金属_p-GaAs界面态对接触电阻作用机理的研究_张琛辉.pdf

：金属 界面态对接触电阻作用机理的研究张琛辉，李冲，王智勇，李巍泽，李占杰，杨帅（北京工业大学 材料与制造学部 先进半导体光电技术研究所，北京 ；北京工业大学 信息学部 光电子技术省部共建教育部重点实验室，北京 ）摘要：本文针对大功率垂直腔面发射激光器（，）阵列热阻大、出光不均匀的问题，研究 层欧姆接触电阻值 的 作 用 机 理，降 低 欧 姆 接 触 串 联 电 阻 的 方法，以提高 阵列出射光功率的均匀性。基 于 种 常 用 欧 姆 接 触 金 属 、，研究各层金属厚度和金属组合对与型欧姆接 触 电 阻 的 作 用 规 律；结 合 等 离 子 体 表 面 处理工艺，改变金属 界面态，研究界 面 态 对 欧 姆 接 触 电 阻 的 影 响 规 律。实 验 对 比 分 析 得 到金属 结构电极欧姆接触的比接触电阻率最低，为 ；基于金半接触势垒模型，通过表面等离子体处理，界面势垒可降低 （降至 ），等离子体轰击功率可调控金半界面的势垒和态密度。关键词：垂直腔面发射激光器（）；欧姆接触；比接触电阻率；等离子体表面处理；势垒中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：（），（），：（）；光 电 子 激 光第 卷 第期 年月 ：收稿日期：修订日期：基金项目：北京市自然科学基金（）资助项目 引言 材 料 系 垂 直 腔 面 发 射 激 光 器（，）出光波长覆 盖 波 段，具 有 低 的 阈 值 电流、窄的发散角、圆形对光斑、单纵模输出、高速调制能力、可以在片测试等优势，芯片开发成 本 低、易实现高密度二维面阵的集成，实现高功率输出，相较于传统边发射激光器具有更宽的工作温度范围，广泛应用于短距离光通信、数据中心、激光雷达、感应、激 光投 影和显 示、陀螺仪、芯片 原子钟 等 领 域。而 且，激 光 器 有 源 区 光 程短，出光功率低于传统边发射激光器，因此，具有更高出光功率的 阵列获得越来越多 的关注和研究，但是现今研制的 阵列受到热电阻和出光不均匀的问题的困扰，未获 得 预 期出 的光功率。研究发现 材料系 器件型欧姆接触电阻远大于 型，是串联电阻的主要来 源，也 是 阵 列 芯 片 热 电 阻 的 主 要 来 源 之一，阵列 芯 片 是 多 激 光 单 元 并 联、单 激光器件注入电流由单元电阻决定的，因 此 阵列 的出光功率均匀度受到激光单元的电阻的限制。降低型接触电阻是提高 阵列出光功 率和均匀度的重要手段。年，刘梦涵等 采用 结 构 制 备 电极，、的快退合金，得到比接触电阻率 为 的 芯 片；年，等将 层 掺 杂 浓 度 提 高 到 ，选择 作为电极金属结构，制备器件的型欧姆接触 电极的比接触电阻率达到 。年，等 采 用、合金作为 （掺杂浓度为 ）的电极，在低温下得到了 的低欧姆接触电阻。此外，年，封波 等 在 硅 衬 底 基 上通过在电极蒸镀前对表面进行 等离子体处理，处理前后芯片的正向电压由 降低到 ，得到了正向电压更低的芯片，有效改善了欧姆接触特性。本文基于氧化台面结构 阵列芯片，研究影响器件型欧姆接触电阻值的关键因素和作用机理，在掺杂浓度为 的 的表面磁控溅射种型金属电极结构（、以及 ），分析 不 同 金属结构以 及各金属层厚度对比接触电阻值的影响规律，其中 的比接触电阻率最低，为 ；利用氮气和氧气两种等离子体轰击 表面，可调控接触面的比接触电阻率，基于金半接触势垒理论和模型，可得到 和 等 离 子 体 轰 击 表 面 后，金 半 接 触 表 面 势 垒 可 由 降低至 ，降低约 。理论传输线模型（，）是测量金属半导体间接触电阻最常用的方法。在半导体上制备间距有序衰减的金属方块，如图所示。分别在两个相邻方块间通相同电流，得到相应的电压。图（）测试电极方块显微镜图像；（）测试电极方块截面图 （）；（）半导体表面相邻两个金属电极之间的电阻如式（）所示：，（）式中，为两个金属电极之间的总电阻，为金属与半导体之间的接触电阻，为半导体材料方块电阻，为欧姆接触方块边长，为欧姆接触方块的间距。衡量欧姆接触质量的关键参数是比接触电阻率，其定义式如下：。（）结果与讨论本文采用氧化台面结构的 芯片，型欧姆接触层是掺杂浓度为 的 层。欧 姆 接 触 方 块 边 长 选 择 ，间 距为，方块电极共有 块。采用磁控溅射的方法第期张琛辉等：金属 界面态对接触电阻作用机理的研究制备不同的金属厚度和结构；采用等离子去胶机对 表面进行等离子轰击处理，以改变金属 界面态能级和密度，等离子体轰击处理后再进行金属溅射。形成电极图案后，对芯片 进 行 （，）快速退火处理，利用 半导体参数系统配合探针台，将两根探针分别扎在两个相邻的方块电极上，测试其曲线，共 组。最后利用传输线模型计算金属 接触面的比接触电阻率，具体结果如图所示（图（）、（）、（）为曲线的测试图，图（）、（）、（）为接触电阻的测试拟合图）。金属电极结构在 表面分别溅射 （样品一）、（样品二）、（样品三）种电极，经过快速退火合金，测得种金属结构的电极在一系列间距下的曲线，如图（）、（）、（）所示，可以看出样品一的曲线具有很好的线性度，形成欧姆接触，曲线的斜率即为电极电阻的倒数（）；而样品二、三的曲线呈现“”形状，类似肖特基接触曲线，因此提取具有相对较好线性度区域的斜率近似计算电极电阻，如样品二提取的是工作偏压 区域的曲线，样品三提取的 。提取得到个样品间距与电阻之间的关系见图（）、（）、（），通过线性拟合可得到，样品一、样品二、样品三的比接触电阻率分别为 ，。金属为 时，比接触电阻率较高，是因为电导性不佳的 的厚度过大，影响了整体电极的导电效果。由于样品表面掺杂浓度低（），使得其比接触电阻率对于金属的改变更为敏感，这也是导致本文样品的比接 光 电 子 激 光 年第 卷图图（）、（）、（）分别为 、样品的欧姆接触方块的曲线图；图（）、（）、（）分别为 、的欧姆接触电阻线性拟合图 （），（），（），；（），（），（），触电阻率整体较低的原因。界面态样品二与样品三的曲线呈现“”形状，如图（）、（）所示。分析发现，“”型曲线近似肖特基接触特性，曲线“”型代表在不同的偏压下，流过电极方块的电流有一个非线性的变化，这与肖特基接触非常类似。而直线的曲线在不同偏压下电流呈现线性变化，这符合欧姆接触特性。而曲线的“”型，是因为电流在流经半导体表面时，遭遇势垒阻碍，需要经过一定电压的积累（“”型中间区域），冲破势垒区（），得以正常通过（以前、以后呈线性）。如图（）所示。样品二、三的势垒高度可根据如下的肖特基势垒计算式得到：（），（）式中，为电极方块距离 （）的电流密度，为 外 加 偏 压，为 有 效 理 查 逊 系 数，对 于 半导体，为 。提取样品二在对应的电流密度，进而计算得到样品二的势垒高度为 ；提取样品三在 对应的电流密度，进而计算得到样品三的势垒高度为 。根据样品二计算所得的势垒高度，计算出理论曲线，与测试曲线拟合良好，如图（）所示。图（）金属 接触后的能带图；（）样品二在 处的测试曲线及其总电阻的线性拟合 （）；（）第期张琛辉等：金属 界面态对接触电阻作用机理的研究众所周知，界面势垒受到界面态密度的制约，为了进一步研究“”曲线的特性参数与界面势垒和界面态之间的作用关系，在溅射金属前，利用等离子体气体（主要是氮气和氧气）轰击 表面，人为调控金属 界面态，溅射金属 ，并进行退火处理。基于肖特基势垒理论和测 试 曲 线，获 得 势 垒 与 界 面 态 之 间 的 规 律和 关 系。等 离 子 轰 击 功 率 和 气 体 流 量 分 别 为 、，、，时间均为。具体测试及分析结果如图所示。图（）为经过不同条件等离子体处理后计算所得样品的势垒高度，图（）为测试所得不同条件等离子体处理后电极方块间距 的总电阻。从图（）中可以发现，随着等离子处理的功率以及气体流量的增大，样品的势垒高度降低，而图（）表示随着等离子处理的功率以及气体流量的增大，电极方块间距 的总电阻在减小。高能等离子的轰击可能提高了界面处的表面活化能，从而降低欧姆接触电阻，这与金属半导体接触能带有关，如图（）所示，等离子体对半导体表面的轰击，打破了半导体表面的 键，使得表面形成了更多悬键，提高了表面态密度，使得图中的势垒高度（）降低，外加电流更容易跨越势垒，进入半导体。而等离子要比 等离子更容易形成悬键，因此 离子的轰击比 离子对欧姆接触电阻的改善更加明显。等离子表面处理前，势垒高度为 ，接触电阻 ，取所有条件下等离子体处理后样品的势垒高度及接触电阻的加和平均值，得到处理后的平均势垒高度 ，降低了 ，平均接触电阻为 ，降低了 。其中，等离子处理在功率 、气体流量 下，势垒高度为 ，比 等 离 子 体 表 面 处 理 前，降 低 了 ；接触电阻为 ，比等离子体表面处理图（）经过不同条件等离子体处理后样品的势垒高度；（）不同表面处理条件下电极方块间距 的总电阻 （）；（）前降低了 。结论本文利用磁控溅射技术在 材料表面沉积种常见型欧姆接触电极（、），快速退火形成欧姆接触，测试分析得到电极金属结构为 时，可在 表面形成良好欧姆接触，且具有最低的比接触电阻率（）。金半接触势垒过高会造成曲线出现类似肖特基接触的“”形区域，基于界面能带结构理论和肖特基势垒模型，计算得到 的势垒高度为 ，的势垒高度为 。实验发现，等离子和 等离子轰击 表面均可降低界面势垒高度，等离子轰击能量和气体流量越大，欧姆接触电阻越小，界面势垒高度越低；改善效果最明显的是 等离子处理在功率 、气体流量为 时，势垒高度为 ，比等离子体表面处理前，降低了 ；接触电阻为 ，比等离子体表面处理前降低了 。参考文献：，（）：，光 电 子 激 光 年第 卷 ，（）：，（）：，？，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，：（美）施敏，伍国鈺 半导体器件物理 耿莉，张瑞智，译第版西安：西安交通大学出版社，：，：，：刘恩科，朱秉升，罗晋升半导体物理学 第版北京：电子工业出版社，：，（）：作者简介：李冲（）女，博士，博士生导师，副教授。主要从事半导体光电探测器和激光器芯片方面的研究第期张琛辉等：金属 界面态对接触电阻作用机理的研究