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表面处理对AlGaN/GaN SBD欧姆接触的影响及机理

  表面处理对AlGaN/GaN SBD形成良好的欧姆接触有很重要的影响,为此,我们设计了一组对比实验,选用三种不同溶液对AlGaN表面进行处理,用TLM方法测量ρc,并结合XPS测试结果,全面的研究表面处理对欧姆接触的影响及其机理。
 
  1. 实验过程
  实验所用的AlGaN/GaN异质结外延片采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术生长,其结构如下:在(0001)蓝宝石衬底上低温生长一成核层,接着生长3µm GaN缓冲层和20nm的AlGaN,其中Al含量为25%。
 
  实验中选用三种不同溶液,氟硝酸(HNO3:HF=1:5)、盐酸(HCl)和硫代乙酰胺(CS3CSNH2)进行表面处理。实验工艺流程如下:
(1)有机清洗;
(2)ICP刻蚀台面;
(3)表面处理。表面处理溶液及条件如表1;
(4)溅射欧姆接触金属Ti/Al/Ti/Ai(250/2500/500/500Å);
(5)金属抬离、清洗;
(6)830℃氮气气氛下退火。
表1 表面处理溶液及处理时间
表面处理溶液及处理时间 
 
  为了对比表面处理前后半导体表面化学性质的改变,我们对另外四片样品进行同上的表面处理后,进行XPS测试,得到Ga3d与O1s能谱。为保证样品暴露在空气中的时间尽可能短,以免发生氧化或其他化学反应,在表面处理后,应尽快将样品装入XPS系统腔内。
 
  2. 测试结果分析
  分别在四片样品的各个区域选取表面形态较好的传输线进行测量,并进行数据拟合计算均值,所得各样品的ρc列在表2中。在用三种溶液处理后,各样品的比接触电阻率都有不同程度的降低,其中以CS3CSNH2效果最好,ρc降低近一个量级。
表2 表面处理后各样品的比接触电阻率
表面处理后各样品的比接触电阻率 
 
  为了研究溶液表面处理可以改善欧姆接触质量的原因,我们对样品进行了XPS测试,得到Ga3d与O1s能谱。测试采用C1s特征谱线(284.8eV)作为标准谱线。
O1s的XPS能谱 
图2 O1s的XPS能谱
 
  图2为样品O1s的XPS谱图,每条谱线被分解成O-Ga键和O-Al键两个峰的叠加,这两个峰强度的积分值列在表3中。从图中和表中可以看出,相对于未处理的样品,经处理后的样品中O-Ga键和O-Al键两个峰位的谱峰强度都减小了。这一结果表明,三种溶液都能有效去除AlGaN表面的氧化物,以降低金属与半导体接触的势垒高度和宽度,从而改善欧姆接触质量,这与比接触电阻率测量结果吻合。其中CS3CSNH2去氧化的效果最好,可能的原因是在去除表面氧化物的同时,CS3CSNH2中的S元素在AlGaN表面形成了一层很薄的硫化物钝化层,有效降低了其表面再次被氧化的速度。
表3 O-Al和O-Ga曲线积分强度
O-Al和O-Ga曲线积分强度 
  图3为样品Ga3d的XPS谱图。经氟硝酸、HCl和CS3CSNH2处理后,图中谱线峰位分别向高能级方向移动了0.211eV、0.214eV和0.404eV,这就是化学位移。根据XPS测试原理,结合能(Binding Energy,EB)表示电子从某一能级被激发到EF所需要的能量,如图4所示。那么,Ga3d峰位的蓝移表明在电子能级与EF之间的能量差增加至EB’,相当于表面EF向高能端的导带方面发生移动。
Ga3d的XPS能谱 
图3 Ga3d的XPS能谱
化学位移原理示意图 
图4 化学位移原理示意图
 
  接下来,讨论EF发生上述移动的原因。首先,一个可能的原因同等离子体表面处理中EF发生移动的原因相同,即在表面处理的过程中,在AlGaN表面产生了大量的氮空位,使表面的等效n掺杂浓度升高,降低了金属-半导体接触的势垒高度。为验证这种假设正确与否,我们计算了N谱线的积分强度与Al、Ga谱线积分强度之和的比值,表示为N/(Ga,Al),列在表4中。由表中数据可以看出,经过表面处理N/(Ga,Al)的值都有了不同程度的升高。这表明,表面处理使氮原子的浓度增加,与假设的情况不符,即氮空位的产生不是EF产生位移的原因。而N原子浓度的增加的原因是,在表面处理前,AlGaN表面因为氧化主要存在的是Ga或Al的氧化物,而经过处理之后,Ga或Al的氮化物占主导地位,所以N元素的相对含量会有所增加。
表4 N谱线积分强度与Al、Ga谱线积分强度之和的比值
N谱线积分强度与Al、Ga谱线积分强度之和的比值 
 
  另外一个可能原因是,经过表面处理,表面态在禁带中的分布发生变化,使得表面EF发生移动。由于禁带宽度大,GaN基材料的欧姆接触是利用隧穿效应形成的。图5所示的是在半导体表面分别存在低密度与高密度表面态时,金属-AlGaN/GaN接触的能带图,通常在价带EV上qΦ0处存在一个表面态能级。
金属-AlGaN/GaN接触能带图 
图5 金属-AlGaN/GaN接触能带图
 
  如图5(a),当AlGaN表面存在高密度的表面态时,EF会被钉扎在qΦ0处,使表面处的EF远离导带,产生更高的势垒。表面处理过程中,溶液将表面氧化层腐蚀后,同AlGaN表面发生化学反应,生成薄薄的一层钝化层,降低了表面态密度。如图5(b)所示,表面态密度的下降缓解了EF钉扎效应,使EF向高能端的EC方向移动,进而降低了电子隧穿势垒的高度。由Ga3d峰位的移动量还可以看出,CS3CSNH2峰的移动最明显,可能的原因是相对于其他两种溶液,CS3CSNH2中S元素可以在AlGaN生成更稳定的化合物,做为钝化膜降低表面态密度,从而有效的提高欧姆接触的质量。综上所述,溶液表面处理不但能够有效去除AlGaN表面的氧化层,而且能够生成钝化膜,降低表面态密度,降低电子隧穿势垒的高度,进一步改善欧姆接触的质量。

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