专利名称：一种改善ZnO薄膜欧姆接触的方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种改善ZnO薄膜欧姆接触的 方法。
背景技术：
ZnO是一种重要的n-vi族宽禁带、直接带隙半导体材料，室温下其
禁带宽度为3.37 eV，激子束缚能为60 meV，被认为是继ZnSe、 GaN之 后的又一种新型光电材料，是短波长发光二极管(LED)和半导体激光器 的最佳候选材料，在信息储存和显示，光通信，半导体白光照明，医学以 及生物等高科技领域具有广泛的用途，是当前半导体材料科学与器件研究 的热点。
目前人们已能运用分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积 (MOCVD)和磁控溅射等方法制备出质量较好的ZnO薄膜，其光致发光 和电致发光谱也都有报道。近年来，ZnO基光电子器件的制作方面已经有 了很大的进展，成功制备出ZnO p-n同质结，异质结LED等，但是ZnO 基器件仍有很多关键问题待解决，如高稳定的p型ZnO的制备以及ZnO 的刻蚀、接触、隔离等制造工艺。
由于欧姆接触性能的好坏直接影响到器件的性能和商业价值，低接触 电阻的欧姆接触是实现高质量器件的基础。因此，为了制备高性能ZnO光 电器件，获得低接触电阻的欧姆接触就是其器件研发过程中必须解决的问 题之一。
目前，常用的改善ZnO欧姆接触的方法有快速热退火，Al掺杂等， 但是这些方法在一定程度上可以降低接触电阻，但热退火会造成ZnO器件 性能的不稳定，而只对接触区域进行Al掺杂其工艺相对复杂。
发明内容
4(一) 要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种改善ZnO薄膜欧姆接触的 方法，以降低ZnO薄膜与金属的接触电阻，改善ZnO薄膜欧姆接触的性 质。
(二) 技术方案
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下-.
一种改善ZnO薄膜欧姆接触的方法，该方法是在沉积金属电极之前， 利用氢等离子体处理ZnO薄膜的电极接触区域，然后在经氢等离子体处理 的ZnO薄膜电极接触区域沉积双层金属电极，形成欧姆接触。
上述方案中，所述利用氢等离子体处理ZnO薄膜的电极接触区域，具 体包括以ZnO薄膜及其上的金属掩模为衬底，将该衬底放入一台背景真 空度为PH的电容式等离子体系统中，对该衬底进行氢等离子体处理，氢 等离子体穿过金属掩模作用于ZnO薄膜上;氢等离子体处理时的等离子体
功率为WH，处理时间为tH，样品的温度为TH。
上述方案中，所述氢等离子体处理时的真空度PH的取值为100至200 Pa，等离子体功率WH的取值为60至100W，处理时间tH的取值为20至 40分钟，样品的温度TH为室温。
上述方案中，所述在经氢等离子体处理的ZnO薄膜电极接触区域沉积 双层金属电极，具体包括将经氢等离子体处理的ZnO薄膜放入一台背景 真空度为l(T5Pa的磁控溅射沉积系统中，用单质金属为溅射靶，在ZnO 薄膜的电极接触区域先沉积一金属层，再在沉积的金属层上沉积一金属 层；在溅射沉积电极时的溅射功率为Ws，真空度为Ps，衬底温度为Ts， 溅射靶与衬底的距离为ds。
上述方案中，所述沉积双层金属电极采用射频磁控溅射技术进行，沉 积的双层金属电极为Ti/Au双层金属电极，先采用单质钛为溅射耙，沉积 一层金属钛层，然后再以单质金为溅射靶，在钛层上沉积一层金层。
上述方案中，所述在溅射沉积电极时的溅射功率Ws为50至IOOW， 真空度Ps为0.5至2Pa，衬底温度Ts为30至200 °C;靶材与衬底的间距 ds为40至60画。上述方案中，所述金属钛层的沉积时间为4至6分钟，金层的沉积时
间为2至5分钟。
(三)有益效果
本发明提供的这种改善ZnO薄膜欧姆接触的方法，是在沉积金属电极之前，首先利用氢等离子体处理ZnO薄膜的电极接触区域，然后利用射频磁控溅射(MS)技术在经氢等离子体处理的ZnO薄膜上制备Ti/Au双层接触。由于氢等离子体处理导致氢扩散进入ZnO薄膜，提高了接触区域ZnO薄膜的载流子浓度，减小了接触区域ZnO薄膜的电阻率，从而可以显著降低ZnO薄膜和金属的接触电阻，改善其欧姆接触特性。
此外，在MS技术中，由于溅射出的粒子具有较高能量，使得ZnO/Ti界面原子能充分混合，可以提高Ti/Au接触在ZnO薄膜上的粘附性。利用该发明最终可以得到粘附良好、接触电阻低的欧姆接触，为实现ZnO薄膜电子器件奠定了基础。
图1是依照本发明实施例提供的改善ZnO薄膜欧姆接触的方法流程
图2是氢处理的ZnO薄膜和没有氢处理的参考样品的I-V特性(电极间距为l.Omm)对比示意图3是氢处理的ZnO薄膜和没有氢处理的参考样品测量的电阻随电极间距变化的对比示意图。
具体实施例方式
第一原理的计算表明，氢在ZnO中的作用与氢在其它半导体中有很大差别，氢在一般的半导体中充当的是复合中心，中和占优势的载流子，然而氢在ZnO中是作为浅施主能级存在，而且可以有很高的浓度。非故意掺杂的ZnO是n型的，利用氢等离子体通过金属掩模处理ZnO薄膜，使氢进入ZnO薄膜中的，在ZnO薄膜中可以充当施主，从而提高ZnO薄膜与金属接触区域的载流子浓度。由于ZnO薄膜接触区域载流子浓度的增加，ZnO势垒区宽度变得很薄，电子通过隧穿效应贯穿势垒产生相当的隧道电
流，这样它的接触电阻可以很小，使得薄膜和金属之间欧姆接触的接触电阻降低。
基于上述原理，本发明提供的这种改善ZnO薄膜欧姆接触的方法，是在沉积金属电极之前，利用氢等离子体处理ZnO薄膜的电极接触区域，然后在经氢等离子体处理的ZnO薄膜电极接触区域沉积双层金属电极，形成欧姆接触。
所述利用氢等离子体处理ZnO薄膜的电极接触区域，具体包括以ZnO薄膜及其上的金属掩模为衬底，将该衬底放入一台背景真空度为PH的电容式等离子体系统中，对该衬底进行氢等离子体处理，氢等离子体穿过金属掩模作用于ZnO薄膜上;氢等离子体处理时的等离子体功率为Wh，处理时间为tH，样品的温度为TH。其中，氢等离子体处理时的真空度PH的取值为100至200 Pa，等离子体功率WH的取值为60至100W，处理时间tH的取值为20至40分钟，样品的温度TH为室温。
所述在经氢等离子体处理的ZnO薄膜电极接触区域沉积双层金属电极，具体包括将经氢等离子体处理的ZnO薄膜放入一台背景真空度为10.spa的磁控溅射沉积系统中，用单质金属为溅射靶，在ZnO薄膜的电极接触区域先沉积一金属层，再在沉积的金属层上沉积一金属层；在溅射沉积电极时的溅射功率为Ws，真空度为Ps,衬底温度为Ts，溅射靶与衬底的距离为4。
所述沉积双层金属电极采用射频磁控溅射技术进行，沉积的双层金属电极为Ti/Au双层金属电极，先采用单质钛为溅射靶，沉积一层金属钛层，然后再以单质金为溅射靶，在钛层上沉积一层金层。
其中，所述在溅射沉积电极时的溅射功率Ws为50至100W，真空度Ps为0.5至2Pa，衬底温度Ts为30至200 。C;靶材与衬底的间距4为40至60mm。金属钛层的沉积时间为4至6分钟，金层的沉积时间为2至5分钟。
为了更清楚地显示出氢等离子体处理对ZnO薄膜本身的电阻率和接触电阻的影响，以下结合具体实施例对本发明进行详细说明。
在本实施例中，首先对整片ZnO薄膜进行处理，接着装上具有不同间距条形电极的掩模，通过掩模沉积Ti/Au双层电极。氢等离子体处理所用 的主要设备是电容式等离子体系统，它包括等离子体处理室、真空系统、 射频功率源等。
本实施例如图1所示，图1是依照本发明实施例提供的改善ZnO薄膜 欧姆接触的方法流程图，该方法包括以下步骤
1) 首先将ZnO薄膜装入等离子体处理室中的样品台上，抽真空到10_4
Pa;
2) 利用氢等离子体处理ZnO薄膜，其工艺条件为真空度150Pa， 衬底温度为室温，射频的功率为80W，处理的时间为30分钟；
3) 取出ZnO薄膜，并在处理后的薄膜上装上具有不同间距条形电极 的金属掩膜，将其装入射频溅射沉积系统的样品台；
4) 然后通过掩模生长钛层，其工艺条件为用单质钛作为溅射靶材， 靶材与衬底的间距为50mm，真空度lPa，衬底温度为室温，射频功率为 80W,沉积时间为5分钟，得到钛层厚度约为80nm;
5) 紧接着在其上生长金层，其工艺条件为用单质金作为溅射靶材， 靶材与衬底的间距为50mm，真空度lPa，衬底温度为室温，射频功率密 度为60W，沉积时间为2分钟，得到Au层厚度约为80nm;
6) 最后，从真空室取出样品。
按照上述生长工艺，在经氢等离子体处理的ZnO薄膜上沉积了 5个 Ti/Au双层电极，电极间距分别为0.5、 1.0、 1.5和2.0mm。利用Keithley 2400测量了其I-V特性，并根据各I-V特性计算了各电极之间的电阻值。
图2给出的是氢处理的ZnO薄膜和没有氢处理的参考样品的I-V特性 曲线(电极间距为l.Omm)。从图2可以看到氢处理的ZnO薄膜的I-V曲 线有着更为陡峭的斜率，显然氢处理后ZnO薄膜的电阻值(接触电阻+薄 膜电阻)显著降低。从I-V曲线得到的电阻值R^实际上是薄膜电阻和接 触电阻的总和即R总- R薄膜+2R接触，为了得到单独的R薄膜和R接触的值， 需要给出由不同间距电极测量得到的电阻值R总随电极间距L变化的关 系，结果如图3所示。
从图3的斜率可以反映薄膜电阻R薄膜的大小，而其线形拟合在Y 轴上的截距则反映了接触电阻(2R接触)。从图3得到氢等离子体处理的ZnO薄膜的接触电阻R鄉为2 -Q，而未经氢等离子体处理的参考ZnO薄膜其接 触电阻R,为190 Q，显然利用本发明的工艺，可以将ZnO薄膜的接触电 阻减小2个量级，并获得更为优异的欧姆接触性能。
在沉积欧姆接触的金属层之前，利用氢等离子体处理ZnO薄膜，可以 成功地将ZnO薄膜的接触电阻减小2个量级，并显著改善ZnO薄膜的欧 姆接触性能。常用的改善ZnO欧姆接触的方法有快速热退火，Al掺杂等， 这些方法在一定程度上可以降低接触电阻，但热退火会造成ZnO器件性能 的不稳定，而只对接触区域进行Al掺杂其工艺相对复杂。而由于氢在ZnO 中是作为浅施主能级存在，而且氢原子体积小，可以通过等离子体处理很 方便的扩散进入ZnO薄膜中，从而提高ZnO薄膜的载流子浓度，并最终 降低ZnO薄膜和金属之间的接触电阻，改善ZnO薄膜的欧姆接触性能。 本发明提供了一条降低ZnO薄膜的接触电阻的可行途径，为实现ZnO基 光电器件奠定了基础。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种改善ZnO薄膜欧姆接触的方法，其特征在于，该方法是在沉积金属电极之前，利用氢等离子体处理ZnO薄膜的电极接触区域，然后在经氢等离子体处理的ZnO薄膜电极接触区域沉积双层金属电极，形成欧姆接触。
2、 根据权利要求l所述的改善ZnO薄膜欧姆接触的方法，其特征在 于，所述利用氢等离子体处理ZnO薄膜的电极接触区域，具体包括以ZnO薄膜及其上的金属掩模为衬底，将该衬底放入一台背景真空度 为PH的电容式等离子体系统中，对该衬底进行氢等离子体处理，氢等离 子体穿过金属掩模作用于ZnO薄膜上；氢等离子体处理时的等离子体功率为WH，处理时间为tH，样品的温度为TH。
3、 根据权利要求2所述的改善ZnO薄膜欧姆接触的方法，其特征在 于，所述氢等离子体处理时的真空度PH的取值为100至200 Pa，等离子 体功率WH的取值为60至100W，处理时间tH的取值为20至40分钟，样品的温度TH为室温。
4、 根据权利要求l所述的改善ZnO薄膜欧姆接触的方法，其特征在 于，所述在经氢等离子体处理的ZnO薄膜电极接触区域沉积双层金属电 极，具体包括-将经氢等离子体处理的ZnO薄膜放入一台背景真空度为l(T5 Pa的磁 控溅射沉积系统中，用单质金属为溅射靶，在ZnO薄膜的电极接触区域先 沉积一金属层，再在沉积的金属层上沉积一金属层；在溅射沉积电极时的 溅射功率为Ws，真空度为Ps，衬底温度为Ts，溅射靶与衬底的距离为ds。
5、 根据权利要求4所述的改善ZnO薄膜欧姆接触的方法，其特征在 于，所述沉积双层金属电极采用射频磁控溅射技术进行，沉积的双层金属 电极为Ti/Au双层金属电极，先采用单质钛为溅射靶，沉积一层金属钛层， 然后再以单质金为溅射靶，在钛层上沉积一层金层。
6、 根据权利要求5所述的改善ZnO薄膜欧姆接触的方法，其特征在 于，所述在溅射沉积电极时的溅射功率Ws为50至100W，真空度h为0.5至2Pa，衬底温度l为30至200 。C;靶材与衬底的间距4为40至60 mm。
7、根据权利要求5所述的改善ZnO薄膜欧姆接触的方法，其特征在 于，所述金属钛层的沉积时间为4至6分钟，金层的沉积时间为2至5分 钟。
全文摘要
本发明公开了一种改善ZnO薄膜欧姆接触的方法，该方法是在沉积金属电极之前，利用氢等离子体处理ZnO薄膜的电极接触区域，然后在经氢等离子体处理的ZnO薄膜电极接触区域沉积双层金属电极，形成欧姆接触。由于氢等离子体处理导致氢扩散进入ZnO薄膜，提高了接触区域ZnO薄膜的载流子浓度，减小了接触区域ZnO薄膜的电阻率，从而可以显著降低ZnO薄膜和金属的接触电阻，改善其欧姆接触特性。此外，在MS技术中，由于溅射出的粒子具有较高能量，使得ZnO/Ti界面原子能充分混合，可以提高Ti/Au接触在ZnO薄膜上的粘附性。利用该发明最终可以得到粘附良好、接触电阻低的欧姆接触，为实现ZnO薄膜电子器件奠定了基础。
文档编号H01S5/00GK101685776SQ20081022361
公开日2010年3月31日 申请日期2008年9月27日 优先权日2008年9月27日
发明者张兴旺, 游经碧, 范亚明, 蔡培锋, 陈诺夫, 云 高 申请人:中国科学院半导体研究所