二极管金属制备研究
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在半导体器件制备工艺中,用于金属淀积的方法主要是物理气相淀积(physicsvapordepositionPVD),该方法是以物理方法来进行薄膜沉积的一种技术，其主要有蒸镀(EvaporationDeposition)和溅射(Sputtering)两种。其中,蒸镀是通过把被蒸镀物体加热，利用被蒸镀物在高温(接近其熔点)时的饱和蒸气压，来进行薄膜沉积的；而溅射是利用等离子体中的离子，对靶材进行轰击，使气相等离子体内具有靶材的离子或原子，这些微观粒子沉积到晶片上就形成了薄膜。与蒸镀方法相比,溅射方法具有以下优点[1]：(1)溅射过程中需要的温度相对较低，在工艺上较容易实现。(2)溅射过程可在一个面积很大的靶材上进行，这样就简化了在大尺寸的衬底材料上沉积薄膜厚度的均匀性问题。(3)溅射法沉积的薄膜的合金成分比蒸发法容易控制。(4)改变加在衬底材料上的偏压和温度可以控制薄膜的许多重要性质，如台阶覆盖和晶粒结构等。其它性质包括内应力和附着性可用改变其它工艺条件，如功率和压力等来实现。基于溅射方法比起蒸镀方法的种种优越性，在我们的研究过程中，主要采用溅射的方法来制备金属材料作为器件的欧姆接触和肖特基接触金属电极。
1实验在金属/AlGaN/GaN肖特基二极管中，欧姆接触作为器件的负极，欧姆接触实现的是金属与半导体的低电阻接触。对于GaN材料，人们通常采用Ti/Al合金[2]作为欧姆接触的金属，并采用不同的实验手段研究过Ti/Al合金与GaN的良好的欧姆接触特性[3~4]，其主要包括电子能量损失谱Electron-energy-lossspectroscopy（EELS），高角环形暗场像High-angleannulardark-fieldimaging（HAADF），能量色散X射线谱Energy-dispersivex-rayspectroscopy（EDX）,高分辨投射电子显微镜High-resolutiontransmissionelectronmicroscopy（HRTEM）等[5]。在我们的实验中，我们同样选取Ti/Al合金作为欧姆接触的金属电极。众所周知，Ti/Al合金的组分比、退火温度及退火时间等都会对欧姆接触的接触电阻有影响，下面分别进行研究。
2结果与讨论
2.1肖特基接触电阻的研究（1）Ti/Al合金厚度比对接触电阻的影响在Ti/Al合金欧姆接触制备过程中，当退火过程发生时，金属Ti发生向上与向下的扩散。向下扩散的Ti与AlGaN发生局域的反应，形成Al＋Ti＋N三元化合物，从而生成金属与AlGaN的低阻接触；向上扩散的Ti与Al形成TiAl合金，这一合金性质相对稳定，而且电阻率低。但是，当Ti与Al的比例不恰当时，Ti与Al反应后将有部分的Ti或者Al剩余，这些剩余的金属在高温退火下容易发生氧化，形成电阻率相对较高的氧化层，从而使欧姆接触的电阻率增大。在实验中，我们分别采用如下四种方法进行淀积：Ti-30nm，Al-100nm；Ti-20nm，Al-100nm；Ti-40nm，Al-100nm；Ti-30nm，Al-200nm，并在温度为850℃条件下，快速热退火30s。其电阻率测试结果如表1所示。从表中可以得出，当采用Ti-30nm，Al-100nm淀积方案时，具有最低的比接触电阻，其值为：2.0×10-4Ω•cm2。（2）退火温度和退火时间对欧姆接触的影响退火可引起材料内部杂质的扩散，因此，退火温度和退火时间对欧姆接触有很大的影响。长时间的退火可以使有意掺杂的杂质充分扩散，形成均匀掺杂的半导体材料，然而在离子注入制造半导体结时，为了在结两侧形成鲜明的两种相，采用快速热退火比较合适。在实验中，为了让Ti/Al合金与AlGaN形成良好的欧姆接触，采用了快速热退火的方式。采用Ti(30nm)/Al(100nm)的样品在不同的温度和时间内进行退火，得到的实验结果如图1由于温度太低，退火几乎没有改善Ti与AlGaN的接触。随着温度的升高，Ti在界面处与AlGaN反应，取代Ga，形成电阻率较低的Al+Ti+N的合金，因而电阻率下降。然而，Al+Ti+N的形成是一个缓慢的过程，因此提高温度有利于反应的进行。但是并非反应温度越高越好，这是因为高温下可能会有其他反应机制的掺入，而且温度越高，金属Al、Ti有可能被气氛中少量的氧所氧化，从而使接触电阻变高。通过大量的实验我们得出：850℃-30sec的退火过程是二极管负极形成低阻欧姆接触的最佳参数。e总结以上实验结果得出：当欧姆接触的Ti，Al合金的厚度分别为Ti-30nm，Al-100nm，退火温度和时间分别为：850℃-30sec时，欧姆接触的比接触电阻率最小，可达到2.0×10-4Ω•cm2。
2.2肖特基接触金属TiN的研究（1）TiN淀积的实验条件人们曾经研究过W,Cr,Ti,Pt,Ni等金属与GaN形成肖特基接触[6]，在我们的实验中选取二极管的肖特基接触金属为TiN。人们曾用它与Si衬底、GaAs衬底形成肖特基接触。由于TiN材料具有较好的热稳定性，而且由于TiN具有较低的电阻率，而受到人们的关注。其制备的方法是：在反应气N2的环境中，工作气体Ar辉光放电产生等离子体轰击Ti靶，轰击出的Ti与氮气电离出的N反应形成TiN淀积在AlGaN衬底表面形成正极。前已述及，金属电极的制备方法有两种：蒸镀和溅射。Ti是一种难挥发的金属元素（熔点：1943K），TiN本身也具有很高的熔点，因此，难以采用蒸镀的办法，在我们的实验中采用溅射的方法在60℃~80℃的温度下进行。溅射的靶材是99.999%的Ti靶，直径为50mm；溅射台的电源采用直流电源，Ti靶接电源的负极，装载器件的衬底接地。（2）TiN的淀积工艺在实验中，我们保持反应室内的压强为20Pa，在此基础上调节氮气与氩气的比例。淀积的TiN薄膜的厚度在SEM下测得，从而得出淀积速率随氮气和氩气的关系如图2所示。从图2得出，当氮气的流量超过氩气的流量时，几乎没有TiN淀积在表面，其可能的原因是：由于氮气难电离，其离解需要Ar等离子体的辅助轰击，此时氮气过多，大量消耗反应室内的氩气，导致氩气对Ti靶的轰击显著减少。少量的Ti在未到达衬底表面已经由高抽速的分子泵抽走，因而此时TiN的淀积速率几乎为零。当氮气与氩气的流量比小于1之后，淀积速率开始逐步上升。然而当氮气与氩气的流量比超过1:4以后，虽然其淀积速率有显著上升，但从扫描电镜的结果看出薄膜表面的颜色和质地发生了改变（图3(a)(b)）。薄膜表面质地和颜色变化的原因可能是：氩气过多地消耗电离自身所需的射频功率，导致射频功率对氮气的电离减少，淀积的薄膜基本上是Ti而不是TiN。（a）N2:Ar=1:2（b）N2:Ar=1:82结论本文首先在不同的退火温度和退火时间的条件下得出了制备低比接触电阻的参数为：850℃-30sec时，欧姆接触的比接触电阻率最小，可达到2.0×10-4Ω•cm2。其次在不同的氮气和氩气流量下研究了TiN的制备及其淀积速率，并对其结果进行了分析。