InP基PHEMT欧姆接触低温合金化工艺的研究

摘 要：对InP基PHEMT的源漏欧姆接触低温合金化工艺进行了研究，与常规的合金工艺不同，通过在低温下进行合金化，并采用金属面倒置和快速热退火的办法，制成了比接触电阻为1.26×10 －3W·cm2形貌良好的欧姆接触。避免了PHEMT各层化合物半导体之间的相互作用和分解，以及能带结构变化引起的二维电子气退化，也大大减弱了高温带来的肖特基势垒层中的杂质元素往沟道内扩散引起二维电子气迁移率下降的问题。

关键词：磷化铟；赝配超晶格高电子迁移率晶体管；低温合金；欧姆接触

中图分类号：TN305.93 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2005)10-0015-04

1 引言

信息技术向数字化、网络化方向的迅速发展，对超大容量信息传输、超快实时信息处理和超高密度信息存储提出了越来越高的要求。InP基纳米栅 HEMT/PHEMT器件被公认为是在40-100Gb/s传输速率的光纤通信用电路及微波、毫米波以及亚毫米波无线通信应用的[1]。就衬底材料而言，InP 与GaAs相比，击穿电场、热导率、电子饱和速率均更高。器件的截止频率、振荡频率分别达到340和600GHz,这是目前三端器件的水平[2] 。用InP基HEMT/PHEMT设计的低噪声放大器，功放、振荡器等都具有其他器件不可比拟的优越性[1]。InP基赝配高电子迁移率晶体管（PHEMT）器件的高频特性的优劣，直接决定于制作工艺水平的高低，其中的一个工艺难点就是源漏欧姆接触的制作，因为一个低的源漏接触电阻对器件性能有着重要的影响。由HEMT的等效电路（）[3] 可以看出，它直接决定了Rd和R s两个参数[4]。

由HEMT理论可得到下列公式[4]

可以看出它们对跨导、截止频率和振荡频率均有比较大的影响。

而一般的形成欧姆接触的办法通常是采用在高温下（450℃以上）进行合金化[5]，但是过高的温度将使InP-PHEMT各层化合物半导体之间产生相互作用和分解，能带结构发生变化，引起二维电子气的退化甚至消失。高温带来的另一个问题是使肖特基势垒层中的杂质元素往沟道内扩散，沟道内的二维电子气在运动时将受到其散射，有效迁移率降低，从而严重影响器件的高频特性和大电流特性。而且InP衬底在350℃以上就要发生热分解[6]，使器件失效，所以必须寻找在较低温度下形成欧姆接触的办法。

因为合金温度比常规的合金化工艺低了很多，

所以为了形成好的合金，我们采取的办法是使用较长的时间，并采用了金属面倒置的办法，冷却的时候采用快速冷却。

2 实验

InP-PHEMT外延层结构如。

因为直接在宽带隙的InAlAs层上面做欧姆接触比较困难，所以在它上面有一盖层作欧姆接触用，要求是窄带隙，低电阻率。实验所用材料由上海冶金所提供，分为A， B，C三组片子。其帽层掺杂浓度A为3×1018； B为5×1018；C为1×1019。欧姆接触金属采用 Ni/Ge/Au/Ge/Ni/Au 六层金属结构（）。

其中每一层的作用如下[6]：层Ni是粘附金属，因为Au与InGaAs的粘附强度很差，Ni有助于提高它在半导体上的粘附性；第二、三、四层是Ge/Au/Ge的层叠结构，可在Au和Ge满足一定的重量比的同时，使合金反应更加充分，形成欧姆接触的过程是第二层Au和InGaAs反应，形成AuGa和AuIn合金，产生Ga空位（ VGa）和In空位（VIn ）和As，Ni和As反应生成NiAs，所以Ni的作用是起催化作用，它促进了InGaAs的分解，Ge扩散进入InGaAs替换Ga和In空位而形成高掺杂的n+ 层[6]，此时电流疏运机理为场发射，金属-半导体接触变为欧姆接触[7]，但Ge也可以与As空位反应，产生的Ge-As对Ge+Ga施主起补偿作用。所以如果As空位过多，接触电阻将增大。第五层Ni的作用是为了防止合金过程中的“缩球”现象；第六层Au是覆盖金属，作用是为了与引线键合。合金过程涉及的反应如下

合金使用了三种温度：270，300和330℃，时间分为5，10，15和20min。在蒸发接触金属前用热H3PO4处理了表面，得到的接触电阻比次试验未作任何处理小了将近1个数量级，可见表面的清洁程度对接触电阻的影响是非常大的。在270℃下比较了倒置合金和不倒置合金的结果，倒置合金的A，B两组分别是不倒置接触电阻的1/2-1/10。欧姆接触电阻的测量采用的是业界通用的作图传输线法，终的实验数据如-7（全部采用倒置合金）。

从以上几图可以看出，合金温度和时间的范围是很狭窄的，合金时间短，温度低，合金不充分，没有生成足够多的Ga空位供Ge替换，所以比接触电阻高。但是过长的时间和过高的温度将会使As大量挥发，产生过多的As空位。Ge和As空位反应生成的Ge-As ，对Ge+Ga起施主补偿作用，所以也造成比接触电阻升高。对于倒置和不倒置合金，可以看出倒置后比接触电阻普遍低于不倒置的，这是因为倒置后，热流的作用使更多的Ge扩散进入InGaAs。

3 结论

本文对InP基PHEMT源漏欧姆接触低温合金化工艺进行了研究。通过在低温下进行合金化,在掺杂浓度为1×1019的InGaAs上得到了为1.26×10－5W·cm2的接触电阻。由于采用的合金温度很低，避免了PHEMT各层化合物半导体之间的相互作用和分解，以及能带结构变化引起的二维电子气退化，大大减弱了高温带来的肖特基势垒层中的杂质元素往沟道内扩散，引起二维电子气迁移率下降的问题，这对于研制高性能的InP基PHEMT器件打下了坚实的基础。