单根氮化镓纳米线器件接触界面的分析

摘要

开发了一种技术，可将Ni/Au接触金属膜从其衬底上剥离，从而实现对单根GaN纳米线器件的接触/衬底界面以及接触/纳米线界面的观察与表征。

摘要

在SiO₂上制备的单根GaN纳米线（NW）器件在退火后可能因接触层/SiO₂界面处形成空洞而出现显著性能退化。此类空洞的形成可能导致金属薄膜开裂或剥离，从而增加电阻，甚至导致NW器件完全失效。为解决空洞形成相关的问题，已开发出一种技术，可将Ni/Au接触金属膜从衬底上剥离，以便对单根GaN NW器件的接触层/衬底及接触层/NW界面进行观察与表征。该方法可评估接触膜与衬底及纳米线之间的粘附程度，并实现对接触界面形貌和成分的表征。此外，该技术还可用于评估在金属沉积前，NW悬液以及光刻工艺在NW-SiO₂表面残留的污染程度。本文详细介绍了从SiO₂衬底上的Mg掺杂GaN NWs上剥离退火后Ni/Au接触层的具体步骤。

引言

单根纳米线（NW）器件的制备方法是将纳米线悬浮液分散到绝缘衬底上，然后通过传统的光刻和金属沉积工艺在衬底上形成电极垫，从而随机形成两端器件。通常采用带有厚SiO₂薄膜的Si晶圆作为绝缘衬底^1,2。对于沉积在SiO₂表面的金属，热处理过程中常见的问题是金属/SiO₂界面处出现空洞。除了金属薄膜的开裂和剥离外，空洞的形成还会因接触面积减小导致电阻增加，从而对器件性能产生不利影响。在N₂/O₂气氛中氧化的Ni/Au接触是目前应用于p型GaN的主要接触方式^3-7。在N₂/O₂气氛中进行热处理时，Ni会扩散至表面形成NiO，而Au则向下扩散至衬底表面。

本研究发现，在对沉积于SiO₂上的Ni/Au接触层与纳米线（NW）进行退火处理时，接触层/NW界面及接触层/SiO₂界面处会出现大量空洞⁸。然而，退火后Ni/Au薄膜的表面形貌并不能反映空洞的存在或空洞形成的程度。为解决这一问题，我们开发了一种技术，可将Ni/Au接触层及GaN纳米线从SiO₂/Si衬底上剥离，以便分析接触层与衬底及纳米线之间的界面情况。该技术适用于任何与衬底粘附性较差的接触结构的剥离。嵌有GaN纳米线的Ni/Au薄膜通过碳胶带从SiO

方案

本实验所用的氮化镓纳米线（GaN NWs）是通过无催化剂分子束外延法（MBE）在Si(111)衬底上生长的⁹。从原始生长的纳米线衬底制备纳米线悬浮液的一般步骤如图1所示。

1. 纳米线悬浮液的制备

1. 在基底上切割一小块（<5 mm × 5 mm）原位生长的纳米线。
2. 取一小瓶带盖离心管，加入约 1 ml 异丙醇（IPA）。
3. 将切割下来的样品放入离心管中，盖紧管盖，超声处理约 30 秒，以使纳米线从基底上脱落。制备完成后，纳米线悬浮液可在较长时间内保持稳定。

2. 底物制备

所使用的衬底是双面具有200 nm热生长SiO₂层的重掺杂（ρ ~0.001-0.005 Ω-cm）3英寸Si晶圆。

1. 若需在硅基底上建立电接触，可使用反应离子刻蚀机（RIE）去除晶圆背面的氧化层，刻蚀条件如下：O₂ 流速 = 20 sccm，CHF₃ 流速 = 50 sccm，偏压 -240 V，功率 120 W，刻蚀时间 20 分钟。此步骤还有助于避免电子显微镜观察过程中样品发生电荷积累。
2. 氧化层刻蚀完成后，将晶圆正面朝下置于三脚架夹具中，浸....

结果

使用碳胶带将退火后的 Ni/Au 薄膜从 SiO₂ 基底上剥离后进行扫描电镜（SEM）分析的示例如图 4 所示。图 4A 展示了剥离前 Ni/Au 接触层的表面形貌。图 4B 展示了同一块 Ni/Au 薄膜剥离后其背面的形貌。通过比较表面与背面的形貌，有助于判断二者之间是否存在关联。例如，当对比这两幅图像时，可以观察到 (a) 中的暗斑与 (b) 中的暗色特征相对应。在更高放大倍数下，可清晰分辨 Ni/Au 背面形貌的关键特征。结合使用能量色散X射线光谱（EDS）分析，以确定背面形貌不同区域的成分，从而推断出退火后 Ni/Au 薄膜在 SiO₂ 基底上的整体结构。图 4C 展示了一块制备良好的剥离 Ni/Au 薄膜在较低放大倍数下的形貌。该薄膜中空洞形成均匀，且未出现开裂或断裂现象。图 4D 则是一块制备不良的剥离 Ni/Au 薄膜的示例。该样品在金属沉积前未进行任何清洁预处理，残留污染物导致空洞分布不均，并形成类似水泡的大尺.......

讨论

该技术可用于分析单根纳米线器件的接触/衬底以及接触/纳米线微结构。该技术的主要优势在于成本低且操作简便。它能够对接触界面与衬底之间进行大规模的定性和定量分析，同时也能对单根纳米线实现亚微米尺度的分析。利用碳胶带进行薄膜剥离，并使用扫描电镜针式样品台进行样品固定，使得该方法适用于需要洁净低压环境的多种表征技术。除使用扫描电镜（SEM）对界面形貌进行成像外，还可结合多种其他表征技术，包括能量色散X射线光谱（EDS）、X射线光电子能谱（XPS）、俄歇电子能谱（AES）以及原子力显微镜（AFM）。

对纳米线分散工艺的一种可能改进是在分散前在基底上刻蚀出图案，以明确标示每个电极图案的具体位置，从而实现纳米线悬浮液更精确的定位。但这需要额外的加工步骤，会增加工艺复杂性以及残留污染的风险。纳米线分散工艺的另一个问题是所施加的纳米线悬浮液的用量。具体用量取决于电极图案的尺寸。在我们的实验中，对于面积为1 cm²的电极图案，使用30 μl的液滴即可充分覆盖电极区域。建议在指定区域内施加的纳米线悬浮液不超过两次，以避免溶剂导致的过量堆积。若希望在基底上获得更高密度的纳米线分布，则.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
试剂与材料
剥离型抗蚀剂	MicroChem	LOR 5A	根据应用而定
光刻胶	Shipley	1813	根据应用而定
显影液	Rohm and Haas Electronic Materials	MF CD-26	根据应用而定
光刻胶剥离剂	MicroChem	Nano Remover PG	根据应用而定
Ni 源	International Advanced Materials	纯度 99.999%
Au 源	International Advanced Materials	纯度 99.999%
SiO2/Si 晶圆	Silicon Valley Microelectronics	3 英寸 <100> N/As 0.001–0.005 ohm·cm，200 nm 热氧化层
导电碳胶带	SPI Supplies	5072，8 mm 宽
溶剂为标准半导体级或研究级。供应商对实验结果无影响。
反应离子刻蚀气体和热退火气体为高纯级。供应商对实验结果无影响。
设备
超声波清洗机	Cole-Palmer	EW-08849-00	低功率
微量移液器	Rainin	PR-200	带刻度，一次性吸头
反应离子刻蚀机	SemiGroup	RIE 1000 TP	其他厂商设备也可使用，但工艺参数不同
掩模对准器	Karl Suss	MJB3	其他厂商设备也可使用，但工艺参数不同
紫外臭氧清洗机	Jelight	Model 42	其他厂商设备也可使用，但工艺参数不同
电子束蒸发仪	CVC	SC-6000	其他厂商设备也可使用，但工艺参数不同
* 制造商和产品名称仅出于信息完整性的考虑列出。这些具体引用不代表美国国家标准与技术研究院（NIST）对产品的认可，也不暗示其他公司类似产品不适用。