金属与半导体接触可以形成肖特基接触,也可以形成非整流的接触,即欧姆接触。欧姆接触不产生明显的附加阻抗,而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变。
不考虑表面态影响,若Wm<Ws,金属和n型半导体接触可以形成反阻挡层;而当Wm>Ws时,金属和p型半导体接触可以形成欧姆接触。然而,一些半导体材料有很高的表面态密度,无论是n型还是p型材料与金属接触都会形成势垒,而与金属的功函数关系不大,因此不能通过选择金属材料的方法获得欧姆接触,但可以利用隧道效应的原理在半导体上制造欧姆接触。半导体重掺杂时,它与金属的接触可以形成接近理想的欧姆接触。
欧姆接触电阻定义为零偏压下的微分电阻
从上式可以看出,隧穿几率P强烈地依靠掺杂浓度ND,ND越大,P就越大。如果掺杂浓度很高,隧穿几率就很大。不同能量的电子隧穿几率也不相同,对各种能量电子隧道电流的贡献积分可得总电流,它与隧穿几率呈正比,即
大多数n-GaN基欧姆接触包含两种低功函数的金属:Al和Ti。这些接触包括一些金属体系:单层Al、单层Ti,双层Ti/Al,多层Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Pd/Au、Ti/Au/Pd/Au、Ti/Al/Pt/Au、Ti/Al/Mo/Au等从而可以发现Ti/Al对于n-GaN基欧姆接触的形成势相当有用的。不同金属功函数,熔点及电阻率见表格1。
表1 不同金属功函数、熔点及电阻率
生成低电阻率的金属/n-GaN接触,需要满足很多设计要求。这些要求可以通过图1来说明
图1 n-GaN上欧姆接触金属设计原理
好的欧姆接触必须有一个势垒层L1,这一层是最接近n-GaN的,必须是自然情况下为金属化的,而且要有可以忽略不计的电阻,它的功函数应该很小。势垒层提供了一个阻挡层使得那些比它功函数大的金属扩散到n-GaN表面。在众多难熔的和过渡金属化合物中,硼化物、碳化物、氮化物是在化学以及热力学上十分稳定的化合物。氮化物有TiN、TaN、ZrN等。过去TiN被用于阻挡Ti-Pt间的互扩散。而在n-GaN的欧姆接触中,TiN、TaN、ZrN等氮化物成为首选。因为他们十分容易通过势垒层金属M1与n-GaN中的N原子的固相化学反应获得。在众多的势垒层金属中,Ti是一种非常高活性且难熔的金属。它比Co还有活跃。势垒层L1是M1N化合物,是n-GaN中的氮原子外扩散与势垒层金属M1反应所形成的化合物。氮原子从n-GaN中的向外扩散来形成这些金属化合物,在n-GaN中留下氮空位VN。这些空位成为了n型施主原子[76]而且带隙能级非常接近n-GaN导带底。因此,选择一种或多种如Ti、Ta、Zr、Co等分别作为反应势垒层金属M1A、M1B、M1C,可以达到两个目的:1.形成低阻、低功函数、薄及热稳定的金属势垒层化合物;2.在n-GaN表面下形成了高密度氮空位。
接触还应该有一层覆盖层金属M2,覆盖层金属作为催化剂促使氮原子进入势垒层金属提高氮原子与金属原子M1A、M1B等的固相化学反应。另外他应该可以提供薄的,低功函数,致密的(M1,M2)合金,甚至是在n-GaN表面生成薄的M2N化合物。低功函数金属Al是很好的覆盖层金属,因为它即不会产生高功函数合金也不会合金产生厚的宽带隙材料。势垒层和覆盖层金属都不应该外扩散到接触表面形成氧化物/氢氧化物,因为氧化物和氢氧化物是绝缘的,会引起接触性能明显退化。但是势垒层金属和覆盖层金属都容易氧化。因此需要在覆盖层上再加一层或多层的帽层,帽层金属可以是单层金属(M4)或是两层难熔金属M3、M4。引入帽层能够降低接触系统总的自由能。如果只引入一层帽层金属M4,根据互熔性,两个接触中的薄层金属M2、M4能够相互反应形成帽层金属化合物M2、M4。选择一个合适的M2和M4中间层,能够更进一步降低系统的总自由能。因此,通过引入M3金属层,将产生更多的金属间合金,使得整个金属结构体系更加的稳定。
总之,金属层M1、M2、M3、M4并不会在n-GaN/M1/M2/M3/M4系统中自动建立化学平衡。因此,必须采用快速热退火(RTA)使得金属间互扩散,从而发生固相界面反应形成一系列金属间化合物。通过这样的方法,绝大多数的金属在反应中消失了,取而代之的反应产物是由薄的低电阻,低功函数金属势垒层L1A、L1B等以及势垒层L1上面的热稳定金属间合金组成的。这些层的实际构成取决于RTA时间,RTA温度以及各层金属的厚度。因此,优化这些参数对于获得低阻抗,热稳定金属合金及其重要。
另一个欧姆接触的主要影响因素是氮空位在n-GaN表面的大量堆积。如果氮空位和镓空位在RTA或者表面处理中产生,氮空位一定要比镓空位多。n-GaN表面处理包括等离子体刻蚀或湿法刻蚀。表面处理要在金属化前进行。Mohammad指出了n-GaN的表面处理对于制造低阻接触十分重要,有几个原因:1. 可以消除GaN表面的氧化物和氢氧化物,甚至是残留的镓,形成了少氮GaN表面2. 刻蚀后粗糙的GaN表面增大了接触面积,易于金属与GaN表面的黏附3. 刻蚀后金属半导体表面的势垒高度低于肖特基势垒高度4. 在GaN表面产生大量的氮空位。