專利名稱：一種改善ZnO薄膜歐姆接觸的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種改善ZnO薄膜歐姆接觸的 方法。
背景技術(shù)：
ZnO是一種重要的n-vi族寬禁帶、直接帶隙半導(dǎo)體材料，室溫下其
禁帶寬度為3.37 eV，激子束縛能為60 meV，被認為是繼ZnSe、 GaN之 后的又一種新型光電材料，是短波長發(fā)光二極管(LED)和半導(dǎo)體激光器 的最佳候選材料，在信息儲存和顯示，光通信，半導(dǎo)體白光照明，醫(yī)學(xué)以 及生物等高科技領(lǐng)域具有廣泛的用途，是當(dāng)前半導(dǎo)體材料科學(xué)與器件研究 的熱點。
目前人們已能運用分子束外延(MBE)、金屬有機化學(xué)氣相沉積 (MOCVD)和磁控濺射等方法制備出質(zhì)量較好的ZnO薄膜，其光致發(fā)光 和電致發(fā)光譜也都有報道。近年來，ZnO基光電子器件的制作方面已經(jīng)有 了很大的進展，成功制備出ZnO p-n同質(zhì)結(jié)，異質(zhì)結(jié)LED等，但是ZnO 基器件仍有很多關(guān)鍵問題待解決，如高穩(wěn)定的p型ZnO的制備以及ZnO 的刻蝕、接觸、隔離等制造工藝。
由于歐姆接觸性能的好壞直接影響到器件的性能和商業(yè)價值，低接觸 電阻的歐姆接觸是實現(xiàn)高質(zhì)量器件的基礎(chǔ)。因此，為了制備高性能ZnO光 電器件，獲得低接觸電阻的歐姆接觸就是其器件研發(fā)過程中必須解決的問 題之一。
目前，常用的改善ZnO歐姆接觸的方法有快速熱退火，Al摻雜等， 但是這些方法在一定程度上可以降低接觸電阻，但熱退火會造成ZnO器件 性能的不穩(wěn)定，而只對接觸區(qū)域進行Al摻雜其工藝相對復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
4(一) 要解決的技術(shù)問題
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種改善ZnO薄膜歐姆接觸的 方法，以降低ZnO薄膜與金屬的接觸電阻，改善ZnO薄膜歐姆接觸的性 質(zhì)。
(二) 技術(shù)方案
為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下-.
一種改善ZnO薄膜歐姆接觸的方法，該方法是在沉積金屬電極之前， 利用氫等離子體處理ZnO薄膜的電極接觸區(qū)域，然后在經(jīng)氫等離子體處理 的ZnO薄膜電極接觸區(qū)域沉積雙層金屬電極，形成歐姆接觸。
上述方案中，所述利用氫等離子體處理ZnO薄膜的電極接觸區(qū)域，具 體包括以ZnO薄膜及其上的金屬掩模為襯底，將該襯底放入一臺背景真 空度為PH的電容式等離子體系統(tǒng)中，對該襯底進行氫等離子體處理，氫 等離子體穿過金屬掩模作用于ZnO薄膜上;氫等離子體處理時的等離子體
功率為WH，處理時間為tH，樣品的溫度為TH。
上述方案中，所述氫等離子體處理時的真空度PH的取值為100至200 Pa，等離子體功率WH的取值為60至100W，處理時間tH的取值為20至 40分鐘，樣品的溫度TH為室溫。
上述方案中，所述在經(jīng)氫等離子體處理的ZnO薄膜電極接觸區(qū)域沉積 雙層金屬電極，具體包括將經(jīng)氫等離子體處理的ZnO薄膜放入一臺背景 真空度為l(T5Pa的磁控濺射沉積系統(tǒng)中，用單質(zhì)金屬為濺射靶，在ZnO 薄膜的電極接觸區(qū)域先沉積一金屬層，再在沉積的金屬層上沉積一金屬 層；在濺射沉積電極時的濺射功率為Ws，真空度為Ps，襯底溫度為Ts， 濺射靶與襯底的距離為ds。
上述方案中，所述沉積雙層金屬電極采用射頻磁控濺射技術(shù)進行，沉 積的雙層金屬電極為Ti/Au雙層金屬電極，先采用單質(zhì)鈦為濺射耙，沉積 一層金屬鈦層，然后再以單質(zhì)金為濺射靶，在鈦層上沉積一層金層。
上述方案中，所述在濺射沉積電極時的濺射功率Ws為50至IOOW， 真空度Ps為0.5至2Pa，襯底溫度Ts為30至200 °C;靶材與襯底的間距 ds為40至60畫。上述方案中，所述金屬鈦層的沉積時間為4至6分鐘，金層的沉積時
間為2至5分鐘。
(三)有益效果
本發(fā)明提供的這種改善ZnO薄膜歐姆接觸的方法，是在沉積金屬電極之前，首先利用氫等離子體處理ZnO薄膜的電極接觸區(qū)域，然后利用射頻磁控濺射(MS)技術(shù)在經(jīng)氫等離子體處理的ZnO薄膜上制備Ti/Au雙層接觸。由于氫等離子體處理導(dǎo)致氫擴散進入ZnO薄膜，提高了接觸區(qū)域ZnO薄膜的載流子濃度，減小了接觸區(qū)域ZnO薄膜的電阻率，從而可以顯著降低ZnO薄膜和金屬的接觸電阻，改善其歐姆接觸特性。
此外，在MS技術(shù)中，由于濺射出的粒子具有較高能量，使得ZnO/Ti界面原子能充分混合，可以提高Ti/Au接觸在ZnO薄膜上的粘附性。利用該發(fā)明最終可以得到粘附良好、接觸電阻低的歐姆接觸，為實現(xiàn)ZnO薄膜電子器件奠定了基礎(chǔ)。


圖1是依照本發(fā)明實施例提供的改善ZnO薄膜歐姆接觸的方法流程
圖2是氫處理的ZnO薄膜和沒有氫處理的參考樣品的I-V特性(電極間距為l.Omm)對比示意圖3是氫處理的ZnO薄膜和沒有氫處理的參考樣品測量的電阻隨電極間距變化的對比示意圖。
具體實施例方式
第一原理的計算表明，氫在ZnO中的作用與氫在其它半導(dǎo)體中有很大差別，氫在一般的半導(dǎo)體中充當(dāng)?shù)氖菑?fù)合中心，中和占優(yōu)勢的載流子，然而氫在ZnO中是作為淺施主能級存在，而且可以有很高的濃度。非故意摻雜的ZnO是n型的，利用氫等離子體通過金屬掩模處理ZnO薄膜，使氫進入ZnO薄膜中的，在ZnO薄膜中可以充當(dāng)施主，從而提高ZnO薄膜與金屬接觸區(qū)域的載流子濃度。由于ZnO薄膜接觸區(qū)域載流子濃度的增加，ZnO勢壘區(qū)寬度變得很薄，電子通過隧穿效應(yīng)貫穿勢壘產(chǎn)生相當(dāng)?shù)乃淼离?br> 流，這樣它的接觸電阻可以很小，使得薄膜和金屬之間歐姆接觸的接觸電阻降低。
基于上述原理，本發(fā)明提供的這種改善ZnO薄膜歐姆接觸的方法，是在沉積金屬電極之前，利用氫等離子體處理ZnO薄膜的電極接觸區(qū)域，然后在經(jīng)氫等離子體處理的ZnO薄膜電極接觸區(qū)域沉積雙層金屬電極，形成歐姆接觸。
所述利用氫等離子體處理ZnO薄膜的電極接觸區(qū)域，具體包括以ZnO薄膜及其上的金屬掩模為襯底，將該襯底放入一臺背景真空度為PH的電容式等離子體系統(tǒng)中，對該襯底進行氫等離子體處理，氫等離子體穿過金屬掩模作用于ZnO薄膜上;氫等離子體處理時的等離子體功率為Wh，處理時間為tH，樣品的溫度為TH。其中，氫等離子體處理時的真空度PH的取值為100至200 Pa，等離子體功率WH的取值為60至100W，處理時間tH的取值為20至40分鐘，樣品的溫度TH為室溫。
所述在經(jīng)氫等離子體處理的ZnO薄膜電極接觸區(qū)域沉積雙層金屬電極，具體包括將經(jīng)氫等離子體處理的ZnO薄膜放入一臺背景真空度為10.spa的磁控濺射沉積系統(tǒng)中，用單質(zhì)金屬為濺射靶，在ZnO薄膜的電極接觸區(qū)域先沉積一金屬層，再在沉積的金屬層上沉積一金屬層；在濺射沉積電極時的濺射功率為Ws，真空度為Ps,襯底溫度為Ts，濺射靶與襯底的距離為4。
所述沉積雙層金屬電極采用射頻磁控濺射技術(shù)進行，沉積的雙層金屬電極為Ti/Au雙層金屬電極，先采用單質(zhì)鈦為濺射靶，沉積一層金屬鈦層，然后再以單質(zhì)金為濺射靶，在鈦層上沉積一層金層。
其中，所述在濺射沉積電極時的濺射功率Ws為50至100W，真空度Ps為0.5至2Pa，襯底溫度Ts為30至200 。C;靶材與襯底的間距4為40至60mm。金屬鈦層的沉積時間為4至6分鐘，金層的沉積時間為2至5分鐘。
為了更清楚地顯示出氫等離子體處理對ZnO薄膜本身的電阻率和接觸電阻的影響，以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
在本實施例中，首先對整片ZnO薄膜進行處理，接著裝上具有不同間距條形電極的掩模，通過掩模沉積Ti/Au雙層電極。氫等離子體處理所用 的主要設(shè)備是電容式等離子體系統(tǒng)，它包括等離子體處理室、真空系統(tǒng)、 射頻功率源等。
本實施例如圖1所示，圖1是依照本發(fā)明實施例提供的改善ZnO薄膜 歐姆接觸的方法流程圖，該方法包括以下步驟
1) 首先將ZnO薄膜裝入等離子體處理室中的樣品臺上，抽真空到10_4
Pa;
2) 利用氫等離子體處理ZnO薄膜，其工藝條件為真空度150Pa， 襯底溫度為室溫，射頻的功率為80W，處理的時間為30分鐘；
3) 取出ZnO薄膜，并在處理后的薄膜上裝上具有不同間距條形電極 的金屬掩膜，將其裝入射頻濺射沉積系統(tǒng)的樣品臺；
4) 然后通過掩模生長鈦層，其工藝條件為用單質(zhì)鈦作為濺射靶材， 靶材與襯底的間距為50mm，真空度lPa，襯底溫度為室溫，射頻功率為 80W,沉積時間為5分鐘，得到鈦層厚度約為80nm;
5) 緊接著在其上生長金層，其工藝條件為用單質(zhì)金作為濺射靶材， 靶材與襯底的間距為50mm，真空度lPa，襯底溫度為室溫，射頻功率密 度為60W，沉積時間為2分鐘，得到Au層厚度約為80nm;
6) 最后，從真空室取出樣品。
按照上述生長工藝，在經(jīng)氫等離子體處理的ZnO薄膜上沉積了 5個 Ti/Au雙層電極，電極間距分別為0.5、 1.0、 1.5和2.0mm。利用Keithley 2400測量了其I-V特性，并根據(jù)各I-V特性計算了各電極之間的電阻值。
圖2給出的是氫處理的ZnO薄膜和沒有氫處理的參考樣品的I-V特性 曲線(電極間距為l.Omm)。從圖2可以看到氫處理的ZnO薄膜的I-V曲 線有著更為陡峭的斜率，顯然氫處理后ZnO薄膜的電阻值(接觸電阻+薄 膜電阻)顯著降低。從I-V曲線得到的電阻值R^實際上是薄膜電阻和接 觸電阻的總和即R總- R薄膜+2R接觸，為了得到單獨的R薄膜和R接觸的值， 需要給出由不同間距電極測量得到的電阻值R總隨電極間距L變化的關(guān) 系，結(jié)果如圖3所示。
從圖3的斜率可以反映薄膜電阻R薄膜的大小，而其線形擬合在Y 軸上的截距則反映了接觸電阻(2R接觸)。從圖3得到氫等離子體處理的ZnO薄膜的接觸電阻R鄉(xiāng)為2 -Q，而未經(jīng)氫等離子體處理的參考ZnO薄膜其接 觸電阻R,為190 Q，顯然利用本發(fā)明的工藝，可以將ZnO薄膜的接觸電 阻減小2個量級，并獲得更為優(yōu)異的歐姆接觸性能。
在沉積歐姆接觸的金屬層之前，利用氫等離子體處理ZnO薄膜，可以 成功地將ZnO薄膜的接觸電阻減小2個量級，并顯著改善ZnO薄膜的歐 姆接觸性能。常用的改善ZnO歐姆接觸的方法有快速熱退火，Al摻雜等， 這些方法在一定程度上可以降低接觸電阻，但熱退火會造成ZnO器件性能 的不穩(wěn)定，而只對接觸區(qū)域進行Al摻雜其工藝相對復(fù)雜。而由于氫在ZnO 中是作為淺施主能級存在，而且氫原子體積小，可以通過等離子體處理很 方便的擴散進入ZnO薄膜中，從而提高ZnO薄膜的載流子濃度，并最終 降低ZnO薄膜和金屬之間的接觸電阻，改善ZnO薄膜的歐姆接觸性能。 本發(fā)明提供了一條降低ZnO薄膜的接觸電阻的可行途徑，為實現(xiàn)ZnO基 光電器件奠定了基礎(chǔ)。
以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行 了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而 已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修 改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種改善ZnO薄膜歐姆接觸的方法，其特征在于，該方法是在沉積金屬電極之前，利用氫等離子體處理ZnO薄膜的電極接觸區(qū)域，然后在經(jīng)氫等離子體處理的ZnO薄膜電極接觸區(qū)域沉積雙層金屬電極，形成歐姆接觸。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的改善ZnO薄膜歐姆接觸的方法，其特征在 于，所述利用氫等離子體處理ZnO薄膜的電極接觸區(qū)域，具體包括以ZnO薄膜及其上的金屬掩模為襯底，將該襯底放入一臺背景真空度 為PH的電容式等離子體系統(tǒng)中，對該襯底進行氫等離子體處理，氫等離 子體穿過金屬掩模作用于ZnO薄膜上；氫等離子體處理時的等離子體功率為WH，處理時間為tH，樣品的溫度為TH。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的改善ZnO薄膜歐姆接觸的方法，其特征在 于，所述氫等離子體處理時的真空度PH的取值為100至200 Pa，等離子 體功率WH的取值為60至100W，處理時間tH的取值為20至40分鐘，樣品的溫度TH為室溫。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的改善ZnO薄膜歐姆接觸的方法，其特征在 于，所述在經(jīng)氫等離子體處理的ZnO薄膜電極接觸區(qū)域沉積雙層金屬電 極，具體包括-將經(jīng)氫等離子體處理的ZnO薄膜放入一臺背景真空度為l(T5 Pa的磁 控濺射沉積系統(tǒng)中，用單質(zhì)金屬為濺射靶，在ZnO薄膜的電極接觸區(qū)域先 沉積一金屬層，再在沉積的金屬層上沉積一金屬層；在濺射沉積電極時的 濺射功率為Ws，真空度為Ps，襯底溫度為Ts，濺射靶與襯底的距離為ds。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的改善ZnO薄膜歐姆接觸的方法，其特征在 于，所述沉積雙層金屬電極采用射頻磁控濺射技術(shù)進行，沉積的雙層金屬 電極為Ti/Au雙層金屬電極，先采用單質(zhì)鈦為濺射靶，沉積一層金屬鈦層， 然后再以單質(zhì)金為濺射靶，在鈦層上沉積一層金層。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的改善ZnO薄膜歐姆接觸的方法，其特征在 于，所述在濺射沉積電極時的濺射功率Ws為50至100W，真空度h為0.5至2Pa，襯底溫度l為30至200 。C;靶材與襯底的間距4為40至60 mm。
7、根據(jù)權(quán)利要求5所述的改善ZnO薄膜歐姆接觸的方法，其特征在 于，所述金屬鈦層的沉積時間為4至6分鐘，金層的沉積時間為2至5分 鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改善ZnO薄膜歐姆接觸的方法，該方法是在沉積金屬電極之前，利用氫等離子體處理ZnO薄膜的電極接觸區(qū)域，然后在經(jīng)氫等離子體處理的ZnO薄膜電極接觸區(qū)域沉積雙層金屬電極，形成歐姆接觸。由于氫等離子體處理導(dǎo)致氫擴散進入ZnO薄膜，提高了接觸區(qū)域ZnO薄膜的載流子濃度，減小了接觸區(qū)域ZnO薄膜的電阻率，從而可以顯著降低ZnO薄膜和金屬的接觸電阻，改善其歐姆接觸特性。此外，在MS技術(shù)中，由于濺射出的粒子具有較高能量，使得ZnO/Ti界面原子能充分混合，可以提高Ti/Au接觸在ZnO薄膜上的粘附性。利用該發(fā)明最終可以得到粘附良好、接觸電阻低的歐姆接觸，為實現(xiàn)ZnO薄膜電子器件奠定了基礎(chǔ)。
文檔編號H01S5/00GK101685776SQ20081022361
公開日2010年3月31日 申請日期2008年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月27日
發(fā)明者張興旺, 游經(jīng)碧, 范亞明, 蔡培鋒, 陳諾夫, 云 高 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所