表面处理对肖特基接触的影响

霍荡荡，郑英奎，陈诗哲，魏 珂，李培咸



表面处理对肖特基接触的影响

霍荡荡1,2，郑英奎2，陈诗哲1,2，魏 珂2，李培咸1

（1. 西安电子科技大学先进材料与纳米科技学院，陕西西安 710126；2. 中国科学院微电子研究所，北京 100029）

研究了不同的表面处理方法对器件肖特基特性的影响。实验结果表明，采用氧等离子体及体积比(HF:NH4F)为1:7的BOE溶液对AlGaN/GaN异质结材料表面进行处理后，其肖特基接触特性比盐酸或者氨水溶液处理有了明显的改善。当栅压为–50 V时，栅反向漏电仅为3.8×10–5A/mm，相比降低了1~2个数量级。另外，电容电压CV测试结果显示，经过BOE溶液处理表面，明显降低了器件表面态密度，达到1013cm–2·eV–1量级，表面态密度的降低，提高了肖特基势垒高度，降低了隧穿电流和表面漏电。

AlGaN/GaN；肖特基接触；表面处理；反向漏电；电导法；表面态密度

近年来，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）以其优越的特性，在制备高频、高压、高温及大功率器件方面备受关注[1-3]。高质量器件工艺的研究是器件取得高性能的保证，其中肖特基接触是制备器件众多关键技术之一，肖特基接触的优劣直接影响了GaN HEMT的性能，同时对器件能否在高电压下工作以及大功率的取得至关重要。此外，肖特基栅漏电也是低频噪声的主要来源，严重制约了器件高性能的获得。而表面缺陷和界面态成为影响肖特基特性的重要因素，表面存在的自然氧化层、杂质的积累都会改变金半接触能带状态，导致肖特基势垒高度降低，理想因子增大，进而造成栅泄漏电流增大。因此，为了提高肖特基特性，降低栅泄漏电流，有效的表面处理是必要的。目前常用的表面处理方法有等离子体处理和酸碱溶液处理等，为了获得更好的实验结果，本文将这两种方法相结合，首先对样品进行氧等离子体处理，之后进行不同的酸碱溶液处理。采用氧等离子体处理表面不仅可以减少表面残留的光刻胶薄膜，同时也去除了酸碱处理氧化层时的阻碍层。通过对比样品肖特基反向漏电的大小，得到了提高肖特基特性的有效表面处理方法，并从界面态角度对这一结果进行解释。

1 制备

在4H-SiC衬底上采用金属有机物化学气相沉积方法（MOCVD）生长器件外延材料，自下而上依次为SiC衬底层、2 μm GaN缓冲层、1 nm AlN插入层、23 nm AlGaN 势垒层(Al组分大约为摩尔分数24%)以及2 nm GaN帽层。器件结构如图1所示，其中，欧姆接触采用电子束蒸发Ti/Al/Ni/Au(20 nm/180 nm/55 nm/50 nm)，在870 ℃ N2氛围中快速热退火50 s，采用线性传输线模型（LTLM）进行测试，得到欧姆比接触电阻率为（2~5）×10–5Ω·cm2。肖特基接触采用Ni/Au（40 nm/500 nm），在蒸发肖特基金属前，先使用氧等离子体对表面进行处理，之后采用不同的溶液清洗表面，其中样品A采用体积比(HCl:H2O)=1:3的溶液处理；样品B采用BOE溶液处理；样品C采用体积比(NH4OH:H2O)=1:5的溶液处理，处理时间均为40 s。

图1 材料外延结构示意图

2 结果及讨论

采用Keithley 4200半导体表征系统对栅宽为60 μm的单指器件进行肖特基特性测量，结果如图2所示。当栅压gs为–50 V时，采用BOE、盐酸、氨水处理后的器件肖特基漏电gs分别为3.8×10–5，9.2×10–4，0.0058 A/mm，可以明显看出，经过BOE处理后，器件漏电最低，相比较于盐酸和氨水处理表面，器件漏电降低1~2个数量级。

图2 表面处理后肖特基接触的反向I-V特性

实际制备的器件形成的肖特基接触并不是理想的金半接触，诸多因素都会使得肖特基接触特性偏离理想状态，比如存在于金属半导体之间的薄氧化层中的界面态。表面氧化层的存在，促使半导体电场强度下降，肖特基势垒高度降低，理想因子变大，栅漏电增大。实际金属-半导体接触的能带示意图，如图3所示，其中为界面层上的电势，为界面层的厚度，it为界面处界面态密度。

图3 金属-半导体肖特基接触的实际能带图

实验过程中，HCl和BOE对Al2O3和Ga2O3等异质结表面氧化物都具有一定的腐蚀作用，同时可以去除样片上残留的杂质，减少由于杂质引起的肖特基性能的退化，因此表面处理后肖特基特性得到良好的改善[4-6]。但是由于卤素Cl–与Ga3+反应生成GaCl3，GaCl3溶解性较差，会阻碍HCl与表面氧化层的反应，所以样品经过BOE处理器件肖特基特性要优于HCl处理。而相对于HCl和BOE，氨水的腐蚀能力则较差，从而造成器件的栅漏电比较大，肖特基特性差。

对三个样品中的肖特基圆环二极管进行不同频率下电容电压和电导电压测试，采用-、-曲线中器件在零偏压附近的差异来反映实际AlGaN表面处不同能级表面态[7]。仿照MIS结构分析方法，可以把AlGaN层假想为绝缘层，则AlGaN/GaN肖特基二极管的电容由四部分组成：肖特基栅/AlGaN表面态等效的电容surf、AlGaN耗尽层电容AlGaN、AlGaN/GaN界面态等效的电容it和GaN耗尽层电容GaN，其等效电路图如图4所示。

图4 AlGaN/GaN肖特基二极管等效电路模型

当栅电压较大时，半导体的费米能级相对金属费米能级上升且高过异质结三角形势阱很多，如图5（a）所示，此时异质结界面态都填满了电子，并不会随栅压的增加而响应变化，而肖特基栅/AlGaN界面态会在固定时间内及时释放电子做出响应，此时能反映金属与AlGaN界面处界面态信息而不能反映异质结处的界面态。

当栅电压为负值并且导致二维电子气（2DEG）耗尽时，半导体费米能级在金属与AlGaN界面处禁带中下部，如图5（b）所示，对于金属与AlGaN界面态陷阱而言，发射电子非常困难，而界面态陷阱能及时释放电子响应栅电压变化，此时能反映到异质结处的界面态而不能反映金属与AlGaN界面处的界面态。因此，可以通过控制栅电压的取值来表征器件不同界面的缺陷密度。

图5 平行电导法中正栅压（a）和负栅压（b）能带示意图

由平行电导法知，

式中：p为平行电导；为器件测试所加的交变信号的角频率；为表面缺陷态的时间常数；it为表面缺陷态密度。当=2时，存在极大值，平行电导p可通过实际测量电容m、电导m和AlGaN势垒层等效电容b得出，因此通过p/与的特性曲线即能够得到表面缺陷态的值[8]。

(2)

利用公式（2）计算得到零偏压下p/与的关系如图6所示，通过极大值可以估算出it，因为选取的栅压为0 V，所以这个it实际表征的是肖特基栅与AlGaN界面处的界面态，同时假设此时2DEG已经完全填满，因此求得的值比实际值偏大。表1给出了经过不同表面处理后器件的表面态密度，经过BOE处理后，表面态密度有了明显的降低，这主要是由于F–的电负性很强，AlGaN的表面会吸附一部分的F–从而引入了固定的负电荷，而势垒层中存在的陷阱呈现正电荷效应，中和后表面态密度降低[9-10]，器件栅漏电降低。

图6 零偏压下Gp/ω与ω的关系曲线

表1 不同表面处理后的表面态密度

Tab.1 The Dit of the samples after surface treatment

3 结论

实验表明，表面处理对器件的肖特基特性有显著影响，采用BOE溶液可以有效去除AlGaN/GaN异质结表面氧化物和样片上残留的杂质，氧化层的清除使肖特基势垒高度变高，从而使栅反向电流减小1~2个量级。另外由于AlGaN表面会吸附一部分F–，降低了表面的施主型表面态的密度，使得肖特基势垒高度增加，势垒宽度变宽，隧穿电流和表面漏电减少，最终提高了器件的肖特基特性，这对于制备高性能器件具有指导意义。

[1] MISHRA U K, SHEN L, KAZIOR T E,et al. GaN-based RF power devices and amplifiers [J]. Proc IEEE, 2008, 96(2): 287-305.

[2] HOLZWORTH M R, RUDAWSKI N G, PEARTON S J, et al. Characterization of the gate oxide of an AlGaN/GaN high electron mobility transistor [J]. Appl Phys Lett, 2011, 98(12): 122101-3.

[3] IKEDA N, NIIYAMA Y, KAMBAYASHI H,et alGaN power transistors on Si substrates for switching applications [J]. Proc IEEE, 2010, 98(7): 1151-1161.

[4] SELVANATHAN D, MOHAMMED F M, BAE J O, et alInvestigation of surface treatment schemes on n-type GaN and Al0.20Ga0.80N [J]. J Vacuum Sci Technol B, 2005, 23(6): 2538-2544.

[5] MOTAYED A, SHARMA A, JONES K A, et al. Electrical characteristics of AlGa1–xN Schottky diodes prepared by a two-step surface treatment [J]. J Appl Phys, 2004, 96(6): 3286-3295.

[6] KWIETNIEWSKI N, SOCHACKI M, SZMIDT J, et al. Influence of surface cleaning effects on properties of Schottky diodes on 4H-SiC [J]. Appl Surf Sci, 2008, 254: 8106-8110.

[7] KORDOŠ P, STOKLAS R, GREGUŠOVÁ D,et al. Characterization of AlGaN/GaN metal-oxide- semiconductor field-effect transistors by frequency dependent conductance analysis [J]. Appl Phys Lett, 2009, 94(22): 2235121-3.

[8] GREGUŠOVÁ D, STOKLAS R, MIZUE C H, et al. Trap states in AlGaN/GaN metal-oxide-semiconductor structures with Al2O3prepared by atomic layer deposition [J]. J Appl Phys, 2010, 107(10): 1061041-3.

[9] LI B K, GE W K, WANG J N,et al. Persistent photoconductivity and carrier transport in AlGaN/GaN heterostructures treated by fluorine plasma [J]. Appl Phys Lett, 2008, 92(8): 0821051-3.

[10] LIU F, QIN Z X. Effects of fluorine-based plasma treatment and thermal annealing on high-Al content AlGaN Schottky contact [J]. Chin Phys B, 2016, 25(11): 1173041-4.

（编辑：陈丰）

Effects of surface treatment on Schottky contact

HUO Dangdang1,2, ZHENG Yingkui2, CHEN Shizhe1, WEI Ke2, LI Peixian1

(1. School of Advanced Materials and Nanotechnology, Xidian University, Xi’an 710126, China; 2. Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Science, Beijing 100029, China)

The effects of different surface treatment methods on Ni/Au Schottky characteristic were investigated. It is found that the characteristics of Schottky contact are improved obviously by using O2plasma etching the surface of AlGaN and cleaning the surface with the solution of BOE (volume ratio of HF to NH4F is 1:7). The reverse leakage current is reduced by 1－2 orders compared with the sample treated by hydrochloric acid or ammonia water, which is 3.8×10–5A/mm on the bias of –50 V. In addition, the capacitance voltage test results show that the density of surface states of the sample treated by BOE is reduced effectively, which is in the range of 1013cm–2·eV–1magnitude. Due to the decrease of surface state density, the Schottky barrier height increases, and the tunneling current and surface leakage reduce.

AlGaN/GaN; Schottky contact; surface treatment; reverse leakage current; conductance method; surface state density

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.06.013

TN43

A

1001-2028（2017）06-0066-04

2017-04-28

李培咸

国家863高技术研究发展计划资助（No. 2015AA016801）

李培咸（1972－），男，陕西人，教授，博士，研究方向为GaN基紫外LED材料生长方法与器件工艺、GaN基紫外探测器，E-mail: peixian_li@163.com ；霍荡荡（1993－），男，陕西人，研究生，研究方向为GaN基HEMT器件工艺及电路设计，E-mail:huodangdang0923@163.com。

网络出版时间：2017-06-07 13:44

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170607.1344.013.html