第４０卷㊀第７期２０１９年７月
发㊀光㊀学㊀报
ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＬＵＭＩＮＥＳＣＥＮＣＥ
Ｖｏｌ ４０Ｎｏ ７
Ｊｕｌｙꎬ２０１９
文章编号:１０００￣７０３２(２０１９)０７￣０８６５￣０６
Ｎｉ插入层对Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ界面接触性能的影响机理 徐㊀帅１ꎬ王光绪１ꎬ２∗ꎬ吴小明１ꎬ２ꎬ郭㊀醒１ꎬ２ꎬ刘军林１ꎬ２ꎬ江风益１
(１.南昌大学国家硅基ＬＥＤ工程技术研究中心ꎬ江西南昌㊀３３００９６ꎻ㊀２.南昌黄绿照明有限公司ꎬ江西南昌㊀３３００９６)
摘要：采用 牺牲Ｎｉ处理 的方法研究了Ｎｉ对Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ界面接触性能的影响机理ꎮ利用传输线法(ＴＬＭ)㊁紫外分光光度计㊁Ｘ射线光电子能谱(ＸＰＳ)以及二次离子质谱仪(ＳＩＭＳ)等表征方式对Ａ ｇ/ｐ￣ＧａＮ界面层光电性能进行了研究ꎮ结果表明ꎬ牺牲Ｎｉ处理后ｐ￣ＧａＮ表面仍会残留少量的Ｎｉ并以Ｎｉ２Ｏ３的形式存在ꎻｐ￣ＧａＮ表面Ｇａ２ｐ３结合能峰位朝低能方向移动了０.３ｅＶꎬ提高了Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ间的欧姆接触性能ꎮ我们认为ꎬ界面处的Ｎｉ会优先和ｐ￣ＧａＮ表面Ｇａ２Ｏ３氧化物中的Ｏ结合形成Ｎｉ２Ｏ３ꎬ进而降低了ｐ￣ＧａＮ表面费米能级ꎬ提高了Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ之间的欧姆接触性能ꎮ 关㊀键㊀词:Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触ꎻ牺牲Ｎｉ处理ꎻＮｉ插入层ꎻ表面费米能级
中图分类号:Ｏ４８２.３１ꎻＯ４８４.４㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀ＤＯＩ:１０.３７８８/ｆｇｘｂ２０１９４００７.０８６５
ＩｎｆｌｕｅｎｃｅＭｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＮｉＩｎｔｅｒｌａｙｅｒｏｎ
Ａｇ/ｐ￣ＧａＮＩｎｔｅｒｆａｃｉａｌＣｏｎｔａｃｔＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ＸＵＳｈｕａｉ１ꎬＷＡＮＧＧｕａｎｇ￣ｘｕ１ꎬ２∗ꎬＷＵＸｉａｏ￣ｍｉｎｇ１ꎬ２ꎬＧＵＯＸｉｎｇ１ꎬ２ꎬＬＩＵＪｕｎ￣ｌｉｎ１ꎬ２ꎬＪＩＡＮＧＦｅｎｇ￣ｙｉ１(１.ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＬＥＤｏｎＳｉｌｉｃｏｎＳｕｂｓｔｒａｔｅꎬＮａｎｃｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＮａｎｃｈａｎｇ３３００９６ꎬＣｈｉｎａꎻ
２.ＮａｎｃｈａｎｇＹｅｌｌｏｗａｎｄＧｒｅｅｎＬｉｇｈｔｉｎｇＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎꎬＮａｎｃｈａｎｇ３３００９６ꎬＣｈｉｎａ)
∗ＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇＡｕｔｈｏｒꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｇｕａｎｇｘｕｗａｎｇ＠ｎｃｕ.ｅｄｕ.ｃｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆＮｉｏｎｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＡｇ/ｐ￣ＧａＮｉｎｔｅｒｆａｃｅｉｓｓｔｕｄｉｅｄｂｙｔｈｅｍｅｔｈ￣ｏｄｏｆ Ｎｉ￣ａｓｓｉｓｔｅｄｔｒｅａｔｍｅｎｔ .ＴｈｅｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＡｇ/ｐ￣ＧａＮｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌａｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｍｅａｎｓｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｍｅｔｈｏｄ(ＴＬＭ)ꎬＵＶｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ(ＵＶ)ꎬＸ￣ｒａｙｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ(ＸＰＳ)ａｎｄｓｅｃｏｎｄａｒｙｉｏｎｍａｓｓｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ(ＳＩＭＳ).ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔａｓｍａｌｌａｍｏｕｎｔｏｆＮｉｒｅｍａｉｎｓｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｐ￣ＧａＮａｆｔｅｒＮｉ￣ａｓｓｉｓｔｅｄｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄｅｘｉｓｔｓｉｎｔｈｅｆｏｒｍｏｆＮｉ２Ｏ３.ＴｈｅｂｉｎｄｉｎｇｅｎｅｒｇｙｐｅａｋｏｆＧａ２ｐ３ｏｎｔｈｅｐ￣ＧａＮｓｕｒｆａｃｅｓｈｉｆｔｓ０.３ｅＶｉｎｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｌｏｗｅｎｅｒｇｙꎬｗｈｉｃｈｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅＯｈｍｉｃｃｏｎｔａｃｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｂｅｔｗ
ｅｅｎＡｇ/ｐ￣ＧａＮａｆｔｅｒＮｉ￣ａｓｓｉｓｔｅｄｔｒｅａｔｍｅｎｔ.ＩｎｏｕｒｏｐｉｎｉｏｎꎬｔｈｅＮｉａｔｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｗｉｌｌｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌｌｙｃｏｍｂｉｎｅｗｉｔｈｔｈｅＯｏｆＧａ２Ｏ３ｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｐ￣ＧａＮｔｏｆｏｒｍＮｉ２Ｏ３ꎬｔｈｕｓｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅＦｅｒｍｉｌｅｖｅｌｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｐ￣ＧａＮａｎｄｉｍ￣ｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅＯｈｍｉｃｃｏｎｔａｃｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎＡｇ/ｐ￣ＧａＮ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:Ａｇ/ｐ￣ＧａＮｃｏｎｔａｃｔꎻＮｉ￣ａｓｓｉｓｔｅｄｔｒｅａｔｍｅｎｔꎻＮｉｉｎｔｅｒｌａｙｅｒꎻｓｕｒｆａｃｅＦｅｒｍｉｅｎｅｒｇｙ
㊀㊀收稿日期:２０１８￣０７￣１７ꎻ修订日期:２０１８￣１０￣１６
㊀㊀基金项目：国家自然科学基金青年科学基金(６１６０４０６６)ꎻ国家重点研发计划(２０１６ＹＦＢ０４００６００ꎬ２０１６ＹＦＢ０４００６０１)ꎻ国家自然科学
基金重点项目(６１３３４００１ꎬ２１４０５０７６ꎬ１１６０４１３７ꎬ１１６７４１４７ꎬ５１６０２１４１)资助
ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｆ
ｏｒＹｏｕｎｇＳｃｉｅｎｔｉｓｔｓｏｆＣｈｉｎａ(６１６０４０６６)ꎻＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＲ＆ＤＰｒｏｇｒａｍｏｆＣｈｉ￣
ｎａ(２０１６ＹＦＢ０４００６００ꎬ２０１６ＹＦＢ０４００６０１)ꎻＳｔａｔｅＫｅｙＰｒｏｇｒａｍｏｆＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅｏｆＣｈｉｎａ(６１３３４００１ꎬ２１４０５０７６ꎬ
１１６０４１３７ꎬ１１６７４１４７ꎬ５１６０２１４１)
８６６㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第４０卷
１㊀引㊀㊀言
Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ界面接触一直作为研究热点ꎬ被广泛应用于制备ＧａＮ基垂直结构发光二极管(ＬＥＤ)[１￣３]ꎮ在所有金属体系中ꎬＡｇ的反射率最高ꎬ对波长为４７０~５２０ｎｍ的蓝绿光反射率高达９６％ꎬ所以通常采用Ａｇ作为ｐ￣ＧａＮ接触层ꎬ以期望获得高的光反射效率[３￣４]ꎮ但是由于Ａｇ的功函数只有４.３５ｅＶꎬ与ｐ￣ＧａＮ(功函数为７.５ｅＶ)相差较大ꎬ直接接触会形成较高的肖特基势垒ꎬ难以形成良好的欧姆接触[５￣６]ꎮ并且Ａｇ直接与ｐ￣ＧａＮ接触的粘附性较差ꎬ在ＬＥＤ芯片制造中极易脱落[２ꎬ７]ꎮ为了消除粘附性问题和功函数差异对Ａｇ电极的影响ꎬ通常是在Ａｇ与ｐ￣ＧａＮ之间插入一层金属Ｎｉ(功函数为５.１５ｅＶ)薄层来提高欧姆接触性能[８￣１０]ꎮ
目前ꎬ关于含Ｎｉ的Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触层研究比较广泛ꎬ如Ｊｕｎ等[９]研究发现Ｎｉ能够改善Ａｇ电极在合金之后的球聚现象ꎬ提高Ａｇ的粘附性ꎻ黄等[１１]研究了不同Ｎｉ厚度对Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触层的反射率和比接触电阻率造成的影响ꎻ本课题组已报道过采用 牺牲Ｎｉ退火 的方法分别研究了不同ｐ￣ＧａＮ接触层的电接触性能和老化过程对Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触界面氧化污染物的影响[１２￣１３]ꎮ然而ꎬＮｉ在Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触中的诸多问题尚未研究清楚ꎬ例如：文献中已报道的Ｎｉ氧化反转对界面接触性能的影响ꎬＮｉ的存在对ｐ￣ＧａＮ表面费米能级的影响ꎬ以及Ｎｉ提高Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ电接触性能的作用机理等ꎮ 本文通过在硅衬底ＧａＮ基ＬＥＤ薄膜ｐ￣ＧａＮ表面蒸发Ｎｉ/Ａｇ覆盖层ꎬ不经过任何退火处理ꎬ采用湿法腐蚀去掉薄膜表面的Ｎｉ/Ａｇ覆盖层ꎬ上述过程简称为 牺牲Ｎｉ处理 ꎬ研究了Ｎｉ对Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ界面接触性能的影响ꎬ并分析了相关作用机理ꎮ
２㊀实㊀㊀验
本文实验所采用的是本单位自主研发生长的硅衬底ＧａＮ基绿光ＬＥＤ外延片ꎬ结构包含０.１μｍ的高温ＡｌＮ缓冲层㊁２.８μｍ的ｎ￣ＧａＮ层㊁０.１μｍ的有源区发光层和０.２μｍ的ｐ￣ＧａＮ接触层ꎮ采用同一炉次的６片外延片进行实验研究ꎬ从而避免外延生长差异对实验结果的影响ꎮ先将６片外延片先后置于丙酮㊁酒精㊁去离子水中ꎬ在超声波环境下进行清洗ꎬ以去除表面油脂等污染物ꎮ清洗之
后ꎬ对６片外延片进行ｐ型Ｍｇ激活处理ꎬ以提高ｐ￣ＧａＮ空穴浓度ꎮ激活方式是在氮气和氧气(Ｎ２ʒＯ２＝４ʒ１)气氛中ꎬ５５０ħ温度下退火３ｍｉｎꎮ然后用硫酸/双氧水混合溶液对ｐ￣ＧａＮ表
面进行清洗ꎬ去除表面污染物ꎮ将外延片分为３组ꎬ标记为Ａ㊁Ｂ和Ｃꎬ每组两片ꎬ采用电子束蒸发的方式分别制备３种Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触层ꎮＡ组是在ｐ￣ＧａＮ表面直接蒸镀２００ｎｍ的ＡｇꎻＢ组采用牺牲Ｎｉ处理的方式ꎬ即先在ｐ￣ＧａＮ表面蒸镀Ｎｉ/Ａｇ(１ｎｍ/１００ｎｍ)ꎬ其中Ａｇ的作用是保护Ｎｉ不被外界环境氧化ꎬ再分别用氨水/双氧水混合液和盐酸溶液清洗掉Ａｇ和Ｎｉꎬ甩干后立即蒸镀２００ｎｍ的ＡｇꎻＣ组则是直接蒸镀Ｎｉ/Ａｇ(１ｎｍ/２００ｎｍ)结构ꎮ然后ꎬ在３组样品中各取一片进行合金ꎬ合金条件是在氮气和氧气(Ｎ２ʒＯ２＝４ʒ１)气氛中ꎬ３８５ħ温度下退火２５ｓꎮ
采用传输线法(ＴＬＭ)测试各样品金属/ｐ￣ＧａＮ之间的欧姆接触性能(ＷＥＩＭＩＮＧ８ｓꎬＬＥＤ￣ＨＣ６１７)ꎬ传输线模型如图１所示ꎬ其中设计电极方块大小为２００μｍˑ２００μｍꎬ方块之间间隔为１０μｍꎬ直流信号探针接触电极方块中心点测量ꎮ在双抛蓝宝石薄片上制备同样的３组电极ꎬ用紫外分光光度计(日立ꎬＵ￣３９００Ｈ)测量入射角为８５ʎ射向蓝宝石时的反射率ꎬ对这３组电极进行实验片相同条件退火ꎬ再次测量反射率ꎮ用二次离子质谱仪(ＳＩＭＳꎬＣＡＭＥＣＡＩＭＳ￣７ｆ)和Ｘ射线光电子能谱仪(ＸＰＳꎬＴｈｅｒｍｏＥＳＣＡＬＡＢ２５０Ｘｉ)对Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ界面进行表征ꎮ实验中所有的测试均在室温下进行ꎮ
Metal layers
LED film
V
图１㊀传输线模型
Ｆｉｇ.１㊀ＳｃｈｅｍａｔｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＴＬＭｐａｔｔｅｒｎ３㊀结果与讨论
为了研究各样品电接触性能的差异ꎬ采用传输线法测量３种Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触层合金前后的Ｉ￣Ｖ
㊀第７期徐㊀帅ꎬ等:Ｎｉ插入层对Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ界面接触性能的影响机理８６７
㊀曲线ꎬ结果如图２所示ꎮ由于各电极方块大小相等ꎬ间距相同ꎬ所以测试所得各样品Ｉ￣Ｖ曲线斜率可以反映样品间接触电阻的差异ꎮ图２(ａ)所示为３种Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触层合金前的Ｉ￣Ｖ曲线ꎬ从图中可以明显看出ꎬ３种接触层接触电阻的大小依次为ＲＡ>ＲＢ>ＲＣꎮ显然ꎬ界面处Ｎｉ的存在会降低Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ的接触电阻ꎻ而经过牺牲Ｎｉ处理后的Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触层相对于没经过牺牲Ｎｉ处理的Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触层ꎬ接触电阻也有所降低ꎬ我们认为这是由于牺牲Ｎｉ处理后ｐ￣ＧａＮ表面仍会残留少量的Ｎｉꎮ
在Ｏ２中合金之后ꎬ３种Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触层的
视频直播技术方案Ｉ￣Ｖ曲线趋于一致ꎬ如图２(ｂ)所示ꎮ结果表明ꎬ３种接触层合金后的接触电阻接近ꎮ而通过图
２(ｃ)㊁(ｄ)㊁(ｅ)分别对３种Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触层合金前后的Ｉ￣Ｖ曲线对比可以发现ꎬ未经过牺牲Ｎｉ处理的Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触层合金前后接触电阻并无明显变化ꎬ而牺牲Ｎｉ处理后的Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触层和Ｎｉ/Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触层的接触电阻则有不同程度的上升ꎮ造成该现象的原因可能是Ｎｉ在合金过程中被氧化并发生反转ꎬ离开了Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ界面ꎬ消除了其对Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触电阻的降低作用ꎮ众多文献研究表明ꎬ在合金过程中ꎬＡｇ/ｐ￣ＧａＮ界面处的Ｎｉ会向着Ａｇ的外侧反转[６ꎬ１４]ꎮ
V /V
0.9I /m A
-25
-15
-55
15
25
A 合金前A 合金后
0.60.30-0.3-0.6-0.9（c ）I /m A
V /V
0.9-25
-15
-5
5
15
25
B 合金前B 合金后0.60.30-0.3-0.6-0.9（d ）V /V
0.9I /m A
-25
-15
-55
15
25
C 合金前C 合金后
0.60.30-0.3-0.6-0.9（e ）V /V
0.9I /m A
-25
-
15
-55
15
25
A 合金前
B 合金前
C 合金前0.60.30-0.3-0.6-0.9（a ）V /V 0.9I /m A
-25
空心魔方-15
-55
15
25
0.60.30-0.3-0.6-0.9（b ）A 合金后B 合金后C 合金后
图２㊀３种Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触层合金前后的Ｉ￣Ｖ曲线ꎮ(ａ)３组样品合金前ꎻ(ｂ)３组样品合金后ꎻ(ｃ)Ａ样品合金前后ꎻ(ｄ)Ｂ
样品合金前后ꎻ(ｅ)Ｃ样品合金前后ꎮ
Ｆｉｇ.２㊀Ｉ￣ＶｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｒｅｅｔｙｐｅｓｏｆＡｇ/ｐ￣ＧａＮｃｏｎｔａｃｔｌａｙｅｒｓｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒａｎｎｅａｌｉｎｇ.(ａ)ＴｈｒｅｅｔｙｐｅｓｏｆＡｇ/ｐ￣ＧａＮ
ｃｏｎｔａｃｔｌａｙｅｒｓｂｅｆｏｒｅａｎｎｅａｌｉｎｇ.(ｂ)ＴｈｒｅｅｔｙｐｅｓｏｆＡｇ/ｐ￣ＧａＮｃｏｎｔａｃｔｌａｙｅｒｓａｆｔｅｒａｎｎｅａｌｉｎｇ.(ｃ)ＳａｍｐｌｅＡｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒａｎｎｅａｌｉｎｇ.(ｄ)ＳａｍｐｌｅＢｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒａｎｎｅａｌｉｎｇ.(ｅ)ＳａｍｐｌｅＣｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒａｎｎｅａｌｉｎｇ.
为了研究界面处Ｎｉ对Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触层反射率的影响ꎬ测量了３组样品的反射率ꎮ图３给出了３种Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触层合金前后的反射率随入射光波长变化的曲线ꎮ从图中可以明显地看出ꎬ合
金前Ａ与Ｂ具有同样且最高的反射率ꎬ而Ｃ在合金前反射率最低ꎬ表明Ｎｉ的存在会明显阻碍光的传播ꎬ影响Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触层对光的反射率ꎮ同时ꎬ也证明在ｐ￣ＧａＮ表面经过牺牲Ｎｉ处理后ꎬＮｉ残留的量非常少ꎬ不足以对Ａｇ的反射率造成影响ꎮ合金之后ꎬＡ与Ｂ的反射率发生了同步㊁微弱的降低ꎮ对Ａ样品合金前后的表面进行
ＳＥＭ表征ꎬ测试结果如图３(ａ)㊁(ｂ)所示ꎮ从插图中可以看到ꎬ合金前的Ａｇ颗粒较小ꎬ且分布均匀ꎻ合金之后ꎬＡｇ颗粒明显变大ꎬ出现了大片的块状ꎬ这是由于合金过程中Ａｇ球聚造成的ꎮ也有文献报道ꎬＡｇ在超过３００ħ合金就会发生球聚ꎬ对光反射造成影响[２ꎬ９ꎬ１５]ꎮ从图３还可看出ꎬＣ样品合金之后反射效率明显上升ꎬ这进一步证明了Ｎｉ在合金时发生了反转ꎬ消除了对Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触层反射率的影响ꎬ使得反射率上升ꎮ
为了探讨Ｎｉ降低Ａｇ与ｐ￣ＧａＮ之间接触电阻的作用机理ꎬ我们对牺牲Ｎｉ处理前后的ｐ￣ＧａＮ表
８６８
防紫外线灯㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第４０卷
10080440
６８０姿/nm
R e f l e c t a n c e /%
90706050403020100
(a)
(b)
A 合金前A 合金后
B 合金前B 合金后
C 合金前C 合金后
400480520560600640７２０
图３㊀３种Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触层合金前后的反射率ꎮ插图为Ａ样品的表面ＳＥＭ图:(ａ)合金前ꎻ(ｂ)合金后ꎮ
Ｆｉｇ.３㊀ＲｅｆｌｅｃｔａｎｃｅｏｆｔｈｒｅｅｔｙｐｅｓｏｆＡｇ/ｐ￣ＧａＮｃｏｎｔａｃｔｌａｙｅｒｓ
ｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒａｎｎｅａｌｉｎｇ.ＴｈｅｉｎｓｅｔｉｓＳＥＭｏｆｓａｍ￣ｐｌｅＡ:(ａ)ｂｅｆｏｒｅａｎｎｅａｌｉｎｇꎻ(ｂ)ａｆｔｅｒａｎｎｅａｌｉｎｇ.面进行了ＸＰＳ表征ꎬ测得Ｇａ２ｐ３图谱ꎬ结果如图
４所示ꎮ从图中可知ꎬ经过牺牲Ｎｉ处理后ꎬｐ￣ＧａＮ表面Ｇａ２ｐ３结合能峰位朝低能方向移动了０.３
ｅＶꎮ结合能峰位降低ꎬ表明ｐ￣ＧａＮ表面费米能级朝价带顶移动ꎬ减少了Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触的能带弯曲ꎬ降低了接触的肖特基势垒高度
[１６￣１８]
ꎮ因此ꎬ
牺牲Ｎｉ处理后的Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触层相对于未经过牺牲Ｎｉ处理的Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触层具有更低的接触电阻ꎬ其原因是ｐ￣ＧａＮ的表面态受到了Ｎｉ的影响ꎮ
1120
Ga 2p3binding energy /eV甲烷制氢
I n t e n s i t y /a .u .
11101114111211161118
1122
驻抓=0.3eV
牺牲Ni 处理前
牺牲Ni 处理后
图４㊀ｐ￣ＧａＮ表面牺牲Ｎｉ处理前后Ｇａ２ｐ３的ＸＰＳ谱Ｆｉｇ.４㊀ＸＰＳＧａ２ｐ３ｃｏｒｅｌｅｖｅｌｓｐｅｃｔｒａｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍｔｈｅｓｕｒ￣
ｆａｃｅｏｆｐ￣ＧａＮｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒＮｉ￣ａｓｓｉｓｔｅｄｔｒｅａｔｍｅｎｔ
我们采用牺牲Ｎｉ处理的方法进一步研究了
Ｎｉ对ｐ￣ＧａＮ表面态产生的影响ꎮ首先ꎬ用ＳＩＭＳ
对合金前的Ｂ样品进行了深度解剖ꎬ如图５所示ꎮ从图中可以明显观察到ꎬ在ｐ￣ＧａＮ与Ａｇ的交界处存在微弱的Ｎｉ信号ꎮ由此表明ꎬ虽然使用盐酸进行了Ｎｉ腐蚀ꎬ仍然不能将Ｎｉ完全去除ꎮ盐酸仅能腐蚀Ｎｉ单质ꎬＮｉ在ｐ￣ＧａＮ表面形成化
合物后又难以被盐酸清洗掉ꎮ为了证实Ｎｉ的化学状态ꎬ我们对牺牲Ｎｉ处理后的ｐ￣ＧａＮ表面进行
了Ｎｉ２ｐ的ＸＰＳ图谱表征ꎬ如图６所示ꎮ从图中可以发现ꎬＮｉ２ｐ结合能峰位在８５５.７ｅＶꎬ而根据
ＸＰＳ能谱手册以及文献报道ꎬ该峰位对应的化合物为Ｎｉ２Ｏ３[１９]ꎬ表明在ｐ￣ＧａＮ表面残留的Ｎｉ是以Ｎｉ２Ｏ３的形式存在ꎮ基于本课题组之前的研究ꎬＮｉ的氧化物并不能被盐酸腐蚀ꎬ而必须用热的王水才能清洗干净[１２￣１３]ꎬ这表明残留的Ｎｉ在被盐酸清洗之前就已经被氧化成了Ｎｉ２Ｏ３ꎮ由于Ｎｉ外层有Ａｇ的保护ꎬ使其不被空气中的Ｏ２氧化ꎬ所以Ｎｉ２Ｏ３的产生方式是本文探讨机理的关键ꎮ
10440Thickness /nm
I n t e n s i t y /(c ·s -1)
105103102101
100flag标签抗体
080120160200240280320360400
Ga
Ni
Ag
图５㊀牺牲Ｎｉ处理后的Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触层ＳＩＭＳ深度扫
描图
Ｆｉｇ.５㊀ＳＩＭＳｓｐｅｃｔｒａｏｆＡｇ/ｐ￣ＧａＮｃｏｎｔａｃｔｌａｙｅｒｂｙＮｉ￣ａｓｓｉｓ￣
ｔｅｄｔｒｅａｔｍｅｎｔ
846Ni 2p binding energy/eV
I n t e n s i t y /a .u .
852861864Ni 2O 3
849855870
867858图６㊀ｐ￣ＧａＮ表面牺牲Ｎｉ处理后Ｎｉ２ｐ的ＸＰＳ谱Ｆｉｇ.６㊀ＸＰＳＮｉ２ｐｃｏｒｅｌｅｖｅｌｓｐｅｃｔｒａｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍｔｈｅｓｕｒ￣
ｆａｃｅｏｆｐ￣ＧａＮａｆｔｅｒＮｉ￣ａｓｓｉｓｔｅｄｔｒｅａｔｍｅｎｔ
众多研究表明ꎬ无论采用什么方式对ｐ￣ＧａＮ进行清洗ꎬ都无法完全去除表面的原生氧化物ꎬ并且证明了氧化物的主要成分是Ｇａ２Ｏ３ꎬ而Ｇａ２Ｏ３的存在会明显降低Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触层的欧姆接触性能[２０￣２２]ꎮ在ｐ￣ＧａＮ表面蒸镀ＮｉＡｇ之后ꎬＮｉ与Ｇａ２Ｏ３直接接触ꎮ根据元素周期律可知ꎬＮｉ单质的金属性强于Ｇａ单质ꎬ故Ｎｉ会夺取Ｇａ２Ｏ３中的
㊀第７期徐㊀帅ꎬ等:Ｎｉ插入层对Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ界面接触性能的影响机理８６９㊀
Ｏꎬ形成Ｎｉ的氧化物Ｎｉ２Ｏ３ꎮＧａ２Ｏ３被消耗使得ｐ￣ＧａＮ的表面费米能级降低ꎬ进而提升了Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ之间的欧姆接触性能ꎮ在牺牲Ｎｉ处理后ꎬ由于ｐ￣ＧａＮ在空气中短暂暴露ꎬ使得
豆渣搅拌机被置换出来的部分Ｇａ单质重新被氧化ꎬ导致牺牲Ｎｉ处理后的Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触层的接触电阻略微高于ＮｉＡｇ/ｐ￣ＧａＮ接触层的接触电阻ꎮ
４㊀结㊀㊀论
本文制备了３种Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触层ꎬ分别为Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触㊁牺牲Ｎｉ处理后的Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触和ＮｉＡｇ/ｐ￣ＧａＮ接触ꎬ研究了Ｎｉ对Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触层光电性能的影响ꎬ探讨了Ｎｉ降低Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ之间接触电阻的作用机理ꎮ通过对比３种Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ接触层合金前后的接触电阻和反射率ꎬ发现牺牲Ｎｉ处理仍会在ｐ￣ＧａＮ表面残留少量的Ｎｉꎬ并经过ＸＰＳ表征证实是以Ｎｉ２Ｏ３的形式存在ꎮ利用ＸＰＳ对ｐ￣ＧａＮ表面Ｇａ２ｐ３结合能分析ꎬ发现Ｎｉ的存在能够降低ｐ￣ＧａＮ表面的费米能级ꎬ提高Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ之间的欧姆接触性能ꎮ我们认为ꎬ上述现象的作用机理为：界面处的Ｎｉ会优先和ｐ￣ＧａＮ表面Ｇａ２Ｏ３氧化物中的Ｏ结合形成Ｎｉ２Ｏ３ꎬ进而降低了ｐ￣ＧａＮ表面费米能级ꎬ提高了Ａｇ/ｐ￣ＧａＮ的接触性能ꎮ
参㊀考㊀文㊀献:
[１]ＳＯＮＧＪＯꎬＫＷＡＫＪＳꎬＰＡＲＫＹꎬｅｔａｌ..ＯｈｍｉｃａｎｄｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆＡｇｃｏｎｔａｃｔｓｏｎｐ￣ｔｙｐｅＧａＮ[Ｊ].Ａｐｐｌ.
Ｐｈｙｓ.Ｌｅｔｔ.ꎬ２００５ꎬ８６(６):０６２１０４￣１￣３.
[２]ＨＷＡＮＧＹＴꎬＨＯＮＧＨＧꎬＳＥＯＮＧＴＹꎬｅｔａｌ..ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄｔｈｅｒｍａｌｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＡｇＯｈｍｉｃｃｏｎｔａｃｔｓｆｏｒＧａＮ￣ｂａｓｅｄｆｌｉｐ￣ｃｈｉｐｌｉｇｈｔ￣ｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅｓｂｙｕｓｉｎｇａｎＡｇＡｌａｌｌｏｙｃａｐｐｉｎｇｌａｙｅｒ[Ｊ].Ｍａｔｅｒ.Ｓｃｉ.Ｓｅｍｉｃｏｎｄ.Ｐｒｏｃｅｓｓ.ꎬ２００７ꎬ１０(１):１４￣１８.
[３]ＯＨＭꎬＫＩＭＨ.Ｈｉｇｈ￣ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙＧａＮ￣ｂａｓｅｄｌｉｇｈｔ￣ｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｗｉｔｈｉｄｅｎｔｉｃａｌＡｇｃｏｎｔａｃｔｆｏｒｍｅｄｏｎｂｏｔｈｎ￣ａｎｄｐ￣ｌａｙｅｒｓ[Ｊ].Ｏｐｔ.Ｅｘｐｒｅｓｓꎬ２０１３ꎬ２１(１８):２０８５７￣２０８６２.
[４]ＨＩＢＢＡＲＤＤＬꎬＪＵＮＧＳＰꎬＷＡＮＧＣꎬｅｔａｌ..Ｌｏｗｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｈｉｇｈｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅｃｏｎｔａｃｔｓｔｏｐ￣ＧａＮｕｓｉｎｇｏｘｉｄｉｚｅｄＮｉ/ＡｕａｎｄＡｌｏｒＡｇ[Ｊ].Ａｐｐｌ.Ｐｈｙｓ.Ｌｅｔｔ.ꎬ２００３ꎬ８３(２):３１１￣３１３.
[５]ＳＯＮＪＨꎬＪＡＮＧＨＷꎬＬＥＥＪＬ.Ｅｒｒａｔｕｍ: Ｌｏｗ￣ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｈｉｇｈ￣ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅＮｉ∕Ａｇ∕Ｒｕ∕Ｎｉ∕ＡｕＯｈｍｉｃｃｏｎｔａｃｔｏｎｐ￣ｔｙｐｅＧａＮ [Ａｐｐｌ.Ｐｈｙｓ.Ｌｅｔｔ.８５ꎬ４４２１(２００４)][Ｊ].Ａｐｐｌ.Ｐｈｙｓ.Ｌｅｔｔ.ꎬ２００７ꎬ９０(１０):１０９９０３￣１￣１.
[６]封波.硅衬底ＧａＮ基大功率ＬＥＤ的研制[Ｄ].南昌：南昌大学ꎬ２０１８.
ＦＥＮＧＢ.ＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆＧａＮ￣ｂａｓｅｄＨｉｇｈＰｏｗｅｒＬｉｇｈｔ￣ｅｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅＧｒｏｗｎｏｎＳｉＳｕｂｓｔｒａｔｅ[Ｄ].Ｎａｎｃｈａｎｇ:ＮａｎｃｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ２０１８.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ).
[７]ＫＩＭＳ.Ｅｆｆｅｃｔｏｆｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｐ￣ＧａＮ/ｓｐｕｔｔｅｒ￣ｄｅｐｏｓｉｔｅｄＮｉＡｇ￣ｂａｓｅｄｅｌｅｃｔｒｏｄｅｏｎｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｖｅｒｔｉｃａｌＧａＮ￣ｂａｓｅｄＬＥＤｓ[Ｊ].Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ.Ｓｏｌｉｄ￣ＳｔａｔｅＬｅｔｔ.ꎬ２００９ꎬ１２(１２):Ｈ４４１￣Ｈ４４４.
[８]ＪＡＮＧＨＷꎬＳＯＮＪＨꎬＬＥＥＪＬ.Ｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈ￣ｑｕａｌｉｔｙＡｇ￣ｂａｓｅｄＯｈｍｉｃｃｏｎｔａｃｔｓｔｏｐ￣ｔｙｐｅＧａＮ[Ｊ].Ｊ.Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ.
Ｓｏｃ.ꎬ２００８ꎬ１５５(８):Ｈ５６３￣Ｈ５６８.
[９]ＳＯＮＪＨꎬＳＯＮＧＹＨꎬＹＵＨＫꎬｅｔａｌ..ＥｆｆｅｃｔｓｏｆＮｉｃｌａｄｄｉｎｇｌａｙｅｒｓｏｎｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆＡｇａｇｇｌｏｍｅｒａｔｉｏｎｉｎＡｇ￣ｂａｓｅｄＯｈｍｉｃｃｏｎｔａｃｔｓｏｎｐ￣ＧａＮ[Ｊ].Ａｐｐｌ.Ｐｈｙｓ.Ｌｅｔｔ.ꎬ２００９ꎬ９５(６):０６２１０８￣１￣３.
[１０]ＬＩＮＮＭꎬＳＨＥＩＳＣꎬＣＨＡＮＧＳＪ.ＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆＮｉ/Ａｇｃｏｎｔａｃｔｔｏｐ￣ＧａＮｗｉｔｈａｎＯ２ｐｌａｓｍａｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏＧａＮ￣ｂａｓｅｄＬＥＤｓ[Ｊ].Ｐｈｙｓ.ＳｔａｔｕｓＳｏｌｉｄｉＡꎬ２０１２ꎬ２０９(８):１５６８￣１５７４.
[１１]黄亚平ꎬ云峰ꎬ丁文ꎬ等.Ｎｉ/Ａｇ/Ｔｉ/Ａｕ与ｐ￣ＧａＮ的欧姆接触性能及光反射率[Ｊ].物理学报ꎬ２０１４ꎬ６３(１２):１２７３０２￣１￣８.
ＨＵＡＮＧＹＰꎬＹＵＮＦꎬＤＩＮＧＷꎬｅｔａｌ..ＴｈｅｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙａｎｄＯｈｍｉｃｃｏｎｔａｃｔｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙｏｆＮｉ/Ａｇ/Ｔｉ/Ａｕｉｎｃｏｎｔａｃｔｗｉｔｈｐ￣ＧａＮ[Ｊ].ＡｃｔａＰｈｙｓ.Ｓｉｎｉｃａꎬ２０１４ꎬ６３(１２):１２７３０２￣１￣８.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)
[１２]王光绪ꎬ陶喜霞ꎬ熊传兵ꎬ等.牺牲Ｎｉ退火对硅衬底ＧａＮ基发光二极管ｐ型接触影响的研究[Ｊ].物理学报ꎬ２０１１ꎬ６０(７):０７８５０３￣１￣６.
ＷＡＮＧＧＸꎬＴＡＯＸＸꎬＸＩＯＮＧＣＢꎬｅｔａｌ..ＥｆｆｅｃｔｓｏｆＮｉ￣ａｓｓｉｓｔｅｄａｎｎｅａｌｉｎｇｏｎｐ￣ｔｙｐｅｃｏｎｔａｃｔｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙｏｆＧａＮ￣ｂａｓｅｄＬＥＤｆｉｌｍｓｇｒｏｗｎｏｎＳｉ(１１１)ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ[Ｊ].ＡｃｔａＰｈｙｓ.
Ｓｉｎｉｃａꎬ２０１１ꎬ６０(７):０７８５０３￣１￣６.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)
[１３]ＷＡＮＧＬꎬＷＵＦＦꎬＬＩＵＳＴꎬｅｔａｌ..ＲｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙｏｆＡｇ/ｐ￣ＧａＮｃｏｎｔａｃｔｂｙｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅｂｒｅａｋｄｏｗｎｏｆｔｈｅ
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议