张伟毕设答辩

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毕业设计答辩高Al组分n型AlGaN层高可靠性

欧姆接触电极制备研究

学生:张伟专业:光电信息工程指导老师：戴江南老师陈长清教授

选题背景与研究现状方案论证实验内容与结果总结与展望致谢

内容提要二四三一五选题背景课题来源：国家自然科学基金项目“背照式SAM结构AlGaN基日盲紫外雪崩光电探测器研究”。选题背景：紫外线技术在军用和民用领域有着广泛应用，而高Al组分AlxGa1-xN(x＞0.4）材料在研制深紫外LED、LD和日盲探测器存在巨大潜力，但目前制备高可靠性、低电阻的欧姆接触是应用AlGaN基器件的瓶颈之一。WaterPurification应用:在野外作战水净化、生化试剂探测、生化武器预警、导弹告警系统、制导、安全通信、空气净化、食品杀菌与消毒、医疗保健、固态照明、等军民用领域有着广泛应用UV

AlGaN基紫外发光与探测器件Proc.ofSPIEVol.612761271D-4SchematicofasolarblindavalanchephotodiodeUV

欧姆接触欧姆接触国内外研究进展

目前国内外对于AlGaN器件欧姆接触研究集中在以下四个方面：接触形成机理，金属方案，接触前表面处理，退火工艺参数。接触形成机理：分析Al组分对于欧姆接触形成影响，金属接触界面结构和基本物理理论等问题。金属方案：主要分为Ti基和V基两种体系。Ti基采用Ti/Al/金属/Au结构，金属可选Ti、Ni、Mo等，V基多采用V/Al/V/Ag结构。接触前表面处理：常用缓冲的氧化刻蚀(BOE)或BCl3/Cl2/Ar基等离子体刻蚀，除去表面氧化物，降低表面态密度。退火工艺参数：快速退火时，优化退火温度和时间，获得最小比接触电阻率。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方案论证根据欧姆接触制备与测试涉及的理论与工艺，对实验方案做如下论证：

一、传输线模型(TLM)的选择——计算比接触电阻率ρc

矩形传输线模型

圆点传输线模型

圆环传输线模型

——综合对比分析，我们采用圆点形传输线模型方案论证二、金属化方案

Ti基方案研究最深入，使用最多。Ti/Al/金属/Au中不同的“金属”层会影响接触性能。结合国内外已有报道，以及电子束蒸发台现有的金属靶材，我们采用Ti/Al/Ni/Au多层结构。1、Ti/Al结构对欧姆接触的影响：保持Ni/Au厚度不变，研究Ti/Al比值的变化对接触I-V特性的影响，获得最优金属层结构。2、退火工艺对欧姆接触的影响：研究退火温度或时间的变化对接触I-V特性的影响，获得最优退火条件。

研究内容实验内容高Al组分n-AlxGa1-xN的生长与表征欧姆接触制备、测试和工艺优化•光刻机•电子束蒸发台•快速热退火炉•吉时利2420数字源表•AlGaN-MOCVD•金相显微镜•紫外-可见光分光光度计•Hall效应测试仪高Al组分n-AlGaN的生长与表征

采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)在2英寸c面蓝宝石衬底上，外延Si掺杂的n型AlxGa1-xN薄膜(样片编号A520)。其中，我们选择三甲基铝(TMA)作为Al源，三乙基镓(TEG)作为Ga源，氨气(NH3)作为N源、硅烷(SiH4)作为掺杂剂，氢气作为载气。A520外延片结构A520部分工艺参数参数LT-AlNHT-AlNi-Al0.44Ga0.56Nn-Al0.44Ga0.56N温度(℃)7201100980980时间(min)4.493535TMA(sccm)4.116.31818TEG(sccm)××4747Silane(sccm)×××20.3A520外延片表征A520的C-V测试A520的透射光谱A520的表面形貌(500X)1、由金相显微镜图像可以看出外延片表面较平整洁净，无裂纹和炉渣。2、由透射光谱测试结果，计算得A520中心处Al组分为43.6%，边缘处Al组分为44.36%。3、由Hall效应测试得外延片掺杂浓度为1.7×1018cm-3，载流子迁移率为95cm2/(V

•s)。——测试结果显示该样品具有良好的晶体质量和电学性能，可用于欧姆接触制备研究。欧姆接触制备、测试和工艺优化

欧姆接触

——不产生明显的附加阻抗，也不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著变化。就其电学特性而言，理想欧姆接触的接触电阻和半导体材料或器件相比应很小，当电流流过时，接触不会影响器件的电流-电压特性，并且接触电阻呈现出线性电流-电压特性。金属和n型半导体接触时能带图比接触电阻率的计算

衡量欧姆接触质量的参数——比接触电阻率ρc

G.S.Marlow,M.B.Das.Solid-StateElectronics,1982,Vol.25,No.2左图为圆点传输线模型图样，灰色区域为金属层。在无接触金属圆环两侧通恒定电流，测量电压，计算出总电阻RT。作RT~d图（d=r1-r0)。由实验数据进行直线拟合，得到RSH和LT，则所求比接触电阻率ρc=RSHLT2。当r0或r1大于4LT，I0/I1和K0/K1趋近于1，则上式化简为r1>>d，则上式还可化简为样品参数样品编号TiAlNiAu样品1201204050样品2201604050样品3202004050样品4203004050样品5401604050

我们采用Ti/Al/Ni/Au金属方案，共制作五个样品组。

五组样品的接触结构参数，厚度单位:nm掩模板图形尺寸：长方形区域大小为1300μm×900μm，6个圆环具有相同的外径，值为150μm，内环半径分别为100μm、105μm、110μm、120μm、130μm、140μm，

圆心间距400μm。(1)减薄：采用精密磨抛机将外延片厚度减薄至200μm，不抛光。(2)划裂：采用激光划片、裂片，将外延片分成若干份，用以制作不同金属结构的样品。(3)清洗：丙酮超声清洗5min→无水乙醇超声清洗5min→去离子水冲洗→90℃烘烤外延片20min。(4)负胶光刻：采用标准光刻工艺，步骤为前烘→匀胶→软烤(softbake)→曝光→PEB(post-exposurebaking)→显影。其中前烘是120℃下持续20分钟；匀胶时使用ENPI202型负胶，胶厚3.5μm；软烤和PEB都是105℃下持续1.5分钟；显影2分钟。(5)等离子去胶：采用氧离子去胶，功率为200W，时间3分30秒。(6)蒸镀金属：采用电子束蒸发系统蒸镀金属层，依次为Ti、Al、Ni、Au。(7)剥离和清洗：采用Lift-off工艺，即丙酮超声清洗20min→无水乙醇超声清洗20min。(8)划裂：采用激光划片、裂片，将每份样品中几十个

传输线模型块分为若干小片，每片含有9个独立圆点传

输线模型图案，方便后续退火工艺实验取样。(9)快速退火：通过快速退火炉面板设定升温、恒温

过程时间和温度参数，对接触电极进行真空氛围快

速热退火完成合金化。接触制作流程接触表面形貌观测我们比较了所有样品在退火前后表面形貌的改变。以850℃下真空退火30s为例，选择具有代表性的样品1和样品3作展示。样品1的50X金相样品3的50X金相1000X金相接触I-V特性测试

所有样品退火前的I-V测试显示均为肖特基接触。在四种退火条件下，接触的特性发生改变。我们比较了同一退火条件下，形成欧姆接触的不同样品的I-V特性和同一样品在不同退火条件下的I-V特性。

接触退火前的I-V曲线退火条件850℃

30s850℃60s850℃90s880℃30s样品1非线性线性线性线性样品2非线性接近线性接近线性非线性样品3接近线性线性线性线性样品4线性线性线性线性样品5线性接近线性接近线性线性附注：1、I-V曲线呈线性，对应电阻波动为1~3Ω2、I-V曲线呈接近线性，对应电阻波动为5~8Ω

3、I-V曲线呈非线性，对应电阻波动为＞10Ω

Ti/Al结构对接触特性的影响

本实验中，样品4在四种退火条件下均形成欧姆接触。通过比较相同退火条件下，形成欧姆接触样品的I-V曲线，可以判断在实验设置的样品组中，样品4的金属方案，即Ti(20nm)/Al(300nm)/Ni(40nm)/Au(50nm)，为最优金属方案。退火工艺对接触特性的影响样品4样品5样品3样品2样品11、对于样品1、2、3，提高退火温度或延长退火时间能改善接触I-V特性。2、对于样品4、5，提高退火温度能改善接触I-V曲线线性度，但延长退火时间使接触有退化趋势。对于形成欧姆接触的样品，计算了对应比接触电阻率。以样品4在850℃下退火30s后测试数据处理为例，表中d为用金相显微镜实测内外圆环间距，RT由I-V测试得到对应圆环总电阻。用Origin8.0软件对上表中数据进行线性拟合，计算得到传输线长度LT=4.8631μm，RSH=1111.78Ω/sq，则比接触电阻率ρc=2.63×10-4Ω•cm2。环号123456d(μm)11.8719.7831.1338.5745.6148.82RT(Ω)25.6735.5345.9458.4564.2769.93实验数据处理退火条件850℃30s850℃60s850℃90s880℃30s样品1×4.85×10-44.52×10-44.03×10-4样品2××××样品3×5.93×10-43.1×10-44.04×10-4样品42.63×10-43.06×10-43.39×10-41.4×10-4样品58.77×10-4××7.04×10-4——样品的比接触电阻率计算结果单位：Ω•cm2

总结与展望本实验工作总结：

1、我们在硅掺杂的n型Al0.44Ga0.56N材料上，采用电子束蒸发沉积多层金属Ti/Al/Ni/Au作为接触。