β-Ga2O3–金属接触的最新进展

介绍

最近，氧化镓 (Ga2O3) 因其优异的材料特性而被认为是制备高功率和高效率器件的有前途的候选材料 [1,2,3]。 Ga2O3 有五种不同的多晶型物，分别称为 α-Ga2O3、β-Ga2O3、γ-Ga2O3、δ-Ga2O3 和 ε-Ga2O3，其中 β-Ga2O3 是热力学最稳定的，并已被广泛研究 [4]。具有 4.6–4.9 eV [5,6,7] 的超宽带隙，理论击穿电场 (E br) 8 MV/cm 的 β-Ga2O3 大约是 SiC 或 GaN 的三倍 [8,9,10]，这使基于 β-Ga2O3 的器件能够处理巨大的开关电压。半导体对功率器件应用的适用性通常由 Baliga 的品质因数 (BFOM) [11] 来评估。 β-Ga2O3 的 BFOM 几乎是 SiC 和 GaN 的三倍，显着降低了传导损耗 [3, 12,13,14]。此外，理论上估计饱和电子速度约为2 × 10 ⁷ cm/s，使其适合高频操作 [15,16,17,18,19,20]。 β-Ga2O3 在宽带隙半导体中的另一个独特之处在于，可以通过使用熔体生长技术经济高效地合成高质量的单晶 [21,22,23,24]。此外，通过精确掺杂Sn、Si、Ge和Mg可以实现高质量的n型β-Ga2O3外延薄膜，获得的电子密度范围为10 ¹⁶ 到 10 ¹⁹ 厘米 ⁻³ [25,26,27,28]。由于上述优于其他宽带隙半导体的优势，β-Ga2O3 显示出其成为电力电子以及极端环境（高温、高压和高辐射）[29,30,31] 电子材料的潜力.

已经报道了许多有前途的 β-Ga2O3 器件，包括肖特基势垒二极管 [32]、MOSFET [1,2,3] 和各种类型的日盲光电探测器 [33, 34]。在这些器件中，MOSFET 是射频和大功率操作最流行的配置 [35]，充分发挥其高 E br 和 BFOM。然而，与窄带隙半导体相比，β-Ga2O3 在 MOSFET 器件中的应用面临的挑战之一是难以形成欧姆接触 [36]。通常，半导体和金属电极之间良好的欧姆接触对于高性能半导体器件来说是必不可少的 [37, 38]。低电阻触点可以降低触点上的压降，从而增加通道两端的电压，确保设计的电流密度和高开关速度。此外，低电阻触点有助于减少发热，从而加剧自热效应。

因此，高质量欧姆接触的制造是实现高性能器件的先决条件。在这篇综述中，我们从金属/半导体接触的基本概念开始。在“欧姆接触的方法”部分，概述了与 β-Ga2O3 的欧姆接触的最新重大进展，并讨论和分析了欧姆接触的方法。最后，为今后改进与β-Ga2O3的欧姆接触提供了一些展望。

欧姆接触的基础物理

欧姆接触是一种金属/半导体结，其中界面处没有阻碍载流子传输的屏障，如图 1a 所示。相反，界面处存在的能量势垒会抑制金属和半导体之间的载流子传输，如图 1b 所示。值得注意的是，宽带隙半导体和金属之间形成的接触总是肖特基的。因此，接触电阻通常取决于金属/半导体肖特基势垒高度 (SBH) ΦB .对于 n 型半导体，它服从以下方程：

a 的示意图 欧姆接触和b 肖特基触点。 E C , E V , E F , m , 和 E F , s 分别为金属和半导体的导带边能级、价带边能级、费米能级

其中 Φm 是金属的功函数，χ s 是半导体的电子亲和势。

如方程所示。 (1), 重要的是减少 SBH 以形成欧姆接触。此外，半导体中的高掺杂可以促进欧姆接触的形成，例如，对于重掺杂半导体（ND> ~ 10 ¹⁸ 厘米 ⁻³ )，势垒将变得足够窄，并且由于导带的显着能带弯曲 [39]，允许电子直接穿过界面，如图 2 所示。然而，可以在 β- 中实现的掺杂水平Ga2O3 通常低于可在 Si 中获得的含量，与其他宽半导体的情况一样。除此之外，表面态在欧姆接触的形成中也起着重要作用，欧姆接触通常被定义为高速率复合区域。由表面态引起的那些中间带隙缺陷水平能够帮助载流子传输。这意味着通过将适当的表面态引入半导体可以形成良好的欧姆接触 [40,41,42,43]。

高掺杂半导体金属/半导体界面能带图

接触特性的电气量化是评估接触质量所必需的。目前，接触电阻率ρ C 是访问欧姆接触性能的常用参数之一，通常以Ω ∙ cm ² 表示 [44]。特定接触电阻率是一个非常有用的量，它与接触几何形状无关，仅指金属/半导体界面。到目前为止，最低的ρ C 4.6 × 10 ⁻⁶ Ω ∙ cm ² 据报道，钛/金接触 β-Ga2O3 [45]。王等人。还获得了低ρ C 7.5 × 10 ⁻⁶ Ω ∙ cm ² 与 Ti/Au 触点 [46]。迄今为止，许多努力已经致力于获得与低ρ的接触。 C ，并且特定接触电阻率的典型值分布在 10 ⁻⁵ 的范围内 –10 ^-6 Ω ∙ cm ² 良好的欧姆接触 [36]。

欧姆接触的方法

迄今为止，对β-Ga2O3 的本征性质的研究大多是在其MOSFET 结构上进行的，其中通常采用两种沟道合成方法。一种是微机械剥落的薄片（纳米膜）；另一个是其原生衬底上的外延 β-Ga2O3 薄膜，如表 1 所示。

通常，剥离的 β-Ga2O3 薄片可以方便且经济地转移到任何基材上。拉曼光谱和原子力显微镜证明，β-Ga2O3 薄片的材料特性在剥离过程中不会退化 [19]，这意味着基于剥离薄片的 MOSFET 的性能与基于外延层的性能相当.由于这些优点，建议使用这种方法来研究由界面缺陷密度、击穿电压、表面光学声子散射 [47,48,49] 和热性能（即自热效应 [50， 51]。

如表 1 中总结的，用于改善欧姆接触的方法通常可分为三类：(1) 预处理，(2) 后处理，和 (3) 多层金属电极。此外，引入中间层还可以获得表1中未显示的优异欧姆接触。

预处理

预处理在金属沉积之前进行，包括离子注入、等离子体轰击和反应离子蚀刻 (RIE)。东胁等人。证明通过使用 Ti/Au 堆栈和 RIE 预处理工艺形成的接触显示出几乎是欧姆行为，而未经 RIE 处理的样品显示出肖特基行为，如图 3 [1] 所示。显着差异可归因于通过连续轰击通过破坏暴露的 Ga-O 键而产生的自由氧原子的外扩散，留下大量作为 β-Ga2O3 供体的氧空位。另一方面，连续的 RIE 处理也会产生相当大的表面状态，这在接触形成过程中起着重要作用 [41]。图 4 显示了相关的直流输出特性，从中可以观察到低漏极电压下的准线性电流。在他们后来的工作中，如图 5 所示，输出特性在电流和漏电压之间表现出良好的线性关系，其中 Si 离子注入和 RIE 一起应用于 β-Ga2O3，并且具有极低的比接触电阻率 8.1 × 10 ⁻⁶ Ω∙cm ² 实现[12]。显然，RIE 和 Si ⁺ 得到的欧姆行为 一起注入将优于 RIE，因为已知 Si 原子是浅层施主，在 β-Ga2O3 中具有小的激活能 [34]。此外，周等人。报道了在接触金属沉积之前使用 Ar 等离子体轰击的高性能 β-Ga2O3 场效应晶体管 [52]。相反，没有Ar轰击的样品表现出肖特基接触。这种差异可以归因于Ar等离子体轰击过程中氧空位和表面态的产生，与RIE处理相同。

（在线颜色）在 n-Ga2O3 衬底上使用和不使用 RIE 处理制造的两个触点（沉积态 Ti/Au）之间测量的 I-V 曲线。转载自参考文献。 [1]

（彩色在线）Ga2O3 金属/半导体场效应晶体管的直流输出特性。转载自参考文献。 [1]

Ga2O3 MOSFET 的 DC I-V 曲线 (L g =2 μm）在室温下测量。转载自参考文献。 [12]

虽然上述技术可以提高欧姆接触的性能，但这种技术在实际应用中并不适用，因为在半导体器件中，诱导损伤通常是工艺工程师最不希望看到的，而且，损伤诱导的欧姆接触并不总是可再现的。

为此，除了上述经常用于形成低电阻欧姆接触的传统技术外，最近采用了一种相对较新的技术——旋涂玻璃 (SOG) 掺杂 [53]，其比接触电阻率为 2.1± 1.4 × 10 ⁻⁵ Ω∙cm ² 实现了，验证了 SOG 掺杂技术的有效性。图 6 显示了 SOG 掺杂的 β-Ga2O3 MOSFET 的输出特性，其在低漏极电压下表现出出色的线性行为。与离子注入相比，SOG掺杂减少了损伤引起的物种扩散，通过放弃昂贵的离子注入机来降低成本。与离子注入类似，该技术背后的基本原理是用浅施主掺杂 S/D 区域。显然，通过有意掺杂的 β-Ga2O3 可以实现优异的欧姆接触。例如，高掺杂的 β-Ga2O3 用于制造漏电流超过 1.5 A/mm [50] 的 β-Ga2O3 场效应晶体管。创纪录的高漏极电流是由于 β-Ga2O3 中的重掺杂导致了非常薄的耗尽层，并且电子可以轻松穿过该势垒，导致欧姆接触行为。有趣的是，β-Ga2O3 表面的取向也可能对接触行为产生影响。拜克等人。据报道，β-Ga2O3 上的相同电极表现出不同的接触特性，其中 (\( \overline{2} \)01) 衬底上的样品表现为欧姆接触，而 (010) 上的对照样品表现出肖特基行为。这可能是由于不同的 Ga/O 比和特定取向的悬空键密度 [54]。

具有 L 的 SOG S/D 掺杂 MOSFET 的输出特性 g =8 μm，漏栅间距L gd =10 μm。转载自参考文献。 [53]

后处理

后处理是在金属沉积之后进行，主要是指退火工艺。退火在减少由先前工艺技术（例如离子注入和等离子体轰击）引起的损伤方面发挥着作用。此外，它有助于形成中间层，这可以减少金属和 β-Ga2O3 之间的导带不连续性。值得注意的是，包括温度、气氛和退火时间在内的参数对器件的性能产生重要影响。实施了在空气和 N2 中退火的实验，以比较退火气氛对基于 β-Ga2O3 的欧姆接触的影响 [55]。从图 7 中可以看出，在 N2 中退火的性能优于空气中，这可能是由于空气中较高的氧分压抑制了氧空位的形成。然而，接触特性对温度、气氛和退火时间对接触特性的依赖性尚不清楚；因此，需要进一步优化退火工艺参数。

不同热退火气氛和退火温度下β-Ga2O3薄片的电学性能。 a 下的 Ti/Au 触点 N2 和 b 空气。转载自参考文献。 [55]

多层金属电极

另一种形成欧姆接触的方法是减少金属/半导体界面处的 SBH。 SBH 等于金属的功函数与半导体的电子亲和势之间的差值。基于这一认识，人们可能会期望具有低功函数的金属会在 β-Ga2O3 上形成欧姆接触。尽管如此，已经证明功函数不是形成欧姆接触的主导因素[56]。

根据功函数、熔化温度和氧化物稳定性等特性，选择了沉积在 β-Ga2O3 上的九种金属 [57]。 Ti 的金属功函数和无意掺杂的 β-Ga2O3 的电子亲和力分别为 4.33 eV 和 4.00±0.05 eV [19, 58, 59]，因此在导致肖特基接触。尽管如此，事实证明，在退火后，Ti 与 Au 覆盖层的接触是欧姆电阻，在九种金属中电阻最低。与此同时，Bae 等人。探索了基于剥离的 β-Ga2O3 薄片的器件的接触特性对 Ti/Au 和 Ni/Au 的依赖性 [55]。观察到在相同退火条件下，具有 Ti/Au 金属电极的 MOSFET 的性能优于具有 Ni/Au 金属电极的 MOSFET。一开始认为Ni和Ti的功函数分别为5.01eV和4.33eV，所以Ti可能比Ni更容易形成欧姆接触；然而，通过能量色散谱 (EDS) 的研究表明，退火后 β-Ga2O3 区域中的氧原子百分比降低，而界面附近 Ti 中的氧原子百分比增加，如图 8 所示 [55]。这种现象归因于氧原子从 β-Ga2O3 向外扩散到 Ti 金属中，导致形成作为供体的氧空位。此外，在退火过程中，β-Ga2O3 中氧原子的加速向外扩散可以与 Ti 反应并形成 Ti2O3，由于其低功函数（3.6-3.9 eV），Ti2O3 可用于形成欧姆接触。因此，金属与β-Ga2O3之间的界面反应是在金属/半导体界面形成欧姆接触的重要因素。

金属化和 β-Ga2O3 a 的 EDS 原子百分比分布 前和b 在 500 ^° 的温度下进行后退火 C. 转载自参考文献。 [55]

此外，发现大多数用于形成欧姆接触的 Ti/Au 金属电极在 450 ^° 下退火 C [45, 53] 或 470 ^° C [12, 46, 57, 60] 通过快速热处理。当在 500 ^° 以上进行退火时，观察到类似的接触特性退化行为 参考文献中的 C [55, 56]，如图所示。分别为 7 和 9。姚等人。推测可能在升高的退火温度下形成绝缘氧化层，导致接触劣化。尽管如此，Bae 等人。观察到沉积金属的表面在 700 ^° 后变得更加粗糙 由于金属的混合以及镓和氧原子扩散到金属电极中而导致的 C 退火，这被认为是降解行为的原因。显然，高温退火后Ti/Au与β-Ga2O3接触的降解机制仍存在争议。

Sn 掺杂 (\( \overline{2} \)01) Ga2O3 晶片上 Ti/Au 触点的 I-V 曲线作为 Ar 中退火温度的函数（退火时间 1 分钟）。转载自参考文献。 [56]

具有 Ti/Au 触点的 β-Ga2O3 基器件不能满足在高温下工作的需求。因此，为了避免在升高的退火温度下接触特性的退化，应该采用更复杂的金属叠层。到目前为止，Ti/Al/Au [50, 52]、Ti/Au/Ni [61, 62] 和 Ti/Al/Ni/Au 金属叠层 [13, 21, 63, 64] 已被用于形成电β-Ga2O3 上的触点。但对这些金属叠层之间的接触特性进行综合比较仍是不够的。

Mohammad [65] 和 Greco 等人。 [36] 讨论了每个金属层在复杂金属堆叠中的作用，为改善欧姆接触提供了一些指导。金属叠层的示意图如图 10 所示。请注意，这种方法目前正在开发用于基于 GaN 的功率器件 [66,67,68,69]。

用于获得与宽带隙半导体的欧姆接触的金属叠层示意图

基板上的第一金属层，称为接触层，应具有低功函数和良好的基板附着力。此外，它还可以阻止具有大功函数的上层金属扩散到衬底中。目前，Ti 是作为 β-Ga2O3 接触层的主要金属，因为它的功能低 (4.33 eV) 和对基材的良好附着力。此外，在界面处形成功函数低于 Ti 的 Ti2O3 和 Ti3O5 有利于形成欧姆接触，因为氧化物会减少 SBH 并留下作为供体的氧空位。然而，尚未探索其他具有低功函数的金属，包括 Ta (3.1 eV) 和 Hf (3.9 eV)。具有低功函数的第二覆盖层应该能够与接触层形成金属间化合物，以防止它们扩散到界面中。目前，Al 被用作覆盖层，因为它可以满足这些要求。第三金属层（阻挡层）用于限制上金属层的内扩散和下金属层的外扩散 [70, 71]。 Ni是β-Ga2O3最常用的阻挡层。还有其他一些很好的候选物，如 Mo、Nb 和 Ir，它们具有高熔点来替代 Ni，预计它们对 Au 的反应性和溶解度低于 Ni [72,73,74,75]。第四个盖层用作保护层以防止或最小化下面金属的氧化。实际上，Au 通常用于达到此目的。

介绍中间层

在金属/β-Ga2O3界面引入中间层主要有两种方法。一种是通过退火形成具有低功函数的中间半导体层 (ISL)，例如 Ti2O3。另一种是在金属和β-Ga2O3之间插入沉积的ISL，这已被深入研究[76,77,78]。与前一种方法相比，由于 ISL 的载流子浓度高，后一种方法更有利于形成欧姆接触。 ISL 的带隙范围为 3.5 到 4.0 eV [79,80,81]，如 AZO (~ 3.2 eV) [82]、In2O3 (~ 2.9 eV) [83, 84] 和 IGZO (~ 3.85 eV) [ ]。通常，沉积在 β-Ga2O3 上的各种金属的 SBHs 在 0.95-1.47 eV [86, 87] 的范围内，如图 11a 所示。尽管如此，薄 ISL 的加入降低了 SBH，使电子更容易从金属传输到 β-Ga2O3 的导带，如图 11b 所示。此外，ISL中的高电子密度可以进一步降低接触电阻。

a 的带偏移示意图 金属/β-Ga2O3 和 b 金属/ISL/β-Ga2O3。 ΔE c 等于金属费米能与半导体导带的能量差

最近，AZO/Ti/Au 被用作 Si ⁺ 上的电极 -注入β-Ga2O3，得到的比接触电阻率为2.82×10 ^-5 Ω∙cm ² 退火后[76]。大岛等人。实现了铂/铟-锡氧化物 (Pt/ITO) 与 β-Ga2O3 的欧姆接触，并具有广泛的工艺温度窗口 [77]。 900–1150 ^° 的大工艺窗口 C能够实现高温操作。 Carey 等人也证明了 ITO/Ti/Au 电极到 β-Ga2O3。 [78] 其中样品表现出与 ρ 的欧姆行为 C 6.3 × 10 ⁻ 5 Ω∙cm ² 退火后。如果没有 ITO，同样的退火不能提供线性电流-电压特性。这些结果验证了添加ISL获得欧姆接触的有效性。

值得注意的是，在 ITO/Ti/Au 触点表面上观察到气泡，而在上面没有金属层的单个 ITO 层上没有气泡 [78]。这被认为是 ITO 层中的氧原子向外扩散到上层金属层的结果。因此，有必要选择合适的金属或金属叠层作为ITO上的覆盖层，以防止表面形貌退化。

结论

在这项工作中，我们总结了 β-Ga2O3 MOSFET 研发的重大进展。然而，β-Ga2O3 上的接触是限制其未来作为高频和高压器件潜在应用的关键问题之一。虽然这篇综述概述了形成欧姆接触的最先进方法，但仍有很多空间有待探索，一组简明的前景可以消化如下：(i) 温度依赖性和接触特性的退化机制需要进一步研究以明确澄清； (ii) Ta、Hf等功函数低的金属和Mo、Nb、Ir等熔点高的金属分别作为接触层和阻挡层值得筛选； (iii) β-Ga2O3 上的最佳金属叠层尚未完全实现，对 β-Ga2O3 的金属叠层进行全面系统的研究对于实现低电阻和热稳定的欧姆接触势在必行； (iv) 由 ZnO、IZO、IGZO 等组成的其他潜在 ISL 仍未开发，以及 ISL 成分的不同厚度和比例对触点性能的影响。总之，关于β-Ga2O3欧姆接触的研究还很肤浅；我们认为，这一主题将继续成为未来的重点问题之一。希望本综述中提出的形成欧姆接触的方法有助于实现高性能 β-Ga2O3 器件。