P型GaN欧姆接触结构、其制备方法及应用

技术领域

本发明是关于半导体器件技术领域，特别是关于一种P型GaN欧姆接触结构、其制备方法及应用。

背景技术

氮化镓(GaN)基材料(包括GaN、AIN、InN及其合金)是继硅、砷化镓之后的第三代半导体，其禁带宽度范围为0.7～6.2eV，在光电子和微电子领域具有广泛的应用前景和研究价值。以Micro-LED、激光器等为代表的GaN基光电子器件，具有体积小、效率高、寿命长和响应速度快等优点，在军用及民用领域有非常重要的应用价值。

为了获得高效率GaN器件，P型GaN欧姆接触性能的优化是必须要克服的技术难题。由于GaN基光电器件工作状态时，流过器件的电流密度较高，因此，电极处金属与半导体的接触尤其重要。P型GaN生长时掺入杂质Mg的电离能比较高，这使得常温下Mg的电离几率低，难以获得高空穴浓度的P型GaN材料。现行主流方法就是调高Mg的掺杂浓度至10

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种P型GaN欧姆接触结构的制备方法及应用，其能够降低比接触电阻率，提高P型GaN欧姆接触性能。

为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种P型GaN欧姆接触结构的制备方法，包括：在衬底上生长外延层，所述外延层包括位于顶层的Mg掺杂的P型GaN层；在所述Mg掺杂的P型GaN层表面形成Mg层；原位退火并酸洗，以使Mg层形成疏松接触层结构；在所述Mg层表面制备金属电极。

在本发明的一个或多个实施方式中，采用分子束外延设备进行所述外延层的生长，且在同一所述分子束外延设备的生长腔室内进行所述Mg层的沉积。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述Mg掺杂的P型GaN层的厚度为20nm-500nm。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述Mg掺杂的P型GaN层中Mg元素的掺杂浓度为5*10

在本发明的一个或多个实施方式中，沉积所述Mg层的环境温度为250℃-1000℃。

在本发明的一个或多个实施方式中，沉积所述Mg层的时间为1min-30min。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述Mg层的厚度为1nm-10nm。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述原位退火的温度为300℃-800℃。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述原位退火的时间为1min-30min。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述原位退火的氛围包括氮气、氧气或氮气和氧气的混合气体。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述原位退火的氛围为氮气和氧气的混合气体，其中，氮气：氧气＝4:1。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述酸洗所用的溶液为无机酸溶液，包括盐酸、硫酸、硝酸。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述酸洗所用的溶液为比例HCl：H

在本发明的一个或多个实施方式中，可以采用电子束蒸发工艺、磁控溅射工艺进行所述金属电极的制备。

在本发明的一个或多个实施方式中，在所述Mg层表面制备金属电极，包括：在所述Mg层表面制备第一金属电极，所述第一金属电极的材料包括Pd、Pt、Ni、Pt、Al、Ti等一种或几种，所述第一金属电极的厚度为1nm-300nm；在所述第一金属电极表面形成第二金属电极，所述第二金属电极的材料包括Au，所述第二金属电极的厚度大于或等于30nm。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述外延层还包括，形成于所述衬底表面的GaN缓冲层，形成于所述GaN缓冲层表面的非掺杂GaN层；所述Mg掺杂的P型GaN层形成于所述非掺杂GaN层表面。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述外延层以及所述Mg层的形成环境为超高真空环境，所述超高真空环境的压强范围为10

在本发明的一个或多个实施方式中，沉积所述Mg层所用Mg源的纯度为6N(99.9999％)。

在本发明的一个或多个实施方式中，制备金属电极后，进行二次退火处理。

本发明还提供了一种P型GaN欧姆接触结构，包括：衬底；外延层，形成于所述衬底表面，所述外延层包括位于顶层的Mg掺杂的P型GaN层；Mg层，形成于所述Mg掺杂的P型GaN层表面；金属电极，形成于所述Mg层表面。

本发明还提供了一种根据上述的制备方法制备的P型GaN欧姆接触结构在激光器件中的应用。

与现有技术相比，根据本发明实施方式的P型GaN欧姆接触结构的制备方法，能够显著防止GaN的氧化，降低P型GaN掺杂浓度，并且利用金半接触界面处的隧穿效应降低势垒，降低接触电阻，提高器件性能。

根据本发明实施方式的P型GaN欧姆接触结构的制备方法，能够降低比接触电阻率，提高P型GaN欧姆接触性能。

附图说明

图1是根据本发明一实施方式的P型GaN欧姆接触结构的制备方法的工艺流程图；

图2是根据本发明一实施方式的P型GaN欧姆接触结构的示意图；

图3是根据本发明一实施方式的P型GaN欧姆接触结构的原子力显微镜图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如背景技术所言，现有技术中的用于提高金半接触界面欧姆接触的方法，主要集中在高掺GaN层、高掺InGaN层等，然而上述方法均存在一些缺陷。例如：将Mg的掺杂浓度提升到较高量级可能导致载流子迁移率下降、器件性能降低等一系列问题。传统金半接触结构，电极与半导体接触界面处往往会存在着GaO

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种P型GaN欧姆接触结构的制备方法，通过在P型GaN表面生长或沉积一层薄的高纯的Mg层来制备P型GaN欧姆接触结构，之后对样品进行退火酸洗处理，并沉积金属电极，能够显著防止GaN的氧化，降低P型GaN掺杂浓度，并且利用金半接触界面处的隧穿效应降低势垒，降低接触电阻，提高器件性能。利用本发明的P型GaN欧姆接触结构的制备方法，能够降低比接触电阻率，提高P型GaN欧姆接触性能。

如图1所示，根据本发明一实施方式的P型GaN欧姆接触结构的制备方法，包括：s1，在衬底上生长外延层，外延层包括位于顶层的Mg掺杂的P型GaN层；s2，在Mg掺杂的P型GaN层表面形成Mg层；s3，原位退火并酸洗，以使Mg层形成疏松接触层结构；s4在Mg层表面制备金属电极。

其中，步骤s1和步骤s2均在同一分子束外延设备的生长腔室内进行。即，先在分子束外延设备的生长腔室内进行外延层的生长，后直接在分子束外延设备的生长腔室内打开Mg源，进行Mg层的沉积。这层高纯Mg层不仅可以充当降低势垒的接触层，还能降低Mg掺杂的P型GaN的掺杂浓度，无需对GaN高掺Mg从而提高整体的载流子迁移率、提高电学性能。此外沉积的Mg层还能够防止顶层的GaN氧化。在步骤s3中，通过原位退火，消除材料应力，同时薄层的Mg层退火后形成的MgO层并不致密，通过后续无机酸溶液的漂洗能够形成具有疏松孔洞的疏松接触层结构，利于后续金属电极与半导体的接触。

以下对本申请的P型GaN欧姆接触结构的制备方法进行详细展开阐述，以便于理解本申请的内容。

首先，通过分子束外延设备(MBE)在衬底10上外延生长P型GaN外延层20。外延层20包括依次外延生长的GaN缓冲层21、非掺杂GaN层22以及Mg掺杂的P型GaN层23，如图2所示。其中，p型GaN材料均使用分子束外延设备进行生长。对于p型材料，MBE设备的生长腔室为超高的真空环境(10

其次，直接在分子束外延设备(MBE)的生长腔室内开启Mg源，在已经生长好的P型GaN层表面沉积或蒸镀还生长高纯薄的Mg原子层(Mg层30)，如图2所示。其中，Mg源的纯度为6N(99.9999％)，沉积速率约为0.5nm/min。外延生长后的样品表面可以参阅图3的原子力显微镜图，仍展现出了较好的台阶流生长形貌和较低的粗糙度(粗糙度均方根RMS：1.98nm)。这层高纯Mg层不仅可以充当降低势垒的接触层，还能降低其下层P型GaN层的掺杂浓度，无需对GaN高掺Mg从而提高整体的载流子迁移率、提高电学性能。此外，Mg层还能够防止顶层的GaN氧化。其中，进行直接腔内镀Mg时，分子束外延设备的Mg炉的开启温度可以为250℃～1000℃，镀膜时间可以为1～30分钟，薄层Mg原子层厚度可以为1nm～10nm。

接着，对样品进行原位退火处理，消除材料应力。其中，原位退火的温度可以为300℃～800℃，退火时间可以为1min～30min，退火氛围可以为氮气、氧气或氮气与氧气的混合气体，优选的，退火氛围为氮气与氧气的混合气体，且氮气：氧气＝4:1。薄层的Mg层经退火后形成的MgO层并不致密，通过后续无机酸溶液的漂洗能够形成疏松孔洞，利于后续金属电极和半导体的接触。

然后，对样品进行酸洗，去除表面残留MgO层，并使Mg层形成具有疏松孔洞的接触层结构，这层Mg层经过酸洗处理后并不致密，内部有着类似孔洞结构的通路，载流子可以通过这些通路完成输运过程。其中，酸洗去除氧化层的无机溶液可以为盐酸、硫酸、硝酸等无机酸溶液，优选为比例HCl：H

最后，通过光刻、沉积接触金属电极、剥离、二次退火等步骤制备CTLM传输环图形，后进行比接触电阻率测试。其中，所述的沉积接触金属电极所使用的沉积设备可以为电子束蒸发、磁控溅射等镀膜设备；沉积的金属电极分为两层，第一层为第一金属电极，常用为Pd、Pt、Ni、Pt、Al、Ti等一种或几种，常见厚度为1nm～300nm。第二层为第二金属电极，常见金属为Au，厚度一般大于或等于30nm。当上述的P型GaN材料用于激光器时，电极材料优选为Pd/Pt/Au(30nm/30nm/50nm)。

在上述实施例中，Mg层的沉积是直接在具有真空环境的MBE设备中进行的。在其他实施例中，也可以通过电子束金属沉积的方法实现，只要确保在后续转移过程中一直保持无氧环境，杜绝可能存在的氧化风险即可。

参考图2所示，本申请基于上述P型GaN欧姆接触结构的制备方法，还提出了一种P型GaN欧姆接触结构，包括衬底10，形成于衬底10表面的外延层20，形成于外延层20表面的Mg层30以及形成于Mg层30表面的金属电极(图未示)。其中，外延层20包括形成于衬底10表面的GaN缓冲层21，形成于GaN缓冲层21表面的非掺杂GaN层22以及形成于非掺杂GaN层22表面的Mg掺杂的P型GaN层23。其中，Mg掺杂的P型GaN层的厚度为20nm-500nm。Mg掺杂的P型GaN层中Mg元素的掺杂浓度为5*10

本发明还提供了一种根据上述的制备方法制备的P型GaN欧姆接触结构在激光器件中的应用。

与现有技术相比，本发明实施方式的P型GaN欧姆接触结构的制备方法，是一种利用MBE设备在生长腔室内沉积Mg原子层来制备P型GaN欧姆接触结构的新方法。该方法利用MBE设备自带的高纯Mg原子束，直接在P型GaN表面生长一层薄的高纯Mg层，通过退火酸洗形成一种新的接触层结构，不仅保护了其下层GaN，还降低了所需掺杂的杂质浓度，以及降低了接触界面处的势垒，疏松的薄层Mg层作为接触层能够有效降低接触电阻，提高器件性能，是一种提高欧姆接触效率的可行方法。

下面结合具体实施例及相应的对比例对本申请的P型GaN欧姆接触结构及其性能进行详细阐述。

实施例1：

步骤1：使用分子束外延设备，在蓝宝石衬底的GaN缓冲层上外延生长500nm非掺杂GaN层，再生长Mg掺杂的P型GaN层，其中掺Mg的P型GaN层的厚度为200nm，Mg掺杂浓度可以降低为5×10

步骤2：利用分子束外延设备，对步骤1中生长的P型GaN外延层二次外延生长一层高纯薄Mg层。待衬底温度降至70℃时开启Mg源，Mg炉温度调节至350℃，挡板开启15分钟，在最外层P型GaN上镀上若干原子层的Mg。

步骤3：将上述步骤2中所得外延片在快速退火炉中，按照氮气：氧气＝4:1的氛围在650℃温度下退火2分钟，使外延片表面产生疏松的Mg/MgO层接触层。

步骤4：将上述步骤3中所得外延片利用HCl：H

步骤5：清洗后的外延片表面进行10分钟的HMDS(六甲基二硅氮烷)预处理，然后旋涂光刻胶，并在在95℃的热板上烘干90s，之后进行传输环的光刻，然后在3038显影液中进行显影得到传输环图形，然后在110℃热板上烘90s坚膜。

步骤6：将光刻后的P型GaN使用电子束蒸发设备沉积Pd/Pt/Au(30nm/30nm/50nm)三层金属，并用丙酮/NMP溶液(N-甲基吡咯烷酮)进行剥离，去除残留光刻胶，多次清洗以后得到传输环金属图形。

步骤7：使用快速退火炉进行二次退火，对传输环金属图形在650℃氮气氛围下退火90s，之后使用四探针系统对圆形传输环模型进行测试，得到多组电阻率数据，计算得到比接触电阻率数据。

对比例1：

步骤1：使用分子束外延设备，在蓝宝石衬底的GaN缓冲层上外延生长500nm非掺杂GaN层，再生长Mg掺杂的P型GaN层，其中掺Mg的P型GaN层的厚度为200nm，Mg掺杂浓度提升至为5×10

步骤2：将上述步骤1中所得外延片利用HCl：H

步骤3：清洗后的外延片表面进行10分钟的HMDS(六甲基二硅氮烷)预处理，然后旋涂光刻胶，并在在95℃的热板上烘干90s，之后进行传输环的光刻，然后在3038显影液中进行显影得到传输环图形，然后在110℃热板上烘90s坚膜。

步骤4：将光刻后的P型GaN使用电子束蒸发设备沉积Pd/Pt/Au(30nm/30nm/50nm)三层金属，并用丙酮/NMP溶液(N-甲基吡咯烷酮)进行剥离，去除残留光刻胶，多次清洗以后得到传输环金属图形。

步骤5：使用快速退火炉进行退火，对传输环金属图形在650℃氮气氛围下退火90s，之后使用四探针系统对圆形传输环模型进行测试，得到多组电阻率数据，计算得到比接触电阻率数据。

对比例2：

步骤1：使用MOCVD设备，在蓝宝石衬底的GaN缓冲层上外延生长2μm n-GaN层，再生长Mg掺杂的p-GaN层，其中掺Mg的p-GaN层的厚度为400nm，Mg掺杂浓度为5×10

步骤2：将步骤1中生长的P型GaN外延层利用HCl：H

步骤3：将上述步骤2中所得外延片在快速退火炉中，按照氮气：氧气＝4:1的氛围在650℃温度下退火2分钟，使外延片表面产生疏松的Mg/MgO层接触层。

步骤4：将上述步骤3中所得外延片利用HCl：H

步骤5：清洗后的外延片表面进行10分钟的HMDS(六甲基二硅氮烷)预处理，然后旋涂光刻胶，并在在95℃的热板上烘干90s，之后进行传输环的光刻，然后在3038显影液中进行显影得到传输环图形，然后在110℃热板上烘90s坚膜。

步骤6：将光刻后的P型GaN使用电子束蒸发设备沉积Pd/Pt/Au(30nm/30nm/50nm)三层金属，并用丙酮/NMP溶液(N-甲基吡咯烷酮)进行剥离，去除残留光刻胶，多次清洗以后得到传输环金属图形。

步骤7：使用快速退火炉进行二次退火，对传输环金属图形在650℃氮气氛围下退火90s，之后使用四探针系统对圆形传输环模型进行测试，得到多组电阻率数据，计算得到比接触电阻率数据。

结论：实施例1测试得到比接触电阻率为4.1x10

通过实施例1、对比例1和对比例2可知：本发明方案提出的欧姆接触结构方案，其测试得到的电阻率更低、接触性能更好，方案具有优越性。而提高Mg掺杂浓度的对比例1，性能下降主要来自于高杂质掺杂浓度导致的载流子迁移率下降、电学性能恶化。对比例2中常规蒸镀Mg层金属的方法则是无法避免转移过程中界面的氧化，同时电子束蒸发腔内杂质较多，蒸镀金属纯度会下降，从而综合导致了其欧姆接触性能的降低。

本发明提出的这种利用MBE设备自带的高纯Mg原子束，直接在P型GaN表面二次外延薄的高纯Mg层并在退火、酸洗后形成的接触层结构，降低了所需掺杂的杂质浓度以及接触界面处的势垒，能够有效降低接触电阻，提高器件性能，是一种提高欧姆接触效率的可行方法。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。