低摻雜濃度n型GaAs歐姆接觸的研究

宋淑芳，趙建建，譚 振，孫 浩

(華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 引言

GaAs/AlGaAs量子阱紅外探測器具有材料熱穩(wěn)定性好、均勻性好、響應(yīng)波長易控制等優(yōu)點(diǎn)，成為了第三代紅外探測器的選用材料，廣泛用于空間研究和軍事防御等方面，并且通過對GaAs/AlGaAs量子阱材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)紅外和太赫茲波段的探測［1－2］。

研究發(fā)現(xiàn)，隨著探測波長的增加，量子阱結(jié)構(gòu)探測材料接觸層的摻雜濃度會(huì)極大影響探測效率，即接觸層的摻雜濃度越高，接觸層對遠(yuǎn)紅外和太赫茲波段的吸收也增加，從而降低了量子阱結(jié)構(gòu)對該譜段波的響應(yīng)，探測效率降低，因此在用于太赫茲波段探測的GaAs/AlGaAs量子阱材料結(jié)構(gòu)中，兩端的n型接觸層的摻雜濃度應(yīng)低于5 ×1017at/cm3［3］。但是 n 型 GaAs接觸層上制備歐姆接觸時(shí)，接觸層的摻雜濃度越高(＞1×1018at/cm3)越易于形成低電阻的歐姆接觸，接觸層的摻雜濃度越低(＜1×1018at/cm3)越難形成低電阻的歐姆接觸，因此一直以來低摻雜濃度n型GaAs接觸層的制備是研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)［4］。在本文中，我們將重點(diǎn)研究低摻雜濃度(2×1017at/cm3)n型GaAs接觸層的歐姆接觸，通過改變金屬層AuGe/Ni的厚度，合金化的溫度和時(shí)間等參數(shù)獲得優(yōu)化的制備條件。

2 測量歐姆接觸電阻的方法

在薄層材料歐姆接觸電阻的測量中，目前最廣泛的方法之一就是傳輸線模型(TLM)，這種方法是由Schockley首先提出，后來Berger等人作了進(jìn)一步改進(jìn)［5］。在與周圍環(huán)境絕緣的條形半導(dǎo)體材料上，制備不等距的長方形接觸塊，如圖1所示，分別在兩個(gè)不同距離(Ln)的長方形接觸間通恒定電流I，并測出相應(yīng)的電壓 V，可得總電阻 RT，RT可由下式表示:

式中，LT=為傳輸線長度;Rsk和Rsh分別為接觸下的方塊電阻和薄層材料本身的方塊電阻，對應(yīng)不同的距離Ln，可測出一組RT，則能作出RT=f(L)曲線，如圖2所示，這些點(diǎn)應(yīng)成一條直線，當(dāng)L=0時(shí)，在RT軸上交點(diǎn)是2Rc。即可得Rc值，直線的斜率為Rsh/W。

圖1 TLM的樣品示意圖

圖2 總接觸電阻與L的關(guān)系圖

3 實(shí)驗(yàn)過程

目前普遍使用AuGe/Ni/Au的金屬體系做為n型GaAs歐姆接觸的材料［6］，其中，AuGe固溶體的重量比 Au:Ge為88:12，AuGe的熔點(diǎn)為375℃，在AuGe/Ni/Au的金屬體系中Ni層的作用是高溫退火時(shí)(溫度高于375℃)抑制AuGe融合成球，AuGe固溶體中的Au可以增加界面層Ga的外擴(kuò)散，使得Ge占據(jù)Ga的晶格位置，形成重?fù)诫s的n+GaAs層，易于形成好的歐姆接觸。但是過量的Au會(huì)引起過多Ga的外擴(kuò)散，在晶格中留下過剩的As，同時(shí)Au和Ni做為受主雜質(zhì)補(bǔ)償了部分n+GaAs層的施主雜質(zhì)，從而引起了接觸電阻的增加。因此在給定的金屬體系中，需要通過改變金屬層AuGe/Ni的厚度，合金化的溫度和時(shí)間，獲得最佳的制備歐姆接觸的條件。最上層的Au層，主要的作用是降低測試時(shí)探針的接觸電阻，因此對n型GaAs歐姆接觸的結(jié)果不產(chǎn)生影響。

我們利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)方法在半絕緣的2in GaAs襯底上生長n型GaAs接觸層，摻雜濃度為2×1017at/cm3，然后將樣品劃成幾份，使用標(biāo)準(zhǔn)的光刻技術(shù)制備TLM圖形，每個(gè)電極是100 μm×200 μm的長方形，兩個(gè)相鄰電極之間的距離從5 μm 增加到75 μm，增量步長為5 μm，經(jīng)過清洗、刻蝕等步驟后，使用離子束蒸發(fā)的方法按照順序生長AuGe，Ni，Au，厚度分別為50nm/50nm/100nm，50nm/25nm/100nm，50nm/17nm/100nm。分別在氮?dú)鈿夥罩?350℃，375℃，400℃，425℃，450℃退火，退火時(shí)間為 30s，60s，120s，180s。然后對樣品進(jìn)行電流－電壓(I－V)等電學(xué)測量，利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察電極表面形貌，同時(shí)利用能量色散X射線光譜儀(EDX)對電極表面進(jìn)行成分分析。

4 結(jié)果與討論

4.1 I－V測量結(jié)果

表1中統(tǒng)計(jì)了樣品編號、退火條件及其接觸電阻率等參數(shù)，樣品分為三個(gè)系列，樣品1系列、樣品2系列、樣品2系列的AuGe厚度和Ni層厚度比分別為1∶1、2∶1和3 ∶1，圖3是樣品2系列的 I－V曲線。從表1中可知，對于所有的樣品，當(dāng)退火溫度低于375℃時(shí)，很難形成歐姆接觸，對應(yīng)于I－V曲線中為過零點(diǎn)的曲線，而不是直線，例如圖3中樣品2－350的曲線，因而無法得到具體數(shù)值的接觸電阻率。AuGe合金的熔點(diǎn)為375℃，因此當(dāng)退火溫度高于AuGe合金的熔點(diǎn)時(shí)，更有利于Ga的外擴(kuò)散和Ge占據(jù)Ga的晶格位置，獲得歐姆接觸。在相同溫度和時(shí)間退火條件下，從表1中可知，樣品2系列的接觸電阻率低于相對應(yīng)的樣品1和樣品3系列的接觸電阻率，因此獲得好的歐姆接觸的AuGe/Ni最佳厚度比為2∶1，此時(shí)Ni層既能在高溫退火時(shí)抑制AuGe融合成球，又沒有成為增加電阻率的受主雜質(zhì)。對于樣品2系列，如圖3中所示，通過比較相同退火時(shí)間不同退火溫度和相同退火溫度下不同退火時(shí)間樣品的接觸電阻率，得到最佳的退火溫度和時(shí)間為400℃和120/s，因此我們獲得了制備歐姆接觸的最佳工藝條件為:AuGe/Ni/Au的厚度為50 nm/25 nm/100 nm，退火溫度為400℃，退火時(shí)間為120/s時(shí)，歐姆接觸電阻率為最低3.52×10－4Ω/cm2。

表1 樣品編號和樣品參數(shù)的統(tǒng)計(jì)表

圖3 樣品2系列的I－V曲線(相同退火時(shí)間下，不同退火溫度)

4.2 SEM和EDX測量結(jié)果

圖4是樣品2系列的SEM圖譜，從圖中可知，當(dāng)退火溫度低于400℃時(shí)，表面很平整。在350～400℃范圍內(nèi)，隨著退火溫度增加，表面出現(xiàn)合金化圖紋，尤其是退火溫度為400℃時(shí)，即使退火溫度高于AuGe固溶體的熔點(diǎn)(375℃)，仍然沒有出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象，表面維持平整狀態(tài)，表明中間的Ni層起到了抑制金屬結(jié)晶成球的作用。但是當(dāng)退火溫度高于400℃時(shí)，出現(xiàn)了明顯的結(jié)晶成球，樣品表面極其凸凹不平，并且隨退火溫度增加，結(jié)晶的程度逐步增加。這一結(jié)果進(jìn)一步說明了上述退火溫度和接觸電阻率的關(guān)系，退火溫度從350℃到400℃，樣品表面平整，接觸電阻率隨溫度增加逐漸減小，400℃時(shí)達(dá)到最低點(diǎn)，再繼續(xù)增加退火溫度，樣品的表面粗糙，接觸電阻率隨溫度增加而增加。

圖4 樣品2系列的SEM圖譜

表2中列出了樣品2系列表層元素的原子百分比，從表中可知，未退火時(shí)，樣品中Ga和As的原子比基本相同，說明樣品的Ga和As的原子比為1:1;隨著退火溫度增加Ga原子的百分比遠(yuǎn)高于As，表明部分Ga原子從界面處析出，和Au形成AuGa合金;當(dāng)退火溫度達(dá)到425℃時(shí)，表面出現(xiàn)結(jié)晶，平坦處的As原子比高于Ga的原子比，說明過量的Ga析出，導(dǎo)致晶格中留下大量的As原子，從而會(huì)引起接觸電阻率的增加，凸起處只有AuGa合金，表明在該溫度下AuGa結(jié)晶成球。進(jìn)一步理解各層結(jié)構(gòu)(晶格、原子配比)等情況，需要其他的實(shí)驗(yàn)手段來驗(yàn)證。

表2 樣品2系列表層元素的原子百分比

5 結(jié)論

利用TLM方法研究低摻雜濃度(2×1017at/cm3)n型GaAs接觸層的歐姆接觸，通過I－V測量、SEM、EDX等測試手段詳細(xì)研究金屬各層的厚度、合金化的溫度和時(shí)間等參數(shù)對接觸電阻率、表面形貌和成分的影響。研究表明最優(yōu)化的制備條件:AuGe/Ni/Au的厚度為50nm/25nm/100nm，退火溫度為400℃，退火時(shí)間為120s時(shí)，歐姆接觸電阻率為最低3.52×10－4Ω/cm2，這一結(jié)果為量子阱結(jié)構(gòu)太赫茲探測器芯片的制備奠定了基礎(chǔ)。

［1］ Liu H C，Song C Y，Spring Thorpe A J，et al.Terahertz quantum-well photodetector［J］.Appl.Phys.Lett，2004，84(20):4068－4070.

［2］ Graf Marcel，Scalari Giacomo，Hofstetter Daniel，et al.Terahertz range quantum well infrared photodetector［J］.Appl.Phys.Lett，2004，84(4):475 －477.

［3］ Patrashin M，Hosako I，Merken P.Terahertz-range quantum well photodetector［J］.Photonics:Design，Technology and Packaging II，2006，6038:60380H －1 －60380H －4.

［4］ Lin Hungcheng，Senanayake Sidat，Cheng Keh-Yung，et al.Optimization of AuGe-Ni-Au ohmic contacts for GaAs MOSFETs［J］.IEEE Transactions on electron devices，2003，50(4):880 －885.

［5］ Berger H H.Models for contacts to planar devices［J］.Solid-state Electronics，1972，15:145 －158.

［6］ Hsu C C，Ding Sunan.Recent development in ohmic contact for III-V compound semiconductors［J］.Vacuum science and technology，1994，14(2):71 －94.(in Chinese)許振嘉，丁孫安.III-V化合物半導(dǎo)體歐姆接觸的研究進(jìn)展［J］.真空科學(xué)與技術(shù)，1994，14(2):71－94.