多层Ti/Al电极结构对GaN/AlGaN HEMT欧姆接触特性的影响

于 宁,王红航,刘飞飞,杜志娟,王岳华,宋会会,朱彦旭*,孙 捷

（1.北京工业大学电控学院光电子技术实验室，北京 100124; 2.电子科技大学中山学院电子薄膜与集成器件国家重点实验室中山分实验室，广东中山 528402）

多层Ti/Al电极结构对GaN/AlGaN HEMT欧姆接触特性的影响

于 宁1,王红航2,刘飞飞1,杜志娟1,王岳华1,宋会会1,朱彦旭1*,孙 捷1

（1.北京工业大学电控学院光电子技术实验室，北京 100124; 2.电子科技大学中山学院电子薄膜与集成器件国家重点实验室中山分实验室，广东中山 528402）

研究了多层Ti/Al结构电极对GaN/AlGaN HEMT欧姆接触特性及表面形态的影响。采用传输线模型对各结构电极的比接触电阻率进行了测量，采用扫描电子显微镜对电极表面形态进行扫描。实验结果显示，在同样的退火条件下，随着Ti/Al层数的增加，比接触电阻率逐渐减小，表面形态趋于光滑;降低Ti/Al层的厚度会加剧Au向内扩散而增加比接触电阻率，但能稍微改善表面形态;Ti比例过高会影响TiN的形成导致比接触电阻率增加，但能明显改善表面形态。

高电子迁移率晶体管;欧姆接触;退火;比接触电阻率

1　引 言

第三代半导体材料GaN由于具有禁带宽、击穿电场强、电子饱和速度高等特点，广泛应用于高频、高功率、高温度器件和蓝紫光LED等领域[1]。GaN基GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管（HEMT）具有高电子浓度和高电子迁移率等特性，已经成为目前高频功率器件和功率开关器件等领域的研究热点[2-3]。

良好的欧姆接触是制作高性能GaN/AlGaN HEMT器件的重要因素之一，包括低的欧姆接触电阻和较好的表面形貌。目前实现GaN/AlGaN HEMT欧姆接触的方法通常是使用Ti/Al基础上的多层金属结构，如Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Pt/Au、Ti/Al/Pt/Cu等[4-7]。在氮气氛围下，通过在800℃及以上温度退火，Ti离子向半导体方向扩散，在金属与GaN界面处形成低功函数的TiN，降低了金属与GaN之间的有效势垒高度;同时，在半导体界面处形成了n型重掺杂[8]，减薄了势垒层厚度。电子通过隧穿效应通过势垒，从而实现良好的欧姆接触[9]。

本文设计了5种金属层结构的欧姆接触电极，使用不同的层数、厚度和金属之间的比例，采用传输线测试（Transmission line method，TLM）方法测量了5种电极的比接触电阻率，同时对各电极表面进行了扫描电子显微镜（SEM）扫描获得图片信息。通过对比，得出Ti/Al金属层参数对欧姆接触电阻及表面形态的影响。

2　理论与实验

实验采用的GaN/AlGaN外延片示意图如图1所示。采用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）方法在（111）晶面硅衬底上依次淀积3 758 nm的缓冲层、231 nm的本征GaN层、22.4 nm的AlGaN势垒层、2.2 nm的GaN盖帽层。欧姆接触电极包括Ti/Al/Ni/Au 4种金属，Ti作为势垒层金属，能形成低功函数，薄的势垒层;Al作为覆盖层金属，增强N原子与Ti原子的固相反应;Ni作为扩散阻挡层金属，阻止各层互相扩散;Au作为帽层金属[10]。

图1　外延结构示意图Fig.1　Extensional structure diagram

欧姆接触实验样品的制备首先通过采用电感耦合等离子体（ICP）刻蚀的方法隔离出有源区，刻蚀时间为2 min，刻蚀深度为700 μm。然后，使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法在样品表面淀积300 nm的SiO2保护台面并在氢氟酸、氟化铵腐蚀液中腐蚀出有源区。利用光刻的方法在有源区上制作传输线测试（TLM）所需图形，溅射5种结构欧姆接触电极，样品1为Ti/Al/Ni/Au（150 nm/1 500 nm/400 nm/500 nm），样品2为Ti/ Al/Ti/Al/Ni/Au（50 nm/500 nm/50 nm/500 nm/ 400 nm/500 nm），样品3为Ti/Al/Ti/Al/Ni/Au（75 nm/750 nm/75 nm/750 nm/400 nm/500 nm），样品4为Ti/Al/Ti/Al/Ni/Au（150 nm/650 nm/150 nm/ 700 nm/400 nm/500 nm），样品5为Ti/Al/Ti/Al/ Ti/AlNi/Au（50 nm/500 nm/50 nm/500 nm/50 nm/ 500 nm/400 nm/500 nm），剥离光刻胶后形成TLM接触图形。在氮气氛围下对样品进行退火，退火温度为800℃，退火时间为90 s。图2为样品示意图，TLM测试电极边长W为70 μm，相邻两电极间距d分别为5，10，20，30，45 μm。

图2　TLM测试电极图像及截面图Fig.2　Image and cross section diagram of TLM test electrode

传输线测试是在通过电流恒定的情况下，通过测量各接触点之间的电压求出各自电阻，再按照相应的方法进行数据拟合计算和处理，最后求得比接触电阻率[11]。在矩形有源区区域制作若干个间距不等的方块，如图3所示，边长为W（70 μm），依次在间隔d不同（5，10，20，30，45 μm）的方块之间加恒定电流，并测出两端电压值，即可求得两电极间的总电阻Rd:

其中Rc为欧姆接触电阻，Rs为方块电阻。所得数据拟合到如图所示的坐标轴中，获得Rs和Rc，将其带入如下表达式:

得到比接触电阻率ρc。

图3　TLM传输线模型测量曲线Fig.3　Measuring curve of TLM model

3　结果与讨论

在退火的过程中，电极各金属层中的反应主要包括以下几种:Ti向内扩散在半导体层界面处形成低功函数、薄厚度的TiN层，降低接触电阻率，这对形成良好的欧姆接触有着至关重要的作用;Ti与Al反应形成较低电阻率和较低功函数的Ti-Al合金，有利于欧姆接触形成;Al扩散到金半接触边界形成宽禁带AlN，增加接触电阻率;Au向内扩散至金半接触界面，提高了功函数，不利于欧姆接触形成;Au与Ti/Al反应形成Ti-Au-Al合金，减少Au向内扩散;Al向外扩散到Au表面，破坏欧姆电极表面形态。

图4　5种样品的比接触电阻率Fig.4　SPecific contact resistance of the five samPles

通过TLM测试，图4汇总了5种样品的比接触电阻率。为了比较不同Ti/Al层数对欧姆接触特性的影响，实验设计了样品1、样品3及样品5，3种样品欧姆接触电极厚度相同，为2 550 nm，各金属比例相同，Ti：Al＝1：10;不同之处在于3种样本的Ti/Al层数不同，分别为1、2、3层。从图4可以看出，随着层数的增加，比接触电阻率逐渐减小，3层Ti/Al有着最小的欧姆接触电阻率。在单层Ti/Al结构中，较厚的Al层不能与Ti层充分反应，多余的Al向内扩散在金半界面形成AlN，AlN为宽禁带材料，增加了接触电阻率;同时，Al向内扩散也会影响TiN的形成，通过在厚的Al层中插入Ti层组成多Ti/Al层结构，可以增加Ti与Al直接的反应，随着层数的增加，反应愈加充分，有效地阻止了Al向内扩散，降低了接触电阻率。

样品2、样品3与样品4的Ti/Al层数相同，都为2层。样品2与样品3的Ti/Al比例相同，但样品2厚度较薄;样品4与样品3厚度相同，但样品4的Ti比例更高。从图4可以看出，样品2的电阻率略高于样品3，这是由于Ti/Al层厚度的减小使得Au向内金半接触界面扩散程度加重，提高了界面处功函数;样品3的Ti/Al层较厚，能充分与Au反应形成Ti-Au-Al合金，有效阻止其向内扩散。样品4的欧姆接触特性较差，可能是由于Al比例较小而不能很好地催化TiN的形成。

图5为样品1、样品3及样品5的欧姆电极表面的SEM图片及台阶仪扫描图，SEM图像中内嵌光学显微镜图片。可以看出，随着Ti/Al层数的增加，表面形态更加光滑。单层Ti/Al结构由于Ti和Al之间反应不够充分，Ti向Au层扩散严重，高温下Ti涌出Au表面形成凸起，使表面更为粗糙。

图6为样品2和样品4的欧姆电极表面的SEM图片及台阶仪扫描图，SEM图像中内嵌光学显微镜图片。样品2的表面形态略优于样品3，这是由于Al层的减薄使得扩散至Au层表面的Al减少;虽然样品4的比接触电阻率增加很多，但表面形态要远好于样品3，这是由于Ti含量的增加及Al含量的减少使得Ti-Al合金增多，未反应的Al减少，从而抑制了Al向外扩散。

图5　样品1（a）、样品3（b）及样品5（c）的台阶仪数据（上）与SEM图形（下），内嵌图像为光学显微镜图像。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.

图6　样品2（a）、样品4（b）的SEM图形，内嵌图像为光学显微镜图像。Fig.6　SEM graPhics of samPle 2（a）and samPle 4（b）.Embedded images are oPtical microscoPe images.

4　结 论

在Si基HEMT外延片上，通过对基于多层Ti/Al结构的欧姆电极与传统的Ti/Al/Ni/Au欧姆电极的对比，发现在Ti：Al比例为1：10、电极金属层总厚度不变的情况下，通过在Al层中插入Ti层形成的多层Ti/Al结构，使得Ti与Al之间的反应更加充分，实现了更小的比接触电阻率和更好的表面形态，而且，欧姆特性随着Ti/Al层数的增加而改善，实验中Ti/Al/Ti/Al/Ti/Al/Ni/Au结构有着最好的欧姆特性。Ti/Al层的厚度不应太薄，虽然可以稍微改善表面形态，但是由于太薄会导致Au向内扩散，TiN的形成受到影响，比接触电阻率也有所增大;Ti层所占的比例也不应太大，Al含量过小会影响TiN的形成，但是表面形态却会得到很大的改善。下一步的工作将对Ti/ Al之间的比例进行实验，使表面形态和欧姆接触特性达到最佳。

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于宁（1990-）男，山东烟台人，硕士研究生，2013年于常州大学获得学士学位，主要从事GaN HEMT器件及探测器的研究。

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

朱彦旭（1977-）男，河北秦皇岛人，博士，副教授，2007年于北京工业大学获得博士学位，主要从事GaN HEMT器件、半导体发光二极管、激光器、太阳能电池等半导体器件的研究。

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青年拔尖项目（311000543115501）;中山市科技计划（2014A2FC305）;国家自然科学基金（61204011）;科研基地建设（PXM2015_014204_500008）资助项目