CN110277311B - 提高GaN欧姆接触性能的方法、欧姆接触结构及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高GaN欧姆接触性能的方法、欧姆接触结构及应用。所述方法包括：于非故意掺杂GaN材料上形成非晶Si层或金属Ge层；以激光辐照所述非晶Si层或金属Ge层的选定区域，以使所述选定区域内的非晶Si或金属Ge从所述非故意掺杂GaN材料的表面向内部扩散，从而至少在所述非故意掺杂GaN材料的表层区域形成n型掺杂区域。本发明使制备的GaN材料的Ga面欧姆接触更易形成，且比接触电阻率降低、热稳定性好，从而使GaN材料更易于用在新型半导体器件中；同时工艺操作简单，制作速度快，激光参数易于控制，不产生环境污染。
Description
技术领域
本发明涉及GaN欧姆接触性能的提高方法，特别涉及一种采用激光辅助Si或金属Ge掺杂的方法来提高GaN欧姆接触性能的方法、所获欧姆接触结构及其应用，属于半导体材料与器件技术领域。
背景技术
氮化镓(GaN)基材料作为第三代宽禁带半导体材料，具有很多优良的特性，如禁带宽度大、电子饱和速率高、击穿电场大、抗辐射能力强并且耐化学腐蚀，使它成为近年来化合物半导体的研究热点之一。而欧姆接触作为GaN器件制备的关键工艺，决定着器件的许多主要参数，如电流密度、外部增益、最高工作温度和大功率性能等。而GaN材料与金属间形成欧姆接触的比接触电阻率以及热稳定性等仍然还有一些技术难题没有完全解决。
要实现良好的欧姆接触，有两个重要的条件，当金属功函数Wm＜半导体功函数Ws，金属和N型半导体接触可以形成反阻挡层，而Wm＞Ws时，金属和P型半导体接触也能形成反阻挡层，反阻挡层没有整流作用。目前，金属与氮化镓材料接触获得高质量的欧姆接触的方法主要有不同电极金属的选择、氮化镓表面预处理、材料极化等。上述各种方法虽然可以相对减小接触电阻率，但是得到的比接触电阻仍然很大，严重影响氮化镓基器件的性能，并且上述方法工艺复杂、步骤繁琐、结果不可控、成本高等劣势明显。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种采用激光辅助Si或金属Ge掺杂的方法来提高GaN欧姆接触性能的方法、所获欧姆接触结构及其应用，从而克服现有技术中的不足。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明实施例提供了一种提高GaN欧姆接触性能的方法，其包括：
于非故意掺杂GaN材料上形成非晶Si层或金属Ge层；
以激光辐照所述非晶Si层或金属Ge层的选定区域，以使所述选定区域内的非晶Si或金属Ge从所述非故意掺杂GaN材料的表面向内部扩散，从而至少在所述非故意掺杂GaN材料的表层区域形成n型掺杂区域。
在一些实施例中，所述方法具体包括：以激光辐照所述非晶Si层或金属Ge层的选定区域，使所述选定区域内的Si或Ge迅速升温至约750～1300℃，从而使所述选定区域内的Si或Ge从所述非故意掺杂GaN材料的表面向内部扩散，直至形成扩散Si掺杂层或扩散Ge掺杂层。
在一些实施例中，所述方法还包括：使未被所述选定区域内的非晶Si或金属Ge吸收的激光能量至少破坏所述非故意掺杂GaN材料表面的部分Ga-N键而形成N空位。
进一步地，所述非晶Si层或金属Ge层的厚度为40～50nm。
进一步地，所述激光的波长为193nm或248nm，单脉冲能量密度为0.6～0.8J/cm2，脉冲宽度为10～25ns，频率为2Hz，脉冲次数为10～20次。
进一步地，所述方法还包括：在激光辐照完成后，除去余留于所述非故意掺杂GaN材料上的非晶Si或金属Ge。
在一些实施例中，所述方法还包括：在所述非故意掺杂GaN材料上形成金属层，并至少使所述金属层与所述的n型掺杂区域形成欧姆接触。
进一步地，所述方法还包括：采用电子束蒸发或磁控溅射方式在所述非故意掺杂GaN材料上沉积金属而形成金属层，之后于保护性气氛中进行退火处理，形成欧姆接触结构。
进一步地，所述金属包括Ti、Al、Ni、Au中的任意一种或两种以上的组合，优选为Ti/Al、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Ti/Au等n型欧姆接触金属。
进一步地，所述退火处理的温度为800～900℃，时间为30～60s。
本发明实施例还提供了由前述方法制备的欧姆接触结构。
本发明实施例还提供了一种半导体器件，其包括前述的欧姆接触结构，其比接触电阻率为8.7x10-6～5.0x10-5Ωcm2。
较之现有技术，本发明的优点如下：
1)本发明通过在非故意掺杂GaN材料表面沉积一层非晶Si或金属Ge，激光辐照GaN表面需要制造欧姆接触的区域，使非晶Si或金属Ge吸收激光能量后，从GaN表面向体内进行快速扩散，因此会在GaN的表面极浅层区域会形成局部高浓度的扩散Si掺杂层或扩散Ge掺杂层；同时未被Si或Ge完全吸收的脉冲激光能量会破坏样品表面附近的部分Ga-N键，形成大量的N空位。在N空位产生和Si原子或Ge原子替换Ga原子的双重作用下，表面极浅层的施主浓度会极大上升，形成了高浓度的n型掺杂区域，降低了欧姆接触隧道势垒的宽度和比接触电阻率；
2)本发明制备的GaN的Ga面欧姆接触更易形成，且比接触电阻率降低、热稳定性好，从而使GaN更易于用在新型半导体器件中；
3)本发明的工艺操作简单，制作速度快，激光参数易于控制，不产生环境污染。
附图说明
图1是本发明一典型实施方案中一种提高GaN欧姆接触性能的方法的流程示意图。
图2是本发明实施例1中所获圆形传输线模型(CTLM)电极的结构示意图。
具体实施方式
如前所述，鉴于现有技术中非故意掺杂GaN材料的Ga面欧姆接触比接触电阻率高、热稳定性差等性能难题，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，其主要是对GaN表面进行激光辅助Si或Ge掺杂的一种方法，使得后续制备GaN的Ga面欧姆接触更易形成，且比接触电阻率降低、热稳定性好，从而使GaN更易于用在新型半导体器件中。
如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
作为本发明技术方案的一个方面，其所涉及的系一种提高GaN欧姆接触性能的方法，其包括：
于非故意掺杂GaN材料上形成非晶Si层或金属Ge层；
以激光辐照所述非晶Si层或金属Ge层的选定区域，以使所述选定区域内的Si或Ge从所述非故意掺杂GaN材料的表面向内部扩散，从而至少在所述非故意掺杂GaN材料的表层区域形成n型掺杂区域。
在一些实施例中，所述方法具体包括：以激光辐照所述非晶Si层或金属Ge层的选定区域，使所述选定区域内的Si或Ge迅速升温至750～1300℃，从而使所述选定区域内的Si或Ge从所述非故意掺杂GaN材料的表面向内部扩散，直至形成扩散Si掺杂层或扩散Ge掺杂层。
在一些实施例中，所述方法还包括：使未被所述选定区域内的非晶Si或金属Ge吸收的激光能量至少破坏所述非故意掺杂GaN材料表面的部分Ga-N键而形成N空位。
进一步地，所述非晶Si层或金属Ge层的厚度为40～50nm。
在一些实施例中，所述激光的波长为193nm的ArF或248nm的KrF准分子激光，单脉冲能量密度为0.6～0.8J/cm2，脉冲宽度为10～25ns，频率为2Hz，脉冲次数为10～20次。
进一步地，以激光辐照所述非晶Si层或金属Ge层的选定区域的时间为5～10s。
进一步地，所述非故意掺杂GaN材料包括厚度为4～5μm的非故意掺杂GaN层。
进一步地，所述方法还包括：在激光辐照完成后，除去余留于所述非故意掺杂GaN材料上的非晶Si或金属Ge。
更进一步地，所述方法包括：采用湿法刻蚀方式去除余留于所述非故意掺杂GaN材料上的非晶Si或金属Ge，之后清洗、干燥。
更进一步地，所述湿法刻蚀采用的刻蚀液包括氢氟酸和硝酸的组合。
进一步地，所述湿法刻蚀的时间为60～120s。
在一些实施例中，所述方法还包括：在所述非故意掺杂GaN材料上形成金属层，并至少使所述金属层与所述的n型掺杂区域形成欧姆接触。
进一步地，所述方法还包括：采用电子束蒸发或磁控溅射方式在所述非故意掺杂GaN材料上沉积金属而形成金属层，之后于保护性气氛中进行退火处理，形成欧姆接触结构。
进一步地，所述金属包括Ti、Al、Ni、Au中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此，优选为Ti/Al、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Ti/Au等n型欧姆接触金属。
进一步地，所述退火处理的温度为800～900℃，时间为30～60s。
进一步地，所述保护性气氛包括氮气气氛。
在一些实施例中，所述制备方法还包括：提供一衬底，并在所述衬底上生长形成所述非故意掺杂GaN材料。
进一步地，所述衬底的材质包括蓝宝石，但不限于此。
作为本发明技术方案的另一个方面，其所涉及的系由前述方法制备的欧姆接触结构，其比接触电阻率在8.7x10-6～5.0x10-5Ωcm2。
相应的，本发明技术方案的另一个方面还提供了一种半导体器件，其包括前述的欧姆接触结构。
本发明通过在非故意掺杂GaN材料表面沉积一层非晶Si或金属Ge，用脉冲激光辐照GaN样品表面需要制造欧姆接触的区域，被脉冲激光辐照区域的非晶Si或金属Ge在吸收激光能量后，在极短时间内迅速升温甚至熔化，并以一定速率从GaN表面向体内进行快速扩散，因此会在GaN的表面极浅层区域会形成局部高浓度的扩散Si掺杂层或扩散Ge掺杂层。同时未被Si或Ge完全吸收的脉冲激光能量会破坏样品表面附近的部分Ga-N键，形成大量的N空位。在N空位产生和Si或Ge原子替换Ga原子的双重作用下，表面极浅层的施主浓度会极大上升，形成了高浓度的n型掺杂区域，降低了欧姆接触隧道势垒的宽度和比接触电阻率。而且本方法工艺操作简单，制作速度快，激光参数易于控制，不产生环境污染。
下面结合若干优选实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例中采用激光辅助Si掺杂的方法来提高GaN欧姆接触性能的方法包括：
1.将非故意掺杂GaN外延片分别在丙酮溶剂、异丙醇溶剂和去离子水中进行清洗，氮气吹干，得到光滑清洁的GaN表面。
2.在GaN表面通过PECVD镀一层40nm厚的非晶Si薄层，作为掺入GaN浅层的Si杂质源。
3.使用KrF准分子激光器，对GaN表面需要制造欧姆接触区域的非晶Si薄层进行辐照，如图1所示。其中激光波长为248nm，单脉冲能量密度为0.6J/cm2，脉冲宽度为10ns，脉冲数为10次。经过脉冲激光辐照处理5s，非晶Si层表面吸收激光能量在极短时间内迅速升温至750℃，并以一定速率从GaN表面向体内进行快速扩散，替换Ga原子形成SiGa施主杂质。并且激光辐照时，GaN表面温度突然上升，会使得表面的Ga-N键发生断裂，形成大量的N空位。在两种因素的共同作用下，表面浅层的施主杂质浓度迅速增大。
4.激光处理完毕以后，把经过激光处理的GaN样品放置于HF:HNO3(1：3)溶液中，浸泡120s，使得GaN表面的非晶Si薄层全部蚀掉，再经过去离子水清洗，氮气吹干。
5.在激光处理，并去除掉非晶Si层的GaN表面上，用磁控溅射的方法沉积Ti/Al/Ni/Au(20nm/130nm/50nm/150nm)金属，通过常规工艺对金属进行光刻，形成圆形传输线模型(CTLM)电极，如图2所示。之后在氮气的氛围中，于800℃退火60s，形成欧姆接触。
6.用圆形传输线模型(CTLM)方法进行比接触电阻的测量为5.0x10-5Ωcm2。
实施例2
本实施例中采用激光辅助Si掺杂的方法来提高GaN欧姆接触性能的方法包括：
1.将非故意掺杂GaN外延片分别在丙酮溶剂、异丙醇溶剂和去离子水中进行清洗，氮气吹干，得到光滑清洁的GaN表面。
2.在GaN表面通过PECVD镀一层50nm厚的非晶Si薄层，作为掺入GaN浅层的Si杂质源。
3.使用KrF准分子激光器，对GaN表面需要制造欧姆接触区域的非晶Si薄层进行辐照，如图1所示。其中激光波长为248nm，单脉冲能量密度为0.8J/cm2，脉冲宽度为25ns，脉冲数为20次，脉冲频率为2Hz，时间为10s。经过脉冲激光辐照处理，非晶Si层吸收激光能量在极短时间内迅速升温至1200℃甚至熔化，并以一定速率从GaN表面向体内进行快速扩散，替换Ga原子形成SiGa施主杂质。并且激光辐照时，GaN表面温度突然上升，会使得表面的Ga-N键发生断裂，形成大量的N空位。在两种因素的共同作用下，表面浅层的施主杂质浓度迅速增大。
4.激光处理完毕以后，把经过激光处理的GaN样品放置于HF:HNO3(1：3)溶液中，浸泡60s，使得GaN表面的非晶Si薄层全部蚀掉，再经过去离子水清洗，氮气吹干。
5.在激光处理，并去除掉非晶Si层的GaN表面上，用电子束蒸发的方法沉积Ti/Al(20nm/100nm)金属，通过常规工艺对金属进行光刻，形成圆形传输线模型(CTLM)电极，参考图2所示。之后在氮气的氛围中，于900℃退火30s，形成欧姆接触。
6.用圆形传输线模型(CTLM)方法进行比接触电阻的测量为8.7x10-6Ωcm2。
实施例3
1.将一块2英寸大小非故意掺杂的GaN片，切成若干10x10mm的正方形小片样品，取2块2英寸片中心区域的10x10mm小样品，在丙酮溶剂、异丙醇溶剂和去离子水中进行清洗，氮气吹干，得到光滑清洁的GaN表面。
2.在其中一片GaN表面通过PECVD镀一层45nm厚的非晶Si薄层，作为掺入GaN浅层的Si杂质源。另外一片不做任何处理。
3.使用KrF准分子激光器，对其中镀过Si的小片GaN表面需要制造欧姆接触区域的非晶Si薄层进行辐照，如图1所示。其中激光波长为248nm，单脉冲能量密度为0.7J/cm2，脉冲宽度为20ns，脉冲频率为2Hz，辐照次数为16次，时间为8s，使区域内的非晶Si升温至1300℃。激光处理完毕以后，把经过激光处理的GaN样品放置于HF:HNO3(1：3)溶液中，浸泡90s，使得GaN表面的非晶Si薄层全部蚀掉，再经过去离子水清洗，氮气吹干。
4.经过激光处理的小片GaN和未做任何处理的小片GaN，在相同的条件下采取电子束蒸发的方式在表面沉积金属Ti/Al/Ti/Au(30nm/100nm/30nm/30nm)，通过常规工艺对金属进行光刻，形成圆形传输线模型(CTLM)电极，参考图2所示。之后在氮气的氛围中，于850℃退火40s，形成欧姆接触。
5.用圆形传输线模型(CTLM)方法分别对激光处理过的样品和未经任何处理的样品进行比接触电阻的测量，激光处理的样品的比接触电阻率明显小于未经过任何处理的样品，分别为8.5x10-5和3.3x10-4Ωcm2。
综上所述，本发明通过在非故意掺杂GaN表面沉积一层非晶Si或金属Ge，激光辐照GaN表面需要制造欧姆接触的区域，使非晶Si或金属Ge吸收激光能量后，从GaN表面向体内进行快速扩散，因此会在GaN的表面极浅层区域会形成局部高浓度的扩散Si掺杂层或扩散金属Ge掺杂层；同时未被Si或金属Ge完全吸收的脉冲激光能量会破坏样品表面附近的部分Ga-N键，形成大量的N空位。在N空位产生和Si原子或金属Ge原子替换Ga原子的双重作用下，表面极浅层的施主浓度会极大上升，形成了高浓度的n型掺杂区域，降低了欧姆接触隧道势垒的宽度和比接触电阻率；本发明制备的GaN的Ga面欧姆接触更易形成，且比接触电阻率降低、热稳定性好，从而使GaN更易于用在新型半导体器件中；同时，本发明的工艺操作简单，制作速度快，激光参数易于控制，不产生环境污染。
此外，本案发明人还参照实施例1-3的方式，以本说明书中列出的其它原料和条件等进行了试验，并同样成功制得了比接触电阻率低、热稳定性高的GaN欧姆接触结构。
需要说明的是，在本文中，在一般情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的步骤、过程、方法或者实验设备中还存在另外的相同要素。
应当理解，以上较佳实施例仅用于说明本发明的内容，除此之外，本发明还有其他实施方式，但凡本领域技术人员因本发明所涉及之技术启示，而采用等同替换或等效变形方式形成的技术方案均落在本发明的保护范围内。
Claims (11)
1.一种提高GaN欧姆接触性能的方法，其特征在于包括：
于非故意掺杂GaN材料上形成非晶Si层或金属Ge层，所述非晶Si层或金属Ge层的厚度为40~50nm；
以激光辐照所述非晶Si层或金属Ge层的选定区域，使所述选定区域内的Si或Ge迅速升温至750~1300℃，从而使所述选定区域内的非晶Si或金属Ge从所述非故意掺杂GaN材料的表面向内部扩散，从而在所述非故意掺杂GaN材料的表层区域形成n型掺杂区域，形成扩散Si掺杂层或扩散Ge掺杂层；
以及，使未被所述选定区域内的非晶Si或金属Ge吸收的激光能量至少破坏所述非故意掺杂GaN材料表面的部分Ga-N键而形成N空位；
其中，所述激光的波长为193nm或248nm，单脉冲能量密度为0.6~0.8J/cm2，脉冲宽度为10~25ns，频率为2Hz，脉冲次数为10~20次，以激光辐照所述非晶Si层或金属Ge层的选定区域的时间为5~10s。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述非故意掺杂GaN材料包括厚度为4~5μm的非故意掺杂GaN层。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：在激光辐照完成后，除去余留于所述非故意掺杂GaN材料上的非晶Si或金属Ge。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于包括：采用湿法刻蚀方式去除余留于所述非故意掺杂GaN材料上的非晶Si或金属Ge，之后清洗、干燥。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述湿法刻蚀采用的刻蚀液为氢氟酸和硝酸的组合。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于还包括：在所述非故意掺杂GaN材料上形成金属层，并至少使所述金属层与所述的n型掺杂区域形成欧姆接触。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于还包括：采用电子束蒸发或磁控溅射方式在所述非故意掺杂GaN材料上沉积金属而形成金属层，之后于保护性气氛中进行退火处理，形成欧姆接触结构。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于：所述金属选自Ti、Al、Ni、Au中的任意一种或两种以上的组合。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述退火处理的温度为800~900℃，时间为30~60s。
10.由权利要求6-9中任一项所述的方法制备的欧姆接触结构，其比接触电阻率在8.7x10-6~5.0x10-5Ωcm2。
11.一种半导体器件，其特征在于包括权利要求10所述的欧姆接触结构。
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