CN111223918B - P型半导体低阻欧姆接触结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种P型半导体低阻欧姆接触结构及其制备方法。所述P型半导体低阻欧姆接触结构包括P型半导体衬底、形成在于所述P型半导体衬底上的金属性的三元过渡金属氮化物薄膜，其中所述的三元过渡金属氮化物薄膜的材质包括TiBN、ZrBN、TiAlN、ZrAlN中的一种。本发明实施例提供的制备方法利用过渡金属氮化物的耐高温性质，提高了P型半导体欧姆接触的热稳定性，这对高功率器件有重要意义；其次，在过渡金属氮化物如TiN、ZrN中引入B、Al元素，提高过渡金属氮化物薄膜的功函数，实现与P型半导体材料的欧姆接触。
Description
技术领域
本发明特别涉及一种P型半导体低阻欧姆接触结构及其制备方法，属于半导体技术领域。
背景技术
以GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料，具有直接宽带隙、高电子迁移率、高热导率、高稳定性等一系列优点，因此在光电子和微电子领域有着广泛的应用和巨大的市场前景。目前，GaN基LED已在全色显示、景观照明、信号灯、背光源等领域有着广泛的应用，而GaN基白光LED具有体积小、寿命长、光效高、绿色环保等优点，正逐步发展，成为取代荧光灯、白炽灯的新一代照明光源；另外，GaN基蓝光激光器作为读写头，从而大大增加光盘的存储密度，在光存储方面有着广泛的应用；除此之外，GaN基紫外探测器由于可以探测日盲波段(200-356nm)，因此在民用(火焰探测)和军事上(导弹制导、导弹预警防御)均有着广泛的应用。在微电子领域，GaN基材料具有传统的Si基材料不可比拟的优势，使得以AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管为代表的GaN基高温、高频、高压、高功率的电力电子器件成为新的研究热点，在混合动力机车/电动汽车、开关电源、石油开采、空间探索、轨道交通等领域有着广阔的应用前景。
良好的欧姆接触特性是实现高的器件性能的重要基础。然而，高质量的P-GaN低阻欧姆接触的制备仍然是目前GaN基器件研究的重点和难点。一方面由于P-GaN的功函数(＞6.5eV)比一般金属的功函数大，没有合适的用于P-GaN欧姆接触的金属；另一方面是由于空穴载流子浓度高于1018cm-3的高掺杂的P-GaN难以获得；而GaN基器件的快速发展，迫切要求改善和发展P-GaN欧姆接触的制备技术，从而获得高质量的P-GaN低阻欧姆接触。为了进一步改善P-GaN欧姆接触特性，国内外众多研究小组进行了大量的探索和研究，采用高功函数的金属或不同金属组分的组合机制作为P-GaN欧姆接触层是目前普遍使用的方法，其中Ni/Au是目前选用最多的金属体系。目前Ni/Au接触可以获得低的比接触电阻率，但是Ni/Au接触的热稳定性差，当退火温度超过500℃时，由于Ni向外扩散和氧化，使得Ni/Au接触的形貌品质显著退化，热稳定性降低，导致Ni/Au接触机制的性能迅速降低。
为了提高P-GaN欧姆接触的热稳定性和可靠性，目前多在金属接触结构中引入过渡金属氮化物，如TiN、ZrN、TaN，或者直接将过渡金属氮化物作为n-GaN材料的欧姆接触层，性能稳定，能够承受750℃以上的高温。L.F.Voss等人利用TiN、ZrN、TaN作为P-GaN欧姆接触的扩散垒层，即在Ni/Au/Ti/Au之间插入TiN、ZrN、TaN，变成Ni/Au/(TiN或ZrN或TaN)/Ti/Au接触，研究表明插入势垒层后，在N2气氛下，700℃下退火1分钟，获得了2×10^(-4)Ω·cm^2的接触电阻率，直到退火温度达到1000℃，其接触性能仍然保持稳定(L.F.Voss，L.Stafford et al.，Appl.Phys.Lett.，2007，90(21)：2107)。然而，过渡金属氮化物的功函数低，文献报道的TiN的功函数仅为3.74eV，其与P-GaN接触形成的是肖特基接触(C.A.Dimitriadis，Th.Karakostas et al.，Solid-State Electronics，1999，43：1969-1972)。其他的过渡金属氮化物如ZrN、HfN、TaN等的功函数也比较低，一般小于5eV，因此也难与宽禁带的P型半导体材料形成欧姆接触。
发明内容
针对现有技术中P-GaN欧姆接触的金属接触机制的接触电阻大、稳定性差、P-GaN的重掺杂困难，以及过渡金属氮化物功函数低以致不能与P-GaN形成欧姆接触等不足，本发明的主要目的在于提供一种P型半导体低阻欧姆接触结构及其制备方法，降低P型半导体的接触电阻率，同时提高接触的稳定性。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明提供了一种P型半导体低阻欧姆接触结构，包括P型半导体衬底，所述P型半导体衬底上形成有金属性的三元过渡金属氮化物薄膜，所述三元过渡金属氮化物薄膜的材质包括TiBN、ZrBN、TiAlN、ZrAlN中的任意一种或多种的组合。
本发明实施例另一方面还提供了一种P型半导体低阻欧姆接触结构的制备方法，其包括：在P型半导体衬底上生长金属性的三元过渡金属氮化物薄膜，并对形成的三元过渡金属氮化物薄膜进行原位退火处理；其中，所述三元过渡金属氮化物薄膜的材质包括TiBN、ZrBN、TiAlN、ZrAlN中的任意一种或多种的组合。
与现有技术相比，本发明的优点包括：本发明实施例提供的制备方法利用过渡金属氮化物的耐高温性质，提高了P型半导体欧姆接触的热稳定性，这对高功率器件有重要意义；其次，在过渡金属氮化物如TiN、ZrN中引入B、Al元素，提高过渡金属氮化物薄膜的功函数，实现与P型半导体材料的欧姆接触；以及，基由本发明提供的方法制备完成的电极不需要额外的高温退火便可形成良好的欧姆接触，避免了持续的高温操作对器件的损伤，而且简化了工艺流程。
附图说明
图1是本发明一典型实施案例中一种P型半导体低阻欧姆接触电极的制备方法的流程图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，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。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。
本发明提供了一种P型半导体低阻欧姆接触结构，包括P型半导体衬底，所述P型半导体衬底上形成有金属性的三元过渡金属氮化物薄膜，所述三元过渡金属氮化物薄膜的材质包括TiBN、ZrBN、TiAlN、ZrAlN中的任意一种或多种的组合。
进一步的，所述三元过渡金属氮化物薄膜的厚度大于0且小于或等于100nm。
进一步的，所述三元过渡金属氮化物薄膜的功函数在6.5eV以上。
在一些较为具体的实施方案中，所述三元过渡金属氮化物薄膜中B元素含量小于10wt％。
在一些较为具体的实施方案中，所述三元过渡金属氮化物薄膜中Al元素含量小于10wt％。
在一些较为具体的实施方案中，所述三元过渡金属氮化物薄膜上还形成有传输线图形结构。
在一些较为具体的实施方案中，所述传输线图形结构包括多个圆形传输线图形，所述圆形传输线图形的内径为50-200μm，外径为70μm-270μm。
本发明实施例还提供了一种P型半导体低阻欧姆接触结构的制备方法，其包括：在P型半导体衬底上生长金属性的三元过渡金属氮化物薄膜，并对形成的三元过渡金属氮化物薄膜进行原位退火处理；其中，所述三元过渡金属氮化物薄膜的材质包括TiBN、ZrBN、TiAlN、ZrAlN中的任意一种或多种的组合。
在一些较为具体的实施方案中，所述的制备方法包括：先对P型半导体衬底进行清洗和表面处理，再在P型半导体衬底表面生长所述的三元过渡金属氮化物薄膜，所述的表面处理包括Ar等离子体处理。
在一些较为具体的实施方案中，所述的制备方法包括：利用脉冲激光沉积技术，采用含有Al和/或B以及Ti和/或Zr的靶材，在氮气的气氛中于P型半导体衬底上生长形成所述的三元过渡金属氮化物薄膜。
在一些较为具体的实施方案中，所述靶材包括TiB、TiAl、ZrB、ZrAl靶材中的任意一种或多种的组合。
在一些较为具体的实施方案中，所述三元过渡金属氮化物薄膜的生长温度为600-650℃，生长气压为1-3Pa。
在一些较为具体的实施方案中，所述的制备方法包括：利用脉冲激光沉积技术，采用Al或B靶材以及Ti或Zr靶材，在含N2的气氛中生长TiN层或ZrN层或AlN层以及在Ar气氛中生长BN层，进而于P型半导体衬底上交替生长AlN层或BN层与TiN层或ZrN层，并使其中的Al或B元素在生长过程中以及在每个周期后进行的退火过程中实现同步扩散，形成所述的三元过渡金属氮化物薄膜。
在一些较为具体的实施方案中，TiN层、BN层、AlN层、ZrN层中任一者的厚度大于0且小于等于20nm，生长温度为600-650℃，Ar气氛的气压为0-30Pa，N2气氛的气压为1-3Pa。
在一些较为具体的实施方案中，每生长形成TiN/BN或TiN/AlN或ZrN/BN或ZrN/AlN作为一个周期，每个周期后进行退火的温度与生长温度相同。
优选的，每个周期后进行退火的温度为600-650℃，退火时间为20-60min。
在一些较为具体的实施方案中，所述原位退火处理的温度、气氛、气压与生长所述三元过渡金属氮化物薄膜的温度、气氛、气压相同。
优选的，原位退火处理的温度为600-650℃，时间为20-60min，优选为60min。
在一些较为具体的实施方案中，所述脉冲激光沉积的方式所采用的激光波长为248nm，激光脉冲宽度为25ns，最大脉冲重复频率为10Hz。
在一些较为具体的实施方案中，所述的制备方法还包括：在所述三元过渡金属氮化物薄膜上加工形成传输线图形结构。
在一些较为具体的实施方案中，所述传输线图形结构包括多个圆形传输线图形；优选的，所述圆形传输图形的内径为50-200μm，外径为70μm-270μm。
在一些较为具体的实施方案中，所述三元过渡金属氮化物薄膜的厚度大于0且小于等于100nm。
如下将结合附图以及具体实施例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
请参阅图1，一种P型半导体低阻欧姆接触电极的制备方法，其包括如下步骤：
步骤1：准备一P型半导体衬底，对衬底进行清洗和表面处理；
步骤2：利用脉冲激光沉积技术，在P-GaN衬底上沉积金属性的三元过渡金属氮化物薄膜；
步骤3：对所生长的样品进行原位退火；
步骤4：降温，待温度降到室温，取出样品；
步骤5：利用丙酮、乙醇、去离子水对获得的样品进行超声清洗3min，通过光刻工艺在样品表面形成传输线图形；
步骤6：利用丙酮、乙醇、去离子水对样品各超声清洗5min，以彻底去除光刻胶，完成欧姆接触电极的制备。
本发明所采用的P型半导体为III族氮化物直接宽带隙半导体，优选为P-GaN。
以及，P型半导体的表面处理是在脉冲激光沉积系统中利用脉冲激光沉积系统自带的放电装置对衬底表面进行Ar等离子体处理。
具体的，步骤2中所述的脉冲激光沉积技术采用的激光器为波长为248nm的KrF准分子激光器，激光脉冲宽度为25ns，最大脉冲重复频率为10Hz。
具体的，步骤2中所述的三元过渡金属氮化物薄膜的材质为TiBN、TiAlN、ZrBN、ZrAlN，薄膜厚度在100nm以下。
具体的，步骤2中所述的三元过渡金属氮化物薄膜的沉积方式为利用TiB(或Al)、ZrB(或Al)靶材直接在N2或N2、Ar的混合气氛下生长；或者，利用Ti(或Zr)N/B(或Al)N双层交替生长，通过高温热扩散实现B、Al的掺杂。
实施例1
本发明提供一种P型半导体欧姆接触的制备方法，其具体步骤如下：
步骤1：采用P-GaN材料，空穴浓度为6×10^(16)cm^(-3)，先后分别用丙酮、乙醇、去离子水对P-GaN衬底进行5min的超声清洗；清洗完用N2将其吹干，然后放入脉冲激光沉积系统的外延生长腔中；
步骤2：对衬底进行升温，升到650℃后，通过气路管道向脉冲激光沉积系统的外延生长腔通入氩气并调节压强为3Pa。利用脉冲激光系统自带的放电装置对氩气进行电离，产生氩等离子体。在氩等离子体的轰击下，对样品表面进行处理，去除表面的氧化层和其他一些杂质；
步骤3：电离10分钟后，结束电离并停止通入氩气。通过气路管道向外延生长腔通入氮气并调节压强为3Pa，调整靶材和衬底的距离7cm，设置脉冲激光能量为350mJ，频率为2Hz。开启激光，溅射TiB靶材，进行TiBN薄膜的沉积，沉积时间为2h；
步骤4：沉积完成后，保持沉积的温度、气氛、气压进行原位退火，退火时间1h；
步骤5：退后结束后，进行降温，待温度降到室温，取出样品；
步骤6：取出样品后，利用丙酮、乙醇、去离子水对生长获得的样品分别进行5min的超声清洗；
步骤7：清洗完之后，在样品上通过涂光刻胶胶-曝光-剥离的光刻工艺在样品表面上的光刻胶上形成圆形传输线图形；
步骤8：对样品进行IBE刻蚀，在样品表面获得圆形传输线模型图形。
步骤9：对刻蚀后的样品先后进行丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，以完全去除光刻胶，完成欧姆接触电极的制备。
实施例2
本发明提供一种P型半导体欧姆接触的制备方法，其具体步骤如下：
步骤1：采用P-GaN材料，空穴浓度为6×10^(16)cm^(-3)，先后分别用丙酮、乙醇、去离子水对P-GaN衬底进行5min的超声清洗；清洗完用N2将其吹干，然后放入脉冲激光沉积系统的外延生长腔中；
步骤2：对衬底进行升温，升到650℃后，通过气路管道向脉冲激光沉积系统的外延生长腔通入氩气并调节压强为3Pa。利用脉冲激光系统自带的放电装置对氩气进行电离，产生氩等离子体。在氩等离子体的轰击下，对样品表面进行处理，去除表面的氧化层和其他一些杂质；
步骤3：10分钟后，结束电离并停止通入氩气。通过气路管道向外延生长腔通入氮气并调节压强为3Pa，调整靶材和衬底的距离7cm，设置脉冲激光能量为350mJ，频率为2Hz。开启激光，溅射TiN靶材，进行TiN薄膜的沉积，沉积时间为20min；
步骤4：关闭N2，通入氩气压并调节压强为14Pa，衬底温度为650℃，调整靶材和衬底的距离7cm，设置脉冲激光能量为350mJ，频率为2Hz。开启激光，溅射BN靶材，进行BN薄膜的沉积，沉积时间为5min；
步骤5：对所生长的双层薄膜在Ar气压为14Pa，衬底温度为650℃的条件下进行原位退火，退火时间为20min，通过高温热扩散实现B对TiN薄膜的掺杂；
步骤6：按如上步骤，重复进行TiN/BN的双层生长，直至TiN的总体生长时间达到2h，最后一个周期生长完成后，在Ar气压为14Pa，衬底温度为650℃的条件下进行原位退火，退火时间为1h；
步骤7：退后结束后，进行降温，待温度降到室温，取出样品；
步骤8：取出样品后，利用丙酮、乙醇、去离子水对生长获得的样品分别进行5min的超声清洗；
步骤9：清洗完之后，在样品上通过涂光刻胶胶-曝光-剥离的光刻工艺在样品表面上的光刻胶上形成圆形传输线图形；
步骤10：对样品进行IBE刻蚀，在样品表面获得圆形传输线模型图形。
步骤11：对刻蚀后的样品先后进行丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，以完全去除光刻胶，完成欧姆接触电极的制备。
圆形传输线模型方法需要在材料表面制作一组圆形金属电极(传输线图形)，例如，每个圆形金属电极的内径(2r0)相同，以75μm为例，在圆形金属电极外留下一个圆环状的空白区域，外径(2R)分别为95μm、105μm、115μm、125μm、135μm、145μm，由此可得圆环的宽度d为20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm，也就是圆环的宽度d是逐渐增大的，内圆和圆环外是接触金属的覆盖区域，为探针接触点，圆环内是没有金属性薄膜覆盖的，传输环制备完成后，选取一组或几组传输环，进行I-V特性测试，对于每一组圆环都将测得六条I-V曲线，I-V曲线呈现线性，说明所沉积的金属性薄膜与半导体材料呈现良好的欧姆接触。根据所测得的I-V曲线获得每个圆环与P-GaN接触的总电阻Rt，做Rt与ln(R/r0)的关系曲线，经过最小二乘法拟合，由直线的斜率和截距分别获得半导体材料的方块电阻和传输长度，从而得到接触电阻率。
利用本发明的方法获得了良好的P-GaN欧姆接触特性，说明通过该方法提高了过渡金属氮化物的功函数，实现了过渡金属氮化物与P-GaN的欧姆接触，而且过渡金属氮化物材料耐高温性质提高了该欧姆接触的稳定性；此外，电极制备完成后不用再进行高温退火，避免了高温对器件的损伤，简化了工艺流程。该质量的欧姆接触适用于GaN基大功率器件，如GaN基蓝绿光激光器，从而改善器件的性能参数。
与现有技术相比，本发明提供的制备方法利用过渡金属氮化物的耐高温性质，提高了P型半导体欧姆接触的热稳定性，这对高功率器件有重要意义；其次，在过渡金属氮化物如TiN、ZrN中引入B、Al元素，提高过渡金属氮化物薄膜的功函数，实现与P型半导体材料的欧姆接触；以及，基由本发明提供的方法制备完成的电极不需要额外的高温退火便可形成良好的欧姆接触，避免了持续的高温操作对器件的损伤，而且简化了工艺流程。
以上所述，仅是本发明的一具体实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理下所作出的改进，应视为属于本发明的保护范围，同时，本发明适用于所有的P型氮化物半导体材料，如GaN、AlGaN、InGaN以及InAlGaN四元合金体系的欧姆接触制备，均属于本发明的范围。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (21)
1. 一种P型半导体低阻欧姆接触结构，包括P型半导体衬底，其特征在于：所述P型半导体衬底上形成有金属性的三元过渡金属氮化物薄膜，金属性的三元过渡金属氮化物薄膜与所述P型半导体衬底形成欧姆接触，所述三元过渡金属氮化物薄膜的材质包括TiBN、ZrBN、TiAlN、ZrAlN中的任意一种或多种的组合，所述三元过渡金属氮化物薄膜中B元素或Al元素的含量小于10wt%，所述三元过渡金属氮化物薄膜的功函数在6.5 eV以上。
2. 根据权利要求1所述的P型半导体低阻欧姆接触结构，其特征在于：所述三元过渡金属氮化物薄膜的厚度大于0且小于或等于100 nm。
3.根据权利要求1所述的P型半导体低阻欧姆接触结构，其特征在于：所述三元过渡金属氮化物薄膜上还形成有传输线图形结构。
4. 根据权利要求3所述的P型半导体低阻欧姆接触结构，其特征在于：所述传输线图形结构包括多个圆形传输线图形，所述圆形传输线图形的内径为50-200 μm，外径为70μm-270μm。
5. 一种P型半导体低阻欧姆接触结构的制备方法，其特征在于包括：在P型半导体衬底上生长金属性的三元过渡金属氮化物薄膜，并对形成的三元过渡金属氮化物薄膜进行原位退火处理，金属性的三元过渡金属氮化物薄膜与所述P型半导体衬底形成欧姆接触；其中，所述三元过渡金属氮化物薄膜的材质包括TiBN、ZrBN、TiAlN、ZrAlN中的任意一种或多种的组合，所述三元过渡金属氮化物薄膜中B元素或Al元素的含量小于10wt%，所述三元过渡金属氮化物薄膜的功函数在6.5 eV以上。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于包括：先对P型半导体衬底进行清洗和表面处理，再在P型半导体衬底表面生长所述的三元过渡金属氮化物薄膜。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述的表面处理包括Ar等离子体处理。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于包括：利用脉冲激光沉积技术，采用含有Al和/或B以及Ti和/或Zr的靶材，在氮气的气氛中于P型半导体衬底上生长形成所述的三元过渡金属氮化物薄膜。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述靶材包括TiB、TiAl、ZrB、ZrAl靶材中的任意一种或多种的组合。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述三元过渡金属氮化物薄膜的生长温度为600-650℃，生长气压为1-3Pa。
11.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于包括：利用脉冲激光沉积技术，采用Al或B靶材以及Ti或Zr靶材，在含N2的气氛中生长TiN层或ZrN层或AlN层以及在Ar气氛中生长BN层，进而于P型半导体衬底上交替生长AlN层或BN层与TiN层或ZrN层，并使其中的Al或B元素在生长过程中以及在每个周期后进行的退火过程中实现同步扩散，形成所述的三元过渡金属氮化物薄膜。
12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于：TiN层、BN层、AlN层、ZrN层中任一者的厚度大于0且小于等于20nm，生长温度为600-650℃，Ar气氛的气压为0-30Pa，N2气氛的气压为1-3Pa。
13.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于：每生长形成TiN/BN或TiN/AlN或ZrN/BN或ZrN/AlN作为一个周期，每个周期后进行退火的温度与生长温度相同。
14.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于：每个周期后进行退火的温度为600-650℃，退火时间为20-60min。
15.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述原位退火处理的温度、气氛、气压与生长所述三元过渡金属氮化物薄膜的温度、气氛、气压相同。
16.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于：原位退火处理的温度为600-650℃，时间为20-60min。
17.根据权利要求8或11所述的制备方法，其特征在于：所述脉冲激光沉积的方式所采用的激光波长为248nm，激光脉冲宽度为25ns，最大脉冲重复频率为10Hz。
18.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于还包括：在所述三元过渡金属氮化物薄膜上加工形成传输线图形结构。
19.根据权利要求18所述的制备方法，其特征在于：所述传输线图形结构包括多个圆形传输线图形。
20. 根据权利要求19所述的制备方法，其特征在于：所述圆形传输线图形的内径为50-200 μm，外径为70μm-270μm。
21.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述三元过渡金属氮化物薄膜的厚度大于0且小于等于100nm。
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