CN108231565A - 氮化镓高电子迁移率晶体管的欧姆接触的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了氮化镓高电子迁移率晶体管的欧姆接触的制备方法，在保护气体作用下，采用连续激光对氮化镓高电子迁移率晶体管的金属电极扫描，进行退火，形成欧姆接触；所述金属电极为含铝金属电极；单位面积金属电极的总退火时间小于1s。与常用的氮化镓器件欧姆接触制备方法相比，本发明所获得的欧姆接触的接触电阻小，金属电极的平整度高，而且GaN薄膜材料的方阻不受影响。本发明是一种理想的氮化镓器件欧姆接触制备方法，对于实现高性能、高可靠性的氮化镓高电子迁移率晶体管有重要的意义。

Description

氮化镓高电子迁移率晶体管的欧姆接触的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及氮化镓高电子迁移率晶体管的欧姆接触的制备方法。
背景技术
氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor,HEMT)和目前Si基的功率器件和射频器件相比有着独特的优势。GaN HEMT具有更高的电子迁移率，更高的击穿电压，更高的截止频率和更大的功率密度，在高效小型化电能源管理及高频、高功率微波通信、雷达探测等领域有着重要的应用前景。
欧姆接触技术是实现高性能GaN HEMT器件的关键技术之一。欧姆接触制备的方法、材料的形貌与性能直接影响器件的总电导、总跨导、总输出功率、微波噪声特性以及器件在大功率下的可靠性。理想的欧姆接触制备方法应该达到以下要求1.可忽略不计的接触电阻。2.制备过程不影响薄膜的方阻。3.电极材料的表面和边沿平整，粗糙度小。
对于AlGaN/GaN HEMT，广泛采取的标准制备方法是快速高温退火。采用Ti/Al/Ni/Au多层金属结构，通过蒸发或者溅射的方式在半导体表面沉积金属，然后在快速退火炉用800℃-900℃的高温退火30s-180s，从而形成欧姆接触。采用该方法形成的GaN HEMT欧姆接触，接触电阻可以达到1Ωmm甚至更低。然而该方法仍有不足之处：1.GaN HEMT在退火后方阻上升。研究显示在高温800℃下退火会对AlGaN/GaN异质结产生不可逆的损害，(K.Shiojima et.al.The Japanese Society of Applied Physics,Vol.43,pp.100-105,2004)。2.电极在退火后表面粗糙度大。研究显示在30s高温退火会形成微米级的Ni-Al合金突起(R.Gong et.al.Apply Physics Letter,Vol.97,062115,2010)。
除了快速高温退火的方法，现已报道的GaN HEMT的欧姆接触的方法还有微波加热和激光激活掺杂离子的方法。
微波加热方法通过金属电极和AlGaN/GaN异质结吸收微波能量的机制从而实现高温退火。虽然采用该方法形成的GaN HEMT欧姆接触，接触电阻较低，但薄膜方阻在微波加热后仍有明显的上升，电极材料的表面粗糙度仍然较大。
激光激活掺杂离子方法主要利用紫外激光脉冲辐照GaN材料从而激活注入GaN的Si离子的机制实现欧姆接触。和标准的快速高温退火相比，该方法不仅增加了Si离子注入和激光激活两个步骤，而且其间需要增加光刻、去胶等若干步骤，明显提高了总体工序的步骤数量。除此之外，紫外激光脉冲会对未注入Si离子的GaN材料产生损伤，从而对薄膜的方阻产生负面影响。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种氮化镓高电子迁移率晶体管的欧姆接触的制备方法，制备的欧姆接触电极具有低接触电阻和表面平整的优点，不会提高GaN薄膜方阻。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
氮化镓高电子迁移率晶体管的欧姆接触的制备方法，在保护气体作用下，采用连续激光对预处理后的氮化镓高电子迁移率晶体管的金属电极扫描，进行激光退火，形成欧姆接触；所述金属电极为含铝金属电极；单位面积金属电极的总退火时间小于1s。
所述激光的功率密度为1×107～1×1010W/m2，扫描速率为0.01～10mm/s。
所述扫描为单次或多次扫描。
所述金属电极包括铝金属层和其他金属层；所述其他金属层包括钛金属层、镍金属层、铂金属层、钼金属层、金金属层中的一种以上。
所述铝金属层的厚度是4nm～200nm，其它金属层的总厚度是10nm～1000nm。
所述保护气体为氦、氖、氩、氪气的一种。
所述预处理如下：
(1)在AlGaN/GaN异质结材料上采用磁控溅射或电子束蒸发的技术沉积含铝的金属电极；
(2)步骤(1)的金属电极进行在25℃～500℃退火。
本发明的原理如下：
首先本发明是一种高精度的选区退火方法，激光可聚焦到1微米甚至更小，仅辐照于金属电极之上，而不会照射到GaN薄膜上。因此，本发明不会对GaN薄膜的方阻产生影响。其次，本发明是一种极快的退火方法。金属电极经历的退火总时间是快速退火方法的百分之一甚至更少。升温速率超过1×104℃/s，大大高于快速退火方法的约50℃/s。极短的退火总时间能够有效的抑制Ni-Al合金突起的形成，从而实现金属电极平整的表面形貌。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明的制备方法不会提升GaN薄膜的方阻，电极材料表面平整，而且接触电阻较低，能够提高欧姆接触的综合性能。本发明能够提升GaN HEMT器件的总电导、总跨导、总输出功率、微波噪声特性以及器件在大功率下的可靠性，对于实现高性能、高可靠性的GaN器件具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明的实施例中连续激光退火前源漏金属电极间的电流-电压测试曲线。
图2为本发明的实施例中连续激光退火形成欧姆接触的制备方法的示意图。
图3为本发明的实施例中连续激光退火后金属电极的表面的电子显微镜照片。
图4为本发明的实施例中连续激光退火后源漏金属电极间的电流-电压测试曲线。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本实施例的氮化镓高电子迁移率晶体管的欧姆接触的制备方法如下：
首先制备氮化镓高电子迁移率晶体管：
(1)采用光刻方法在AlGaN/GaN异质结材料上定义金属电极的结构形状；
(2)金属电极材料的沉积，采用电子束蒸发的方法依次沉积15nm的Ti金属层，75nm的Al金属层，45nm的Ni金属层，45nm的Au金属层。
(3)将带有金属电极的器件样品放在丙酮中超声，形成金属电极；
(4)将带有金属电极的器件样品放入退火炉中在400℃/s下退火5s,提高金属对AlGaN/GaN异质结材料表面的粘附性。低温退火后，源漏金属电极间的电流-电压测试曲线如图1所示，电流值在μA级，曲线显示金属电极在激光退火前为肖脱基接触。
(5)如图2所示，将带有金属电极的器件样品(从下到上依次包括衬底6、GaN层5、AlGaN层4、金属电极3)放在铜制作的样品台上，在保护气体氩气2的作用下，用连续的波长为532nm的激光1对准金属电极3进行退火处理。激光的功率为1W，光束的直径为5μm，扫描速度为1mm/s，扫描通过次数为10次。在这种条件下，单位金属电极的总退火时间小于0.1s。
图3是连续激光退火后金属电极的表面的电子显微镜照片。可见激光退火的效应被限制在约5μm宽度的电极材料上，也就说不会对电极外GaN薄膜的方阻产生影响。图3也显示在极快的激光退火后，电极材料表面平整，未见有Ni-Al合金突起。源漏金属电极间的电流-电压测试曲线如图4所示。电流值在mA级，曲线显示金属电极在激光退火后为欧姆接触。通过TLM法测量计算后，其接触电阻小于0.3Ωmm。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，如金属电极除了包括铝金属层外，还包括钛金属层、镍金属层、铂金属层、钼金属层、金金属层中的一种以上；保护气体还可为氦、氖、氪气的一种。其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.氮化镓高电子迁移率晶体管的欧姆接触的制备方法，其特征在于，在保护气体作用下，采用连续激光对预处理后的氮化镓高电子迁移率晶体管的金属电极扫描，进行激光退火，形成欧姆接触；所述金属电极为含铝金属电极；单位面积金属电极的总退火时间小于1s。
2.根据权利要求1所述的氮化镓高电子迁移率晶体管的欧姆接触的制备方法，其特征在于，所述激光的功率密度为1×107～1×1010W/m2，扫描速率为0.01～10mm/s。
3.根据权利要求1所述的氮化镓高电子迁移率晶体管的欧姆接触的制备方法，其特征在于，所述扫描为单次或多次扫描。
4.根据权利要求1所述的氮化镓高电子迁移率晶体管的欧姆接触的制备方法，其特征在于，所述金属电极包括铝金属层和其他金属层；所述其他金属层包括钛金属层、镍金属层、铂金属层、钼金属层、金金属层中的一种以上。
5.根据权利要求4所述的氮化镓高电子迁移率晶体管的欧姆接触的制备方法，其特征在于，所述铝金属层的厚度是4nm～200nm，其它金属层的总厚度是10nm～1000nm。
6.根据权利要求1所述的氮化镓高电子迁移率晶体管的欧姆接触的制备方法，其特征在于，所述保护气体为氦、氖、氩、氪气的一种。
7.根据权利要求1所述的氮化镓高电子迁移率晶体管的欧姆接触的制备方法，其特征在于，所述预处理如下：
(1)在AlGaN/GaN异质结材料上采用磁控溅射或电子束蒸发的技术沉积含铝的金属电极；
(2)步骤(1)的金属电极进行在25℃～500℃退火。
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