一种p-GaN欧姆接触电极及其制备方法与应用

一种p-gan欧姆接触电极及其制备方法与应用
技术领域
1.本发明涉及半导体材料与器件技术领域，尤其涉及一种p-gan欧姆接触电极及其制备方法与应用


背景技术：

2.gan材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与sic、金刚石等半导体材料一起，被誉为第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。虽然gan基器件在近年来取得了相当大的进展，但是其较难实现低阻的p型gan欧姆接触，使得gan基高温大功率器件的研制一直受到限制。
3.实现p-gan欧姆接触的难点有以下几个方面：
4.(1)p-gan载流子浓度不高；(2)缺少一种合适的接触金属，另外金属化工艺条件也会影响p-gan接触电阻；(3)gan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。(4)在刻蚀后的表面制作欧姆接触，特性会变差。刻蚀造成的损伤导致n空位形成，p型欧姆接触更加困难。想要获得高质量的p型欧姆接触，就要解决上述的问题。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于，提供一种p-gan欧姆接触电极的制备方法，其能提高p-gan材料的欧姆接触性能。
6.本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种p-gan欧姆接触电极，其具有良好的欧姆接触特性。
7.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种p-gan欧姆接触电极的制备方法，包括以下步骤：
8.提供gan基外延片，所述gan基外延片的最上层为p型gan层，对所述p型gan层进行激活处理，得到第一gan基外延片；
9.在所述第一gan基外延片的p型gan层上刻蚀，制备出欧姆接触区域，得到第二gan基外延片；
10.利用热磷酸溶液对所述第二gan基外延片进行湿法腐蚀处理，清洗后得到第三gan基外延片；
11.在所述第三gan基外延片的欧姆接触区域积淀金属，并通过退火工艺对金属进行合金处理，完成p-gan欧姆接触电极的制备。
12.为了解决上述技术问题，本发明提供了另一种p-gan欧姆接触电极的制备方法，包括以下步骤：
13.提供gan基外延片，所述gan基外延片的最上层为p型gan层，对所述p型gan层进行激活处理，得到gan基外延片a；
14.利用热磷酸溶液对所述gan基外延片a进行湿法腐蚀处理，清洗后得到gan基外延片b；
15.在所述gan基外延片b的p型gan层上光刻，制备出欧姆接触区域，得到gan基外延片c；
16.在所述gan基外延片c的欧姆接触区域积淀金属，并通过退火工艺对金属进行合金处理，完成p-gan欧姆接触电极的制备。
17.在一种实施方式中，利用热磷酸溶液进行湿法腐蚀处理过程中，腐蚀时间为2-6h，溶液温度为60-100℃。
18.优选地，利用热磷酸溶液进行湿法腐蚀处理过程中，腐蚀时间为3-4h，溶液温度为70-90℃。
19.在一种实施方式中，在所述欧姆接触区域积淀的金属为ni和x金属，所述x金属选用au、ag和tin中的一种；
20.所述ni的积淀厚度为10-20nm，所述x金属的积淀厚度为10-20nm。
21.在一种实施方式中，所述退火工艺中的温度为500-700℃，退火时间为5-15min，退火氛围为o2单一气体氛围或n2和o2的混合气体气氛或o2和ar混合气体气氛。
22.优选地，所述退火工艺中的温度为550-600℃，退火时间为8-12min，退火氛围为n2和o2的混合气体气氛，所述n2和o2的体积比为(3～5)：1。
23.在一种实施方式中，在所述第一gan基外延片的p型gan层上进行icp刻蚀，制备出欧姆接触区域；
24.所述icp刻蚀的工艺条件为：icp功率为200～500w，rf率为20～50w，反应室压力为0.5～3pa，cl2流量为10～50sccm，n2流量为1～30sccm。
25.为解决上述问题，本发明还提供了一种p-gan欧姆接触电极，所述p-gan欧姆接触电极由上述p-gan欧姆接触电极的制备方法制得。
26.相应地，本发明提供了上述p-gan欧姆接触电极的应用，所述p-gan欧姆接触电极应用于电子元件；所述电子元件为探测器、肖特基二极管、晶闸管、场效应晶体管、发光二极管、激光二极管、mems器件或生物传感器。
27.实施本发明，具有如下有益效果：
28.1、本发明提供的p-gan欧姆接触电极的制备方法，采用热磷酸溶液对所述gan基外延片进行湿法腐蚀处理，在p-gan表面形成大量的受主型ga空位，所述ga空位可以提高界面的净空穴浓度，从而能够明显提高p-gan材料的欧姆接触性能。
29.2、本发明提供的p-gan欧姆接触电极的制备方法，在刻蚀处理后，采用热磷酸溶液对所述gan基外延片进行湿法腐蚀处理，不仅可以部分去除因刻蚀产生的杂质，还可以在p-gan表面形成大量的受主型ga空位，所述ga空位可以提高界面的净空穴浓度，从而能够明显提高p-gan材料的欧姆接触性能。
30.3、本发明提供的p-gan欧姆接触电极的制备方法，在氧气和氮气的混合气体氛围下进行退火，一方面去除了p-gan表面层内的氢，提高界面p型载流子浓度，另一方面形成了具有p型性质的nio，降低了界面的势垒高度，从而有利于欧姆接触的形成。
附图说明
31.图1为实施例1～5和对比例1制得的p-gan欧姆接触电极的i-v特性测试结果。
具体实施方式
32.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明作进一步地详细描述。
33.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种p-gan欧姆接触电极的制备方法，包括以下步骤：
34.s1、提供gan基外延片，所述gan基外延片的最上层为p型gan层，对所述p型gan层进行激活处理，得到第一gan基外延片；
35.在一种实施方式中，所述激活处理采用低能电子束照射和/或热退火处理。
36.s2、在所述第一gan基外延片的p型gan层上刻蚀，制备出欧姆接触区域，得到第二gan基外延片；
37.在一种实施方式中，采用反应离子刻蚀(rie)、电子回旋共振等离子体刻蚀(ecr)和感应耦合等离子体刻蚀(icp)中的一种方法在所述第一gan基外延片的p型gan层上刻蚀，制备出欧姆接触区域。
38.在一种实施方式中，在所述第一gan基外延片的p型gan层上光刻，制备出欧姆接触区域。
39.其中，rie工艺的特点是低的刻蚀速率，较低的各向异性，以及较多的表面损伤。ecr相比于rie具有更高的等离子体浓度，可以有更高的刻蚀速率，并且各向异性的程度也更高，在低压下工作也会对材料的损伤程度更小。
40.优选地，在所述第一gan基外延片的p型gan层上进行icp刻蚀，制备出欧姆接触区域；更佳地，所述icp刻蚀的工艺条件为：icp功率为200～500w，rf率为20～50w，反应室压力为0.5～3pa，cl2流量为10～50sccm，n2流量为1～30sccm。采用icp可以在低压强下获得高密度等离子体，相比于其它干法刻蚀技术更容易获得好的刻蚀结果。
41.但是，icp刻蚀是物理溅射和化学反应相结合的一个很复杂的过程，在高能离子的轰击下被刻蚀材料不平整度明显增大。刻蚀引起的非有意掺杂、化学键的断裂产生的点缺陷、反应产物或掩膜刻蚀产物的玷污等等都使已刻蚀p-gan材料欧姆接触质量受到严重影响。
42.s3、利用热磷酸溶液对所述第二gan基外延片进行湿法腐蚀处理，清洗后得到第三gan基外延片；
43.需要说明的是，由于gan表面具有化学活性，容易吸收氧原子并在表面形成一氧化层。通常为绝缘氧化层，包含ga2o3和c杂质。这一绝缘氧化层氧化层增加了额外的势垒高度，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。
44.现有技术中常常采用物理方法或者化学方法去除表面沾污层和氧化层。物理去除的方法有辉光放电和溅射等，但是效果不佳；化学腐蚀方法包括采用盐酸、硝酸、氢氟酸、nh4s中的一种溶液或组合液进行化学腐蚀预处理。但是采用上述溶液进行化学腐蚀预处理只能够去除氧化层，而且对材料表面有一定的腐蚀，会增加表面粗糙度，会降低欧姆接触质量。
45.本发明采用热磷酸溶液对所述gan基外延片进行湿法腐蚀处理，热磷酸溶液相比于盐酸、硝酸和氢氟酸溶液，可以在p-gan表面形成大量的受主型ga空位，所述ga空位可以提高界面的净空穴浓度。
46.在一种实施方式中，利用热磷酸溶液进行湿法腐蚀处理过程中，腐蚀时间为2-6h，溶液温度为60-100℃。所述腐蚀时间低于2h时或溶液温度低于60℃时，无法在p-gan表面形成足够的受主型ga空位，导致无法明显提高截面的净空穴浓度；所述腐蚀时间高于6h时或溶液温度高于100℃时，将对p-gan表面产生严重破坏，导致表面粗糙度急剧上升，明显降低欧姆接触质量。优选地，利用热磷酸溶液进行湿法腐蚀处理过程中，腐蚀时间为3-4h，溶液温度为70-90℃。
47.s4、在所述第三gan基外延片的欧姆接触区域积淀金属，并通过退火工艺对金属进行合金处理，完成p-gan欧姆接触电极的制备。
48.需要说明的是，选择合适的接触金属对于降低欧姆接触具有影响，在一种实施方式中，在所述欧姆接触区域积淀的金属为ni和x金属，所述x金属选用au、ag和tin中的一种；采用ni，能够形成具有p型性质的nio，从而降低了界面的势垒高度。优选地，所述ni的积淀厚度为10-20nm，所述x金属的积淀厚度为10-20nm。
49.另外，金属化工艺条件也会影响p-gan接触电阻。在一种实施方式中，所述退火工艺中的温度为500-700℃，退火时间为5-15min，退火氛围为o2单一气体氛围或n2和o2的混合气体气氛或o2和ar混合气体气氛。优选地，所述退火工艺中的温度为550-600℃，退火时间为8-12min，退火氛围为n2和o2的混合气体气氛，所述n2和o2的体积比为(3～5)：1。在上述条件下的氧气和氮气的混合气体氛围下进行退火，一方面去除了p-gan表面层内的氢，提高界面p型载流子浓度，另一方面形成了具有p型性质的nio，降低了界面的势垒高度，从而有利于欧姆接触的形成。
50.另外，为了解决上述技术问题，本发明提供了另一种p-gan欧姆接触电极的制备方法，包括以下步骤：
51.(1)提供gan基外延片，所述gan基外延片的最上层为p型gan层，对所述p型gan层进行激活处理，得到gan基外延片a；
52.(2)利用热磷酸溶液对所述gan基外延片a进行湿法腐蚀处理，清洗后得到gan基外延片b；
53.需要说明的是，由于gan表面具有化学活性，容易吸收氧原子并在表面形成一氧化层。通常为绝缘氧化层，包含ga2o3和c杂质。这一绝缘氧化层氧化层增加了额外的势垒高度，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。
54.现有技术中常常采用物理方法或者化学方法去除表面沾污层和氧化层。物理去除的方法有辉光放电和溅射等，但是效果不佳；化学腐蚀方法包括采用盐酸、硝酸、氢氟酸、nh4s中的一种溶液或组合液进行化学腐蚀预处理。但是采用上述溶液进行化学腐蚀预处理只能够去除氧化层，而且对材料表面有一定的腐蚀，会增加表面粗糙度，会降低欧姆接触质量。
55.本发明采用热磷酸溶液对所述gan基外延片进行湿法腐蚀处理，热磷酸溶液相比于盐酸、硝酸和氢氟酸溶液，可以在p-gan表面形成大量的受主型ga空位，所述ga空位可以提高界面的净空穴浓度。
56.在一种实施方式中，利用热磷酸溶液进行湿法腐蚀处理过程中，腐蚀时间为2-6h，溶液温度为60-100℃。所述腐蚀时间低于2h时或溶液温度低于60℃时，无法在p-gan表面形成足够的受主型ga空位，导致无法明显提高截面的净空穴浓度；所述腐蚀时间高于6h时或溶液温度高于100℃时，将对p-gan表面产生严重破坏，导致表面粗糙度急剧上升，明显降低欧姆接触质量。优选地，利用热磷酸溶液进行湿法腐蚀处理过程中，腐蚀时间为3-4h，溶液温度为70-90℃。
57.(3)在所述gan基外延片b的p型gan层上光刻，制备出欧姆接触区域，得到gan基外延片c；
58.热磷酸溶液对所述gan基外延片进行湿法腐蚀处理后在进行光刻，能够实现良好的欧姆接触。
59.(4)在所述gan基外延片c的欧姆接触区域积淀金属，并通过退火工艺对金属进行合金处理，完成p-gan欧姆接触电极的制备。
60.退火工艺参考上文描述，此处不再赘述。
61.相应地，本发明还提供了一种p-gan欧姆接触电极，所述p-gan欧姆接触电极由上述p-gan欧姆接触电极的制备方法制得。优选地，所述p-gan欧姆接触电极应用于电子元件；所述电子元件为探测器、肖特基二极管、晶闸管、场效应晶体管、发光二极管、激光二极管、mems器件或生物传感器。
62.下面以具体实施例进一步说明本发明：
63.实施例1
64.本实施例提供一种p-gan欧姆接触电极的制备方法：
65.s1、提供gan基外延片，所述gan基外延片的最上层为p型gan层，对所述p型gan层进行激活处理，得到第一gan基外延片；
66.s2、在所述第一gan基外延片的p型gan层上进行icp刻蚀，制备出欧姆接触区域，得到第二gan基外延片；
67.所述icp刻蚀的工艺条件为：icp功率为300w，rf率为30w，反应室压力为1.5pa，cl2流量为35sccm，n2流量为15sccm。
68.s3、利用热磷酸溶液对所述第二gan基外延片进行湿法腐蚀处理，清洗后得到第三gan基外延片；
69.利用热磷酸溶液进行湿法腐蚀处理过程中，腐蚀时间为3h，溶液温度为85℃。
70.s4、在所述第三gan基外延片的欧姆接触区域积淀金属，并通过退火工艺对金属进行合金处理，完成p-gan欧姆接触电极的制备。
71.在所述欧姆接触区域积淀的金属为ni和au金属，所述ni的积淀厚度为20nm，所述x金属的积淀厚度为15nm。
72.所述退火工艺中，退火温度为575℃，退火时间为10min，退火氛围为氧气和氮气的混合气体，其中n2:o2(体积比)＝4:1。
73.实施例2
74.本实施例提供一种p-gan欧姆接触电极的制备方法：
75.(1)、提供gan基外延片，所述gan基外延片的最上层为p型gan层，对所述p型gan层进行激活处理，得到gan基外延片a；
76.(2)、利用热磷酸溶液对所述gan基外延片a进行湿法腐蚀处理，清洗后得到gan基外延片b；
77.利用热磷酸溶液进行湿法腐蚀处理过程中，腐蚀时间为2h，溶液温度为100℃。
78.(3)、在所述gan基外延片b的p型gan层上光刻，制备出欧姆接触区域，得到gan基外延片c；
79.(4)、在所述gan基外延片c的欧姆接触区域积淀金属，并通过退火工艺对金属进行合金处理，完成p-gan欧姆接触电极的制备。
80.在所述欧姆接触区域积淀的金属为ni和au金属，所述ni的积淀厚度为20nm，所述x金属的积淀厚度为15nm。
81.所述退火工艺中，退火温度为500℃，退火时间为15min，退火氛围为氧气。
82.实施例3
83.s1、提供gan基外延片，所述gan基外延片的最上层为p型gan层，对所述p型gan层进行激活处理，得到第一gan基外延片；
84.s2、在所述第一gan基外延片的p型gan层上进行icp刻蚀，制备出欧姆接触区域，得到第二gan基外延片；
85.所述icp刻蚀的工艺条件为：icp功率为300w，rf率为30w，反应室压力为1.5pa，cl2流量为35sccm，n2流量为15sccm。
86.s3、利用热磷酸溶液对所述第二gan基外延片进行湿法腐蚀处理，清洗后得到第三gan基外延片；
87.利用热磷酸溶液进行湿法腐蚀处理过程中，腐蚀时间为6h，溶液温度为60℃。
88.s4、在所述第三gan基外延片的欧姆接触区域积淀金属，并通过退火工艺对金属进行合金处理，完成p-gan欧姆接触电极的制备。
89.在所述欧姆接触区域积淀的金属为ni和au金属，所述ni的积淀厚度为20nm，所述x金属的积淀厚度为15nm。
90.所述退火工艺中，退火温度为700℃，退火时间为5min，退火氛围为氮气。
91.实施例4
92.与实施例1不同之处在于，其步骤s4中，所述退火工艺中，退火温度为700℃，退火时间为20min，退火氛围为氧气和氮气的混合气体，其中n2:o2(体积比)＝4:1。其余与实施例1皆相同。实施例5
93.与实施例1不同之处在于，其步骤s4中，所述退火工艺中，退火温度为750℃，退火时间为10min，退火氛围为氧气和氮气的混合气体，其中n2:o2(体积比)＝4:1。其余与实施例1皆相同。
94.对比例1
95.与实施例1不同之处如下：
96.步骤s3中，利用热盐酸溶液对所述第二gan基外延片进行湿法腐蚀处理后，再在所述第三gan基外延片的欧姆接触区域积淀金属；
97.其余与实施例1皆相同。
98.对实施例1-5和对比例1制得的p-gan欧姆接触电极进行i-v特性测试，测试结果如图1所示。
99.对比实施例1和对比例1可知，相比于盐酸溶液，采用热磷酸溶液进行湿法腐蚀处理可以得到欧姆接触性能更好的p-gan欧姆接触电极，这是由于热磷酸溶液处理后可在p-gan表面形成大量的受主型ga空位，所述ga空位可以提高界面的净空穴浓度。
100.比较实施例1和实施例4～5可知，过高温度或过长时间退火不利于欧姆接触的形成。
101.以上所述是发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。