張偉畢設(shè)答辯

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光臨和指導(dǎo)我的

畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯高Al組分n型AlGaN層高可靠性

歐姆接觸電極制備研究

學(xué)生:張偉專業(yè):光電信息工程指導(dǎo)老師：戴江南老師陳長(zhǎng)清教授

選題背景與研究現(xiàn)狀方案論證實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果總結(jié)與展望致謝

內(nèi)容提要二四三一五選題背景課題來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“背照式SAM結(jié)構(gòu)AlGaN基日盲紫外雪崩光電探測(cè)器研究”。選題背景：紫外線技術(shù)在軍用和民用領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，而高Al組分AlxGa1-xN(x＞0.4）材料在研制深紫外LED、LD和日盲探測(cè)器存在巨大潛力，但目前制備高可靠性、低電阻的歐姆接觸是應(yīng)用AlGaN基器件的瓶頸之一。WaterPurification應(yīng)用:在野外作戰(zhàn)水凈化、生化試劑探測(cè)、生化武器預(yù)警、導(dǎo)彈告警系統(tǒng)、制導(dǎo)、安全通信、空氣凈化、食品殺菌與消毒、醫(yī)療保健、固態(tài)照明、等軍民用領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用UV

AlGaN基紫外發(fā)光與探測(cè)器件Proc.ofSPIEVol.612761271D-4SchematicofasolarblindavalanchephotodiodeUV

歐姆接觸歐姆接觸國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于AlGaN器件歐姆接觸研究集中在以下四個(gè)方面：接觸形成機(jī)理，金屬方案，接觸前表面處理，退火工藝參數(shù)。接觸形成機(jī)理：分析Al組分對(duì)于歐姆接觸形成影響，金屬接觸界面結(jié)構(gòu)和基本物理理論等問(wèn)題。金屬方案：主要分為Ti基和V基兩種體系。Ti基采用Ti/Al/金屬/Au結(jié)構(gòu)，金屬可選Ti、Ni、Mo等，V基多采用V/Al/V/Ag結(jié)構(gòu)。接觸前表面處理：常用緩沖的氧化刻蝕(BOE)或BCl3/Cl2/Ar基等離子體刻蝕，除去表面氧化物，降低表面態(tài)密度。退火工藝參數(shù)：快速退火時(shí)，優(yōu)化退火溫度和時(shí)間，獲得最小比接觸電阻率。Forn-AlGaNofhighAluminumcontentThePennsylvaniaStateUniversity,USA

REVIEW:OhmiccontacttoAlGaNepilayers2002,EL

,V(15)/Al(85)/Pt(25)/Au(75)n-Alo.44Gao.56N1×10-5Ω?cm2

n-Alo.6Gao.4N4×10-5Ω?cm22006,APL,V(20)/Al(100)/V(20)/Au(60)plasmaetchedn-Alo.58Gao.42N4.7×10-4Ω?cm2

2008,JAP,V(20)/Al(95)/V(5)/Ag(120)n-Alo.58Gao.42N(2.4±0.3)×10-4Ω?cm2V-basedapproachTi/Al/X/AuTi,Ni,Pt,Pd,Mo,Cretc.SampleSurfaceMetalCombinationI-VcurveρcAAsgrownTi/Al/Ti/Aulinear5×10-5Ω?cm2

BPlasmaetchedTi/Al/Ti/AunonlinearCPlasmaetchedTi/Al/Ni/Aulinear5×10-4Ω?cm2

Ohmiccontanctston-Al0.68Ga0.32NSurendraSrivastavaetal.JournalofElectronicMaterials,Vol.38,No.11,2009V-basedTi-basedMetallizationScheme:Whichisbetter?versus方案論證根據(jù)歐姆接觸制備與測(cè)試涉及的理論與工藝，對(duì)實(shí)驗(yàn)方案做如下論證：

一、傳輸線模型(TLM)的選擇——計(jì)算比接觸電阻率ρc

矩形傳輸線模型

圓點(diǎn)傳輸線模型

圓環(huán)傳輸線模型

——綜合對(duì)比分析，我們采用圓點(diǎn)形傳輸線模型方案論證二、金屬化方案

Ti基方案研究最深入，使用最多。Ti/Al/金屬/Au中不同的“金屬”層會(huì)影響接觸性能。結(jié)合國(guó)內(nèi)外已有報(bào)道，以及電子束蒸發(fā)臺(tái)現(xiàn)有的金屬靶材，我們采用Ti/Al/Ni/Au多層結(jié)構(gòu)。1、Ti/Al結(jié)構(gòu)對(duì)歐姆接觸的影響：保持Ni/Au厚度不變，研究Ti/Al比值的變化對(duì)接觸I-V特性的影響，獲得最優(yōu)金屬層結(jié)構(gòu)。2、退火工藝對(duì)歐姆接觸的影響：研究退火溫度或時(shí)間的變化對(duì)接觸I-V特性的影響，獲得最優(yōu)退火條件。

研究?jī)?nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容高Al組分n-AlxGa1-xN的生長(zhǎng)與表征歐姆接觸制備、測(cè)試和工藝優(yōu)化?光刻機(jī)?電子束蒸發(fā)臺(tái)?快速熱退火爐?吉時(shí)利2420數(shù)字源表?AlGaN-MOCVD?金相顯微鏡?紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)?Hall效應(yīng)測(cè)試儀高Al組分n-AlGaN的生長(zhǎng)與表征

采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)在2英寸c面藍(lán)寶石襯底上，外延Si摻雜的n型AlxGa1-xN薄膜(樣片編號(hào)A520)。其中，我們選擇三甲基鋁(TMA)作為Al源，三乙基鎵(TEG)作為Ga源，氨氣(NH3)作為N源、硅烷(SiH4)作為摻雜劑，氫氣作為載氣。A520外延片結(jié)構(gòu)A520部分工藝參數(shù)參數(shù)LT-AlNHT-AlNi-Al0.44Ga0.56Nn-Al0.44Ga0.56N溫度(℃)7201100980980時(shí)間(min)4.493535TMA(sccm)4.116.31818TEG(sccm)××4747Silane(sccm)×××20.3A520外延片表征A520的C-V測(cè)試A520的透射光譜A520的表面形貌(500X)1、由金相顯微鏡圖像可以看出外延片表面較平整潔凈，無(wú)裂紋和爐渣。2、由透射光譜測(cè)試結(jié)果，計(jì)算得A520中心處Al組分為43.6%，邊緣處Al組分為44.36%。3、由Hall效應(yīng)測(cè)試得外延片摻雜濃度為1.7×1018cm-3，載流子遷移率為95cm2/(V

?s)?！獪y(cè)試結(jié)果顯示該樣品具有良好的晶體質(zhì)量和電學(xué)性能，可用于歐姆接觸制備研究。歐姆接觸制備、測(cè)試和工藝優(yōu)化

歐姆接觸

——不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，也不會(huì)使半導(dǎo)體內(nèi)部的平衡載流子濃度發(fā)生顯著變化。就其電學(xué)特性而言，理想歐姆接觸的接觸電阻和半導(dǎo)體材料或器件相比應(yīng)很小，當(dāng)電流流過(guò)時(shí)，接觸不會(huì)影響器件的電流-電壓特性，并且接觸電阻呈現(xiàn)出線性電流-電壓特性。金屬和n型半導(dǎo)體接觸時(shí)能帶圖比接觸電阻率的計(jì)算

衡量歐姆接觸質(zhì)量的參數(shù)——比接觸電阻率ρc

G.S.Marlow,M.B.Das.Solid-StateElectronics,1982,Vol.25,No.2左圖為圓點(diǎn)傳輸線模型圖樣，灰色區(qū)域?yàn)榻饘賹?。在無(wú)接觸金屬圓環(huán)兩側(cè)通恒定電流，測(cè)量電壓，計(jì)算出總電阻RT。作RT~d圖（d=r1-r0)。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，得到RSH和LT，則所求比接觸電阻率ρc=RSHLT2。當(dāng)r0或r1大于4LT，I0/I1和K0/K1趨近于1，則上式化簡(jiǎn)為r1>>d，則上式還可化簡(jiǎn)為樣品參數(shù)樣品編號(hào)TiAlNiAu樣品1201204050樣品2201604050樣品3202004050樣品4203004050樣品5401604050

我們采用Ti/Al/Ni/Au金屬方案，共制作五個(gè)樣品組。

五組樣品的接觸結(jié)構(gòu)參數(shù)，厚度單位:nm掩模板圖形尺寸：長(zhǎng)方形區(qū)域大小為1300μm×900μm，6個(gè)圓環(huán)具有相同的外徑，值為150μm，內(nèi)環(huán)半徑分別為100μm、105μm、110μm、120μm、130μm、140μm，

圓心間距400μm。(1)減?。翰捎镁苣仚C(jī)將外延片厚度減薄至200μm，不拋光。(2)劃裂：采用激光劃片、裂片，將外延片分成若干份，用以制作不同金屬結(jié)構(gòu)的樣品。(3)清洗：丙酮超聲清洗5min→無(wú)水乙醇超聲清洗5min→去離子水沖洗→90℃烘烤外延片20min。(4)負(fù)膠光刻：采用標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝，步驟為前烘→勻膠→軟烤(softbake)→曝光→PEB(post-exposurebaking)→顯影。其中前烘是120℃下持續(xù)20分鐘；勻膠時(shí)使用ENPI202型負(fù)膠，膠厚3.5μm；軟烤和PEB都是105℃下持續(xù)1.5分鐘；顯影2分鐘。(5)等離子去膠：采用氧離子去膠，功率為200W，時(shí)間3分30秒。(6)蒸鍍金屬：采用電子束蒸發(fā)系統(tǒng)蒸鍍金屬層，依次為Ti、Al、Ni、Au。(7)剝離和清洗：采用Lift-off工藝，即丙酮超聲清洗20min→無(wú)水乙醇超聲清洗20min。(8)劃裂：采用激光劃片、裂片，將每份樣品中幾十個(gè)

傳輸線模型塊分為若干小片，每片含有9個(gè)獨(dú)立圓點(diǎn)傳

輸線模型圖案，方便后續(xù)退火工藝實(shí)驗(yàn)取樣。(9)快速退火：通過(guò)快速退火爐面板設(shè)定升溫、恒溫

過(guò)程時(shí)間和溫度參數(shù)，對(duì)接觸電極進(jìn)行真空氛圍快

速熱退火完成合金化。接觸制作流程接觸表面形貌觀測(cè)我們比較了所有樣品在退火前后表面形貌的改變。以850℃下真空退火30s為例，選擇具有代表性的樣品1和樣品3作展示。樣品1的50X金相樣品3的50X金相1000X金相接觸I-V特性測(cè)試

所有樣品退火前的I-V測(cè)試顯示均為肖特基接觸。在四種退火條件下，接觸的特性發(fā)生改變。我們比較了同一退火條件下，形成歐姆接觸的不同樣品的I-V特性和同一樣品在不同退火條件下的I-V特性。

接觸退火前的I-V曲線退火條件850℃

30s850℃60s850℃90s880℃30s樣品1非線性線性線性線性樣品2非線性接近線性接近線性非線性樣品3接近線性線性線性線性樣品4線性線性線性線性樣品5線性接近線性接近線性線性附注：1、I-V曲線呈線性，對(duì)應(yīng)電阻波動(dòng)為1~3Ω2、I-V曲線呈接近線性，對(duì)應(yīng)電阻波動(dòng)為5~8Ω

3、I-V曲線呈非線性，對(duì)應(yīng)電阻波動(dòng)為＞10Ω

Ti/Al結(jié)構(gòu)對(duì)接觸特性的影響

本實(shí)驗(yàn)中，樣品4在四種退火條件下均形成歐姆接觸。通過(guò)比較相同退火條件下，形成歐姆接觸樣品的I-V曲線，可以判斷在實(shí)驗(yàn)設(shè)置的樣品組中，樣品4的金屬方案，即Ti(20nm)/Al(300nm)/Ni(40nm)/Au(50nm)，為最優(yōu)金屬方案。退火工藝對(duì)接觸特性的影響樣品4樣品5樣品3樣品2樣品11、對(duì)于樣品1、2、3，提高退火溫度或延長(zhǎng)退火時(shí)間能改善接觸I-V特性。2、對(duì)于樣品4、5，提高退火溫度能改善接觸I-V曲線線性度，但延長(zhǎng)退火時(shí)間使接觸有退化趨勢(shì)。對(duì)于形成歐姆接觸的樣品，計(jì)算了對(duì)應(yīng)比接觸電阻率。以樣品4在850℃下退火30s后測(cè)試數(shù)據(jù)處理為例，表中d為用金相顯微鏡實(shí)測(cè)內(nèi)外圓環(huán)間距，RT由I-V測(cè)試得到對(duì)應(yīng)圓環(huán)總電阻。用Origin8.0軟件對(duì)上表中數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，計(jì)算得到傳輸線長(zhǎng)度LT=4.8631μm，RSH=1111.78Ω/sq，則比接觸電阻率ρc=2.63×10-4Ω?cm2。環(huán)號(hào)123456d(μm)11.8719.7831.1338.5745.6148.82RT(Ω)25.6735.5345.9458.4564.2769.93實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理退火條件850℃30s850℃60s850℃90s880℃30s樣品1×4.85×10-44.52×10-44.03×10-4樣品2××××樣品3×5.93×10-43.1×10-44.04×10-4樣品42.63×10-43.06×10-43.39×10-41.4×10-4樣品58.77×10-4××7.04×10-4——樣品的比接觸電阻率計(jì)算結(jié)果單位：Ω?cm2

總結(jié)與展望本實(shí)驗(yàn)工作總結(jié)：

1、我們?cè)诠钃诫s的n型Al0.44Ga0.56N材料上，采用電子束蒸發(fā)沉積多層金屬Ti/Al/Ni/Au作為接觸。