熱退火 (annealing)

此步驟將基板表面含多層金屬的電極滲入基板內的二維電子氣層，使得 表面與二維電子氣之間形成良好的歐姆接點。我們所使用的多層金屬由下 而上分別為：鎳(Ni) 100 Å 、金(Au) 2000 Å 、鍺(Ge) 1000 Å 、鎳(Ni) 700 Å 。 此金屬層疊的比例非常重要，是主要影響熱退火金屬間互相作用的滲透機 制以及歐姆接點成功與否的關鍵。金(Au)、鍺(Ge)均會滲入淺層基板，且鍺 由鎳(Ni)的幫助滲入，同時基板內的鉮(As)與鎵(Ga)會擴散至滲入的金、鍺 中，造成基板內產生空缺，此時鍺將填入此空缺形成歐姆接觸。下列製作 細節以2DEG編號 5-66 為例：

(1)準備：

將石英舟( quartz boat )及爐管口轉接頭以酒精擦拭，並以氮氣吹 乾，再將待熱退火樣品置於石英舟中心，放入爐管中鎖緊爐管口，

調整連接石英舟推管的轉接頭鬆緊(調整至可移動石英舟的最緊程 度)，把石英舟拉至爐管口，並記下石英舟與爐管中心相對距離，熱 退火裝置如圖 3-9 所示。

(2)清理：

依序使用氮氣以及氮氫氣混合氣體( N2：H2=9：1 )作爐管內部及管 線作氣體清理( purge )數次，此清理目的在於去除殘留管壁的水氣 和空氣雜質，避免影響後續進行熱退火過程的混合氣體比例。在清 理過程中需注意爐管管線有無漏氣，意即需注意管內壓力及抽氣速 率有無異常。

(2)熱退火：

完成爐管內部以及管線的氣體清理後，於爐管內通入氮氫混合氣體 ( N2：H2=9：1 )，並且持續通入少許的混合氣體保持爐管內部為正 壓，確保不會因為爐管內外壓差使得空氣滲入，以維持爐管內的混 合氣體比例與其純度，通入混合氣體的壓力約為 1psi；接著設定控 溫器( Watlow series 942 )的溫度為 452℃，並設定加熱速率約 20 分 鐘由室溫到達設定溫度，緩慢地將爐管加熱，待爐管內部的溫度穩 定後再迅速把石英舟推入爐管中央使樣品均勻受熱，推入爐管內加 熱 12.5 分鐘後立即將石英舟迅速拉出爐管，並回到原本的推入前位 置降溫，即完成熱退火。

上列所敘述的熱退火條件(即加溫爐管的設定溫度以及樣品的受熱時 間)並非適用於所有的二維電子氣基板，當使用不同二維電子氣基板時，需 重新確定熱退火條件並作適當微調。稍高的爐管控溫器設定溫度會使滲透 速率稍快，較長的熱退火受熱時間可以得到較深的金屬滲入深度。

另外，由於我們所使用的熱退火裝置系統中的石英舟( quartz boat )與樣 品溫度並不能及時與位於管外壁的 k-type 溫度計一致，在我們所使用的熱 退火時間之內並沒有完全達到我們所設定的溫度，因此在樣品熱退火受熱 時間的設定更顯為關鍵，熱退火受熱時間太長或太短均無法得到適用的歐 姆接點電阻值，而接點電阻不理想直接影響樣品的電性測量結果。原則上 微調熱退火設定，爐管溫控溫度 450℃，加熱時間 13 分鐘，可以找到深度

及編號 7-79 的二維電子氣樣品所適用熱退火條件，以及各樣品完成良好的 歐姆接點於室溫下所量測的方塊電阻值。

表 3-2 各樣品熱退火條件整理表。

2DEG 編

號 2DEG 深度(

Å

圖 3-9 熱退火裝置示意圖。