通过混合气体等离子体处理改善基于铝的电极与n型GaN（氮化镓）表面之间的接触性能

Al基电极与n型GaN表面接触性能优化研究。采用Ar+O2和Ar+SiCl4混合气体等离子体处理，使接触电阻率分别降至2.37×10??和1.98×10?? Ω·cm2，优于单一气体处理。XPS和DFT分析表明，混合处理引入V_N、O_N和Si_Ga等施主缺陷，抑制V_Ga和O_N-V_Ga复合中心，降低Schottky势垒。同时形成SiO_x/SiN_x层钝化深能级，前向电压降低0.19-0.27V。

　　

梁罗|郝茹|曹增|赵娟丽|周明斌|于海江|吴宁|史伟楠|万启新|胡家辉|熊志华

江西省先进电子材料与器件重点实验室，江西科技师范大学，南昌330038，中国

摘要

基于铝（Al/Ti/Ni/Pt/Au）的电极与n型GaN表面的接触性能对于高效LED器件至关重要。表面缺陷、氧化和能带弯曲会显著影响接触电阻率。经过Ar + O₂和Ar + SiCl₄混合气体等离子体处理的LED样品，其特定接触电阻率（ρ_c）分别为2.37 × 10?⁴ Ω·cm²和1.98 × 10?⁴ Ω·cm²，低于仅使用O₂、Ar或SiCl₄处理的情况。XPS测量结果显示，Ar + O₂和Ar + SiCl₄混合气体等离子体处理使GaN的3d能级光谱向更高的结合能移动，表明能带向上弯曲的程度减小。结合密度泛函理论（DFT）计算，混合等离子体处理在GaN表面引入了施主型缺陷（V_N、O_N和Si_Ga），同时抑制了深层复合缺陷（V_Ga和O_N-V_Ga）。这些表面缺陷以及Ar离子的清洗作用降低了Al/Ga面GaN界面的肖特基势垒（SBH）。在Ar + SiCl₄等离子体处理过程中形成的超薄SiO_x/SiN_x层钝化了深层态，提高了载流子注入效率。此外，经过混合等离子体处理的LED样品的正向电压分别降低了0.19 V和0.27 V。这些结果为GaN表面缺陷的等离子体诱导化学变化提供了见解，并提供了一种有效的、适用于工业的方法来改善LED器件的接触特性。

引言

氮化镓（GaN）因其出色的特性（如高击穿电压、高导热性和高电子饱和速度）为高性能器件提供了物理基础[1]、[2]、[3]。基于GaN的发光二极管（LED）利用其独特的InGaN/GaN多量子阱（MQW）结构和非对称电极设计，实现了高效的光发射[4]、[5]。这种性能使其在节能照明、全彩显示和紫外光电子器件等领域得到广泛应用[5]、[6]。在具有InGaN/GaN MQW活性区域的LED结构中，电极对于电流注入、热管理、操作稳定性和器件效率至关重要[4]、[7]、[8]、[9]。铝（Al）因其优异的导电性、高光反射率和成本效益而被广泛用作电极材料[9]。此外，Al具有相对较低的工作函数，有利于高效的电子注入。正如Lee等人所报道的，经过退火处理的基于Al的接触材料在GaN的Ga面和N面上都能实现优异的欧姆接触[10]、[11]。为了提高基于Al的电极的热稳定性和接触性能，已经提出了多种材料组合，包括Al/Ti/Al[12]、CrB₂/Ti/Al[13]、Al-Ga/Ti/Al[14]、Ti/W/Al[15]、Ti/Al/Mo/Au、Ti/Al/Mo/Ti/Ni/Au/Ti/Pt[16]和Ti/Al/W₂B/Ti/Au[17]。

尽管使用了Al作为主要接触层，但基于Al的电极在实现与n型GaN的低电阻接触方面仍面临显著困难。先前的研究表明，Al的低工作函数以及GaN表面负极性极化电荷共同导致了能带弯曲，从而从根本上改变了表面区域的电学性质。结果，在界面处形成了较高的肖特基势垒（SBH），限制了电子隧穿效率，导致接触电阻过高[18]、[19]、[20]。金属/半导体界面的高接触电阻会显著降低器件的性能和可靠性。因此，实现低电阻的欧姆接触对于提高基于GaN的LED器件的电学和光学性能至关重要。

一种技术方法是在GaN的n型表面依次进行湿化学蚀刻，然后进行退火处理，以有效形成高质量的电极和GaN接触。蚀刻通过去除污染物和受损层来净化界面，而退火通过引入氮空位（V_N）缺陷来调节界面性质，从而增强金属/半导体的相互作用[21]。例如，Okada等人报告称，沸点HCl溶液在去除表面氧化物和修复等离子体诱导的损伤方面比室温HCl溶液更有效[22]。在开发n型GaN上的Ti/Al非合金欧姆接触时，Lin等人发现(NH₄)₂S_x和KOH处理虽然可以去除表面氧化物并通过形成Ga-S化学键来钝化V_N，但长时间处理会导致硫聚集，这会阻碍Ti与GaN的直接接触，从而增加势垒[23]。Charan等人报告称，新型四甲基氢氧化铵（TMAH）预处理可以选择性地蚀刻表面螺旋位错，从而促进欧姆金属向GaN通道的扩散，并有助于形成导电的TiN夹杂物，从而降低接触电阻[24]。Singh等人提出，N₂ + O₂退火通过形成O诱导的n⁺表面层来降低特定接触电阻，从而降低Ti/GaN的SBH，提高电子隧穿效率[25]。在另一种涉及沉积后退火的方法中，Sadowski等人发现，在700°C下退火的n型GaN表现出较低的特定接触电阻（R_c），这是因为在金属-GaN界面形成了AlN薄膜[26]。然而，在湿蚀刻过程中，高温退火后会出现再氧化和表面粗糙度增加的问题。为了克服这些限制，研究人员进一步提出了基于等离子体的GaN表面处理技术。

基于等离子体的技术方法可以去除表面污染物（包括氧化物、氢氧化物和残留的镓），同时使表面粗糙化以增加金属接触面积并提高粘附性。该处理引入了V_N缺陷，这对于实现低电阻接触至关重要。Kim等人报告称，O₂等离子体预处理通过破坏Ga-N键并在表面增加V_N缺陷来降低n型GaN的接触电阻。这种改性的表面有助于后续Ti沉积过程中Ti-N相的形成。同时，他们还发现，在n型GaN表面引入施主缺陷（如V_N或O_N）可以降低特定接触电阻（R_c），而O_N-V_Ga复合体则会增加R_c[27]。Selvanathan等人报告称，SiCl₄等离子体处理使GaN的费米能级（E_F）向表面导带边缘移动，这是由于V_N的生成[28]。Cl₂等离子体蚀刻过程会暴露GaN表面，产生高密度的表面态。Chatterjee等人发现，这一过程会创建高密度的表面缺陷，包括点缺陷（如V_Ga和V_N）和晶格紊乱[1]、[29]、[30]、[31]、[32]。Pernel等人提出，电极和n型GaN的势垒高度归因于V_Ga和V_Ga-O_N复合体的出现[32]、[33]。这些表面态会导致费米能级固定，使得通过调整金属电极的工作函数来有效降低界面势垒变得困难。此外，暴露在空气中会导致氧化层（如Ga₂O₃）的形成和污染物的吸附。Gong等人研究了紫外/臭氧（UV/O₃）和O₂等离子体对GaN表面的处理，发现UV/O₃可以有效清洁表面，抑制Ga-O键的形成，并最小化表面形变的改变。相比之下，O₂等离子体处理会强烈氧化表面，形成氧施主并钝化表面缺陷，从而抑制GaN表面的能带向上弯曲[34]。由于这些表面物质的绝缘或半绝缘性质，它们会显著阻碍载流子的传输。为了解决这些问题，研究人员在沉积金属电极之前会对n型GaN表面进行表面处理。根据这些文献报道，单气体等离子体处理可能会导致表面损伤或缺陷积累，其在改善接触性能方面的效果有限[20]、[23]。混合气体等离子体处理被认为是优化基于Al的电极与n型GaN接触性能的有前景策略，但其协同效应尚未得到充分探索。

本研究系统地研究了O₂、Ar、Ar + O₂、SiCl₄和Ar + SiCl₄等离子体钝化对n型GaN薄膜表面缺陷状态和光电性能的影响，这些薄膜与基于Al的电极接触。我们将使用具有不同间距的传输线模型（TLM）结构来测量片电阻和特定接触电阻，并采用原子力显微镜（AFM）和X射线光电子能谱（XPS）进行全面的表面表征。通过分析不同的表面处理方法，我们旨在研究控制表面能带弯曲变化的微观机制。此外，还应用第一性原理计算来研究表面缺陷对Al/Ga-GaN接触界面n型SBH（${\Phi }_n的影响，以揭示混合气体等离子体处理在LED器件中引起接触性能下降的原子级机制。$

样品和实验

本研究中的所有样品均来自同一外延生长批次的外延晶圆，分为六组实验组，以消除外延工艺变化的影响。一组未经处理，其余五组在GaN的n型表面上进行了不同的感应耦合等离子体（ICP）干法蚀刻处理。样品尺寸为0.25 mm × 0.6 mm。结构如图1所示，其中图1（a）展示了示意图

结果与讨论

为了定量评估GaN的n型表面与金属Al电极之间的接触性能，无论是否经过O₂、Ar、Ar + O₂、SiCl₄和Ar + SiCl₄等离子体处理，都使用传输线方法（TLM）测量了六组样品的GaN片电阻（R_sh）和GaN的n型表面与Al基金属电极之间的特定接触电阻率（ρ_c），如图2所示。在图2（a）中，展示了三种单气体处理的样品的R_sh值

结论

基于Al（Al/Ti/Ni/Pt/Au）多层金属电极与GaN表面的接触性能对于LED器件的发光效率至关重要。在本研究中，六个LED芯片样品分别经过Ar、O₂、Ar + O₂、SiCl₄和Ar + SiCl₄等离子体处理，以阐明它们在GaN表面缺陷工程和与Al基电极接触优化中的作用。TLM测量表明，Ar + O₂和Ar + SiCl₄混合气体处理表现出更优越的能力

CRediT作者贡献声明

梁罗：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，研究，数据管理。郝茹：监督，方法学。曹增：验证，方法学。赵娟丽：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法学，资金获取。周明斌：验证，监督，资金获取。于海江：方法学，研究。吴宁：验证，方法学，资金获取。史伟楠：验证，方法学，资金获取。万启新：撰写 – 审稿与编辑，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号12364013和62464007）、江西省研究与开发计划（项目编号20244BBC30003、20232BBE50024、20224BBC41002、江西省自然科学基金重点计划（项目编号20224ACB202005、江西省自然科学基金（项目编号20242BAB25098）以及江西省早期职业青年科技人才发展计划的支持