Au/Zn/Au/p-InP欧姆接触的界面研究

摘 要：研究了离子束溅射制备的Au/Zn/Au/p-InP欧姆接触的界面特性。在480℃退火15s比接触电阻达到，为1.4×10-5Ω·cm2。利用俄歇电子能谱（AES）和X射线光电子能谱（XPS）研究了接触界面的冶金性质。实验结果表明,在室温下InP中的In就可以扩散到接触的表面，退火后可与Au形成合金。退火后，Zn的扩散可以在p-InP表面形成重掺杂层，从而降低接触势垒高度，减小势垒宽度，有助于欧姆接触的形成；在接触与p-InP的界面产生一个P聚集区，同时Au与InP反应生成Au2P3，其P的2p3/2电子的结合能约为129.2eV。

关键词：俄歇电子能谱；X射线光电子能谱；欧姆接触；界面

中图分类号：TN305.93 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2005)10-0011-04

1 引言

InP单晶衬底已广泛用于制备长波长光纤通信的激光器和探测器。制备良好的欧姆接触是获得高性能器件的关键。对于p-InP的欧姆接触，用得早的是Au/Be[1]，Au/Zn[2]合金膜系，但是Be具有毒性，而Zn与InP的黏附性不好，Ti-Pt-Au[3]非合金膜系只有p型材料表面浓度大于1019cm-3时，比接触电阻才能达到6×10-6W·cm2，一般只有10-4W·cm2数量级。Au与InP的黏附性比Zn与InP的黏附性要好，因此可以采用Au/Zn/Au夹层接触，但接触机理仍需进一步的研究。

本文主要研究了离子束溅射制备的Au/Zn/Au/p-InP欧姆接触的界面特性。通过比接触电阻的测量获得了形成良好欧姆接触的退火条件，并利用俄歇电子能谱（AES）和X射线光电子能谱（XPS）分析了元素的分布和界面的反应特性，进而分析了形成欧姆接触的机理。

2 实验

样品是液封直拉法生长(LEC)的（100）InP单晶，厚度500μm左右，Zn掺杂，载流子浓度为(2～3)×1018cm-3。抛光的样品经有机溶剂清洗后，放入H2SO4·H2O2·H2O（3:1:1）中腐蚀5min，去离子水清洗，高纯N2吹干。放入离子溅射镀膜仪中，正面和背面分别生长Au(20nm)/Zn(70nm)/Au(200nm)。正面光刻欧姆接触图形，接触区域为圆形，圆直径为100～400μm。制备好的样品在N2环境下快速热退火，退火温度为400～500℃，时间为15s～2min，用Keithly236电流/电压源测量接触间的I-V特性。

3 实验结果与讨论

3.1 电学特性

在不同退火条件下，同一样品上两相同直径接触圆间的I-V特性如所示。在图中可以看出在490℃，15s和480℃，15s条件下接触为欧姆接触；而500℃，15s条件下接触为肖特基接触。比接触电阻是采用Cox and Strack[4]方法测量的，其方法是通过测量正面不同直径圆形接触与背面整个接触之间的电阻，进而获得比接触电阻。正面接触圆与背面接触之间的电阻与圆的直径满足方程

式中，Rm为接触圆到背面的总电阻；Rc为比接触电阻；ρb为衬底体电阻率；R0为背面的扩展电阻；d为正面接触圆的直径；t为样品的厚度。对形成欧姆接触的两个退火条件的样品测量其Rm值，Rm与1/d的关系如中点所示。利用式(1)对实验点进行拟合，可得在480℃，退火15s条件的比接触电阻Rc=1.4×10-5Ω·cm2，在490℃，15s退火条件的比接触电阻Rc=5.7×10-5Ω·cm2。
3.2 Zn在形成欧姆接触中的作用

是未退火的样品和480℃退火15s后的样品的AES深度分析。从图中可以看出，退火后Au向InP内扩散，In已经扩散到了Au的表面，而P没有扩散到Au的表面，在Au与InP的界面附近聚集。Zn也明显地向内扩散，并已经穿过了InP的表面。

经过480℃，15s的快速热退火InP内的In元素向外扩散直至表面，扩散出来的In与生长的Au层形成合金。同时退火使得Zn向InP扩散，Zn的进入可以起到受主的作用，使p-InP表面附近形成一个重掺杂区域，空穴就可以通过隧穿的方式穿越势垒。因此Zn的引入可以在p-InP表面形成重掺杂层，从而起到降低接触势垒高度和减小势垒宽度的作用，有助于欧姆接触的形成。

3.3 Au在形成欧姆接触中的作用
为了研究Au在p-InP欧姆接触形成中的作用，制作了两组Au与InP接触的样品，Au层的厚度均约为20nm。1号样品未作退火处理，2号样品进行480℃，15s的快速热退火。

对两组样品进行XPS测试分析，如所示。从1号样品的表面XPS分析[(a)]可以看出，样品的表面有In元素存在，而没有发现P元素，这与AES实验结果[(a)]相符合，说明在室温下In已经扩散到了Au的表面，而P并没有扩散。(b)是退火样品的XPS表面扫描全谱，由于扩散Au的信号明显减弱，In的信号增强，而且出现了P的信号。是该样品In元素和P元素XPS谱，实线为实验曲线，虚线为相应峰位的分解。In的3d5/2峰可以分解为两个峰，一个峰位是443.6eV，另一个是444.6eV。根据D.T.Jayne等人[6]对Au(In)合金的XPS研究，峰位为443.6eV的信号应当是Au(In)合金中的In元素，而444.6eV处的峰来自InP中的In元素和In的氧化物中的In元素的共同贡献。P的2p3/2有两个主峰，一个是在129.6eV，另一个在134.3eV。134.3eV处的峰为P的氧化物；129.6eV处的峰可以分解为三个峰，峰位分别在128.3，129.2和130eV，其中128.3和130eV处的峰分别来自InP和单质磷，而129.2eV处的峰来自Au与P的化合物，即Au2P3。

在2号样品的P元素分析中发现了单质P的存在，这与AES发现InP中的In与Au形成合金而P在界面处聚集的结果是一致的。在Au与InP的接触中，退火后界面处Au2P3的生成是欧姆接触的形成机理[7]，但Au2P3中P的2p3/2电子的结合能鲜有报道，通过分析欧姆接触的成因，我们认为129.2eV处的峰正是来自Au2P3。

4 结论

采用离子束溅射在p-InP上制备了Au/Zn/Au接触，在不同的条件下进行了快速热退火。通过比接触电阻的测量以及用AES和XPS对其界面冶金性质的分析，得出如下结论：①在480℃，15s退火条件下Au/Zn/Au与p-InP接触的比接触电阻达到，为1.4×10-5Ω·cm2；②在室温下InP中的In就可以扩散到接触的表面，退火后可与Au形成合金；③退火后Zn的扩散可以在p-InP表面形成重掺杂层，从而起到降低接触势垒高度和减小势垒宽度的作用，有助于欧姆接触的形成；④退火后在接触与p-InP的界面产生一个P聚集区，同时Au与InP反应生成Au2P3，其P的2p3/2电子的结合能约为129.2eV。