层(5)的厚度为20～90nm。
2.根据权利要求1所述的欧姆接触电极，其特征在于：所述的热惰性金属层选自Au金属层、Pt金属层、Pd金属层、Ir金属层中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的欧姆接触电极，其特征在于：所述的n型宽带隙半导体基底(1)选自块状n型宽带隙半导体、n型宽带隙半导体薄膜、n型宽带隙半导体纳米结构。
4.根据权利要求1-3任一项所述的欧姆接触电极，其特征在于：所述的n型宽带隙半导体选自n型ZnO、n型ZnMgO、n型ZnBeO、n型金刚石、n型SiC、n型GaN、n型AlGaN、n型AlN、n型ZnS。
5.一种置于n型宽带隙半导体基底上的欧姆接触电极的制备方法，
其特征在于包括如下步骤：
1)清洗n型宽带隙半导体基底(1)并吹干；
2)在清洗好的n型宽带隙半导体基底(1)上覆盖上带有电极图案的掩模版；
3)在n型宽带隙半导体基底(1)上依次生长第一电极层(2)、第二电极层(3)、第三电极层(4)和第四电极层(5)，所述的第一电极层(2)是Ti金属层，第二电极层(3)是Ni金属层，第三电极层(4)是Ti金属层，第四电极层(5)是热惰性金属层；
4)移除掩模版，制得置于n型宽带隙半导体基底上的欧姆接触电极；
所述的第一电极层(2)的厚度为20～70nm，第二电极层(3)的厚度为30～60nm，第三电极层(4)的厚度为10～70nm，第四电极层(5)的厚度为20～90nm。
6.一种制备置于n型宽带隙半导体基底上的欧姆接触电极的方法，
其特征在于包括如下步骤：
1)清洗n型宽带隙半导体基底(1)并吹干；
2)在清洗好的n型宽带隙半导体基底(1)上光刻出电极图案；
3)在n型宽带隙半导体基底(1)上依次生长第一电极层(2)、第二电极层(3)、第三电极层(4)和第四电极层(5)，所述的第一电极层(2)是Ti金属层，第二电极层(3)是Ni金属层，第三电极层(4)是Ti金属层，第四电极层(5)是热惰性金属层；
4)将不需要沉积的金属部分剥离，制得置于n型宽带隙半导体基底上的欧姆接触电极；
所述的第一电极层(2)的厚度为20～70nm，第二电极层(3)的厚度为30～60nm，第三电极层(4)的厚度为10～70nm，第四电极层(5)的厚度为20～90nm。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：还包括将制得的欧姆接触电极进行退火处理的步骤，所述的退火处理为快速退火热处理，退火的气氛为氩气或氮气气氛，退火温度为：400～800℃，退火时间为：30～150秒。
8.一种半导体元件，其特征在于：所述半导体元件包含权利要求1-4任一项所述的欧姆接触电极。
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| CN203026510U (zh) * | 2013-01-07 | 2013-06-26 | 浙江大学 | 一种欧姆接触电极及包含该欧姆接触电极的半导体元件 |
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Application publication date: 20130501 Assignee: China shine photoelectric (Suzhou) Co., Ltd. Assignor: Zhejiang University Contract record no.: 2018330000060 Denomination of invention: Ohmic contact electrode, preparation method of ohmic contact electrode and semiconductor element comprising ohmic contact electrode Granted publication date: 20150923 License type: Exclusive License Record date: 20180606 |