Ni基电极淀积前后表面处理对p-GaN欧姆接触的影响

　　0　引言

　　GaN是一种宽带隙(室温下直接带隙为3.4eV)、高热导率、高熔点、高击穿电压以及高载流子饱和漂移速度的半导体材料[1],在紫外/可见光电子器件方面极具应用前景。目前报道的应用包括紫外光电导探测器、紫外肖特基光探测器、金属-半导体场效应晶体管、太阳盲肖特基光电管,以及高电子迁处理技术以及新型器件结构设计上取得了重大进步,现今面临的最主要任务是改善GaN基器件的稳定性[1]。金属/半导体界面的高欧姆电阻至今仍然是影响器件性能和可靠性的因素之一,低的欧姆接触对改善GaN基器件的电学和光学性能极为重要。要获得稳定件需要将接触电阻率控制在10-4Ω·cm2以下,对于n型GaN,采用Ti/Al、Ti/Au和Ti/Al/Au系电极结构已经获得了10-5~ 10-8Ω·cm2的接触电阻率[3],但是对于p-GaN,由于Mg受主激活能高达170 meV[4],用MOCVD或MBE方法生长的p-GaN载流子浓度相对较低(小于1018cm-3)[5],而且p-GaN功函数很高,要获得同样低的电阻率却很难。因此,要获得适用的p型欧姆接触电极还面临巨大的挑战。

　　目前,在中等掺杂的GaN上报道的获得10-4Ω·cm2以下的接触电阻率的电极只有两种。一种是在掺杂浓度为7×1017cm-3的p-GaN上采用Ta/Ti电极结构并在800℃下退火20 min获得低至3×10-5Ω·cm2的接触电阻率,但这种电极在空气中不稳定。另一种是Ni/Au电极在500℃下退火10 min,获得电阻率为4×10-6Ω·cm2 [6-7],这是迄今报道所获得最好的p型欧姆接触电阻率。目前普遍研究和采用的是Ni/Au电极,以前研究过的电极也包括Au[8-9],Ni[10-11],Pd[12],Pt[10,13],Ni/Au[14-15]和Pt/Ni/Au[16-17]。近几年,有报道用HCl溶液、KOH溶液、王水溶液、(NH4)2Sx溶液等对p-GaN进行表面处理以除去表面氧化层来获得低的接触电阻率[18-21],也有报道采用等离子体处理以改变表面原子比例和状态,引入类受主缺陷Ga空位以提高接触性能的,但在某些情况下反而会由于表面损伤造成接触性能恶化[22-24]。我们认为除了在金属淀积前进行处理以外,电极后处理也能有效地降低接触电阻率,改善接触性能。

　　1　实验

　　在蓝宝石衬底(0001)面上采用MOCVD生长GaN外延层,p型掺杂浓度为1×1017cm-3。将样片在N2气氛下750℃退火15 min后用三氯乙烯、丙酮、甲醇、乙醇和去离子水各超声清洗5 min以除去表面有机污染物。光刻前将样品分别在沸腾的王水、40%HCl和80℃水浴的缓冲HF溶液中处理2min,1 min和5 min,并分别标记为A,B,C样品。另一组样品不进行任何表面处理,标记为D。光刻后将A,B,C样品分别在煮沸后冷却的王水中、40%HCl和冷却后缓冲HF中浸泡若干秒以除去光刻过程中新产生的氧化层,然后在上述样品上用电子束蒸发Ni(5nm)/Au(5nm)电极结构,超声剥离后在O2中550℃下退火10 min,再用10%草酸溶液70℃水浴浸泡10 min以除去表面形成的NiO。用CTLM方法测试电极接触电阻率,内圆半径为200μm,外圆环之间的间距在10至60μm之间。用Keithley 2400 Source Meter测量I-V特性,电压范围为-1 V至1 V,测量步长为0.01 V。将退火前后电极进行AES测量以考察各元素随深度分布情况。对草酸处理前后样品表面进行XPS测试,考察相关元素如Ni,Au的含量变化。