p型GaN欧姆接触的研究进展

摘要：宽带隙的GaN作为半导体领域研究的热点之一，近年来发展得很快。p型GaN的欧姆接触问题一直阻碍高温大功率GaN基器件的研制。本文讨论了金属化方案的选择、表面预处理和合金化处理等几 个问题，回顾了近年来p型GaN欧姆接触的研究进展。

关键词：p型；GaN；欧姆接触

中图分类号： TN304.2⁺3 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2004)08-0015-04

1 引言

以GaN为代表的III族氮化物因具有一系列优越的性质，而成为近年来化合物半导体研究的热点之一。利用其禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、导热性能良好等特点适合于制作高频、大功率电子器件；而利用其宽的直接带隙可以制作蓝、绿光和紫外光的光电子器件。虽然GaN基器件在近年来取得了相当大的进展，但是由于较难实现低阻的p型GaN欧姆接触，GaN基高温大功率器件的研制一直受到限制。

本文回顾了近年来p型GaN欧姆接触的研究进展，主要讨论了金属化方案的选择、表面预处理和合金化处理三个方面的问题，介绍了其他一些 获取低阻欧姆接触的方法。

2 p型GaN欧姆接触问题

n型GaN的欧姆接触相对容易制作，用几种金属组合，如Ti/Al，Ti/Al/Ti/Au等，接触电阻率通常可以达到10^-5-10^-6W·cm^2[1]，而制作低阻的p-GaN欧姆接触比较困难。有两方面的原因阻碍低阻的p-GaN欧姆接触：一方面是难于生长重掺杂的p-GaN材料（p型浓度>10¹⁸cm^-3）；另一方面是缺乏合适的接触金属材料，p-GaN材料的功函数很大（7.5eV^[2]），而功函数的金属Pt也只有5.65eV。除此之外，金属化工艺（包括表面处理，金属沉积和合金化处理）的条件也会影响p- GaN的接触电阻。虽然采用不同的工艺条件可以获得类似欧姆性质的I-V特性，但是接触电阻率通常为10^-2-10^-3W·cm²。这样的阻值对于一般显示用的发光二极管（LED）不存在严重的问题，但是对于高电流密度工作的激光二极管（LD），会引起诸如缺陷生成，退化或者互扩散等问题。实现LD要求接触电阻率必须低于10^-4W·cm²，目前只有少数的研究小组能做到。表1列出了各种金属化方案及目前较好的研究结果。

3 金属化方案的选择

高质量的欧姆接触要求具备低阻和热稳定的特点，对于发光器件还要求高的透射率，所以在选择金属化方案时必须考虑这几个问题。

通常，要获得低阻的欧姆接触，金属和半导体界面的肖特基势垒高度要小。在不考虑表面态影响的前提下，降低势垒高度的方法是：对于n型半导体，选择功函数小的金属；而对p型选择功函数大的金属。对于n型GaN欧姆接触的电学性质和金属功函数的关系存在着两种截然不同的观点：Bermudez等人^[12]认为肖特基模型可用于n型GaN，肖特基势垒高度由金属功函数和半导体电子亲合势的差别决定；而反之，Guo等人^[13]报道了n型GaN的肖特基势垒高度不取决于金属的功函数。对于p型GaN的欧姆接触，Mori等人^[14]认为肖特基势垒高度和接触电阻都只是很弱地依赖于金属的功函数，测量得到的p型肖特基势垒高度主要受界面态和损伤的影响；而Ishikawa等人^[15]提出接触电阻随金属功函数的增加指数地减小，在GaN表面，金属/p-GaN界面的肖特基势垒高度没有被锁住（Unpinned）。虽然Mori等人和Ishikawa等人的解释机理不一致，但二者都认为使用功函数大的金属与p-GaN欧姆接触可以得到小的接触电阻。因此目前p型GaN欧姆接触所用的材料基本上都是功函数大的金属。

接触的热稳定性会影响器件的性能，特别是对于大功率器件，高温下的接触质量直接影响到器件的寿命。Au基接触（Ni/Au, Pd/Au, Ni/Pt/Au等）的热稳定性通常较差，一些小组采用无Au金属化方案尝试获得热稳定和低阻的p-GaN欧姆接触。Cao等人^[9]采用W和WSi_x方案获得热稳定的p-GaN欧姆接触，但是它会产生较大的接触电阻率（约10^-2W·cm²）。Suzuki等人^[16]采用Ta/Ti方案，经热退火后得到低阻（3×10^-5W·cm²），然而这种接触在空气中就会变质。一些小组采用Pt基的接触，结果表明Pt基接触可以同时获得热稳定性和低阻，Jang等人^[10]采用Pt/Ru与p-GaN接触，经热退火得到低阻（2.2×10^-6W·cm²），将接触表面在600℃下退火30min，发现表面非常平滑并没有发生变化，表明Pt/Ru具有很优越的热稳定性，适用于大功率器件。

对于采用p型接触做透明电极的GaN基发光器件，接触材料的透射率对于发光器件的性能（如外量子效率、光输出功率等）至关重要。传统的LED采用Ni/Au作为p型GaN的接触材料，而几个纳米厚的Ni/Au接触是半透明的，其在可见光波段的透 射率只有60％-75％。虽然可以通过减小接触层的厚度来提高透射率，但是太薄的接触层会带来热稳 定性和可靠性的问题。Pt基与p型GaN的接触具有较高的透射率，如Pt/Ru（20nm/50nm）接触在 470nm的透射率为87.3％^[10]，而且Pt基接触具有低阻和热稳定性，所以Pt基接触非常适合用于GaN基发光器件。ITO（indium tin oxide）由于在可见光波段的高透明度（约90％）和低阻（<5×10^-4W·cm）而广泛地用作透明导体。ITO用作n型GaN的接触材料可以获得透明的低阻欧姆接触，但是ITO直接用作p型GaN的接触材料却得到整流性的接触。研究者们想到用Ni/ITO与p型GaN接触^[6,17] ，结果获得比较理想的低阻欧姆接触（约10^-3W·cm²）和高透射率（约87％），因此Ni/ITO无论在光学上还是电学上都是GaN基LED可用的p型接触材料。

4 表面预处理

化合物半导体的表面具有化学活性，容易吸收氧原子，从而在表面形成一氧化层。GaN表面通常有一自然的绝缘氧化层（包含Ga₂O₃和C杂质），厚大约2nm。这一氧化层增加了额外的约0.2eV^[15]的势垒高度，阻碍载流子从金属到半导体的输运，从而使欧姆接触电阻率增加，因此必须在沉积金属前采用物理或化学的方法把它去除。

物理去除的方法有辉光放电和溅射等。Wenzel等人^[18]采用辉光放电的方法清洗p型GaN表面，得到整流性质的接触，原因是清洗过程产生了高密度的表面损伤。Ishikawa等人^[15]采用低离子密度的Ar和N₂溅射GaN表面，但是去除的效果不佳。另外退火的方法也可以部分的去除氧化层。

更常用的方法是采用化学腐蚀预处理。化学腐蚀剂一般是用HCl溶液，也有用HF，HNO₃，NH₄OH和NH₄F溶液等，处理前后接触电阻率的变 化不大，效果都不明显。原因可能是：没有完全去除氧化层、腐蚀造成的表面损伤和表面被重新氧化。Cao等人^[19]将p型GaN用HCl溶液和缓冲HF 溶液处理之后，又在(NH₄)₂S溶液中煮沸20min，发现Pt/Au与p-GaN的接触势垒高度比只用HCl溶液处理过的要小。他们认为(NH₄)₂S溶液能有效地去除表面的自然氧化层并阻止随即的重新氧化，虽然处 理完在表面形成了Ga-S薄层，但其厚度比自然氧化层小得多，不会影响电流流动。Kim等人^[20]采用Pt与p-GaN接触，表面预处理分别用沸腾的王水和HCl溶液，HCl溶液处理过的接触电阻率为4.7×10^-1W·cm²，而王水处理过的为1.4×10^-4W·cm²，后者较前者减小了近3个量级，说明王水有效的去除了GaN表面的氧化层，降低了肖特基势垒高度。KOH溶液也同样具有有效去除氧化层的作用，Lee等人^[21]在沉积Pd/Au前将p-GaN外延片放在沸腾的KOH溶液中浸泡1min，发现接触电阻率从原来的2.9×10^-1W·cm²减小到7.1×10^-3W·cm² 。

5 合金化处理

未经合金化处理的金属与GaN接触一般都表现出整流特性，所以沉积后的材料必须进行热退火处理以形成欧姆接触。金属与p型GaN的接触一般都 采用快速热退火（RTA; rapid thermal annealing）进行处理。为了获得低阻的欧姆接触，必须对退火的氛围、温度和时间等条件进行优化，而优化的条件又因不同的接触金属而异。

退火的氛围有空气、O₂、N₂、Ar或组合气体（如N₂/H₂，N₂/O₂等），多数实验表明在含氧的氛围中退火的效果较好，一般认为氧可以有效地吸收p型GaN表面层中残留的氢，激活Mg受主，从而提高p型载流子浓度。Mistele等人^[22]比较了Ni/Au与p型GaN接触在O₂，N₂，Ar和N ₂/H₂氛围下快速热退火，结果发现在O₂中退火的效果（550℃退火2 min，r_c<10^-4W·cm²）。在氧气中退火，一方面去除了p-GaN表面层内的氢，提高 了p型载流子浓度；另一方面形成了具有p型性质的NiO从而降低了界面的势垒高度，而在N₂/H₂中退火却得到肖特基接触，原因是H钝化了Mg受主，降低了空穴浓度。

退火的氛围不但影响接触的电学性质，还会改变接触的光学性质。Horng等人^[6]在p型GaN上沉积Ni/ITO做欧姆接触，沉积后分别在真空、氮气和空气氛围中600℃热退火，比较三者发现，在空气中退火不仅获得的接触电阻率（约8.6×10^-4W·cm²），而且在470nm的透射率也是的（空气中88％，真空中只有74％）。

Wenzel等人^[23]研究了不同温度退火对接触电阻 的影响，认为接触电阻变化的原因有：金属/p-GaN界面形成反应相，金属与p-GaN外延层之间形成更 紧密的接触和p-GaN外延层分解。500℃左右退火，界面反应相的形成和紧密接触对接触电阻的减小起了主要作用；而大于700℃退火，反应相的变化和GaN外延层的分解则增大了接触电阻。

6其他获取低阻欧姆接触的方法

Sand等人^[24]提出掺入p型的杂质到半导体的表 面层可能产生低阻的接触。Mg和Zn对于GaN是浅的两种p型杂质，将这类杂质添加到接触金属 里面，采用了Au/Mg/Au或Ni/Au-Zn等金属化方案，但是没有明显的改进，只能做到约10^-3W·cm²。Suzuki等人^[16]提出，对氢原子有很强束缚能的金属可以制作低阻的p-GaN欧姆接触，因为金属 在高温下可以从p-GaN中吸收氢原子而增加其空穴浓度。采用Ta/Ti方案获得了3×10 ^-5W·cm²的低阻，但其热稳定性太差。Kaminska等人^[5]采用Zr基金属化方案，利用ZrN/ZrB₂ 吸收p-GaN表面的氢原子，获得低阻（6～8）×10^-5 W·cm²。另一种获取低阻欧姆接触的途径是通过半导体的能带工 程，禁带宽度小的半导体可以促进载流子的热电子发射，因此，薄的重掺杂的小带隙半导体帽层被用到各种器件中。InN的带隙比GaN和AlN小，在GaN上面长一层InN或InGaN，就可以产生低阻接触。Kumakura等人^[25]在Pd/Au和p-GaN之间插入一层2nm的应变InGaN接触层，未经任何处理就得到了相当低的接触电阻率（1.1×10^-6W·cm²）。

7总结

p型GaN欧姆接触问题的研究在近几年来取得了很大的发展但还不够成熟。决定接触电阻的因素除了p-GaN本身的制备工艺之外，还和金属化方案、表面预处理和合金化处理三个方面密切相关，因此要获得低阻的p-GaN欧姆接触必须选择合适的金属，去除GaN表面氧化层和优化热退火条件。