王水表面处理对p型GaN表面能带弯曲变化的影响

利用同步辐射光电发射光谱研究了表面处理对p型GaN表面带弯曲变化的影响，并将结果用于解释表面处理对接触电阻率的降低。在沉积Pt之前使用aqua regia进行表面处理，p型GaN上的接触电阻率从(5.1±1.2)×10−1降低到(9.3±3.5)×10−5 Ωcm2。使用HCl和aqua regia溶液进行表面处理后，表面带弯曲分别减少了0.58 eV和0.87 eV。随着光电检测角度的减小，Ga/N的原子比减小，表明表面氧化物主要由Ga和O组成，GaOx是在产生空穴的高温退火过程中形成的，而Ga空位VG a产生于GaOx层之下。因此，aqua regia处理可去除p型GaN上形成的GaOx，导致费米能级向位于价带边缘附近的VG a能级移动。这导致空穴传输的势垒高度降低，从而形成与p型GaN的良好欧姆接触。

一、介绍

对于基于GaN的光电器件，例如蓝色发光二极管（LED）和激光二极管（LD），低电阻的欧姆接触对n型和p型GaN都是必不可少的。 对于n型GaN，使用Ti/Al，Ti/Au和Ti/Al/Ti/Au金属方案获得了低电阻欧姆接触（<10-5 Ωcm2 ）。然而，由于p型GaN中空穴浓度较低以及金属/p型GaN界面势垒高度较高，很难实现如此低的对p型GaN的接触电阻。 事实上，实现连续波GaN基激光二极管（LD）操作的主要难题之一是在p型GaN上的高接触电阻。

最近，在金属沉积之前进行的一系列表面处理被报道为可以有效降低接触电阻。据报道，通过使用煮沸的aqua regia溶液进行表面处理，p型GaN上的Pd接触电阻率显着降低。 7接触电阻率的显着降低归因于传输空穴的SBH的降低，但没有提供明确的实验证据。

金属与半导体界面处的势垒高度由金属功函数和半导体表面的表面态密度决定。据报道，当表面态密度超过1013cm-2时，由于半导体表

面的费米能级固定，金属/III-V半导体的势垒高度实际上与金属功函数无关。造成这种现象的原因被认为与点缺陷的产生有关，因此通过在半导体表面加入氧气而增加了表面态密度。

对于p型GaN，需要在高温下进行生长（>1000°C）和产生空穴的退火（>700°C）。 在这些高温过程中，p型GaN表面会形成氧化物，并在氧化物下方产生点缺陷。 在这种情况下，表面费米能级可能会被固定在氧化物中的表面态能级上。 当表面的氧化物被某种处理去除时，费米能级的位置将向低于氧化物的点缺陷的能量水平移动。 因此，金属/GaN界面处的势垒高度，即接触电阻率，可以随着决定费米能级钉扎位置的氧化物和氧化物下方的点缺陷的类型而变化。 迄今为止，还没有实验结果提供这方面的信息。

在目前的工作中，我们研究了p型GaN表面预处理对表面带弯曲变化的影响，以解释表面处理类型对接触电阻率变化的影响。 表面带弯曲是直接使用同步辐射光电子发射光谱（SRPES）测量的。 根据这些结果，讨论了p型GaN上的欧姆接触形成机制。

二、实验

首先，使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法在c面蓝宝石基板上生长了未掺杂的1微米厚的GaN层，接着生长了1微米厚的p型GaN，其中掺杂了Mg元素。

然后，通过快速热退火（RTA）在氮气环境下，将样品在800°C下退火4分钟，以产生空穴。

最后，通过霍尔测量法测定了薄膜中空穴的净浓度为1.9 × 10^17 cm^-3。

所以，这段文本主要描述了GaN薄膜的生长、退火和测量过程。

首先，使用化学辅助离子束蚀刻（使用Cl2）定义了p型GaN的评价接触电阻率的活性区域。 对基片的活性区域进行了三种表面处理。 第一组是原始生长的p型GaN，以便与经过表面处理的样品进行比较。 第二组是通过使用稀盐酸（HCl：去离子水= 1：1）进行表面处理30秒制备的，这被广泛用作预处理以去除可能的天然氧化物[HCl处理样品]。 第三组是使用煮沸的王水（HCl：HNO3 = 3：1）进行表面处理10分钟[王水处理样品]。 在进行表面处理后，所有样品都用去离子水冲洗1分钟，然后用氮气吹干。

在经过表面处理的基片上制作了一个长度为100微米、宽度为200微米的传输线方法（TLM）测试结构。

接着，使用电子束蒸发器沉积了200埃厚的铂层。在金属层沉积过程中，保持蒸发器的真空度低于3×10-7托。

最后，去除光刻胶，完成制作。

三、结果与讨论

图1显示了Pt电极在p型GaN上的电流-电压(I-V)特性，测量距离为5微米。 生长的样品上形成的Pt电极表现出肖特基行为。 HCl处理改善了I-V曲线，但仍是非线性的。 当基底用王水处理时，I-V曲线变为p型GaN中空穴产生的活化过程。