n型GaAs歐姆接觸電極制備工藝

左 芬，翟章印

(淮陰師范學院物理系，淮安 223300)

0 引 言

砷化鎵(GaAs)是一種Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體，具有閃鋅礦的晶體結構。其可以制成電阻率比硅、鍺高3個數量級以上的半絕緣高阻材料，并應用于光電導開關、光伏、光導、探測器等[1-5]。另外，GaAs的電子遷移率比硅高6倍，成為了超高速、超高頻器件和集成電路的必需品[6-9]。它還被廣泛應用于軍事領域，是激光制導導彈的重要材料。可見，GaAs在現代先進技術中具有很高的應用價值。

在集成電路中，電極的好壞對半導體的光電性能影響極大。當前，半導體器件一般采用一種或幾種金屬，或金屬與合金的組合作為電極材料。金屬和半導體材料相接觸時一般有兩種接觸方式：肖特基接觸和歐姆接觸。肖特基接觸情況下，界面處半導體的能帶發生彎曲，形成肖特基勢壘，勢壘的存在導致界面電阻較大。而歐姆接觸方式中，界面處勢壘非常小或是沒有接觸勢壘。肖特基接觸的電流-電壓特性曲線顯示為整流性，而歐姆接觸的電流-電壓(I-V)特性曲線為線性。對半導體材料而言，其歐姆接觸電極的形成不僅取決于電極材料種類，還與制備工藝，如金屬成分、合金化溫度、退火時間等有關。早期，人們使用AuGe共晶合金制作n型GaAs的歐姆接觸電極[10]。但AuGe合金容易“起球”，造成電極體凹凸不平，甚至可使電極脫落。為了解決該問題，人們在共晶過程中加入了Ni。Ni作為潤濕劑使用，其低表面張力有助于防止AuGe合金化過程中的“成球”，從而提高接觸質量[11]。目前，比較成熟的n型GaAs的歐姆接觸電極材料為Au 88%(質量百分比)，Ge 12%，另加Ni 5%的AuGeNi/Au。至于制備工藝方面，n型GaAs的AuGeNi/Au電極制備技術一般采用蒸鍍法[12]。蒸鍍時，為防止合金氧化，需要很高的真空度，僅使用機械泵抽氣無法達到要求，須配備分子泵，致使設備造價高昂。并且，在蒸鍍過程中材料擴散至整個腔體，浪費嚴重且清洗麻煩。為此，n型GaAs的歐姆接觸電極及其制備工藝的改進一直是相關科研人員致力研究的課題[13]。

本文報道了一種使用小型離子濺射儀制備AuGeNi/Au電極的方法，該方法設備成本低，流程簡便，節省電極材料，具有良好的經濟效益和實用價值，適合科研實驗室使用。

1 實 驗

在n型GaAs(Si摻雜濃度2×1018cm-3，[100] 晶向)基片上電極區先后濺射AuGeNi合金(國材科技有限公司定制，Au 88%，Ge 12%，另加Ni 5%)和Au。濺射儀采用小型離子濺射儀(中科科儀SBC-12)。濺射前用細砂紙打磨兩個靶材表面，酒精擦拭干凈，然后分別空濺射10 min。GaAs基片依次用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗5 min。首先濺射AuGeNi合金，將基片放入沉積腔，AuGeNi合金靶與基片距離為5 cm。打開機械泵，將腔內真空抽至2 Pa，沖入空氣調整腔內氣壓到6 Pa即可開始濺射，濺射過程通過微調氣壓使電流保持5 mA。然后濺射Au，Au靶與基片距離為7 cm，其他條件與此前相同。AuGeNi和Au電極層厚度分別為50～70 nm和100～120 nm。將基片移至管式退火爐，在氬氣氛中退火處理，退火溫度分別為350～500 ℃，時間為10 h。表面形貌分別采用掃描電子顯微鏡(FEI Quanta 450FEG)和原子力顯微鏡(Bruker MultiMode 8)測試，電輸運特性測量使用Keithley 2400數字源表。

2 結果與討論

圖1(a)和圖1(b)顯示了400 ℃退火樣品的表面形貌。掃描電鏡照片(見圖1(a))表明AuGeNi/Au電極表面平整光滑。原子力顯微鏡測得AuGeNi/Au電極的三維表面形貌圖(見圖1(b))，表面粗糙度僅為2.4 nm，再次證明電極表面十分平整。圖形顯示電極材料呈柱狀生長模式。

圖1 (a)AuGeNi/Au電極的SEM照片;(b)AuGeNi/Au電極的AFM照片Fig.1 (a) SEM image of AuGeNi/Au electrode; (b) AFM image of AuGeNi/Au electrode

圖2為AuGeNi電極層的能量彌散的X射線分析圖譜。Au的M、Lα、Lβ能級，Ge的L、Kα、Kβ能級，Ni的L、Kα、Kβ能級峰清晰可見，證實其存在。對各原子能級峰形面積積分，設備自帶的軟件可算出組分比例，如插圖所示。Au、Ge、Ni的原子百分比為8.38∶4.80∶1.83。表1中，由原子百分比算得AuGeNi合金中Au與Ge的質量百分比為82.5∶17.5，與合金靶的組分88∶12略有偏差。這可能與能譜分析的精度有關，在誤差范圍內。Ni的質量百分比為5%，與合金靶的組分一致。在基片上選擇幾個不同區域進行測試，顯示成分均勻，無偏析現象。

圖2 GaAs/AuGeNi的能量彌散的X射線分析圖譜，插圖顯示了各原子的組分Fig.2 EDAX spectrum of GaAs/AuGeNi, the insert shows the composition of each atom

表1 電極中Au、Ge、Ni組分計算Table 1 Calculation of Au, Ge and Ni components in electrode

圖3為400 ℃退火前后兩個AuGeNi/Au電極之間的I-V曲線。圖3(a)為電極退火之前的I-V曲線，曲線呈現整流特性，說明電極與GaAs基片之間為肖特基接觸，而非歐姆接觸。圖3(b)為退火之后I-V曲線，曲線呈線性，說明電極與基片之間為歐姆接觸。與圖3(a)相比，其電阻降為原來的1/20。該結果充分說明了退火處理的重要性。

圖3 AuGeNi/Au電極間I-V曲線Fig.3 I-V curves between AuGeNi/Au electrodes

為了深入了解退火溫度對電極歐姆接觸的影響，對不同溫度下退火的樣品進行了比接觸電阻率測量。測試原理基于TLM模式[14]，測試方法如圖4插圖所示，圖中W為基片寬度，d為電極寬度，l1和l2分別為兩相鄰電極間距，則：

圖4 AuGeNi/Au電極的比接觸電阻率隨退火溫度的變化關系，插圖為比接觸電阻率測量過程示意圖Fig.4 Variation of contact resistivity of AuGeNi/Au electrode with annealing temperature, the insert is the schematic diagram of contact resistivity measurement process

Rc=[(R2-rp)l1-(R1-rp)l2]/2(l1-l2)

(1)

R□=(R1-R2)W/(l1-l2)

(2)

ρc=Rc2W2/R□

(3)

式中：Rc、R□、rp、ρc分別為接觸電阻、方塊電阻、探針引線電阻和比接觸電阻率，R1和R2為包括rp的電阻測量值。

由圖4可以看出，當退火溫度在400～500 ℃時可以獲得較小的比接觸電阻率，ρc達到10-6Ω·cm2，而退火溫度低于400 ℃和高于500 ℃后ρc增大。AuGeNi/Au電極在室溫下濺射到GaAs基片上，由于GaAs的逸出功比AuGeNi合金小，故當AuGeNi合金與n-GaAs接觸時形成肖特基勢壘，從而造成AuGeNi與GaAs之間在退火之前為肖特基接觸。退火過程中，GaAs會在300 ℃左右發生分解，而合金層Au的存在會加速Ga的外擴散。相變過程如下：Au+GaAsAuGa+As。GaAs中由于Ga的外擴散在晶格中留下大量Ga空位，當溫度升高到400 ℃時，Ge會向晶體內擴散占據Ga空位成為施主雜質提供電子，因此在電極下方可以得到一層n+-GaAs，使富Au的合金與n-GaAs接觸由最初的肖特基勢壘接觸變為歐姆接觸[15]，正如圖3(a)和圖3(b)所示。實驗研究發現，AuGeNi合金(Au 88%，Ge 12%，另加Ni 5%)的合金化溫度為450 ℃左右，更有利于形成低阻歐姆接觸[16]。而在更高溫度下的接觸性能退化可能與接觸界面Au-Ge合金的“球聚”有關[13]。當Au-Ge與接觸材料浸潤性較差時，容易在合金化過程中出現“球聚”現象，收縮成不同大小的孤立小島。“球聚”會使接觸界面粗糙，提高接觸電阻，同時降低歐姆接觸性能的穩定性。Ni的加入雖然能降低AuGe合金化過程中的“球聚”概率，但不能完全阻止。

3 結 論

本工作采用離子濺射法制備了n型GaAs歐姆接觸電極AuGeNi/Au。研究結果表明，通過優化制備過程，可降低電極的比接觸電阻率。制備過程中，由于Au比AuGeNi合金導電性強，Au靶與基片間距應略大于AuGeNi合金與靶間距。并且，調整空氣壓力減小離子束電流，以保證電極表面平整、組分均勻。電極制備后退火過程也非常關鍵，400～500 ℃退火處理可以實現低阻歐姆接觸。可見，通過改善工藝過程，離子濺射法也可用于制備n型GaAs的AuGeNi/Au電極，且該方法相對于蒸鍍法具有設備成本低、節約材料等優點。