Au电极与CdMnTe晶体的表面接触电阻率研究

沈　敏，张继军，王林军，闵嘉华，汪　琳，梁小燕

(上海大学 材料科学与工程学院，上海 200072)



Au电极与CdMnTe晶体的表面接触电阻率研究

沈敏，张继军，王林军，闵嘉华，汪琳，梁小燕

(上海大学 材料科学与工程学院，上海 200072)

采用圆形传输线模型研究了金(Au)电极与碲锰镉(CdMnTe)晶体的欧姆接触特性，Au电极采用AuCl3化学镀金法制备，计算了其接触电阻率。实验探讨了表面处理和退火对Au/CdMnTe接触电阻率的影响。结果表明，CdMnTe晶体经过化学抛光和化学机械抛光后Au/CdMnTe的接触电阻率分别为544.5和89.0 Ω·cm2。通过AFM与XPS分析了晶体表面的形貌与成分，发现表面粗糙度和富Te成分对CdMnTe薄层电阻和载流子传输长度有较大的影响，决定了接触电阻率的大小。在150 ℃空气气氛退火1 h后，经CP和CMP表面处理的样品，Au/CdMnTe接触电阻率均减小，分别为313.6和30.2 Ω·cm2。退火促进了Au向CdMnTe晶体的扩散，使接触电阻率进一步降低，欧姆接触性能提高。

碲锰镉；接触电阻率；化学抛光；化学机械抛光；退火

0　引　言

Cd1-xMnxTe(简称CdMnTe)是典型的稀释磁性半导体材料。在磁场中，CdMnTe材料展现出独特的磁学、电学和磁光特性，包括自旋玻璃转变、磁振子激发、反铁磁簇的形成、巨法拉弟旋转等[1]。基于这些性质，CdMnTe材料被广泛应用于磁场调谐源、光移相器、磁场传感器、磁力计等。在没有磁场作用下，CdMnTe具有典型的Ⅱ-Ⅵ族半导体特性。近年来，研究学者发现CdMnTe的晶体结构和电子能带结构(包括禁带宽度、电子空穴迁移率、载流子浓度等)与CdZnTe十分相似，并且在一些方面表现更加优异[2]。如Mn的加入能更快的提高晶体的禁带宽度(15 meV/atoms%)，从而降低合金化带来的晶体缺陷[3]。另外，由于CdMnTe中Mn的分凝系数接近1，更容易获得组分均匀的晶体。因而，CdMnTe有望作为X和γ射线探测器的主要候选材料[4]。

在CdMnTe器件性能研究中，金属与CdMnTe晶体的欧姆接触特性一直是研究者们关注的重点[5-6]。金属与CdMnTe之间优良的欧姆接触特性对提高CdMnTe器件性能及其电学性能的表征都至关重要[7]。CdMnTe晶体通常采用垂直布里奇曼法生长，使用金(Au)电极作为欧姆接触[8]。但是在CdMnTe器件制备过程中，晶体表面状态会对Au与CdMnTe(Au/CdMnTe)的欧姆接触特性产生较大影响。对于欧姆接触质量的表征，通常使用电流-电压特性曲线，当电流和电压满足近似线性关系时，表明是良好的欧姆接触。但是此方法对欧姆接触质量的表征不够精确，不能满足精确测量的要求。金属-半导体接触的接触电阻可以限制半导体器件的性能，其接触电阻率ρc是表征金属电极与半导体之间欧姆接触质量优劣的一个重要参数，可用于定量表征器件制造工艺对欧姆接触质量的影响。传输线法(transmission line model, TLM)是测量ρc的常用方法[9]，但为了避免接触间的二维电流必须进行台面腐蚀。在TLM基础上发展起来的圆形传输线模型(circular transmission line model, CTLM)有效的避免了台面腐蚀及其附带影响，并且样品制备简单，测量结果较准确[10-12]。

本文采用了圆形传输线模型表征了氯化金(AuCl3)化学电镀法制备Au电极与CdMnTe晶体(Au/CdMnTe)的接触电阻率，研究了不同表面处理方法和电极退火对Au/CdMnTe接触电阻率ρc的影响。

1　实验与原理

1.1实验方法

采用垂直布里奇曼法制备了Mn成分x=0.1的Cd1-xMnxTe晶体，原材料Cd(7N)，Mn(5N)和Te(7N)按化学计量比称量，获得了体积为Ø30 mm2×120 mm的CdMnTe晶锭。从CdMnTe晶锭的相同位置切割得到多个尺寸为10 mm×10 mm×2 mm的晶片。经研磨、机械抛光、去离子水清洗等处理后，一部分晶片使用浓度为2%的Br2-MeOH溶液进行化学抛光[13](chemical polishing, CP)，一部分晶片进行化学机械抛光[14](chemical mechanical polishing, CMP)，使用的抛光液为浓度为8‰的Br2-MeOH溶液与体积比为20∶1的氧化铝悬浊液的混合物。抛光后晶片在甲醇溶液中进行超声清洗，最后使用氮气吹干。

CdMnTe晶片的Au电极采用AuCl3溶液化学电镀法制备，利用光刻掩膜技术将CTLM结构电极图形光刻至晶片表面，得到致密均匀的Au电极CTLM结构图案。Au/CdMnTe接触的退火过程是在150 ℃温度下的空气气氛中进行，退火时间为1 h。

实验研究了CdMnTe表面状态对Au/CdMnTe接触电阻率的影响，使用原子力显微镜(AFM, SHIMAZU SPM-9600)测试了CdMnTe晶体表面形貌状态，并使用X射线光电子能谱(XPS, Thermo Scientific ESCALAB 250Xi)探测CdMnTe晶体表面化学成分及化合价状态，对比CP和CMP两种表面处理方法所得到的表面状态的差异[15-16]。采用Keithley 4200-SCS/F半导体特性分析仪测试了Au/CdMnTe的电学性能。

1.2圆形传输线模型(CTLM)原理

在CdMnTe晶片表面采用光刻技术制备Au电极的圆形传输线模型图形，其所采用的掩模板结构如图1所示。图1中，掩膜版结构，圆环内半径为r0(r0=150 μm)，圆环外半径为rn(r1～r9=155, 160, 165, 170, 175, 180, 185, 190和195 μm)，d=rn-r0是变化的内外电极之间的距离。Rin内圆电极的接触电阻，Rout外电极接触电阻，RP是CdMnTe体电阻，实验中测量内外电极间的电阻RT。

图1　Au/CdMnTe接触的圆形传输线模型(CTLM)

Fig 1 The photomask of CTLM structure of Au/CdMnTe contact

根据G.S.Marlow[8]关于圆形传输线模型的论述，Au/CdMnTe接触的总电阻RT为内圆电极的接触电阻Rin、外圆电极接触电阻Rout和晶体体电阻RP之和，并且满足下列关系式

(1)

(2)

其中,Rsh为半导体薄层电阻，LT是传输长度，ρc为接触电阻率。保持r0不变，通过改变内外电极间距d，测量对应总电阻RT，可以得到RT与d之间的关系图。经过拟合得到半导体薄层电阻Rsh值和传输长度LT值，再通过公式(2)计算得到接触电阻率ρc。

2　结果与讨论

2.1Au/CdMnTe接触的I/V特性

采用Keithley 4200-SCS/F型微电流计测试了CdMnTe样品的电流-电压(I-V)特性曲线，如图2所示。

图2采用化学抛光(CP)和化学机械抛光(CMP)表面处理后的Au/CdMnTe样品I-V曲线

Fig 2 The I-V curves of the Au/CdMnTe samples with the CP and CMP surface treatments

图中I-V曲线分别为对CdMnTe晶片进行CP和CMP表面处理后采用AuCl3溶液化学电镀Au电极的Au/CdMnTe样品测试所得。根据通常采用的欧姆特性评价手段，对图2中的数据按照下面公式拟合

(3)

其中，a值为Au/CdMnTe电阻的倒数，b值为欧姆系数。当b=1时，表明电极为理想的欧姆接触。拟合后得到数据如表1所示。

表1对化学抛光(CP)和化学机械抛光(CMP) 处理后Au/CdMnTe样品的I-V曲线按式(3)拟合得到的结果

Table 1 The nonlinear fitting data of I-V curves of Au/CdMnTe samples treated by CP and CMP according to equation (3)

表面处理a(电阻的倒数)b(欧姆系数)化学抛光(CP)1.37×10-80.99化学机械抛光(CMP)3.43×10-80.99

经过CP和CMP表面处理后Au/CdMnTe电极的欧姆系数b均为0.99，接近1，表明Au电极与CdMnTe晶体之间形成了良好的欧姆接触。但拟合得到的a值相差较大，这主要是由于CdMnTe晶体体电阻和Au/CdMnTe接触电阻的影响。由此可见，普通的I-V特性曲线难以说明表面处理对Au/CdMnTe欧姆结触特性的影响。

2.2Au/CdMnTe电极的接触电阻率

采用光刻掩膜技术将圆形传输线模型电极结构光刻至CdMnTe晶片表面，得到致密均匀的Au电极图形。在光学显微下，固定探针间距且其中一个探针在内圆电极中心，一个探针在外圆电极上，测试电压为-5～5 V，依次测试不同内外电极间距的电阻。采用圆形传输线模型计算Au/CdMnTe的接触电阻率。图3表示圆形传输线模型中每一个内外电极间距d所对应的电阻RT，将RT与d之间的关系进行直线拟合，得到半导体薄层电阻Rsh和传输长度LT的值。进一步通过式(2)得到Au/CdMnTe的接触电阻率ρc值。结果表明，经CP处理后的Au/CdMnTe的接触电阻率为544.5 Ω·cm2，经CMP处理后接触电阻率ρc为89.0 Ω·cm2。显然，使用CMP表面处理后Au/CdMnTe的接触电阻率更低，欧姆接触性能更好。

图3Au/CdMnTe电极的圆形传输线模型中电阻RT随内外电极间距d变化图

Fig 3 The total resistanceRTbetween the adjacent electrodes varied with the length of the gap d in the circular transmission line model of Au/CdMnTe samples

2.3表面处理对接触电阻率的影响

采用AFM研究了CdMnTe晶片表面处理后的表面形貌，如图4所示。可以看出，CP处理后的表面粗糙度为5.1 nm，有较多凸起的点，这些凸起的点被认为是Te的单质和氧化物，CMP表面处理后的粗糙度为1.4 nm，且表面光滑平整。图5为CdMnTe晶片表面的XPS能谱图，探测的是Te3d谱峰。其中，583.4和573.0 eV位置的尖峰分别是Te3d3/2和Te3d5/2的Te单质峰，586.9和576.5 eV位置的矮峰分别是TeO33/2和 TeO35/2的Te氧化物峰。由XPS图计算出表面处理后的(Te+Te4+)/(Cd+Zn)和Te4+/(Te+Te4+)比值，如表2所示。

图4　不同表面处理后的CdMnTe晶体表面AFM图

Fig 4 AFM images of the CdMnTe samples by different surface treatments

表2经过CP和CMP表面处理后Au/CdMnTe电极的接触电阻率ρc和表面处理后晶体表面粗糙度及表面成分

Table 2 The contact resistivity of Au/CdMnTe after CP and CMP surface treatment, and the roughness and composition of CdMnTe surfaces

ρc/Ω·cm-2Ra/nm(Te+Te4+)/(Cd+Mn)Te4+/(Te+Te4+)CP544.55.12.025%CMP89.01.41.47%

图5CdMnTe晶体Te3d的XPS图

Fig 5 XPS images of Te3d for the CdMnTe crystal

经过CP处理后的CdMnTe晶片表面富Te，且Te氧化物含量高。经过CMP处理后晶体表面富Te程度降低，Te氧化物含量大幅较低。根据表2所示的接触电阻率、表面粗糙度和表面成分的实验值，可以得出，晶体的表面状态，包括表面损伤、表面缺陷和表面成分严重影响了Au/CdMnTe接触的接触电阻率。经过CP处理的CdMnTe晶片表面存在较多Te氧化物及Te单质，降低了Au向CdMnTe晶体的扩散，并且使晶片表面薄层电阻变大。同时，经CP处理后的晶片表面粗糙度较大，表面的损伤及缺陷所形成的大量复合中心不利于载流子的传输，导致传输长度较大。经过CMP处理后的CdMnTe晶片表面粗糙度降低至1.4 nm，表明晶片表面损伤和表面缺陷减少，不利于载流子传输的复合中心大幅减少，传输长度减小；且晶体表面Te氧化物含量大幅较低，有利于Au向晶体表层扩散，晶片表面薄层电阻接近材料本身。因而，CdMnTe晶体经过CMP表面处理后，Au/CdMnTe的接触电阻率大幅降低，欧姆接触性能提高。

2.4退火对接触电阻率的影响

对Au/CdMnTe接触进行退火处理后，采用圆形传输线模型研究了退火对接触电阻率的影响，结果如图6所示。可以得出，Au/CdMnTe接触退火后，经过CP和CMP处理的晶片的接触电阻率分别为313.6和30.2 Ω·cm2。退火后， Au/CdMnTe接触电阻率都有效地降低了。

退火过程中，Au向CdMnTe晶体的扩散增强，提高了晶体表层Au掺杂浓度，晶体薄层电阻减小，Au的扩散降低了接触的势垒高度，使得电子更容易直接穿过势垒，载流子传输长度减少，从而Au/CdMnTe接触电阻率降低，欧姆特性增强。因而，通过改进CdMnTe表面处理工艺，进一步对Au/CdMnTe接触进行合适的退火处理，可以达到接触电阻率最小化的目标，得到高质量欧姆接触。

图6退火处理后Au/CdMnTe电极的电阻RT随内外电极间距d的变化图

Fig 6 The total resistanceRTbetween the adjacent electrodes varied with the length of the gap d for CdMnTe samples after annealing

3　结　论

本文采用圆形传输线模型研究了AuCl3化学电镀法制备Au电极与CdMnTe晶体的欧姆接触特性，探讨了不同的CdMnTe晶片表面处理方法和电极退火工艺对Au/CdMnTe接触电阻率的影响。主要得到以下结论：

(1)CdMnTe晶片经过化学抛光(CP)处理后，Au/CdMnTe电极的接触电阻率为544.5 Ω·cm2；经过化学机械抛光(CMP)处理后，接触电阻率为89.0 Ω·cm2。

(2)AFM和XPS分析表明，化学抛光后晶体表面粗糙度为5.1 nm，晶体表面富Te严重；化学机械抛光后晶体表面粗糙度为1.4 nm，表面富Te程度降低。表面粗糙度和富Te程度降低有利于降低Au/CdMnTe的接触电阻率。

(3)退火后，经CP和CMP处理的样品，接触电阻率分别降至313.6和30.2 Ω·cm2，退火提高了Au电极的欧姆接触特性。

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Investigation of the contact resistivity of Au contact on CdMnTe crystal

SHEN Min, ZHANG Jijun, WANG Linjun, MIN Jiahua, WANG Lin, LIANG Xiaoyan

(School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

The ohmic characteristics of Au/CdMnTe contact were investigated by circular transmission line model (CTLM). The Au contacts on CdMnTe wafers were deposited with the electroless AuCl3technique. The influence of surface polishing and annealing on the contact resistivity of Au/CdMnTe were analyzed. The contact resistivity of Au/CdMnTe on the chemical polished and chemical mechanical polished surfaces were 544.5 and 89.0 Ω·cm2, respectively. The surface morphology and composition of CdMnTe wafers were characterized by AFM and XPS, which revealed that the surface roughness and Te-rich state had great effect on the sheet resistance and the carrier transmission length, thus determined the contact resistivity of Au/CdMnTe. After annealing at 150e for 1 h, the contact resistivity of the Au/CdMnTe contact treated by CP and CMP both decreased to 313.6 and 30.2 Ω·cm2. The annealing procedure enhanced the diffusion of Au into the CdMnTe crystal, which further decreased the contact resistivity, and the quality of the ohmic contact was improved.

CdMnTe; contact resistivity; chemical polishing; chemical-mechanical polishing; annealing

1001-9731(2016)08-08217-05

国家自然科学基金资助项目(51472155，11375112，11275122)

2014-12-12

2016-03-03 通讯作者：张继军，E-mail: zhangjijun222@shu.edu.cn

沈敏(1989-)，男，上海人，硕士，师承张继军副教授，从事碲锌镉/碲锰镉晶体生长及其器件研究。

TB31

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.08.039