阅读说明：本技术 一种p-GaN欧姆接触电极及其制备方法和应用 (P-GaN ohmic contact electrode and preparation method and application thereof ) 是由 王玮 王宏兴 张明辉 问峰 林芳 陈根强 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种p?GaN欧姆接触电极及其制备方法和应用，包括：p?GaN材料层，所述p?GaN材料层形成有重掺杂p?GaN层；所述重掺杂p?GaN层上形成有底层接触金属层，所述底层接触金属层上形成有上层盖帽金属层；其中，重掺杂p?GaN层中，Mg掺杂浓度≥1×10<Sup>20</Sup>cm<Sup>?3</Sup>。本发明的p?GaN欧姆接触电极，具有低比接触电阻率的欧姆接触特性。(The invention discloses a p-GaN ohmic contact electrode and a preparation method and application thereof, wherein the preparation method comprises the following steps: the p-GaN material layer is formed with a heavily doped p-GaN layer; a bottom layer contact metal layer is formed on the heavily doped p-GaN layer, and an upper layer cap metal layer is formed on the bottom layer contact metal layer; wherein, in the heavily doped p-GaN layer, the Mg doping concentration is more than or equal to 1 multiplied by 10 20 cm ‑3 . The p-GaN ohmic contact electrode has ohmic contact characteristic of low contact resistivity.)

一种p-GaN欧姆接触电极及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及半导体材料与器件技术领域，特别涉及一种p-GaN欧姆接触电极及其制备方法和应用。

背景技术

第一代Si、Ge半导体将人类带入了信息时代，同时也带动了电子系统的智能化和信息化。第二代半导体(GaAs、InP、MCT等)为我们带来光电器件、功率电子器件、射频电子器件和空间抗辐照器件等，引发了无线通信、光通信等信息领域的革命。

第三代半导体GaN具有宽禁带、高击穿、高频等优异的半导体特性；相比Si基半导体，GaN材料的击穿场强是其10余倍，Baliga优值高出其1580多倍；相比于其它三五族半导体材料，GaN基异质结因其在不掺杂时通过强自发极化效应能产生极高浓度的二维电子气，更是使其成为第三代半导体材料中的首选。GaN材料优越的性能使其在射频微波和电力电子领域有着广阔的应用前景。

然而，上述技术方案的实现需要性能优良的欧姆接触电极作为坚实的基础。由于p-GaN材料功函数较大(7.5eV)没有合适的金属形成优异的欧姆接触；Mg掺杂的p-GaN材料空穴浓度难以提高，一直以来p-GaN材料的欧姆接触比接触电阻率很难做到n-GaN材料的10^-6～10^-8cm²的水平。目前p-GaN材料常用的欧姆接触电极体系为镍/金(Ni/Au)，其比接触电阻率在10^-4～10^-5cm²的量级。

综上，亟需一种新的p-GaN欧姆接触电极，以进一步提升p-GaN的欧姆接触特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种p-GaN欧姆接触电极及其制备方法和应用，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的p-GaN欧姆接触电极，具有低比接触电阻率的欧姆接触特性。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种p-GaN欧姆接触电极，包括：

p-GaN材料层，所述p-GaN材料层形成有重掺杂p-GaN层；所述重掺杂p-GaN层上形成有底层接触金属层，所述底层接触金属层上形成有上层盖帽金属层；

其中，重掺杂p-GaN层中，Mg掺杂浓度≥1×10²⁰cm^-3。

本发明的进一步改进在于，所述重掺杂p-GaN层的厚度为1～10nm。

本发明的进一步改进在于，所述底层接触金属层的厚度为5～50nm，其材质为Ni、Ir、ITO、TiN或NiN。

本发明的进一步改进在于，所述上层盖帽金属层的厚度为50～1000nm，其材质为Al、Au、Pt和Pd中的一种或多种。

本发明的进一步改进在于，所述欧姆接触电极形成的比接触电阻率小于等于10^-5Ω·cm。

一种本发明上述的p-GaN欧姆接触电极的应用，应用于电子元件；所述电子元件为探测器、肖特基二极管、晶闸管、场效应晶体管、发光二极管、激光二极管、MEMS器件或生物传感器。

本发明的一种p-GaN欧姆接触电极的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，在清洗并吹干的p-GaN材料层上沉积Mg金属，并进行高温退火处理，获得高温退火处理后的样品；

步骤2，去除步骤1获得样品表面残留的Mg金属，在Mg金属区域的下方形成重掺杂p-GaN层；其中，重掺杂p-GaN层中，Mg掺杂浓度≥1×10²⁰cm^-3；

步骤3，在步骤2获得的重掺杂p-GaN层上沉积底层接触金属材料，获得底层接触金属层；在底层接触金属层上沉积上层盖帽金属材料，获得上层盖帽金属层；退火处理，形成预设比接触电阻率的欧姆接触。

本发明的进一步改进在于，步骤1中，清洗并吹干p-GaN材料层的步骤具体包括：利用标准清洗有机和无机清洗工艺清洗p-GaN材料，清洗结束后N₂吹干。

本发明的进一步改进在于，步骤1中，Mg金属沉积采用热蒸发、电子束蒸发或溅射的沉积方式；

高温退火处理的方法为快速退火热处理或炉管式退火热处理，退火气氛为N₂或Ar气氛，退火温度为500～900℃，退火时间为1～60分钟。

本发明的进一步改进在于，步骤3中，沉积方式为热蒸发、电子束蒸发或溅射；

退火处理的方法为快速退火热处理或炉管式退火热处理，退火气氛为N₂、O₂和Ar的单一或混合气体气氛，退火温度为300～600℃，退火时间为1～60分钟。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的p-GaN欧姆接触电极，在p-GaN材料表面形成有一层几个纳米的重掺杂层，可降低p-GaN与金属的比接触电阻率，形成良好的欧姆接触，能够提升电子元件的电学性能。具体的，重掺杂p-GaN层中，Mg掺杂浓度≥1×10²⁰cm^-3，通过p-GaN表面沉积的Mg金属扩散及后续退火获得，利用重掺杂p-GaN层中高的空穴浓度产生的隧穿效应形成比接触电阻率低的欧姆接触。其中，重掺杂p-GaN层的高空穴浓度有利于载流子隧穿，形成比接触电阻率低的欧姆接触。

进一步地，重掺杂p-GaN层的厚度为1～10nm，几纳米厚度的重掺杂层足以形成隧穿效应太厚则会增加接触电阻。

本发明的制备方法用于制备本发明上述的p-GaN欧姆接触电极，其利用优先沉积的Mg金属，在p-GaN材料表面扩散形成一层几个纳米的重掺杂p-GaN层来降低p-GaN与金属的接触电阻，形成良好的欧姆接触。具体的，p-GaN层是空穴传输，浓度太低会增加电阻，太高会增加载流子散射；本发明中形成有重掺杂区域，能增强隧穿效应，降低接触电阻。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种p-GaN欧姆接触电极的结构示意图；

图2是本发明实施例的一种p-GaN欧姆接触电极的制备方法的流程示意图；

图1中，1、p-GaN材料层；2、重掺杂p-GaN层；3、底层接触金属层；4、上层盖帽金属层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，本发明实施例的一种p-GaN欧姆接触电极，由下至上依次包括：p-GaN材料层1、重掺杂p-GaN层2、底层接触金属层3以及上层盖帽金属层4。

其中，p-GaN材料层1的p-GaN材料是Mg掺杂GaN，通过MOCVD外延获得；p-GaN材料包含的重掺杂p-GaN层2厚度为1～10nm，Mg掺杂浓度≥1×10²⁰cm^-3，通过p-GaN表面沉积的Mg金属扩散及后续退火获得，利用重掺杂p-GaN层2中高的空穴浓度产生的隧穿效应形成比接触电阻率低的欧姆接触。

底层接触金属层3厚度为5～50nm，材质为Ni、Ir、ITO、TiN、NiN等。

上层盖帽金属层4厚度为50～1000nm，材质为Al、Au、Pt、Pd的一种或多种组合。

本发明实施例的p-GaN欧姆接触电极形成的比接触电阻率小于等于10^-5Ω·cm。

请参阅图2，本发明实施例的一种p-GaN欧姆接触电极的制备方法，包括以下步骤：

1)利用标准清洗有机、无机清洗工艺清洗p-GaN材料，清洗结束后N₂吹干；

2)在经步骤1)清洗干净的p-GaN材料上沉积Mg金属，并进行高温退火处理，获得高温退火处理后样品；

3)将高温退火处理后样品经HCl、HF清洗后，去除表面残留Mg金属，在Mg金属区域下方形成高掺杂p-GaN区域，也即p-GaN重掺杂层；

4)在高掺杂p-GaN区域依次沉积底层接触金属、上层盖帽金属，并进行退火处理，形成良好欧姆接触。

优选的，步骤2)中Mg金属沉积方式为热蒸发、电子束蒸发、溅射等，Mg金属厚度为1～50nm，高温退火处理的方法为快速退火热处理或炉管式退火热处理，退火气氛为N₂、Ar等，退火温度为500℃～900℃，退火时间为1～60分钟。

优选的，步骤3)中p-GaN重掺杂层厚度为1～10nm，掺杂浓度≥1×10²⁰cm^-3。

优选的，步骤4)中底层接触金属、上层盖帽金属的沉积方式为热蒸发、电子束蒸发、溅射等，底层接触金属层3厚度为5-50nm，材质为Ni、Ir、ITO、TiN、NiN等，上层盖帽金属层4厚度为50～1000nm，材质为Al、Au、Pt、Pd的一种或多种组合；退火处理的方法为快速退火热处理或炉管式退火热处理，退火气氛为N₂、O₂、Ar或其混合气体等，退火温度为300℃～600℃，退火时间为1～60分钟。

本发明的一种p-GaN欧姆接触电极适用于电子元件，电子元件为探测器、肖特基二极管、晶闸管、场效应晶体管、发光二极管、激光二极管、MEMS器件或生物传感器。

实施例1

本发明实施例的一种p-GaN欧姆接触电极的制备方法包含如下步骤：

1)在清洗完成p-GaN材料表面旋涂一层AZ5214光刻胶，将旋涂好光刻胶的p-GaN样品在95℃条件下烘烤90秒，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光4s，显影30s去掉被曝光的光刻胶，留下沉积Mg金属的窗口；

2)将光刻后的p-GaN样品置于电子束蒸发设备当中，本底真空抽至5×10^-4Pa后，在样品表面沉积Mg金属10nm，沉积方式为热蒸发。取出沉积完成的p-GaN样品，浸泡在N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中，并120℃水浴5分钟，然后超声剥离掉曝光区域以外的金属获得Mg金属层；

3)将含有Mg金属层的p-GaN样品置于管式退火炉中，设定气氛为氮气，流量为2L/min，温度上升速率30℃/s，退火温度500℃，退火时间60分钟，使得Mg扩散进入p-GaN材料中形成薄的重掺杂p-GaN层；

4)将退火处理后的p-GaN样品浸泡在稀释后的HCl溶液中浸泡5分钟去除残留的Mg金属层；

5)清洗形成重掺杂p-GaN的样品，并在其表面旋涂一层AZ5214光刻胶，将旋涂好光刻胶的p-GaN样品在95℃条件下烘烤90秒，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光4s，显影30s去掉被曝光的光刻胶，留下沉积接触金属的窗口；

6)将光刻后的p-GaN样品置于电子束蒸发设备当中，本底真空抽至5×10^-4Pa后，在样品表面依次沉积底层接触金属Ni 50nm、上层盖帽金属Au 1000nm；沉积方式为电子束蒸发。取出沉积完成的p-GaN样品，浸泡在N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中，并120℃水浴5分钟，然后超声剥离掉曝光区域以外的金属获得接触金属层；

7)将样品置于快速退火炉中，设定气氛为氧气，流量为3L/min，温度上升速率30℃/s，退火温度600℃，退火时间1分钟，形成低比接触电阻率的欧姆接触。

实施例2

本发明实施例的一种p-GaN欧姆接触电极的制备方法包含如下步骤：

1)将清洗完成p-GaN材料置于等离子体增强气相化学沉积(PECVD)中，在其表面沉积一层20nm SiO₂；

2)在含有SiO₂的p-GaN材料表面旋涂一层AZ5214光刻胶，将旋涂好光刻胶的p-GaN样品在95℃条件下烘烤90秒，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光4s，显影30s去掉被曝光的光刻胶；

3)将光刻后的样品在120℃热板上坚膜120秒，用5:1BOE缓冲液浸泡30秒去除裸露的SiO₂，打开Mg金属沉积窗口；

4)将包含Mg金属窗口的p-GaN样品置于溅射当中，本底真空抽至5×10^-4Pa后，在样品表面沉积Mg金属1nm，沉积方式为溅射，之后通入氮气，流量设定为100sccm，并将衬底温度升至900℃，退火处理1分钟，使得Mg扩散进入p-GaN材料中形成薄的重掺杂层；

5)取出沉积完成的p-GaN样品，浸泡在5:1BOE缓冲液中，静置10分钟，去除SiO₂掩膜及残余的Mg金属层；

6)清洗形成重掺杂p-GaN的样品，并在其表面旋涂一层AZ5214光刻胶，将旋涂好光刻胶的p-GaN样品在95℃条件下烘烤90秒，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光4s，显影30s去掉被曝光的光刻胶，留下沉积接触金属的窗口；

7)将光刻后的p-GaN样品置于电子束蒸发设备当中，本底真空抽至5×10^-4Pa后，在样品表面依次沉积底层接触金属ITO 5nm、上层盖帽金属Au 200nm，沉积方式为溅射。取出沉积完成的p-GaN样品，浸泡在N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中，并120℃水浴5分钟，然后超声剥离掉曝光区域以外的金属获得接触金属层；

8)将样品置于管式退火炉中，设定气氛为氮气和氧气混合气体，流量为3L/min，温度上升速率30℃/s，退火温度300℃，退火时间60分钟，形成低比接触电阻率的欧姆接触。

实施例3

本发明实施例的一种p-GaN欧姆接触电极的制备方法包含如下步骤：

1)将清洗完成p-GaN材料置于等离子体增强气相化学沉积(PECVD)中，在其表面沉积一层20nm SiN_x；

2)在含有SiN_x的p-GaN材料表面旋涂一层KXN5735-LO光刻胶，将旋涂好光刻胶的p-GaN样品在95℃条件下烘烤90秒，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光2s，显影25s去掉被曝光的光刻胶；

3)将光刻后的样品在120℃热板上坚膜120秒，用5:1BOE缓冲液浸泡30秒去除裸露的SiN_x，打开Mg金属沉积窗口；

4)将包含Mg金属窗口的p-GaN样品置于溅射当中，本底真空抽至5×10^-4Pa后，在样品表面沉积Mg金属50nm，之后通入氩气，流量设定为200sccm，并将衬底温度升至800℃，退火处理60分钟，使得Mg扩散进入p-GaN材料中形成薄的重掺杂层；

5)取出沉积完成的p-GaN样品，浸泡在5:1BOE缓冲液中，静置10分钟，去除SiN_x掩膜及残余的Mg金属层；

6)清洗形成重掺杂p-GaN的样品，并在其表面旋涂一层KXN5735-LO光刻胶，将旋涂好光刻胶的p-GaN样品在95℃条件下烘烤90秒，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光2s，显影25s去掉被曝光的光刻胶，留下沉积接触金属的窗口；

7)将光刻后的p-GaN样品置于电子束蒸发设备当中，本底真空抽至5×10^-4Pa后，在样品表面依次沉积底层接触金属TiN 20nm、上层盖帽金属Pt/Au各50/100nm。取出沉积完成的p-GaN样品，浸泡在N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中，并120℃水浴5分钟，然后超声剥离掉曝光区域以外的金属获得接触金属层；

8)将样品置于管式退火炉中，设定气氛为氮气和氧气混合气体，流量为3L/min，温度上升速率30℃/s，退火温度500℃，退火时间30分钟，形成低比接触电阻率的欧姆接触。

实施例4

本发明实施例的一种p-GaN欧姆接触电极的制备方法，其他与实施例1相同，区别在于，制备的电极中：p-GaN材料层中，Mg掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；重掺杂p-GaN层中，Mg掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3；所述重掺杂p-GaN层的厚度为1nm；所述底层接触金属层的厚度为5nm，其材质为Ni。所述上层盖帽金属层的厚度为50nm，其材质为Pt。

实施例5

本发明实施例的一种p-GaN欧姆接触电极的制备方法，其他与实施例1相同，区别在于，制备的电极中：p-GaN材料层中，Mg掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3；重掺杂p-GaN层中，Mg掺杂浓度为5×10²¹cm^-3；所述重掺杂p-GaN层的厚度为10nm；所述底层接触金属层的厚度为50nm，其材质为TiN。所述上层盖帽金属层的厚度为1000nm，其材质为Al、Au和Pt三种。

实施例6

本发明实施例的一种p-GaN欧姆接触电极的制备方法，其他与实施例1相同，区别在于，制备的电极中：

p-GaN材料层中，Mg掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3；重掺杂p-GaN层中，Mg掺杂浓度≥1×10²¹cm^-3；所述重掺杂p-GaN层的厚度为5nm；所述底层接触金属层的厚度为30nm，其材质为Ni、Ir、ITO、TiN或NiN；所述上层盖帽金属层的厚度为500nm，其材质为Al、Au、Pt和Pd中的一种或多种。

综上所述，针对现有技术方案存在的问题，本发明提供的p-GaN欧姆接触电极，利用Mg金属的扩散在p-GaN材料表面形成一层几个纳米的重掺杂层来降低p-GaN与金属的比接触电阻率，提升电子元件的电学性能。其制备方法以及包含使用该欧姆接触电极结构和制备方法的电子元件，可以降低欧姆接触的比接触电阻率，提升电子元件的电学性能。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。