一种p-GaN欧姆接触电极及其制备方法和电子元件

本技术涉及半导体，尤其涉及一种p-gan欧姆接触电极及其制备方法和电子元件。

背景技术：

1、第三代半导体材料氮化镓(gan)具有禁带宽度大、饱和速度快、迁移率高和热稳定性好等特性，是应用于高压、高频、高温和抗辐射等领域的理想材料，已在5g通信、快充市场、国防工业等诸多领域得到了广泛应用，并在无人驾驶、智能电网和新能源汽车等领域展现出巨大的应用前景。gan 功率器件目前主要为分立晶体管，为避免驱动器芯片与gan器件之间产生的寄生电感引起的电压不稳定性，将gan分立器件应用在电路时，必须有意放慢gan分立器件的开关速度(数百khz)，这与gan功率器件具有的高开关速度的性能优势相悖。

2、为充分发挥gan器件的性能优势，消除电路系统中的寄生电感，将基于gan的互补驱动电路(cmos)与gan功率器件进行单片集成成为重要研究趋势。gan集成器件(gan ics)能有效降低寄生电感、提高器件可靠性，减少组装和封装成本，以更小的外形尺寸、更低的成本实现更高效的电力管理，并能在恶劣环境下工作，为gan器件进一步规模化应用提供更大优势。

3、然而，gan ics的发展仍存在很多问题，p沟道gan金属氧化物半导体场效应晶体管(gan pmos)器件制备及其与n沟道gan金属氧化物半导体场效应晶体管(gan nmos)器件集成是制约gan ics发展的主要瓶颈。现有gan pmos器件存在导通电阻较大、饱和电流过大、工作频率低、电学可靠性差等问题，还无法达到商业化需求，极大限制了gan集成器件的发展。

4、器件的源、漏欧姆接触电极是gan pmos与外部电路连接的桥梁，其与器件导通电阻(ron)、饱和电流(ids)、工作频率及可靠性等性能密切相关。形成欧姆接触的条件有两个：金属与半导体间有低的势垒高度或者半导体有高浓度的载流子。对于gan pmos来说，源、漏电极较大的接触电阻会在金属/半导体界面造成较大的压降，导致大的导通电阻和功耗，从而显著降低器件的性能和可靠性。

5、金属/半导体的接触界面会形成肖特基势垒，比接触电阻率与势垒高度相关。降低金属/p-gan间的肖特基势垒高度φs，可以使载流子沿着价带在金属和p-gan间流动，形成欧姆接触。

6、但是，在制备外延衬底结构时，p-gan表面上一般会生成一层1-2nm 厚的gao，这是由于p-gan极其敏感，易被空气中的氧气氧化造成的。gao 会提高金属和半导体界面的肖特基势垒高度，并且阻挡金属与p-gan的直接接触，使得欧姆接触的实现更加困难，因此要尽可能的去除表面gao。但在整个制备过程期间，无法避免p-gan表面与空气的接触，不能有效去除gao。

7、作为gan的p型掺杂剂，mg的活化能约为170mev，这导致掺杂浓度低(1017-1020)，且因为mg的激活能较高，在室温下的激活率1％～2％，这些原因都导致p-gan具有较低水平的空穴载流子浓度(小于1018cm-3)，低的载流子浓度最终导致欧姆接触形成困难和电阻过高，降低器件的电学性能。

8、通过提高p型掺杂剂mg的掺杂浓度或者激活率，增加空穴浓度，可以降低比接触电阻。虽然提高mg掺杂是降低比接触电阻率的有效方法之一，但也具有诸多缺点。如mg掺杂浓度的提高，是通过改善p-gan外延结构的生长条件实现的，生长条件的改变严重影响整个p-gan的晶体质量；mg 的掺杂浓度过高会引来过多的外延缺陷，导致pmos的其它电学性能严重下降。mg的自我补偿效应，也限制了mg掺杂浓度的提高。

9、因此，p沟道晶体管的低阻源漏欧姆接触仍然是一个亟待解决的重要问题。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种p-gan欧姆接触电极，以解决上述问题。

2、为实现以上目的，本技术提供一种p-gan欧姆接触电极，包括：

3、p-gan材料层和设置在所述p-gan材料层表面的电极；

4、所述电极包括设置在所述p-gan材料层表面的第一金属层和设置在所述第一金属层上的第二金属层，所述第一金属层为强亲氧性金属，所述第二金属层为高功函数金属且具有好的阻挡特性；

5、优选地，所述第一金属层为mg、ni或ag。

6、优选地，所述高功函数金属为功函数大于4.5且具有好的阻挡特性的金属中的任一种或多种或多种金属的合金，所述第二金属层包括一层或多层金属；

7、优选地，所述功函数大于4.5的金属包括ni、pt、pd和au。

8、优选地，所述第一金属层的厚度小于等于3nm；

9、优选地，所述第一金属层的厚度小于等于2nm。

10、优选地，所述第二金属层的厚度大于等于3nm；

11、优选地，所述第二金属层的厚度大于等于10nm；

12、更优选地，所述第二金属层的厚度大于等于10nm，小于等于200nm。

13、优选地，所述第二金属层包括设置在所述第一金属层上的第三金属层和设置在所述第三金属层上的第四金属层，所述第三金属层的厚度大于等于3nm。

14、本技术还提供一种p-gan欧姆接触电极的制备方法，包括：

15、清洗最外层为p-gan材料层的晶圆片；

16、在所述p-gan材料层的表面设置电极，所述电极包括沉积在所述p-gan 材料层表面的第一金属层和沉积在所述第一金属层上的第二金属层，所述第一金属层为为强亲氧性金属，所述第二金属层为高功函数金属；

17、对所述晶圆片进行高温退火处理；

18、优选地，所述第一金属层为mg。

19、优选地，所述清洗最外层为p-gan材料层的晶圆片具体包括：

20、分别使用sc1和sc2溶液各浸泡10～20min，再用浓硫酸和双氧水的混合溶液浸泡1～10min，以去除表面有机物，随后在boe溶液中浸泡10～30min 去除表面氧化物。

21、优选地，所述第一金属层的厚度小于等于3nm，所述第二金属层的厚度大于等于3nm。

22、优选地，所述高温退火处理的退火温度为400-700度，退火氛围为惰性气体环境；

23、优选地，退火温度为450～600度，退火氛围为氮气。

24、本技术还提供一种电子元件，包括上述的p-gan欧姆接触电极；

25、优选地，所述电子元件为探测器、肖特基二极管、晶闸管、场效应晶体管、发光二极管、激光二极管、mems器件或生物传感器。

26、与现有技术相比，本技术的有益效果包括：

27、本技术提供的p-gan欧姆接触电极包括p-gan材料层和设置在p-gan 材料层表面的电极；电极包括设置在p-gan材料层表面的第一金属层和设置在第一金属层上的第二金属层，第一金属层为强亲氧性金属。在电极的金属组合中选择了强亲氧性金属做为接触金属层，利用金属的强亲氧性，在后期退火工艺过程中，还原p-gan表面上生成的gao，达到原位去除表面gao的作用，降低金属/p-gan间的肖特基势垒高度。同时电极金属中选择功函数高、致密性好的金属作为第二金属层，第二金属层一方面做为阻挡层，阻止强亲氧性金属的向外扩散，另一方面退火过程中第二金属层的元素扩散到p-gan材料层，与p-gan材料层直接接触，易于与p-gan形成欧姆接触。从而得到一种工艺简单、接触良好，接触阻值低的p-gan欧姆接触电极。

28、进一步地，选择mg作为第一金属层，mg是p-gan的掺杂元素，不仅在后期退火工艺过程中，还原p-gan表面上生成的gao，达到原位去除表面gao的作用，降低金属/p-gan间的肖特基势垒高度，还通过退火过程元素的扩散，使得mg向p-gan表面扩散，从而提高p-gan源漏极区域表面 mg的掺杂浓度，并且不影响p-gan材料层其它区域的掺杂浓度，使得降低比接触电阻率的同时又不影响pmos的其它电学性能，更有利于欧姆接触的形成。