n型GaAs歐姆接觸電極制備工藝

左 芬，翟章印

(淮陰師范學(xué)院物理系，淮安 223300)

0 引 言

砷化鎵(GaAs)是一種Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體，具有閃鋅礦的晶體結(jié)構(gòu)。其可以制成電阻率比硅、鍺高3個(gè)數(shù)量級(jí)以上的半絕緣高阻材料，并應(yīng)用于光電導(dǎo)開關(guān)、光伏、光導(dǎo)、探測(cè)器等[1-5]。另外，GaAs的電子遷移率比硅高6倍，成為了超高速、超高頻器件和集成電路的必需品[6-9]。它還被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，是激光制導(dǎo)導(dǎo)彈的重要材料?？梢?，GaAs在現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

在集成電路中，電極的好壞對(duì)半導(dǎo)體的光電性能影響極大。當(dāng)前，半導(dǎo)體器件一般采用一種或幾種金屬，或金屬與合金的組合作為電極材料。金屬和半導(dǎo)體材料相接觸時(shí)一般有兩種接觸方式：肖特基接觸和歐姆接觸。肖特基接觸情況下，界面處半導(dǎo)體的能帶發(fā)生彎曲，形成肖特基勢(shì)壘，勢(shì)壘的存在導(dǎo)致界面電阻較大。而歐姆接觸方式中，界面處勢(shì)壘非常小或是沒有接觸勢(shì)壘。肖特基接觸的電流-電壓特性曲線顯示為整流性，而歐姆接觸的電流-電壓(I-V)特性曲線為線性。對(duì)半導(dǎo)體材料而言，其歐姆接觸電極的形成不僅取決于電極材料種類，還與制備工藝，如金屬成分、合金化溫度、退火時(shí)間等有關(guān)。早期，人們使用AuGe共晶合金制作n型GaAs的歐姆接觸電極[10]。但AuGe合金容易“起球”，造成電極體凹凸不平，甚至可使電極脫落。為了解決該問題，人們?cè)诠簿н^程中加入了Ni。Ni作為潤濕劑使用，其低表面張力有助于防止AuGe合金化過程中的“成球”，從而提高接觸質(zhì)量[11]。目前，比較成熟的n型GaAs的歐姆接觸電極材料為Au 88%(質(zhì)量百分比)，Ge 12%，另加Ni 5%的AuGeNi/Au。至于制備工藝方面，n型GaAs的AuGeNi/Au電極制備技術(shù)一般采用蒸鍍法[12]。蒸鍍時(shí)，為防止合金氧化，需要很高的真空度，僅使用機(jī)械泵抽氣無法達(dá)到要求，須配備分子泵，致使設(shè)備造價(jià)高昂。并且，在蒸鍍過程中材料擴(kuò)散至整個(gè)腔體，浪費(fèi)嚴(yán)重且清洗麻煩。為此，n型GaAs的歐姆接觸電極及其制備工藝的改進(jìn)一直是相關(guān)科研人員致力研究的課題[13]。

本文報(bào)道了一種使用小型離子濺射儀制備AuGeNi/Au電極的方法，該方法設(shè)備成本低，流程簡便，節(jié)省電極材料，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用價(jià)值，適合科研實(shí)驗(yàn)室使用。

1 實(shí) 驗(yàn)

在n型GaAs(Si摻雜濃度2×1018cm-3，[100] 晶向)基片上電極區(qū)先后濺射AuGeNi合金(國材科技有限公司定制，Au 88%，Ge 12%，另加Ni 5%)和Au。濺射儀采用小型離子濺射儀(中科科儀SBC-12)。濺射前用細(xì)砂紙打磨兩個(gè)靶材表面，酒精擦拭干凈，然后分別空濺射10 min。GaAs基片依次用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗5 min。首先濺射AuGeNi合金，將基片放入沉積腔，AuGeNi合金靶與基片距離為5 cm。打開機(jī)械泵，將腔內(nèi)真空抽至2 Pa，沖入空氣調(diào)整腔內(nèi)氣壓到6 Pa即可開始濺射，濺射過程通過微調(diào)氣壓使電流保持5 mA。然后濺射Au，Au靶與基片距離為7 cm，其他條件與此前相同。AuGeNi和Au電極層厚度分別為50～70 nm和100～120 nm。將基片移至管式退火爐，在氬氣氛中退火處理，退火溫度分別為350～500 ℃，時(shí)間為10 h。表面形貌分別采用掃描電子顯微鏡(FEI Quanta 450FEG)和原子力顯微鏡(Bruker MultiMode 8)測(cè)試，電輸運(yùn)特性測(cè)量使用Keithley 2400數(shù)字源表。

2 結(jié)果與討論

圖1(a)和圖1(b)顯示了400 ℃退火樣品的表面形貌。掃描電鏡照片(見圖1(a))表明AuGeNi/Au電極表面平整光滑。原子力顯微鏡測(cè)得AuGeNi/Au電極的三維表面形貌圖(見圖1(b))，表面粗糙度僅為2.4 nm，再次證明電極表面十分平整。圖形顯示電極材料呈柱狀生長模式。

圖1 (a)AuGeNi/Au電極的SEM照片;(b)AuGeNi/Au電極的AFM照片F(xiàn)ig.1 (a) SEM image of AuGeNi/Au electrode; (b) AFM image of AuGeNi/Au electrode

圖2為AuGeNi電極層的能量彌散的X射線分析圖譜。Au的M、Lα、Lβ能級(jí)，Ge的L、Kα、Kβ能級(jí)，Ni的L、Kα、Kβ能級(jí)峰清晰可見，證實(shí)其存在。對(duì)各原子能級(jí)峰形面積積分，設(shè)備自帶的軟件可算出組分比例，如插圖所示。Au、Ge、Ni的原子百分比為8.38∶4.80∶1.83。表1中，由原子百分比算得AuGeNi合金中Au與Ge的質(zhì)量百分比為82.5∶17.5，與合金靶的組分88∶12略有偏差。這可能與能譜分析的精度有關(guān)，在誤差范圍內(nèi)。Ni的質(zhì)量百分比為5%，與合金靶的組分一致。在基片上選擇幾個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行測(cè)試，顯示成分均勻，無偏析現(xiàn)象。

圖2 GaAs/AuGeNi的能量彌散的X射線分析圖譜，插圖顯示了各原子的組分Fig.2 EDAX spectrum of GaAs/AuGeNi, the insert shows the composition of each atom

表1 電極中Au、Ge、Ni組分計(jì)算Table 1 Calculation of Au, Ge and Ni components in electrode

圖3為400 ℃退火前后兩個(gè)AuGeNi/Au電極之間的I-V曲線。圖3(a)為電極退火之前的I-V曲線，曲線呈現(xiàn)整流特性，說明電極與GaAs基片之間為肖特基接觸，而非歐姆接觸。圖3(b)為退火之后I-V曲線，曲線呈線性，說明電極與基片之間為歐姆接觸。與圖3(a)相比，其電阻降為原來的1/20。該結(jié)果充分說明了退火處理的重要性。

圖3 AuGeNi/Au電極間I-V曲線Fig.3 I-V curves between AuGeNi/Au electrodes

為了深入了解退火溫度對(duì)電極歐姆接觸的影響，對(duì)不同溫度下退火的樣品進(jìn)行了比接觸電阻率測(cè)量。測(cè)試原理基于TLM模式[14]，測(cè)試方法如圖4插圖所示，圖中W為基片寬度，d為電極寬度，l1和l2分別為兩相鄰電極間距，則：

圖4 AuGeNi/Au電極的比接觸電阻率隨退火溫度的變化關(guān)系，插圖為比接觸電阻率測(cè)量過程示意圖Fig.4 Variation of contact resistivity of AuGeNi/Au electrode with annealing temperature, the insert is the schematic diagram of contact resistivity measurement process

Rc=[(R2-rp)l1-(R1-rp)l2]/2(l1-l2)

(1)

R□=(R1-R2)W/(l1-l2)

(2)

ρc=Rc2W2/R□

(3)

式中：Rc、R□、rp、ρc分別為接觸電阻、方塊電阻、探針引線電阻和比接觸電阻率，R1和R2為包括rp的電阻測(cè)量值。

由圖4可以看出，當(dāng)退火溫度在400～500 ℃時(shí)可以獲得較小的比接觸電阻率，ρc達(dá)到10-6Ω·cm2，而退火溫度低于400 ℃和高于500 ℃后ρc增大。AuGeNi/Au電極在室溫下濺射到GaAs基片上，由于GaAs的逸出功比AuGeNi合金小，故當(dāng)AuGeNi合金與n-GaAs接觸時(shí)形成肖特基勢(shì)壘，從而造成AuGeNi與GaAs之間在退火之前為肖特基接觸。退火過程中，GaAs會(huì)在300 ℃左右發(fā)生分解，而合金層Au的存在會(huì)加速Ga的外擴(kuò)散。相變過程如下：Au+GaAsAuGa+As。GaAs中由于Ga的外擴(kuò)散在晶格中留下大量Ga空位，當(dāng)溫度升高到400 ℃時(shí)，Ge會(huì)向晶體內(nèi)擴(kuò)散占據(jù)Ga空位成為施主雜質(zhì)提供電子，因此在電極下方可以得到一層n+-GaAs，使富Au的合金與n-GaAs接觸由最初的肖特基勢(shì)壘接觸變?yōu)闅W姆接觸[15]，正如圖3(a)和圖3(b)所示。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，AuGeNi合金(Au 88%，Ge 12%，另加Ni 5%)的合金化溫度為450 ℃左右，更有利于形成低阻歐姆接觸[16]。而在更高溫度下的接觸性能退化可能與接觸界面Au-Ge合金的“球聚”有關(guān)[13]。當(dāng)Au-Ge與接觸材料浸潤性較差時(shí)，容易在合金化過程中出現(xiàn)“球聚”現(xiàn)象，收縮成不同大小的孤立小島?！扒蚓邸睍?huì)使接觸界面粗糙，提高接觸電阻，同時(shí)降低歐姆接觸性能的穩(wěn)定性。Ni的加入雖然能降低AuGe合金化過程中的“球聚”概率，但不能完全阻止。

3 結(jié) 論

本工作采用離子濺射法制備了n型GaAs歐姆接觸電極AuGeNi/Au。研究結(jié)果表明，通過優(yōu)化制備過程，可降低電極的比接觸電阻率。制備過程中，由于Au比AuGeNi合金導(dǎo)電性強(qiáng)，Au靶與基片間距應(yīng)略大于AuGeNi合金與靶間距。并且，調(diào)整空氣壓力減小離子束電流，以保證電極表面平整、組分均勻。電極制備后退火過程也非常關(guān)鍵，400～500 ℃退火處理可以實(shí)現(xiàn)低阻歐姆接觸。可見，通過改善工藝過程，離子濺射法也可用于制備n型GaAs的AuGeNi/Au電極，且該方法相對(duì)于蒸鍍法具有設(shè)備成本低、節(jié)約材料等優(yōu)點(diǎn)。