低接触电阻的三族氮化物p型欧姆电极结构的制作方法

本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及低接触电阻的三族氮化物p型欧姆电极结构。

背景技术：

化合物半导体氮化镓(gan)基材料具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好、强的抗辐照能力、电子饱和迁移速度快等优异的化学和物理特性。特别是，通过调节gan基材料三元化合物algan、alinn和ingan、四元化合物alingan的组分，可改变材料的禁带宽度、实现能带裁剪，也可实现带隙对应波长从红外到深紫外的连续变化。这些材料特性的优势，使得以gan为代表的三族氮化物在半导体研究领域受到了广泛的关注，在光电子与电子器件领域也得到了广泛的应用。自九十年代以来，三族氮化物半导体在蓝、绿、紫外光发光二极管(led)和激光二极管(ld)，紫外光电探测器(pd)以及高频微波器件和功率电子器件领域的研究与应用中都取得了巨大的进展。但是，当前在其材料制备与器件制作中仍然存在着诸多的问题。其中，在p型gan及与其相比具有更宽禁带的三、四元化合物材料上制备良好的欧姆接触一直是个挑战，而获得良好的欧姆接触是制备高性能gan/algan基器件的关键。

欧姆接触是指金属与半导体的接触，而其接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻，理想的欧姆接触接触面上的压降与器件有源区上的压降相比，可以忽略不计，即不会产生明显的附加阻抗。根据欧姆接触形成的两种主要理论机制：势垒模型和隧穿模型，获得良好的欧姆接触主要可以从以下方面出发：第一，选择功函数大于p型三族氮化物材料的接触金属，空穴将由金属流向p型三族氮化物在接触处形成正的空间电荷区，该高电导的区域称为反阻挡层，以获得几乎无阻抗的良好欧姆接触；但由于p型gan材料本身功函数(7.5ev)很高，其三元、四元化合物的功函数随着禁带宽度的增大而增大，导致目前的金属都不具有足够的高功函数以形成良好p型欧姆接触。第二，通过重掺杂的方式提高隧穿概率。隧穿概率与p型三族氮化物的掺杂浓度、外加电压、接触势垒的高度和空穴的有效质量都有很大的关系。目前镁(mg)是三族氮化物材料最适合的p型受主掺杂元素，在gan基光电器件中，通常在p型层之后再生长一薄层的mg重掺杂层来降低p型欧姆接触电阻。但是，由于宽禁带半导体中的受主离化能较高(gan中mg受主杂质的离化能在150～180mev，远高于室温热能的26mev)，因而在室温下的离化率很低，难以形成有效数量的离子，从而导致隧穿的作用有限；同时，由于mg在三族氮化物材料中的固溶度较低，限制了重掺杂的浓度，过度的重掺杂不仅会产生mg的衍生化合物与络合物，还会导致晶体质量劣化，表面粗糙度增加，不利于器件制作。这些因素，均妨碍了gan基材料良好p型欧姆接触的形成，使得p型欧姆接触电阻有待进一步降低。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种沿三族氮化物晶向来优化金属与p型三族氮化物材料欧姆接触的电极结构。

本发明的方案为：提供一种低接触电阻的三族氮化物p型欧姆电极结构，所述电极结构的电极图形线条体的方向均与三族氮化物的第一晶向或第二晶向或第一晶向和第二晶向的等效晶向方向一致，所述第一晶向的晶向指数为所述第二晶向的晶向指数为所述第一晶向顺时针旋转120°后与所述第二晶向平行，所述电极结构的焊线电极(bondingpad)部分位于电极结构的几何中心或任何电极图形线条体交叉点上。

优选地，所述电极结构为正六边形的蜘蛛网形状，包括同心的正六边形线条体、将正六边形线条体的三对正对角连接起来的三条正对角线线条体、位于电极结构的几何中心或任何电极图形线条体交叉点上的焊线电极部分。

优选地，所述正六边形线条体的三组对边中有两组分别与三族氮化物的第一晶向、第二晶向方向一致，剩余一组与三族氮化物的第一晶向和第二晶向的等效晶向方向一致。

优选地，三条所述正对角线线条体分别与三族氮化物的第一晶向、第二晶向、第一晶向和第二晶向的等效晶向方向一致。

优选地，所述正六边形线条体的个数和大小不限，对应的所述正对角线线条体的长度和大小不限。

优选地，所述电极结构为蜂窝形状，包括密集连接成蜂窝状的若干正六边形线条体、位于电极结构的几何中心或任何电极图形线条体交叉点上的焊线电极部分。

优选地，所述电极结构为弓字形，包括若干构成弓字形的线条体、位于电极结构的几何中心的焊线电极部分。

优选地，所述焊线电极(bondingpad)部分为圆形、椭圆形、矩形、正多边形的任一种。

优选地，所述电极结构与三族氮化物材料形成p型欧姆接触后，所述电极结构表面沉积一层将电极结构形状完全覆盖的p型欧姆接触导电薄膜。

本发明的有益效果：

1.本发明主要为在p型三族氮化物材料上获得良好的欧姆接触特性，三族氮化物材料中轻空穴在和晶向上具有更低有效质量，沿晶向的电极结构能最大程度利用三族氮化物材料晶向、以及其等效晶向上更高的隧穿概率特性，从而降低接触电阻率，并且它与当前选用高功函数金属、重掺杂技术来优化p型材料欧姆接触的技术方法不冲突，可以一并使用，来改善欧姆接触特性。

2.利用矩形传输线模型(tlm，transmissionlinemodel)分别对多组p型欧姆接触电极进行电阻率测试。测试中，将沿两个晶向的条形欧姆接触电极分别制作在p-gan材料上，并对所采用的镍/金(ni/au)双层金属电极进行合金退火使其与p型gan材料形成欧姆接触；同时也制备了参照组的欧姆接触电极，其形状、金属组合与合金条件均与晶向接触电极相同，不同之处仅是将其偏转，使条形电极与晶向呈11°的角度差。为了方便观察三种情况下测试得到的电阻率分布差异，将每种情况下欧姆接触电极的测试电阻率值从小到大排列，其接触电阻率如图5所示。图中，横坐标为测试次数的排列序号，纵坐标为测试得到的电阻率值，曲线a、b、c分别为偏转11°角的欧姆接触电极参照组、晶向接触电极和晶向接触电极的电阻率分布折线图。数据显示，相比偏转11°角的欧姆接触电极，两组晶向欧姆接触电极均表现出较低的比接触电阻率。其中，比接触电阻率分别表现为，晶向接触电极的ρc值在3.97×10^-8～3.36×10^-7ω·m²之间，晶向接触电极的ρc值在1.57×10^-7～1.11×10^-6ω·m²之间，而偏转11°角接触电极的ρc值在2.13×10^-5～8.81×10^-5ω·m²之间。晶向欧姆接触电极的平均比接触电阻率值比偏转11°角电极的平均值降低了2-3个数量级。这些测试数据表明，晶向欧姆接触电极可大幅度降低p型欧姆接触电阻，从而改善所制作的含有p型欧姆接触的iii族氮化物光电子与电子器件的性能。

附图说明

图1是本发明第一种实施例的结构示意图。

图2是本发明第二种实施例的结构示意图。

图3为本发明第三种实施例的结构示意图。

图4为本发明第四种实施例的结构示意图。

图5为晶向电极结构电阻率与晶向关系图。

具体实施方式

本发明下面将结合附图作进一步详述：

请参阅图1所示，作为本发明的第一种实施例，电极结构为正六边形的蜘蛛网形状，包括2个同心的正六边形线条体110、将正六边形线条体的三对正对角连接起来的三条正对角线线条体(120,130,140)、位于电极结构的几何中心或任何电极图形线条体交叉点上的焊线电极部分150，所述正六边形线条体的三组对边中有两组分别与三族氮化物的第一晶向、第二晶向方向一致，剩余一组与三族氮化物的第一晶向和第二晶向的等效晶向方向一致。其中一条正对角线线条体120与三族氮化物的第一晶向方向一致，另一条正对角线线条体130与三族氮化物的第二晶向方向一致，剩下一条正对角线线条体140与三族氮化物的第一晶向和第二晶向的等效晶向方向一致。再沉积一层蜘蛛网形状的厚度低于10nm的镍/金(ni/au)双层合金于电极上方，增强整体电导率。

在第一种实施例中的正六边形线条体的数量不局限于2个，可根据需要增减，正对角线线条体的条数也可根据需要删减。

请参阅图2所示，作为本发明的第二种实施例，电极结构为蜂窝形状，包括密集连接成蜂窝状的若干正六边形线条体(210，220)、位于电极结构的几何中心或任何电极图形线条体交叉点上的焊线电极部分(230)，其中位于中心的正六边形线条体的图号为210，中心的正六边形线条体210外接密集的6个正六边形线条体220，所有正六边形线条体的线条均严格对准三族氮化物的第一晶向第二晶向或第一晶向和第二晶向的等效晶向方向。在电极分布较密集的情况下，不再增加薄膜导电接触来增强电极覆盖范围内的电导率。

在第二种实施例中的正六边形线条体个数没有限制，可根据需要继续在外接的6个正六边形线条体220的基础上继续外接正六边形线条体，使得电极结构始终为蜂窝形状。正六边形线条体可根据需要各自添加正对角线线条体。

请参阅图3和图4所示，所述电极结构为弓字形，包括若干构成弓字形的线条体、位于电极结构的几何中心的焊线电极部分。

请参阅图3所示，作为本发明的第三种实施例，构成弓字形的线条体包括2条沿着三族氮化物的第一晶向的线条体310,4条沿着三族氮化物的第二晶向的线条体320,2条沿着三族氮化物的第一晶向和第二晶向的等效晶向方向的线条体330,焊线电极部分340位于弓字形电极结构的几何中心。再沉积一层弓字形状的厚度低于10nm的氧化铱(iro2)于电极上方，增强整体电导率。

请参阅图4所示，作为本发明的第四种实施例，构成弓字形的线条体包括4条沿着三族氮化物的第一晶向的线条体410、2条沿着三族氮化物的第二晶向的线条体420、2条沿着三族氮化物的第一晶向和第二晶向晶向的等效晶向方向的线条体430，焊线电极部分440位于弓字形电极结构的几何中心。再沉积一层弓字形状的氧化钌(ruo2)于电极上方，增强整体电导率。

在第三和第四种实施中，构成弓字形电极结构的线条体数量可根据需要增减，但电极结构始终为弓字形。

上述任一实施例中的接触部分为圆形、椭圆形、矩形、正多边形的任一种。上述任一实施例中的电极结构的具体大小比例不受限定，使用范围不受限于p-gan，还可用于p-aln和p-inn材料以及p型掺杂的三元合金algan、ingan材料上。

所述电极结构与三族氮化物材料形成p型欧姆接触后，所述电极结构表面沉积一层将电极结构形状完全覆盖的p型欧姆接触导电薄膜。这样可以增强电流在p型晶向欧姆接触电极覆盖范围内的扩展，提高了电极结构的电导率。

利用矩形传输线模型(tlm，transmissionlinemodel)分别对多组p型欧姆接触电极进行电阻率测试。测试中，将沿两个晶向的条形欧姆接触电极分别制作在p-gan材料上，并对所采用的镍/金(ni/au)双层金属电极进行合金退火使其与p型gan材料形成欧姆接触；同时也制备了参照组的欧姆接触电极，其形状、金属组合与合金条件均与晶向接触电极相同，不同之处仅是将其偏转，使条形电极与晶向呈11°的角度差。为了方便观察三种情况下测试得到的电阻率分布差异，将每种情况下欧姆接触电极的测试电阻率值从小到大排列，图5为第一种实施例情况下的接触电阻率测试图。图中，横坐标为测试次数的排列序号，纵坐标为测试得到的电阻率值，曲线a、b、c分别为偏转11°角的欧姆接触电极参照组、晶向接触电极和晶向接触电极的电阻率分布折线图。数据显示，相比偏转11°角的欧姆接触电极，两组晶向欧姆接触电极均表现出较低的比接触电阻率。其中，比接触电阻率分别表现为，晶向接触电极的ρc值在3.97×10^-8～3.36×10^-7ω·m²之间，晶向接触电极的ρc值在1.57×10^-7～1.11×10^-6ω·m²之间，而偏转11°角接触电极的ρc值在2.13×10^-5～8.81×10^-5ω·m²之间。晶向欧姆接触电极的平均比接触电阻率值比偏转11°角电极的平均值降低了2-3个数量级。这些测试数据表明，晶向欧姆接触电极可大幅度降低p型欧姆接触电阻，从而改善所制作的含有p型欧姆接触的iii族氮化物光电子与电子器件的性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。