Инновации в металлических контактах бета-нитрида галлия для передовых силовых электроник

Аннотация

Ультраширокозонный бета-оксид галлия (β-Ga₂O₃) привлекает значительное внимание как перспективный полупроводник для силовых электроник следующего поколения. Он обладает отличными свойствами: широкой запрещенной зоной 4,6–4,9 эВ, высоким пробоем электрического поля 8 МВ/см и исключительной фигурой мерита Балиги (BFOM), вместе с превосходной химической и термической стабильностью. Эти черты указывают на большой потенциал для будущих приложений в силовых и оптоэлектронных устройствах. Однако критическая проблема контактов между металлом и Ga₂O₃ ограничивает производительность β-Ga₂O₃ устройств. В этой работе обзорено достижения в контактах β-Ga₂O₃ МОП-транзисторов. Для улучшения контактных свойств обобщены и детально проанализированы четыре основных подхода: предварительная обработка, пост-обработка, многослойный металлический электрод и введение промежуточного слоя. По сравнению, последние два метода изучаются интенсивнее и более благоприятны, чем предварительная обработка, которая неизбежно генерирует неконтролируемые повреждения. В заключении представлены выводы и перспективы для дальнейшего улучшения Омических контактов.

Введение

Недавно оксид галлия (Ga₂O₃) рассматривается как перспективный кандидат для высокомощных и высокоэффективных устройств благодаря своим отличным материальным свойствам. Ga₂O₃ имеет пять различных полиморфов: α-Ga₂O₃, β-Ga₂O₃, γ-Ga₂O₃, δ-Ga₂O₃ и ε-Ga₂O₃, среди которых β-Ga₂O₃ наиболее термодинамически стабилен и наиболее изучен. С ультраширокой запрещенной зоной 4,6–4,9 эВ теоретическое пробойное поле (E_br) 8 МВ/см для β-Ga₂O₃ примерно в три раза больше, чем у SiC или GaN, что позволяет β-Ga₂O₃-устройствам обрабатывать гигантские коммутационные напряжения. Пригодность полупроводников для силовых устройств обычно оценивают фигурой мерита Балиги (BFOM). BFOM β-Ga₂O₃ почти в три раза выше SiC и GaN, значительно снижая потери проводимости. Кроме того, насыщенная электронная скорость теоретически оценивается около 2 × 10⁷ см/с, делая его привлекательным для высокочастотных операций. Другое уникальное преимущество β-Ga₂O₃ среди широкозонных полупроводников — высококачественные однонакристаллические кристаллы могут быть синтезированы дешево методами расплавного роста. Кроме того, высококачественные n-типичные β-Ga₂O₃ эпитаксиальные пленки реализуются точным легированием Sn, Si, Ge и Mg, с электронной плотностью 10¹⁶–10¹⁹ см⁻³. Благодаря этим преимуществам β-Ga₂O₃ показывает способность быть перспективным материалом для силовых электроник и электроники экстремальных сред (высокая температура, высокое напряжение, высокое излучение).

Сообщено о многих перспективных β-Ga₂O₃ устройствах, включая Шоттки-диоды, МОП-транзисторы и различные типы солнепоглощающих фотодетекторов. Среди этих устройств МОП-транзисторы — самая распространенная конфигурация для радиочастотных и высокомощных операций, полностью реализующая высокое E_br и BFOM. Однако одна из проблем β-Ga₂O₃ в МОП-устройствах — сложность формирования Омических контактов по сравнению с узкозонными полупроводниками. Обычно отличный Омический контакт между полупроводником и металлическим электродом необходим для высокопроизводительных полупроводниковых устройств. Низкорезистивные контакты могут снизить падение напряжения на контакте и, следовательно, увеличить напряжение через канал, обеспечивая расчетную плотность тока и высокую коммутационную скорость. Более того, низкорезистивные контакты способствуют снижению тепловыделения, которое может усугублять самонагревание.

Следовательно, фабрикация высококачественных Омических контактов — предпосылка для достижения высокопроизводительных устройств. В этом обзоре начинаем с фундаментальных концепций металл/полупроводник контактов. В разделе «Подходы к Омическим контактам» представлено резюме недавних значительных достижений в Омических контактах к β-Ga₂O₃, и подходы обсуждаются и анализируются. Наконец, предоставлены перспективы для улучшения Омических контактов к β-Ga₂O₃ в будущем.

Базовая физика Омических контактов

Омический контакт — это металл/полупроводник переход, в котором нет барьера на интерфейсе, препятствующего переносу носителей, как показано на рис. 1a. Напротив, существующий на интерфейсе энергетический барьер inhibирует перенос носителей между металлом и полупроводником, очевидно из рис. 1b. Особенно, контакты, формируемые между широкозонными полупроводниками и металлами, всегда Шоттки. Таким образом, контактное сопротивление обычно зависит от высоты Шотткиевского барьера (SBH) Φ_B. Для n-типичного полупроводника это подчиняется уравнению:

$$ {q\Phi}_B={q\Phi}_m-{\chi}_s $$ (1)

где Φ_m — работа выхода металла, а χ_s — электронная сродство полупроводника.

Как показано в уравнении (1), важно снизить SBH для формирования Омического контакта. Кроме того, высокое легирование в полупроводниках может способствовать формированию Омических контактов, например, для сильно легированных полупроводников (N_D > ~ 10¹⁸ см⁻³) барьер становится достаточно узким, позволяя электронам напрямую туннелировать через интерфейс из-за значительного изгиба зоны проводимости, как показано на рис. 2. Однако достижимые уровни легирования в β-Ga₂O₃ обычно ниже, чем в Si, как и для других широкозонных полупроводников. Кроме того, поверхностные состояния также играют важную роль в формировании Омических контактов, часто определяемые как области высокоскоростной рекомбинации. Те средние зонные дефектные уровни, индуцированные поверхностными состояниями, могут помочь переносу носителей. Это подразумевает, что хороший Омический контакт может быть сформирован путем введения правильных поверхностных состояний в полупроводники.

Электрическое квантование контактных характеристик необходимо для оценки качества контактов. В настоящее время удельное контактное сопротивление ρ_C — один из общепринятых параметров для оценки производительности Омических контактов, обычно выраженное в Ом·см². Удельное контактное сопротивление — очень полезная величина, независимая от геометрии контакта и относящаяся только к интерфейсу металл/полупроводник. На данный момент наименьшее ρ_C 4,6 × 10⁻⁶ Ом·см² сообщалось для Ti/Au контактов к β-Ga₂O₃. Wong и др. также получили низкое ρ_C 7,5 × 10⁻⁶ Ом·см² с Ti/Au контактами. До сих пор много усилий уделялось получению контактов с низким ρ_C, и типичные значения удельного контактного сопротивления для хороших Омических контактов разбросаны в диапазоне 10⁻⁵–10⁻⁶ Ом·см².

Подходы к Омическим контактам

На данный момент исследования внутренних свойств β-Ga₂O₃ в основном проводились на его МОП-структуре, где обычно используются два метода синтеза канала. Один — микромеханически эксфолированные флаки (наномембраны); другой — эпитаксиальные β-Ga₂O₃ пленки на родной подложке, как суммировано в таблице 1.

Обычно эксфолированные β-Ga₂O₃ флаки могут быть перенесены на любые подложки удобно и дешево. Обнаружено, что материальные свойства β-Ga₂O₃ флаков не деградируют при эксфолиации, как подтверждено Рамановской спектроскопией и атомно-силовой микроскопией, что означает, что производительность МОП на эксфолированных флаках сопоставима с эпитаксиальными слоями. Благодаря этим преимуществам этот метод рекомендуется для изучения электрических характеристик, включая плотность интерфейсных дефектов, пробойное напряжение, рассеяние поверхностными оптическими фононами и термическое свойство, то есть эффект самонагревания.

Как суммировано в таблице 1, методы, используемые для улучшения Омических контактов, можно обобщить в три типа: (1) предварительная обработка, (2) пост-обработка и (3) многослойный металлический электрод. Кроме того, введение промежуточного слоя также может дать превосходные Омические контакты, что не показано в таблице 1.

Предварительная обработка

Предварительная обработка выполняется перед осаждением металла, включая ионную имплантацию, плазменную бомбардировку и реактивно-ионную травлю (RIE). Хигасиваки и др. продемонстрировали, что контакты, сформированные с использованием Ti/Au стека с процессом предварительной RIE обработки, показывают почти Омическое поведение, в то время как образец без RIE обработки демонстрирует Шоттки поведение, как иллюстрировано на рис. 3. Значительная разница может быть атрибутирована к выходной диффузии свободных атомов кислорода, генерируемых непрерывной бомбардировкой за счет разрыва открытых Ga-O связей, оставляя множество кислородных вакансий, действующих как доноры в β-Ga₂O₃. С другой стороны, непрерывная RIE обработка также генерирует значительные поверхностные состояния, играющие важную роль при формировании контактов. Рисунок 4 показывает связанные DC выходные характеристики, на которых наблюдается квазилинейный ток при низком дренном напряжении. В их более поздней работе, как показано на рис. 5, выходные характеристики демонстрировали хорошую линейность между током и дренным напряжением, когда Si ионная имплантация и RIE применялись к β-Ga₂O₃ вместе, и достигалось экстремально низкое удельное контактное сопротивление 8,1 × 10⁻⁶ Ом·см². Очевидно, Омическое поведение, полученное RIE и Si⁺ имплантацией вместе, превосходит RIE только, так как Si атомы известны как мелковозлежащие доноры с малыми энергиями активации в β-Ga₂O₃. Дополнительно, Чжоу и др. сообщали о высокопроизводительных β-Ga₂O₃ полевых транзисторах с Ar плазменной бомбардировкой перед осаждением контактного металла. Напротив, образец без Ar бомбардировки демонстрировал Шоттки контакт. Разница может быть атрибутирована генерации кислородных вакансий и поверхностных состояний во время процесса Ar плазменной бомбардировки, так же как при RIE обработке.

Хотя упомянутые техники могут улучшить производительность Омических контактов, такие технологии практически неприменимы, потому что индуцированный ущерб обычно — последнее, чего хотят процессные инженеры в полупроводниковых устройствах, и более того, ущерб-индуцированные Омические контакты не всегда воспроизводимы.

По этой причине, помимо вышеупомянутых традиционных техник, часто используемых для формирования низкорезистивных Омических контактов, относительно новый метод — спин-он-стекло (SOG) легирование — недавно был принят, и достигнуто удельное контактное сопротивление 2,1±1,4 × 10⁻⁵ Ом·см², подтвердившее эффективность SOG легирования. Рисунок 6 показывает выходные характеристики SOG-легированных β-Ga₂O₃ МОП, демонстрирующих отличное линейное поведение при низком дренном напряжении. По сравнению с ионной имплантацией, SOG легирование снижает ущерб-индуцированную диффузию видов и снижает затраты за счет отказа от дорогого ионного имплантера. Подобно ионным имплантациям, базовый принцип этой технологии — легирование S/D области мелковозлежащими донорами. Очевидно, превосходный Омический контакт может быть достигнут с намеренно легированным β-Ga₂O₃. Например, высоколегированный β-Ga₂O₃ использовался для фабрикации β-Ga₂O₃ полевых транзисторов с дренными токами превышающими 1,5 А/мм. Рекордный высокий дренной ток обусловлен сильным легированием в β-Ga₂O₃, вызывающим очень тонкий обедненный слой, через который электроны могут легко туннелировать через барьер, веду к Омическому контактирующему поведению. Интересно, ориентация поверхности β-Ga₂O₃ также может влиять на контактное поведение. Байк и др. сообщали, что те же электроды на β-Ga₂O₃ показывали разные контактные свойства: образец на (2̄01) подложке вел себя как Омические контакты, в то время как контрольный образец на (010) демонстрировал Шоттки поведение. Это может быть атрибутировано разным Ga/O соотношению и плотности свисающих связей при конкретных ориентациях.

Пост-обработка

Пост-обработка выполняется после осаждения металла, в основном относящаяся к отжигу. Отжиг играет роль в снижении ущерба, индуцированного предыдущими процессами, такими как ионная имплантация и плазменная бомбардировка. Кроме того, он способствует формированию промежуточного слоя, который может снизить разрыв зоны проводимости между металлом и β-Ga₂O₃. Заметно, что параметры, включая температуру, атмосферу и время отжига, оказывают важное влияние на производительность устройств. Эксперимент по отжигу в воздухе и N₂ был реализован для сравнения эффекта атмосферы отжига на Омические контакты на базе β-Ga₂O₃. Как видно на рис. 7, производительность отжига в N₂ превосходила ту, что в воздухе, что может быть атрибутировано тому, что более высокое парциальное давление кислорода в воздухе подавляло формирование кислородных вакансий. Однако зависимость контактных характеристик от температуры, атмосферы и времени отжига неясна; следовательно, дальнейшая оптимизация параметров процесса отжига необходима.

Многослойный металлический электрод

Другой подход к формированию Омических контактов — снижение SBH на интерфейсе металл/полупроводник. SBH равно разнице между работой выхода металла и электронной сродством полупроводника. Основываясь на этом признании, можно ожидать, что металлы с низкой работой выхода сформируют Омические контакты на β-Ga₂O₃. Тем не менее, доказано, что работа выхода не является доминантным фактором формирования Омического контакта.

Девять металлов, осажденных на β-Ga₂O₃, были выбраны на основе свойств: работа выхода, температура плавления и стабильность оксида. Работа выхода Ti и электронная сродство ненамеренно легированного β-Ga₂O₃ известны как 4,33 эВ и 4,00±0,05 эВ соответственно, поэтому на интерфейсе должен существовать барьер 0,22 эВ, ведущий к Шоттки контакту. Тем не менее, выяснилось, что Ti контакты с Au каппирующим слоем были Омическими с наименьшим сопротивлением среди девяти металлов после отжига. В то же время Бай и др. исследовали зависимость контактных свойств от Ti/Au и Ni/Au для устройств на основе эксфолированных β-Ga₂O₃ флаков. Наблюдалось, что производительность МОП с Ti/Au металлическими электродами превосходила те с Ni/Au под одинаковыми условиями отжига. Изначально считалось, что работы выхода Ni и Ti 5,01 эВ и 4,33 эВ соответственно, поэтому Ti может сформировать Омический контакт легче, чем Ni; однако исследования через энергодисперсионную спектроскопию (EDS) продемонстрировали, что атомный процент кислорода в области β-Ga₂O₃ уменьшился, в то время как атомный процент кислорода в Ti بالقرب интерфейса увеличился после отжига, как иллюстрировано на рис. 8. Этот феномен атрибутирован выходной диффузии атомов кислорода из β-Ga₂O₃ в Ti металл, приводящей к формированию кислородных вакансий, действующих как доноры. Более того, во время отжига ускоренная выходная диффузия атомов кислорода в β-Ga₂O₃ могла реагировать с Ti и формировать Ti₂O₃, которое полезно для формирования Омических контактов благодаря своей низкой работе выхода (3,6–3,9 эВ). Следовательно, интерфейсная реакция между металлами и β-Ga₂O₃ — важный фактор формирования Омических контактов на интерфейсе металл/полупроводник.

Кроме того, обнаружено, что большинство Ti/Au металлических электродов, используемых для формирования Омических контактов, отжигали при 450 °C или 470 °C быстрым термическим процессом. Подобная деградация контактных характеристик наблюдалась при отжиге выше 500 °C в Ref. [55, 56], как иллюстрировано на рис. 7 и 9 соответственно. Яо и др. предположили, что изолирующий оксидный слой мог сформироваться при повышенной температуре отжига, приводя к ухудшению контактов. Тем не менее, Бай и др. заметили, что поверхность осажденного металла стала намного более шершавой после 700 °C отжига из-за перемешивания металлов и диффузии галлия и кислорода в металлические электроды, что было приписано причине деградации. Очевидно, механизмы деградации Ti/Au контактов к β-Ga₂O₃ после высокотемпературного отжига все еще под дебатом.

β-Ga₂O₃-устройства с Ti/Au контактами не могут удовлетворить спрос на работу при высокой температуре. Поэтому, чтобы избежать деградации контактных характеристик при повышенной температуре отжига, должны применяться более сложные металлические стеки. На данный момент Ti/Al/Au, Ti/Au/Ni и Ti/Al/Ni/Au металлические стеки использовались для формирования электрических контактов на β-Ga₂O₃. Но всестороннее сравнение контактных характеристик между этими металлическими стеками все еще недостаточно.

Мохаммад и Греко и др. обсуждали роль каждого металлического слоя в сложных металлических стеках, предоставляя некоторые руководящие принципы для улучшения Омических контактов. Схема металлических стеков показана на рис. 10. Обратите внимание, что этот подход сейчас развивается для GaN-базированных силовых устройств.

Первый металлический слой на подложке, называемый контактным слоем, должен иметь низкую работу выхода и хорошую адгезию к подложке. Более того, он может также блокировать диффузию металлов верхних слоев с высокой работой выхода в подложку. В настоящее время Ti — основной металл как контактный слой к β-Ga₂O₃ из-за его низкой работы выхода (4,33 эВ) и хорошей адгезии к подложке. Кроме того, формирование Ti₂O₃ и Ti₃O₅ с более низкими работами выхода, чем Ti, на интерфейсе благоприятно для формирования Омических контактов, так как оксиды снижают SBH и оставляют кислородные вакансии, действующие как доноры. Однако другие металлы с низкой работой выхода, включая Ta (3,1 эВ) и Hf (3,9 эВ), еще не изучались. Второй верхний слой с низкой работой выхода должен уметь формировать интерметаллические соединения с контактным слоем, чтобы предотвратить их диффузию в интерфейс. В настоящее время Al используется как верхний слой, так как он удовлетворяет этим требованиям. Третий металлический слой (барьерный) служит целью ограничения в-диффузии верхнего металлического слоя и выходной диффузии нижних металлических слоев. Ni — наиболее часто используемый барьерный слой для β-Ga₂O₃. Есть другие хорошие кандидаты как Mo, Nb и Ir с высокими температурами плавления для замены Ni, которые ожидают иметь более низкую реактивность и растворимость для Au, чем Ni. Четвертый каппирующий слой действует как защитный слой для предотвращения или минимизации окисления нижележащих металлов. Практически Au обычно используется для этой цели.

Введение промежуточного слоя

Существует два основных метода введения промежуточного слоя на интерфейсе металл/β-Ga₂O₃. Один — формировать промежуточный полупроводниковый слой (ISL) с низкой работой выхода отжигом, например Ti₂O₃. Другой — вставлять осажденный ISL между металлом и β-Ga₂O₃, что интенсивно изучалось. По сравнению с первым методом, второй более благоприятен для формирования Омических контактов благодаря высокой концентрации носителей в ISL. Запрещенные зоны ISL варьируются от 3,5 до 4,0 эВ, как AZO (~ 3,2 эВ), In₂O₃ (~ 2,9 эВ) и IGZO (~ 3,5 эВ). Типично, SBH различных металлов, осажденных на β-Ga₂O₃, находятся в диапазоне 0,95–1,47 эВ, как показано на рис. 11a. Тем не менее, включение тонкого ISL снижает SBH, облегчая электронный транспорт от металла к зоне проводимости β-Ga₂O₃, как иллюстрировано на рис. 11b. Кроме того, высокая плотность электронов в ISL может дополнительно снизить контактное сопротивление.

Недавно AZO/Ti/Au использовали как электроды на Si⁺-имплантированном β-Ga₂O₃, и полученное удельное контактное сопротивление составило 2,82 × 10⁻⁵ Ом·см² после отжига. Ошима и др. достигли платины/индия-оксида олова (Pt/ITO) Омических контактов к β-Ga₂O₃ с широким окном процессных температур. Большое окно процесса 900–1150 °C позволяет реализовать высокотемпературную работу. Также ITO/Ti/Au электроды к β-Ga₂O₃ были продемонстрированы Кэри и др., в которых образец показывал Омическое поведение с ρ_C 6,3 × 10⁻⁵ Ом·см² после отжига. Без ITO тот же отжиг не давал линейных вольт-амперных характеристик. Эти результаты верифицируют эффективность добавления ISL для получения Омических контактов.

Заметно, пузырь на поверхности ITO/Ti/Au контактов наблюдался, в то время как на единичном ITO слое без металла выше пузырей не было. Это считалось результатом выходной диффузии атомов кислорода в ITO слое в верхние металлические слои. Следовательно, необходимо выбирать подходящие металлы или металлические стеки как каппирующие слои на ITO для предотвращения деградации поверхностной морфологии.

Заключение

В этой работе мы обобщили значительный прогресс в НИОКР β-Ga₂O₃ МОП-транзисторов. Тем не менее, контакты на β-Ga₂O₃ — одна из ключевых проблем, ограничивающих его потенциальное применение как высокочастотных и высоковольтных устройств в будущем. Хотя этот обзор предоставляет обзор современных методов формирования Омических контактов, все еще остается много пространства для исследований, и набор кратких перспектив можно сформулировать так: (i) Температурная зависимость и механизм деградации контактных характеристик нуждаются в дальнейших расследованиях для ясного уточнения; (ii) Металлы с низкой работой выхода как Ta и Hf и металлы с высокой температурой плавления как Mo, Nb и Ir достойны скрининга для службы контактным и барьерным слоями соответственно; (iii) Оптимальные металлические стеки на β-Ga₂O₃ еще не полностью реализованы, и всестороннее систематическое исследование металлических стеков к β-Ga₂O₃ императивно для достижения низкорезистивных и термически стабильных Омических контактов; и (iv) Другие потенциальные ISL, состоящие из ZnO, IZO, IGZO и т.д., остаются неизученными, так же как влияние варьируемой толщины и пропорции компонентов ISL на производительность контактов. В резюме, исследования об Омических контактах к β-Ga₂O₃ все еще довольно поверхностны; мы верим, что эта тема продолжит быть одной из фокусных проблем в будущем. Надеемся, что подходы к формированию Омических контактов, представленные в этом обзоре, будут инструментальны в достижении высокопроизводительных β-Ga₂O₃ устройств.