多層Ti/Al電極結構對GaN/AlGaN HEMT歐姆接觸特性的影響

于 寧,王紅航,劉飛飛,杜志娟,王岳華,宋會會,朱彥旭*,孫 捷

（1.北京工業(yè)大學電控學院光電子技術實驗室，北京 100124; 2.電子科技大學中山學院電子薄膜與集成器件國家重點實驗室中山分實驗室，廣東中山 528402）

多層Ti/Al電極結構對GaN/AlGaN HEMT歐姆接觸特性的影響

于 寧1,王紅航2,劉飛飛1,杜志娟1,王岳華1,宋會會1,朱彥旭1*,孫 捷1

（1.北京工業(yè)大學電控學院光電子技術實驗室，北京 100124; 2.電子科技大學中山學院電子薄膜與集成器件國家重點實驗室中山分實驗室，廣東中山 528402）

研究了多層Ti/Al結構電極對GaN/AlGaN HEMT歐姆接觸特性及表面形態(tài)的影響。采用傳輸線模型對各結構電極的比接觸電阻率進行了測量，采用掃描電子顯微鏡對電極表面形態(tài)進行掃描。實驗結果顯示，在同樣的退火條件下，隨著Ti/Al層數的增加，比接觸電阻率逐漸減小，表面形態(tài)趨于光滑;降低Ti/Al層的厚度會加劇Au向內擴散而增加比接觸電阻率，但能稍微改善表面形態(tài);Ti比例過高會影響TiN的形成導致比接觸電阻率增加，但能明顯改善表面形態(tài)。

高電子遷移率晶體管;歐姆接觸;退火;比接觸電阻率

1　引 言

第三代半導體材料GaN由于具有禁帶寬、擊穿電場強、電子飽和速度高等特點，廣泛應用于高頻、高功率、高溫度器件和藍紫光LED等領域[1]。GaN基GaN/AlGaN高電子遷移率晶體管（HEMT）具有高電子濃度和高電子遷移率等特性，已經成為目前高頻功率器件和功率開關器件等領域的研究熱點[2-3]。

良好的歐姆接觸是制作高性能GaN/AlGaN HEMT器件的重要因素之一，包括低的歐姆接觸電阻和較好的表面形貌。目前實現GaN/AlGaN HEMT歐姆接觸的方法通常是使用Ti/Al基礎上的多層金屬結構，如Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Pt/Au、Ti/Al/Pt/Cu等[4-7]。在氮氣氛圍下，通過在800℃及以上溫度退火，Ti離子向半導體方向擴散，在金屬與GaN界面處形成低功函數的TiN，降低了金屬與GaN之間的有效勢壘高度;同時，在半導體界面處形成了n型重摻雜[8]，減薄了勢壘層厚度。電子通過隧穿效應通過勢壘，從而實現良好的歐姆接觸[9]。

本文設計了5種金屬層結構的歐姆接觸電極，使用不同的層數、厚度和金屬之間的比例，采用傳輸線測試（Transmission line method，TLM）方法測量了5種電極的比接觸電阻率，同時對各電極表面進行了掃描電子顯微鏡（SEM）掃描獲得圖片信息。通過對比，得出Ti/Al金屬層參數對歐姆接觸電阻及表面形態(tài)的影響。

2　理論與實驗

實驗采用的GaN/AlGaN外延片示意圖如圖1所示。采用金屬有機物化學氣相沉積（MOCVD）方法在（111）晶面硅襯底上依次淀積3 758 nm的緩沖層、231 nm的本征GaN層、22.4 nm的AlGaN勢壘層、2.2 nm的GaN蓋帽層。歐姆接觸電極包括Ti/Al/Ni/Au 4種金屬，Ti作為勢壘層金屬，能形成低功函數，薄的勢壘層;Al作為覆蓋層金屬，增強N原子與Ti原子的固相反應;Ni作為擴散阻擋層金屬，阻止各層互相擴散;Au作為帽層金屬[10]。

圖1　外延結構示意圖Fig.1　Extensional structure diagram

歐姆接觸實驗樣品的制備首先通過采用電感耦合等離子體（ICP）刻蝕的方法隔離出有源區(qū)，刻蝕時間為2 min，刻蝕深度為700 μm。然后，使用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）方法在樣品表面淀積300 nm的SiO2保護臺面并在氫氟酸、氟化銨腐蝕液中腐蝕出有源區(qū)。利用光刻的方法在有源區(qū)上制作傳輸線測試（TLM）所需圖形，濺射5種結構歐姆接觸電極，樣品1為Ti/Al/Ni/Au（150 nm/1 500 nm/400 nm/500 nm），樣品2為Ti/ Al/Ti/Al/Ni/Au（50 nm/500 nm/50 nm/500 nm/ 400 nm/500 nm），樣品3為Ti/Al/Ti/Al/Ni/Au（75 nm/750 nm/75 nm/750 nm/400 nm/500 nm），樣品4為Ti/Al/Ti/Al/Ni/Au（150 nm/650 nm/150 nm/ 700 nm/400 nm/500 nm），樣品5為Ti/Al/Ti/Al/ Ti/AlNi/Au（50 nm/500 nm/50 nm/500 nm/50 nm/ 500 nm/400 nm/500 nm），剝離光刻膠后形成TLM接觸圖形。在氮氣氛圍下對樣品進行退火，退火溫度為800℃，退火時間為90 s。圖2為樣品示意圖，TLM測試電極邊長W為70 μm，相鄰兩電極間距d分別為5，10，20，30，45 μm。

圖2　TLM測試電極圖像及截面圖Fig.2　Image and cross section diagram of TLM test electrode

傳輸線測試是在通過電流恒定的情況下，通過測量各接觸點之間的電壓求出各自電阻，再按照相應的方法進行數據擬合計算和處理，最后求得比接觸電阻率[11]。在矩形有源區(qū)區(qū)域制作若干個間距不等的方塊，如圖3所示，邊長為W（70 μm），依次在間隔d不同（5，10，20，30，45 μm）的方塊之間加恒定電流，并測出兩端電壓值，即可求得兩電極間的總電阻Rd:

其中Rc為歐姆接觸電阻，Rs為方塊電阻。所得數據擬合到如圖所示的坐標軸中，獲得Rs和Rc，將其帶入如下表達式:

得到比接觸電阻率ρc。

圖3　TLM傳輸線模型測量曲線Fig.3　Measuring curve of TLM model

3　結果與討論

在退火的過程中，電極各金屬層中的反應主要包括以下幾種:Ti向內擴散在半導體層界面處形成低功函數、薄厚度的TiN層，降低接觸電阻率，這對形成良好的歐姆接觸有著至關重要的作用;Ti與Al反應形成較低電阻率和較低功函數的Ti-Al合金，有利于歐姆接觸形成;Al擴散到金半接觸邊界形成寬禁帶AlN，增加接觸電阻率;Au向內擴散至金半接觸界面，提高了功函數，不利于歐姆接觸形成;Au與Ti/Al反應形成Ti-Au-Al合金，減少Au向內擴散;Al向外擴散到Au表面，破壞歐姆電極表面形態(tài)。

圖4　5種樣品的比接觸電阻率Fig.4　SPecific contact resistance of the five samPles

通過TLM測試，圖4匯總了5種樣品的比接觸電阻率。為了比較不同Ti/Al層數對歐姆接觸特性的影響，實驗設計了樣品1、樣品3及樣品5，3種樣品歐姆接觸電極厚度相同，為2 550 nm，各金屬比例相同，Ti：Al＝1：10;不同之處在于3種樣本的Ti/Al層數不同，分別為1、2、3層。從圖4可以看出，隨著層數的增加，比接觸電阻率逐漸減小，3層Ti/Al有著最小的歐姆接觸電阻率。在單層Ti/Al結構中，較厚的Al層不能與Ti層充分反應，多余的Al向內擴散在金半界面形成AlN，AlN為寬禁帶材料，增加了接觸電阻率;同時，Al向內擴散也會影響TiN的形成，通過在厚的Al層中插入Ti層組成多Ti/Al層結構，可以增加Ti與Al直接的反應，隨著層數的增加，反應愈加充分，有效地阻止了Al向內擴散，降低了接觸電阻率。

樣品2、樣品3與樣品4的Ti/Al層數相同，都為2層。樣品2與樣品3的Ti/Al比例相同，但樣品2厚度較薄;樣品4與樣品3厚度相同，但樣品4的Ti比例更高。從圖4可以看出，樣品2的電阻率略高于樣品3，這是由于Ti/Al層厚度的減小使得Au向內金半接觸界面擴散程度加重，提高了界面處功函數;樣品3的Ti/Al層較厚，能充分與Au反應形成Ti-Au-Al合金，有效阻止其向內擴散。樣品4的歐姆接觸特性較差，可能是由于Al比例較小而不能很好地催化TiN的形成。

圖5為樣品1、樣品3及樣品5的歐姆電極表面的SEM圖片及臺階儀掃描圖，SEM圖像中內嵌光學顯微鏡圖片。可以看出，隨著Ti/Al層數的增加，表面形態(tài)更加光滑。單層Ti/Al結構由于Ti和Al之間反應不夠充分，Ti向Au層擴散嚴重，高溫下Ti涌出Au表面形成凸起，使表面更為粗糙。

圖6為樣品2和樣品4的歐姆電極表面的SEM圖片及臺階儀掃描圖，SEM圖像中內嵌光學顯微鏡圖片。樣品2的表面形態(tài)略優(yōu)于樣品3，這是由于Al層的減薄使得擴散至Au層表面的Al減少;雖然樣品4的比接觸電阻率增加很多，但表面形態(tài)要遠好于樣品3，這是由于Ti含量的增加及Al含量的減少使得Ti-Al合金增多，未反應的Al減少，從而抑制了Al向外擴散。

圖5　樣品1（a）、樣品3（b）及樣品5（c）的臺階儀數據（上）與SEM圖形（下），內嵌圖像為光學顯微鏡圖像。Fig.5　SteP Profiler data（toP）and SEM graPhics（below）of samPle 1（a），samPle 3（b），and samPle 5（c）.Embedded images are oPtical microscoPe images.

圖6　樣品2（a）、樣品4（b）的SEM圖形，內嵌圖像為光學顯微鏡圖像。Fig.6　SEM graPhics of samPle 2（a）and samPle 4（b）.Embedded images are oPtical microscoPe images.

4　結 論

在Si基HEMT外延片上，通過對基于多層Ti/Al結構的歐姆電極與傳統(tǒng)的Ti/Al/Ni/Au歐姆電極的對比，發(fā)現在Ti：Al比例為1：10、電極金屬層總厚度不變的情況下，通過在Al層中插入Ti層形成的多層Ti/Al結構，使得Ti與Al之間的反應更加充分，實現了更小的比接觸電阻率和更好的表面形態(tài)，而且，歐姆特性隨著Ti/Al層數的增加而改善，實驗中Ti/Al/Ti/Al/Ti/Al/Ni/Au結構有著最好的歐姆特性。Ti/Al層的厚度不應太薄，雖然可以稍微改善表面形態(tài)，但是由于太薄會導致Au向內擴散，TiN的形成受到影響，比接觸電阻率也有所增大;Ti層所占的比例也不應太大，Al含量過小會影響TiN的形成，但是表面形態(tài)卻會得到很大的改善。下一步的工作將對Ti/ Al之間的比例進行實驗，使表面形態(tài)和歐姆接觸特性達到最佳。

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于寧（1990-）男，山東煙臺人，碩士研究生，2013年于常州大學獲得學士學位，主要從事GaN HEMT器件及探測器的研究。

E-mail:Yuning@emails.bjut.edu.cn

朱彥旭（1977-）男，河北秦皇島人，博士，副教授，2007年于北京工業(yè)大學獲得博士學位，主要從事GaN HEMT器件、半導體發(fā)光二極管、激光器、太陽能電池等半導體器件的研究。

E-mail:zhuYx@bjut.edu.cn

Effect of Multilayer Ti/Al Electrode Structure on AlGaN/GaN HEMT Ohmic Contact Characteristics

YU Ning1，WANG Hong-hang2，LIU Fei-fei1，DU Zhi-juan1，WANG Yue-hua1，SONG Hui-hui1，ZHU Yan-xu1*，SUN Jie1

（1.Beijing Optoelectronic Technology Lɑborɑtory，Beijing Uniυersity of Technology，Beijing 100124，Chinɑ; 2.Stɑte Key Lɑborɑtory of Electronic Thin Films ɑnd Integrɑted Deυices，Zhongshɑn Institute，Uniυersity of Electronic Science ɑnd Technology of Chinɑ，Zhongshɑn 528402，Chinɑ）*Corresponding Author，E-mɑil:zhuyx@bjut.edu.cn

The effect of multilaYer Ti/Al structure electrode on AlGaN/GaN HEMT Ohmic contact characteristics and the surface morPhologY were investigated.The sPecific contact resistance of all kinds of electrode structure was measured by transmission line model（TLM）.The scanning electron microscoPe（SEM）was used to measure the electrode surface morPhologY.The exPeriment results show that the sPecial contact resistance tend to decrease and the surface morPhologY tend to be smooth with the increasing of the number of Ti/Al laYers in the same annealing conditions.The reducing of the thickness of Ti/Al laYer can increase the sPecific contact resistance because of Au in-diffusion，but can slightlY imProve the surface morPhologY.High Ti ratio can reduce the formation of TiN，and lead to the increasing of sPecific contact resistance，but can greatlY imProve the surface morPhologY.

high electron mobilitY transistor;Ohmic contact;annealing;sPecific contact resistance

TN386.3

A DOI:10.3788/fgxb20163702.0219

1000-7032（2016）02-0219-05

2015-10-26;

2015-11-14

北京市15青年拔尖項目（311000543115501）;中山市科技計劃（2014A2FC305）;國家自然科學基金（61204011）;科研基地建設（PXM2015_014204_500008）資助項目