基于ZrN/Pt与P-GaN相接触的欧姆特性研究

GaN-Based semiconductors are the emerging third-generation semiconductors with the merits of wide bandgap, high saturation electron velocity, and high critical electric field, et al., which make them the excellent candidates for high frequency, high voltage, high temperature and high power applications in the commercial and military power distribution and conversion systems. So far, however, thermally stable low resistance Ohmic contacts to P-GaN materials still remain unsolved. High power function and low carrier density of P-GaN make their surfaces hard to form low resistance Ohmic contacts, which severely affect the thermal stability and output power performances of the GaN based devices. Therefore, we propose a new technique which uses ZrN/Pt double thin films layer contacting to P-GaN surface to make low resistance Ohmic contacts. We will focus on the study of Ohmic contact formation affected by growth parameters of ZrN thin film using pulsed laser deposition and metallization of ZrN/Pt, and its internal physical mechanism. Furthermore, the thermal stability of Ohmic contacts will be investigated by using the Transmission Line Method (TLM) to understand the thermal degradation of Ohmic contacts. It will provide a new metallization scheme for achieving thermally stable and low resistance Ohmic contact to P-GaN with a specific resistance of 10^(-6)ohm-cm^2, and bring wide applications for GaN-based high temperature/ high power devices.

GaN基半导体是新兴的第三代半导体，具有宽带隙、高饱和漂移速度、高临界击穿电场等突出优点，在高频、高压、高温和大功率器件领域具有广阔的应用前景。然而，目前有关P-GaN的热稳定、低阻欧姆接触问题依旧没有得到解决。P-GaN的高功函数和低载流子浓度使其表面难以制备具有低阻的欧姆接触，这严重影响到GaN基器件的热稳定性和输出功率。为此本项目提出一种采用ZrN/Pt双层膜与P-GaN表面相接触来制备低电阻欧姆接触的新的技术方案。项目将重点研究ZrN薄膜的脉冲激光沉积生长工艺和ZrN/Pt合金化工艺参数对欧姆接触形成的影响，并阐明其内在的物理机制。进一步通过传输线模型(TLM)深入研究欧姆接触的热稳定性，揭示欧姆接触退化的机理。本项目的顺利实施将为解决P-GaN的热稳定、低阻欧姆接触，使接触电阻达到10^(-6)ohm-cm^2提供一种新的金属化方案，有利于促进GaN基高温大功率器件的应用发展。

对于GaN基光电子和大功率电子器件来说，良好的欧姆接触是实现高性能器件的基础和关键。然而对于p型GaN要制备较低的欧姆接触电阻一直是一个挑战，这是由于p-GaN空穴浓度较低以及缺少与p-GaN相匹配的高功函数金属等原因。针对p-GaN欧姆接触的难题，本项目主要开展了ZrNx薄膜以及ZrNx/Pt双层薄膜脉冲激光沉积系统（PLD）的生长研究，同时也探索了其他过渡金属氮化物的生长研究，如MoNx等，通过实验表征获得了相关性能参数。通过制备传输线及后期退火等方式，研究其与p-GaN的欧姆接触特性及热稳定性。此外，利用248nm准分子激光对裸片p-GaN表面及以上制备的欧姆接触进行相关的辐照实验处理。主要研究结果如下：.1. 通过PLD系统沉积了高质量并具有良好导电性的ZrNx薄膜。研究表明，衬底温度为475℃时，不同氮气气压下生长的ZrNx薄膜呈现立方（111）择优取向，具有相当平坦的表面形貌，电阻率可以达到3-6*10^(-7)Ω·m；.2. XPS结果表明ZrNx薄膜表面存在严重的C、O污染，致使清洁前薄膜功函数相当高，远高于p-GaN的功函数。但通过利用Ar离子溅射清洁薄膜表面后，虽然薄膜表面的C被移除了，O浓度也降低了，但薄膜的功函数也明显降低了。此外，我们制备了相应的传输环对其电学特性进行表征，发现其I-V曲线呈现非线性。经常规退火后，接触特性依然没有改善，猜测可能与退火条件未优化、没有形成合金有关。之后，通过248nm准分子激光辐照退火的方式，极大的改善了ZrNx及ZrNx/Pt与p-GaN间的接触特性，呈现了良好的欧姆接触特性。.3. 此外，我们通过磁控溅射获得了具有5.23eV功函数、非晶态的MoNx薄膜，其与Au共同构建的Au/MoNx/p-GaN结构在500℃空气中退火30s，获得的I-V曲线为线性，其接触为线性欧姆接触。当退火温度升高到600℃，I-V曲线变为非线性，这可能是由于Mo元素向外扩散而被氧化，从而导致了欧姆接触的特性的退化。.4. 利用高能量密度的248nm准分子激光，在真空中对裸片p-GaN进行扫描式高温退火。发现裸片p-GaN中未沉积金属的任意两点高温退火处，其I-V曲线也能呈现良好的线性欧姆特性。这为推进耐高温大功率的电子电力器件的应用打下了一定的基础。