Ti與Al比例及退火溫度對AlGaN/GaN HEMT歐姆接觸影響

李 冰 冰， 張 賀 秋， 劉 旭 陽， 劉 俊， 薛 東 陽， 梁 紅 偉， 夏 曉 川

( 大連理工大學(xué) 微電子學(xué)院, 遼寧 大連 116024 )

0 引 言

AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(high electron mobility transistor，HEMT)具有大的直接帶隙能、高擊穿電壓和高飽和電流、耐高溫等優(yōu)點，在高功率、高頻電子中具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]．自Khan等提出AlGaN/GaN HEMT以來[4]，半導(dǎo)體界面處高的歐姆電阻對器件性能和可靠性的影響問題一直受到研究者的廣泛關(guān)注，也是當今研究的熱點問題之一．低的歐姆接觸電阻對改善AlGaN/GaN HEMT器件的電學(xué)特性極為重要，對歐姆接觸的要求為有更低的歐姆接觸電阻、接觸電阻的高穩(wěn)定性、表面光滑度和邊緣清晰度好、耐腐蝕、耐輻射損傷、低的殘余應(yīng)力、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好等．在進行歐姆接觸的研究中，因為不可能同時滿足所有的需求，最好的策略是盡可能地滿足更多的要求．改善AlGaN/GaN HEMT器件電極性能的方法主要通過實驗條件的優(yōu)化來獲得更好的歐姆接觸，達到更小的接觸電阻率．2000年Kwak等[5]在通過對表面形態(tài)的改變來降低電阻歐姆接觸的研究中，主要改變了Ti的量以改變Ti與Al比來分析不同退火溫度下的歐姆接觸率，Ti與Al比為15∶23(75 nm∶115 nm)時800 ℃退火溫度下接觸電阻率較小，且有較好的表面形貌，其研究中顯示，在相同的Al厚度(115 nm)下，較厚的Ti層在較高的退火溫度下能夠獲得低接觸電阻率的歐姆接觸，并且具有較光滑的表面形貌．2012年周勛等[6]采用高Al組分n-AlGaN Ti/Al/Ti/Au歐姆接觸的研究中，Al厚度為150 nm，Ti最佳厚度是40 nm，達到較小的歐姆接觸電阻率5.67×10-5Ω·cm2．高Al組分的歐姆接觸受限的原因之一是深能級缺陷隨Al組分遞增，使Si離化能增加，遷移率降低．2016年于寧等研究了多層Ti與Al結(jié)構(gòu)電極對GaN/AlGaN HEMT歐姆接觸特性及表面形態(tài)的影響，研究結(jié)果表明Ti與Al層數(shù)的增加有利于降低歐姆接觸電阻，提高電極表面的光滑度[7]．2016年，Constant等研究了Ti與Al比例對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)歐姆接觸的影響，結(jié)果表明Ti比例大，需要在更高的溫度下(大于800 ℃)退火獲得低電阻歐姆接觸；Al比例大在較低溫度下(550 ℃左右)可獲得優(yōu)良的歐姆接觸[8]．2017年王現(xiàn)彬等[9]選擇Ti與Al比為1∶6(20 nm∶120 nm)的Ti/Al/Ni/Au作為N極性面GaN的歐姆接觸金屬，研究表明退火溫度860 ℃ 時出現(xiàn)比接觸電阻率為1.7×10-5Ω·cm2的較好歐姆接觸．2018年Song等[10]研究了AlGaN/GaN HEMT歐姆接觸的影響因素和溫度可靠性，采用4層金屬Ti/Al/Ni/Au作為歐姆接觸電極，通過改變Al的量來改變Ti與Al比實現(xiàn)歐姆接觸．Ti與Al比為2∶13(20 nm∶130 nm)在840 ℃呈現(xiàn)較小的歐姆接觸電阻．降低歐姆接觸電阻的研究一直是制備器件的研究關(guān)鍵點，AlGaN/GaN HEMT歐姆接觸的制備目前以采用Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Pt/Au、Ti/Al/Mo/Au等多層金屬體系形成的歐姆接觸電極為主[11]，可以看出Ti與Al兩層金屬是制備AlGaN/GaN HEMT歐姆接觸電極的關(guān)鍵金屬層．

本文在AlGaN/GaN HEMT芯片上分別制備3種Ti與Al比(1∶2、1∶5、1∶8)金屬結(jié)構(gòu)作為電極，對3種結(jié)構(gòu)進行相同退火時間30 s、不同退火溫度(400、500、600、700、800 ℃)的N2氛圍下退火處理．對金屬退火后的電學(xué)特性、表面形貌和結(jié)構(gòu)特性進行表征，分析Ti與Al比和退火溫度對歐姆接觸特性的影響．

1 實驗部分

本實驗采用的是藍寶石襯底的AlGaN/GaN外延片，外延結(jié)構(gòu)從下到上為3.6 μm厚的GaN緩沖層、200 nm厚的GaN溝道層，2 nm厚的AlN插入層、20 nm厚的AlGaN勢壘層、2.5 nm厚的GaN帽層，如圖1所示．對HEMT外延片進行霍爾測試，二維電子氣濃度是1.4×1013cm-2，方塊電阻Rsh是300/□．

圖1 AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)示意圖

進行Ti/Al電極制備前，采用丙酮溶液、乙醇、去離子水依次對AlGaN/GaN HEMT表面進行超聲清洗處理，用SPM溶液(濃H2SO4與H2O2體積比為3∶1)、稀HCl溶液浸泡后依然用去離子水超聲清洗，有文獻[12]報道這樣的處理可以除去表面氧化層來獲得低的接觸電阻率．本文采用的電極結(jié)構(gòu)是圓形，直徑為1.2 mm，電極間邊緣距離為1.0 mm．采用熱蒸發(fā)法生長Ti/Al電極，蒸發(fā)金屬的過程中真空度為9×10-4Pa左右．制備了3種Ti與Al比例的電極結(jié)構(gòu)，分別是Ti與Al比為1∶2(20 nm/40 nm)、1∶5(20 nm/100 nm)和1∶8(20 nm/160 nm)，每種比例的樣品有6個，分別為室溫未退火和在400、500、600、700、800 ℃ N2氛圍下退火，退火時間為30 s．用2611A SYSTEM SourceMeter源表測量電極間的電流-電壓(I-U)特性；利用XRD-6100X射線衍射儀表征電極退火前后的結(jié)構(gòu)；利用OLYMPUS BX51M金相顯微鏡對金屬電極的表面形貌進行觀察．

2 結(jié)果與分析

通過金相顯微鏡觀察退火后的金屬電極表面，退火溫度低于600 ℃的樣品，3種比例的金屬電極表面變化不明顯．圖2(b)表明在600 ℃的N2氛圍下退火后，Ti與Al比為1∶2、1∶5、1∶8的3種樣品表面出現(xiàn)了顏色微暗的點，與未退火的圖2(a)的3種比例樣品對比，這些暗點的出現(xiàn)使表面變得粗糙．在700 ℃退火后，3種樣品開始出現(xiàn)更多并且顏色更深的點，使表面更加粗糙，如圖2(c)所示．700 ℃的退火溫度超過了鋁的熔點(～660 ℃)，熔融鋁的突起會導(dǎo)致表面粗糙[13]，與600 ℃的器件相比表面形貌粗糙較為明顯，這正是600 ℃以下退火表面變化不明顯的原因．800 ℃ 退火后的表面形貌如圖2(d)所示．Ti與Al比為1∶5的表面比Ti與Al比為1∶2和1∶8 的表面的點尺寸更大，顏色更深，密度更大，其粗糙度更大．

用源表2611A SYSTEM SourceMeter測量樣品從室溫到800 ℃退火后的I-U特性，如圖3所示．可以看出，圖3(a)、(b)的1∶2和1∶5兩種比例樣品都在800 ℃呈現(xiàn)較好的線性，具有較好的歐姆接觸特性，而在非800 ℃下退火后，I-U特性都呈非線性特性．而Ti與Al比為1∶8的樣品并未出現(xiàn)歐姆接觸，但在800 ℃出現(xiàn)改善．

圖2 表面形貌

對800 ℃下退火的Ti與Al比為1∶2和1∶5 樣品的-1 V～1 V內(nèi)的I-U曲線進行線性擬合，獲得這個范圍內(nèi)的電阻值，分別是684.9 Ω和349.6 Ω．可以看出Ti與Al比為1∶5的樣品在800 ℃退火溫度下獲得較好的歐姆接觸．

圖4為Ti與Al比為1∶5樣品XRD測試結(jié)果，圖中顯示了未退火，400、500、600、700、800 ℃退火后X射線衍射圖譜．在XRD測試中，使用了Al樣品托，在測試中不可避免地會出現(xiàn)Al的背景衍射峰．在圖4中也給出了Al樣品托的XRD衍射圖譜，從圖中可以看出對應(yīng)37.64°、43.92°、64.22°、77.33°的衍射峰為Al樣品托的衍射峰．本文中使用的AlGaN/GaN外延片中的GaN的衍射峰峰位為34.56°和72.95°．在未退火樣品上檢測到41.76°、52.86°的峰位為Ti7O13(031)和Ga2Ti2O7(325)，O元素的存在有兩種可能，一種是GaN表面自然氧化所引入的，另一種是在金屬沉積過程中引入的．在500 ℃退火后，Ga2Ti2O7峰位消失，高于500 ℃退火后，Ti7O13峰位也消失．從文獻可知，隨著退火溫度升高，Al和Ti之間發(fā)生擴散及合金反應(yīng)，也會向GaN擴散[14]，致使金屬層中發(fā)生的金屬合金相形成[15]，且表面變粗糙[14]．

(a) 1∶2

(b) 1∶5

(c) 1∶8

圖3 退火前后的I-U特性曲線

Fig.3I-Ucharacteristics curves before and after annealing

圖4 Ti與Al比為1∶5樣品在400～800 ℃退火后的XRD圖譜

Fig.4 XRD pattern of a Ti and Al ratio of 1∶5 sample after annealing at 400-800 ℃

3 結(jié) 語

采用熱蒸發(fā)法在AlGaN/GaN外延片上蒸鍍Ti與Al比例分別為1∶2、1∶5、1∶8的兩層金屬，分析了不同退火溫度對AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)歐姆接觸的影響，對比了3組樣品室溫及400、500、600、700、800 ℃不同溫度下N2氛圍下退火的I-U特性和表面形貌，以及不同溫度下XRD圖譜．在800 ℃溫度下退火，Ti與Al比為1∶5的AlGaN/GaN HEMT相對于Ti與Al比為1∶2的AlGaN/GaN HEMT有更好的歐姆特性．Ti與Al比為1∶8的AlGaN/GaN HEMT未出現(xiàn)歐姆接觸特性．