Au電極與CdMnTe晶體的表面接觸電阻率研究

沈　敏，張繼軍，王林軍，閔嘉華，汪　琳，梁小燕

(上海大學 材料科學與工程學院，上海 200072)

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Au電極與CdMnTe晶體的表面接觸電阻率研究

沈敏，張繼軍，王林軍，閔嘉華，汪琳，梁小燕

(上海大學 材料科學與工程學院，上海 200072)

采用圓形傳輸線模型研究了金(Au)電極與碲錳鎘(CdMnTe)晶體的歐姆接觸特性，Au電極采用AuCl3化學鍍金法制備，計算了其接觸電阻率。實驗探討了表面處理和退火對Au/CdMnTe接觸電阻率的影響。結果表明，CdMnTe晶體經(jīng)過化學拋光和化學機械拋光后Au/CdMnTe的接觸電阻率分別為544.5和89.0 Ω·cm2。通過AFM與XPS分析了晶體表面的形貌與成分，發(fā)現(xiàn)表面粗糙度和富Te成分對CdMnTe薄層電阻和載流子傳輸長度有較大的影響，決定了接觸電阻率的大小。在150 ℃空氣氣氛退火1 h后，經(jīng)CP和CMP表面處理的樣品，Au/CdMnTe接觸電阻率均減小，分別為313.6和30.2 Ω·cm2。退火促進了Au向CdMnTe晶體的擴散，使接觸電阻率進一步降低，歐姆接觸性能提高。

碲錳鎘；接觸電阻率；化學拋光；化學機械拋光；退火

0　引　言

Cd1-xMnxTe(簡稱CdMnTe)是典型的稀釋磁性半導體材料。在磁場中，CdMnTe材料展現(xiàn)出獨特的磁學、電學和磁光特性，包括自旋玻璃轉變、磁振子激發(fā)、反鐵磁簇的形成、巨法拉弟旋轉等[1]?；谶@些性質，CdMnTe材料被廣泛應用于磁場調諧源、光移相器、磁場傳感器、磁力計等。在沒有磁場作用下，CdMnTe具有典型的Ⅱ-Ⅵ族半導體特性。近年來，研究學者發(fā)現(xiàn)CdMnTe的晶體結構和電子能帶結構(包括禁帶寬度、電子空穴遷移率、載流子濃度等)與CdZnTe十分相似，并且在一些方面表現(xiàn)更加優(yōu)異[2]。如Mn的加入能更快的提高晶體的禁帶寬度(15 meV/atoms%)，從而降低合金化帶來的晶體缺陷[3]。另外，由于CdMnTe中Mn的分凝系數(shù)接近1，更容易獲得組分均勻的晶體。因而，CdMnTe有望作為X和γ射線探測器的主要候選材料[4]。

在CdMnTe器件性能研究中，金屬與CdMnTe晶體的歐姆接觸特性一直是研究者們關注的重點[5-6]。金屬與CdMnTe之間優(yōu)良的歐姆接觸特性對提高CdMnTe器件性能及其電學性能的表征都至關重要[7]。CdMnTe晶體通常采用垂直布里奇曼法生長，使用金(Au)電極作為歐姆接觸[8]。但是在CdMnTe器件制備過程中，晶體表面狀態(tài)會對Au與CdMnTe(Au/CdMnTe)的歐姆接觸特性產(chǎn)生較大影響。對于歐姆接觸質量的表征，通常使用電流-電壓特性曲線，當電流和電壓滿足近似線性關系時，表明是良好的歐姆接觸。但是此方法對歐姆接觸質量的表征不夠精確，不能滿足精確測量的要求。金屬-半導體接觸的接觸電阻可以限制半導體器件的性能，其接觸電阻率ρc是表征金屬電極與半導體之間歐姆接觸質量優(yōu)劣的一個重要參數(shù)，可用于定量表征器件制造工藝對歐姆接觸質量的影響。傳輸線法(transmission line model, TLM)是測量ρc的常用方法[9]，但為了避免接觸間的二維電流必須進行臺面腐蝕。在TLM基礎上發(fā)展起來的圓形傳輸線模型(circular transmission line model, CTLM)有效的避免了臺面腐蝕及其附帶影響，并且樣品制備簡單，測量結果較準確[10-12]。

本文采用了圓形傳輸線模型表征了氯化金(AuCl3)化學電鍍法制備Au電極與CdMnTe晶體(Au/CdMnTe)的接觸電阻率，研究了不同表面處理方法和電極退火對Au/CdMnTe接觸電阻率ρc的影響。

1　實驗與原理

1.1實驗方法

采用垂直布里奇曼法制備了Mn成分x=0.1的Cd1-xMnxTe晶體，原材料Cd(7N)，Mn(5N)和Te(7N)按化學計量比稱量，獲得了體積為?30 mm2×120 mm的CdMnTe晶錠。從CdMnTe晶錠的相同位置切割得到多個尺寸為10 mm×10 mm×2 mm的晶片。經(jīng)研磨、機械拋光、去離子水清洗等處理后，一部分晶片使用濃度為2%的Br2-MeOH溶液進行化學拋光[13](chemical polishing, CP)，一部分晶片進行化學機械拋光[14](chemical mechanical polishing, CMP)，使用的拋光液為濃度為8‰的Br2-MeOH溶液與體積比為20∶1的氧化鋁懸濁液的混合物。拋光后晶片在甲醇溶液中進行超聲清洗，最后使用氮氣吹干。

CdMnTe晶片的Au電極采用AuCl3溶液化學電鍍法制備，利用光刻掩膜技術將CTLM結構電極圖形光刻至晶片表面，得到致密均勻的Au電極CTLM結構圖案。Au/CdMnTe接觸的退火過程是在150 ℃溫度下的空氣氣氛中進行，退火時間為1 h。

實驗研究了CdMnTe表面狀態(tài)對Au/CdMnTe接觸電阻率的影響，使用原子力顯微鏡(AFM, SHIMAZU SPM-9600)測試了CdMnTe晶體表面形貌狀態(tài)，并使用X射線光電子能譜(XPS, Thermo Scientific ESCALAB 250Xi)探測CdMnTe晶體表面化學成分及化合價狀態(tài)，對比CP和CMP兩種表面處理方法所得到的表面狀態(tài)的差異[15-16]。采用Keithley 4200-SCS/F半導體特性分析儀測試了Au/CdMnTe的電學性能。

1.2圓形傳輸線模型(CTLM)原理

在CdMnTe晶片表面采用光刻技術制備Au電極的圓形傳輸線模型圖形，其所采用的掩模板結構如圖1所示。圖1中，掩膜版結構，圓環(huán)內半徑為r0(r0=150 μm)，圓環(huán)外半徑為rn(r1～r9=155, 160, 165, 170, 175, 180, 185, 190和195 μm)，d=rn-r0是變化的內外電極之間的距離。Rin內圓電極的接觸電阻，Rout外電極接觸電阻，RP是CdMnTe體電阻，實驗中測量內外電極間的電阻RT。

圖1　Au/CdMnTe接觸的圓形傳輸線模型(CTLM)

Fig 1 The photomask of CTLM structure of Au/CdMnTe contact

根據(jù)G.S.Marlow[8]關于圓形傳輸線模型的論述，Au/CdMnTe接觸的總電阻RT為內圓電極的接觸電阻Rin、外圓電極接觸電阻Rout和晶體體電阻RP之和，并且滿足下列關系式

(1)

(2)

其中,Rsh為半導體薄層電阻，LT是傳輸長度，ρc為接觸電阻率。保持r0不變，通過改變內外電極間距d，測量對應總電阻RT，可以得到RT與d之間的關系圖。經(jīng)過擬合得到半導體薄層電阻Rsh值和傳輸長度LT值，再通過公式(2)計算得到接觸電阻率ρc。

2　結果與討論

2.1Au/CdMnTe接觸的I/V特性

采用Keithley 4200-SCS/F型微電流計測試了CdMnTe樣品的電流-電壓(I-V)特性曲線，如圖2所示。

圖2采用化學拋光(CP)和化學機械拋光(CMP)表面處理后的Au/CdMnTe樣品I-V曲線

Fig 2 The I-V curves of the Au/CdMnTe samples with the CP and CMP surface treatments

圖中I-V曲線分別為對CdMnTe晶片進行CP和CMP表面處理后采用AuCl3溶液化學電鍍Au電極的Au/CdMnTe樣品測試所得。根據(jù)通常采用的歐姆特性評價手段，對圖2中的數(shù)據(jù)按照下面公式擬合

(3)

其中，a值為Au/CdMnTe電阻的倒數(shù)，b值為歐姆系數(shù)。當b=1時，表明電極為理想的歐姆接觸。擬合后得到數(shù)據(jù)如表1所示。

表1對化學拋光(CP)和化學機械拋光(CMP) 處理后Au/CdMnTe樣品的I-V曲線按式(3)擬合得到的結果

Table 1 The nonlinear fitting data of I-V curves of Au/CdMnTe samples treated by CP and CMP according to equation (3)

表面處理a(電阻的倒數(shù))b(歐姆系數(shù))化學拋光(CP)1.37×10-80.99化學機械拋光(CMP)3.43×10-80.99

經(jīng)過CP和CMP表面處理后Au/CdMnTe電極的歐姆系數(shù)b均為0.99，接近1，表明Au電極與CdMnTe晶體之間形成了良好的歐姆接觸。但擬合得到的a值相差較大，這主要是由于CdMnTe晶體體電阻和Au/CdMnTe接觸電阻的影響。由此可見，普通的I-V特性曲線難以說明表面處理對Au/CdMnTe歐姆結觸特性的影響。

2.2Au/CdMnTe電極的接觸電阻率

采用光刻掩膜技術將圓形傳輸線模型電極結構光刻至CdMnTe晶片表面，得到致密均勻的Au電極圖形。在光學顯微下，固定探針間距且其中一個探針在內圓電極中心，一個探針在外圓電極上，測試電壓為-5～5 V，依次測試不同內外電極間距的電阻。采用圓形傳輸線模型計算Au/CdMnTe的接觸電阻率。圖3表示圓形傳輸線模型中每一個內外電極間距d所對應的電阻RT，將RT與d之間的關系進行直線擬合，得到半導體薄層電阻Rsh和傳輸長度LT的值。進一步通過式(2)得到Au/CdMnTe的接觸電阻率ρc值。結果表明，經(jīng)CP處理后的Au/CdMnTe的接觸電阻率為544.5 Ω·cm2，經(jīng)CMP處理后接觸電阻率ρc為89.0 Ω·cm2。顯然，使用CMP表面處理后Au/CdMnTe的接觸電阻率更低，歐姆接觸性能更好。

圖3Au/CdMnTe電極的圓形傳輸線模型中電阻RT隨內外電極間距d變化圖

Fig 3 The total resistanceRTbetween the adjacent electrodes varied with the length of the gap d in the circular transmission line model of Au/CdMnTe samples

2.3表面處理對接觸電阻率的影響

采用AFM研究了CdMnTe晶片表面處理后的表面形貌，如圖4所示?？梢钥闯?，CP處理后的表面粗糙度為5.1 nm，有較多凸起的點，這些凸起的點被認為是Te的單質和氧化物，CMP表面處理后的粗糙度為1.4 nm，且表面光滑平整。圖5為CdMnTe晶片表面的XPS能譜圖，探測的是Te3d譜峰。其中，583.4和573.0 eV位置的尖峰分別是Te3d3/2和Te3d5/2的Te單質峰，586.9和576.5 eV位置的矮峰分別是TeO33/2和 TeO35/2的Te氧化物峰。由XPS圖計算出表面處理后的(Te+Te4+)/(Cd+Zn)和Te4+/(Te+Te4+)比值，如表2所示。

圖4　不同表面處理后的CdMnTe晶體表面AFM圖

Fig 4 AFM images of the CdMnTe samples by different surface treatments

表2經(jīng)過CP和CMP表面處理后Au/CdMnTe電極的接觸電阻率ρc和表面處理后晶體表面粗糙度及表面成分

Table 2 The contact resistivity of Au/CdMnTe after CP and CMP surface treatment, and the roughness and composition of CdMnTe surfaces

ρc/Ω·cm-2Ra/nm(Te+Te4+)/(Cd+Mn)Te4+/(Te+Te4+)CP544.55.12.025%CMP89.01.41.47%

圖5CdMnTe晶體Te3d的XPS圖

Fig 5 XPS images of Te3d for the CdMnTe crystal

經(jīng)過CP處理后的CdMnTe晶片表面富Te，且Te氧化物含量高。經(jīng)過CMP處理后晶體表面富Te程度降低，Te氧化物含量大幅較低。根據(jù)表2所示的接觸電阻率、表面粗糙度和表面成分的實驗值，可以得出，晶體的表面狀態(tài)，包括表面損傷、表面缺陷和表面成分嚴重影響了Au/CdMnTe接觸的接觸電阻率。經(jīng)過CP處理的CdMnTe晶片表面存在較多Te氧化物及Te單質，降低了Au向CdMnTe晶體的擴散，并且使晶片表面薄層電阻變大。同時，經(jīng)CP處理后的晶片表面粗糙度較大，表面的損傷及缺陷所形成的大量復合中心不利于載流子的傳輸，導致傳輸長度較大。經(jīng)過CMP處理后的CdMnTe晶片表面粗糙度降低至1.4 nm，表明晶片表面損傷和表面缺陷減少，不利于載流子傳輸?shù)膹秃现行拇蠓鶞p少，傳輸長度減??；且晶體表面Te氧化物含量大幅較低，有利于Au向晶體表層擴散，晶片表面薄層電阻接近材料本身。因而，CdMnTe晶體經(jīng)過CMP表面處理后，Au/CdMnTe的接觸電阻率大幅降低，歐姆接觸性能提高。

2.4退火對接觸電阻率的影響

對Au/CdMnTe接觸進行退火處理后，采用圓形傳輸線模型研究了退火對接觸電阻率的影響，結果如圖6所示?？梢缘贸?，Au/CdMnTe接觸退火后，經(jīng)過CP和CMP處理的晶片的接觸電阻率分別為313.6和30.2 Ω·cm2。退火后， Au/CdMnTe接觸電阻率都有效地降低了。

退火過程中，Au向CdMnTe晶體的擴散增強，提高了晶體表層Au摻雜濃度，晶體薄層電阻減小，Au的擴散降低了接觸的勢壘高度，使得電子更容易直接穿過勢壘，載流子傳輸長度減少，從而Au/CdMnTe接觸電阻率降低，歐姆特性增強。因而，通過改進CdMnTe表面處理工藝，進一步對Au/CdMnTe接觸進行合適的退火處理，可以達到接觸電阻率最小化的目標，得到高質量歐姆接觸。

圖6退火處理后Au/CdMnTe電極的電阻RT隨內外電極間距d的變化圖

Fig 6 The total resistanceRTbetween the adjacent electrodes varied with the length of the gap d for CdMnTe samples after annealing

3　結　論

本文采用圓形傳輸線模型研究了AuCl3化學電鍍法制備Au電極與CdMnTe晶體的歐姆接觸特性，探討了不同的CdMnTe晶片表面處理方法和電極退火工藝對Au/CdMnTe接觸電阻率的影響。主要得到以下結論：

(1)CdMnTe晶片經(jīng)過化學拋光(CP)處理后，Au/CdMnTe電極的接觸電阻率為544.5 Ω·cm2；經(jīng)過化學機械拋光(CMP)處理后，接觸電阻率為89.0 Ω·cm2。

(2)AFM和XPS分析表明，化學拋光后晶體表面粗糙度為5.1 nm，晶體表面富Te嚴重；化學機械拋光后晶體表面粗糙度為1.4 nm，表面富Te程度降低。表面粗糙度和富Te程度降低有利于降低Au/CdMnTe的接觸電阻率。

(3)退火后，經(jīng)CP和CMP處理的樣品，接觸電阻率分別降至313.6和30.2 Ω·cm2，退火提高了Au電極的歐姆接觸特性。

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Investigation of the contact resistivity of Au contact on CdMnTe crystal

SHEN Min, ZHANG Jijun, WANG Linjun, MIN Jiahua, WANG Lin, LIANG Xiaoyan

(School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

The ohmic characteristics of Au/CdMnTe contact were investigated by circular transmission line model (CTLM). The Au contacts on CdMnTe wafers were deposited with the electroless AuCl3technique. The influence of surface polishing and annealing on the contact resistivity of Au/CdMnTe were analyzed. The contact resistivity of Au/CdMnTe on the chemical polished and chemical mechanical polished surfaces were 544.5 and 89.0 Ω·cm2, respectively. The surface morphology and composition of CdMnTe wafers were characterized by AFM and XPS, which revealed that the surface roughness and Te-rich state had great effect on the sheet resistance and the carrier transmission length, thus determined the contact resistivity of Au/CdMnTe. After annealing at 150e for 1 h, the contact resistivity of the Au/CdMnTe contact treated by CP and CMP both decreased to 313.6 and 30.2 Ω·cm2. The annealing procedure enhanced the diffusion of Au into the CdMnTe crystal, which further decreased the contact resistivity, and the quality of the ohmic contact was improved.

CdMnTe; contact resistivity; chemical polishing; chemical-mechanical polishing; annealing

1001-9731(2016)08-08217-05

國家自然科學基金資助項目(51472155，11375112，11275122)

2014-12-12

2016-03-03 通訊作者：張繼軍，E-mail: zhangjijun222@shu.edu.cn

沈敏(1989-)，男，上海人，碩士，師承張繼軍副教授，從事碲鋅鎘/碲錳鎘晶體生長及其器件研究。

TB31

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.08.039