稀有金属 2004,(03),487-490 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.03.010
Au/Ni/Al/Ti/Alx Ga1-x N/GaN和Au/Pt/Al/Ti/Alx Ga1-x N/GaN欧姆接触研究
沈波 陈敦军 陈堂胜 焦刚 郑有炓
南京大学物理系江苏省光电信息功能材料重点实验室,南京大学物理系江苏省光电信息功能材料重点实验室,南京大学物理系江苏省光电信息功能材料重点实验室,信息产业部南京电子第五十五所,信息产业部南京电子第五十五所,南京大学物理系江苏省光电信息功能材料重点实验室 江苏南京210093 ,江苏南京210093 ,江苏南京210093 ,江苏南京210016 ,江苏南京210016 ,江苏南京210093
摘 要：
研究并对比了Ti/Al/Ni/Au和Ti/Al/Pt/Au多层金属膜与未掺杂的Al0 .2 2 Ga0 .78N/GaN (i AlGaN/GaN) 异质结构之间的欧姆接触性质。在退火温度低于 70 0℃时 , 两种接触样品上都不能得到欧姆接触。随着退火温度的升高 , 85 0℃快速退火后 , 在Ti/Al/Ni/Au接触上获得了 1.2 6×10 - 6 Ω·cm2 的比接触电阻率 , 在Ti/Al/Pt/Au接触上获得了 1.97× 10 - 5Ω·cm2 的比接触电阻率。研究结果表明 , 金属与半导体接触界面和Al0 .2 2 Ga0 .78N异质结构界面载流子沟道之间适当的势垒的存在对高质量欧姆接触的形成起重要作用 , 势垒的宽度取决于退火温度以及退火的具体进程。对Ti/Al/Ni/Au和Ti/Al/Pt/Au欧姆接触比接触电阻率的差异进行了解释。
关键词：
Ⅲ族氮化物 ;欧姆接触 ;异质结构 ;势垒 ;
中图分类号： TN304
收稿日期： 2003-09-15
基金： 国家杰出青年科学基金 ( 60 3 2 5 413 ); 国家“973”计划 (G2 0 0 0 0 683 ); 国家自然科学基金 ( 60 13 60 2 0 ) ;国家“863”计划 ( 2 0 0 2AA3 0 5 3 0 4); 教育部博士点基金 ( 2 0 0 2 2 0 2 840 2 3 ) 资助项目;
Ti/Al/Ni/Au and Ti/Al/Pt/Au Multi-Layer Ohmic Contacts on Alx Ga1-x N/GaN Heterostructures
Abstract：
The ohmic contacts of Ti/Al/Ni/Au and Ti/Al/Pt/Au multi-layer on unintentionally-doped Al0.22 Ga0.78 N/GaN heterostructures were investigated. The specific contact resistivities of 1.26×10-6 Ω·cm2 for Ti/Al/Ni/Au contact and 1.97×10-5 Ω·cm2 for Ti/Al/Pt/Au contact were obtained. It is found that the formation of excellent ohmic contact on the Al0.22 Ga0.78 N/GaN heterostructures is attributed to the exsiting of a compatible barrier between the metal electrode and the carrier channel at the Al0.22 Ga0.78 N/GaN heterointerface. Several different reason are proposed to interpreate the different between the ohmic contact resistivity of Au/Ni/Al/Ti/i-AlGaN and that of Au/Pt/Al/Ti/i-AlGaN.
Keyword：
N materials; ohmic contact; heterostructure; barried;
Received： 2003-09-15
Ⅲ族氮化物在高频、 高温、 高功率电子器件, 特别是微波功率器件方面有诱人的应用前景, Alx 1-x N/GaN异质结场效应晶体管 (HFET) 是最重要的GaN基电子器件
[1 ,2 ]
。 金属和Alx 1-x N/GaN异质结构之间高质量欧姆接触的形成是HFET研制的关键问题之一, 对器件性能有重要的影响。
人们正在不断寻求合适的金属覆盖层以降低金属和n型掺杂Alx 1-x N层 (n-AlGaN) 的欧姆接触电阻。 Ti/Al/Pt/Au和n-AlGaN/GaN异质结构的欧姆接触已经被广泛采用
[3 ,4 ]
。 最近, Ti/Al/Ni/Au多金属覆盖层也开始用于掺杂n-AlGaN/GaN异质结构的欧姆接触
[5 ,6 ]
, 其比欧姆接触电阻率可达到1×10-6 Ω·cm2 量级。 但是, 金属和未掺杂Alx 1-x N/GaN (i-AlGaN/GaN) 异质结构之间的欧姆接触迄今很少被研究。 本文采用传输线模型研究了Au/Pt/Al/Ti和Au/Ni/Al/Ti多层金属膜与i-AlGaN/GaN之间的欧姆接触性质特别是不同退火温度下欧姆接触电阻率的变化, 系统地比较了这两种不同的金属覆盖层和i-Alx 1-x N/GaN异质结构之间欧姆接触电阻的差异并分析了原因, 同时用X射线衍射谱 (XRD) 分析了界面固相反应。
1 实 验
所用的i-AlGaN/GaN异质结构材料是由金属有机化学气相淀积 (MOCVD) 方法制备的, 衬底为 (0001) 面的蓝宝石 (α-Al2 O3 ) 。 在488 ℃下先生长一层GaN作为缓冲层。 在1071 ℃下再长尚未掺杂的GaN (i-GaN) 层。 最后, 在温度为1080 ℃条件下生长了30 nm厚的i-AlGaN层, Al组分为22%。 样品结构为i-AlGaN (30 nm) /i-GaN/α-Al2 O3 。
生长好的样品经清洗后, 用环型掩膜版进行光刻, 再进行镀膜, 所镀金属膜分别为Ti/Al/Pt/Au和Ti/Al/Ni/Au, 厚度均为20 nm/175 nm/55 nm/45 nm。 样品在高纯N2 气氛下分别作了500, 600, 700, 750, 800, 850, 900 ℃温度下30 s快速退火, 然后在室温下测量欧姆接触之间的I -V 特性和比接触电阻率。 比接触电阻率用圆环形线性传输模型测量
[7 ]
。
界面固相反应采用XRD谱测量分析。 所用样品结构同上, 但为增大探测面积, 未做成圆环图形。 XRD谱仪为D/max/A, X光波长为0.1542 nm, 测量电压为40 kV, 测量电流为50 mA。
2 结果与讨论
图1为700 ℃退火后Ti/Al/Ni/Au和Ti/Al/Pt/Au接触的I -V 特性。 从图中可以看出, I -V 特性呈曲线, 金属和异质结构之间的接触存在势垒。
图2分别为750和800 ℃退火后Ti/Al/Ni/Au和Ti/Al/Pt/Au接触的I -V 特性曲线。 在750 ℃退火后, 两种结构样品的I -V 特性曲线都呈线性。 Ti/Al/Pt/Au接触的I -V 特性曲线 (图2 (a) 的实线部分) 的斜率低于Ti/Al/Ni/Au接触 (图2 (a) 的虚线部分) 。 在退火温度升高后, Ti/Al/Ni/Au接触电阻率迅速下降, 在快速退火800 ℃后, Ti/Al/Pt/Au接触I -V 特性的斜率明显高于Ti/Al/Pt/Au接触结构的样品。
表1给出Ti/Al/Ni/Au和Ti/Al/Pt/Au两种金属与i -AlGaN/GaN异质结构间的金属接触在700～900 ℃间快速热退火后欧姆接触的比接触电阻率。 当退火温度为700 ℃时, 两种结构均不能得到欧姆接触。 在退火温度从750 ℃上升时, 两种接触的接触电阻值迅速下降, 850 ℃快速退火后在Ti/Al/Ni/Au 接触上获得了1.26×10-6 Ω·cm2 的最低比接触电阻率, 在Ti/Al/Pt/Au 接触上获得了1.97×10-5 Ω·cm2 的最低比接触电阻率。 在退火温度达到900 ℃时, 两种接触比接触电阻率均再次升高。
图1 Ti/Al/Ni/Au (a) 和Ti/Al/Pt/Au (b) 与未掺杂Al0.22Ga0.78N/GaN异质结构在700 ℃, 30 s快速退火后的I-V特性曲线
Fig.1 I -V curves of Ti/Al/Ni/Au (a) and Ti/Al/Pt/Au (b) contacts to unintentionally-doped Al0.22 Ga0.78 N/GaN hereostructures after rapid annealing at 700 ℃ for 30 s
图2 Ti/Al/Ni/Au, Ti/Al/Pt/Au和未掺杂Al0.22Ga0.78N/GaN异质结构接触分别在750 ℃ (a) 和 800 ℃ (b) , 30 s退火下的I-V特性曲线 (实线部分是Ti/Al/Pt/Au接触, 虚线部分是Ti/Al/Ni/Au接触)
Fig.2 I -V curves of Ti/Al/Ni/Au and Ti/Al/Pt/Au contacts to unintentionally-doped Al0.22 Ga0.78 N/GaN hereostructures after rapid annealing at 750 ℃ (a) and 800 ℃ (b) for 30 s
图3 (a) 和 (b) 分别为Ti/Al/Pt/Au 和Ti/Al/Ni/Au 接触的样品在850 ℃下退火30 s后的XRD图。图3 (a) 中Ti元素原子和Al元素原子相互扩散, 形成多种合金相如AlTi, AlTi2 和AlTi3 ; 同时, Ti元素与AlGaN中的N元素反应, 生成化合物Ti2 N。 图3 (b) 中除了包含Ti和Al的化合以及Ti和N的反应外, 还有新相Al2 Au的出现, 而在图3 (a) 中则没有这一化合物的生成。
根据传统金属和半导体接触所应用的隧穿理论, 金属和半导体的接触电阻值应随着半导体材料掺杂浓度的升高而降低, 要得到好的欧姆接触电阻值, 必须提高掺杂浓度。 本文在金属和i -AlGaN/GaN异质结构接触中得到了线性的I -V 特性以及较低的欧姆接触电阻, 难以用传统的隧穿模型解释清楚。 因此, 寻求了镜像力和隧穿模型的联合来说明这一结果。 随着退火温度的升高, I -V 特性逐渐呈直线状并且斜率降低, 表明金属和半导体接触界面存在的势垒高度逐渐降低, 而在接触界面和二维电子气 (2DEG) 沟道之间存在一势垒, 高质量的欧姆接触的形成依赖于这个势垒的存在, 势垒的宽度取决于退火温度以及退火具体进程。 在快速退火温度达到850 ℃左右时, 接触界面和2DEG之间的势垒达到最恰当的宽度, 2DEG中的电子通过隧穿跨越了这个势垒, 热电子发射模型作用使电子越过界面到达金属层, 这一隧穿造成了界面区势垒的降低, 从而形成了低的欧姆接触电阻, 当退火温度继续升高时, 金属继续向半导体内部扩散, 金属和半导体接触的耗尽层厚度增加, 影响了2DEG的浓度, 最终导致2DEG浓度与隧穿几率乘积降低, 从而欧姆接触电阻开始升高。
表1未掺杂Al0.22Ga0.78N/GaN异质结构上Ti/Al/Ni/Au和Ti/Al/Pt/Au接触在700～900 ℃温度范围内N2气氛中退火后的比接触电阻率
Table 1 Specific contact resistivities of Ti/Al/Ni/Au and Ti/Al/Pt/Au ohmic contacts on unintentionally-doped Al 0.22 Ga 0.78 N/GaN heterostructures after rapid annealing at temperatures between 700 and 900 ℃ for 30 s in N 2 ambient
2 )
750 ℃
800 ℃
850 ℃
900 ℃
存在势垒
7.87×10-5
2.42×10-6
1.26×10-6
7.55×10-6
存在势垒
6.45×10-5
4.21×10-5
1.97×10-5
2.17×10-5
图3 Au/Pt/Al/Ti/i-AlGaN/GaN 结构 (a) 和 Au/Ni/Al/Ti/i-AlGaN/GaN 结构 (b) 在850 ℃下退火30 s后的XRD谱
Fig.3 X-ray diffraction spectra of Ti/Al/Pt/Au contact (a) and Ti/Al/Ni/Au contact (b) on unintentionally-doped Al0.22 Ga0.78 N/GaN hereostructures after rapid annealing at 850 ℃ for 30 s
Ti/Al/Ni/Au和Ti/Al/Pt/Au与i-AlGaN/GaN接触电阻的不同可能由于以下几个原因: 首先, 一定比例的Ti/Al合金的最低电阻会由于不同金属的存在 (Ni和Pt) 而受到影响
[5 ]
。 如果Ni的存在能够比Pt的存在对于合金最低电阻的影响低, 那么我们就能够在Ti/Al/Ni/Au接触上得到较低的欧姆接触电阻。 另外, Al与Au合金的形成, 可以降低欧姆接触电阻
[8 ]
, Pt层的存在对Al原子向Au层的扩散有阻挡作用[9]
3 结 论
本文研究并对比了Ti/Al/Ni/Au和Ti/Al/Pt/Au多层金属膜与i-AlGaN/GaN异质结构之间的欧姆接触性质。 在退火温度低于700 ℃时, 两种接触样品上都不能得到欧姆接触。 随着退火温度的升高, 850 ℃快速退火后, 在Ti/Al/Ni/Au 接触上获得了1.26×10-6 Ω·cm2 的比接触电阻率, 在Ti/Al/Pt/Au接触上获得了1.97×10-5 Ω·cm2 的比接触电阻率。 研究结果表明, 高质量欧姆接触的形成依赖于金属与半导体接触界面和Al0.22 Ga0.78 N异质结构界面载流子沟道之间适当势垒的存在, 势垒的宽度取决于退火温度以及退火的具体进程。 对Ti/Al/Ni/Au和Ti/Al/Pt/Au欧姆接触比接触电阻率的差异进行了解释。
参考文献
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