β-氧化镓金属接触创新助力先进功率电子学

摘要

超宽带隙β-氧化镓（β-Ga₂O₃）凭借4.6-4.9 eV宽带隙、8 MV/cm高击穿电场、卓越Baliga图形优势（BFOM）及优异化学热稳定性，成为下一代功率电子学极具前景的半导体材料。然而，金属与Ga₂O₃间的接触问题严重制约β-Ga₂O₃器件性能。本文综述β-Ga₂O₃ MOSFET接触研究进展。为改善接触性能，总结分析四大主要途径：预处理、后处理、多层金属电极、引入中间层。对比显示后两者研究更深入、效果更优，优于不可避免产生不可控损伤的预处理。最后提出改善欧姆接触的展望。

引言

近年，氧化镓（Ga₂O₃）凭借优异材料性质被视为制备高功率、高效器件的有力候选。Ga₂O₃有五种多型：α、β、γ、δ、ε-Ga₂O₃，其中β-Ga₂O₃热力学最稳定、研究最广泛。β-Ga₂O₃超宽带隙4.6-4.9 eV，理论击穿电场8 MV/cm约为SiC或GaN三倍，使β-Ga₂O₃器件可承受巨大开关电压。Baliga图形优势（BFOM）评估半导体功率器件适用性，β-Ga₂O₃ BFOM近乎SiC和GaN三倍，显著降低导通损耗。此外，理论饱和电子速度~2×10⁷ cm/s，利于高频操作。β-Ga₂O₃在宽带隙半导体中独特优势在于高质量单晶可用熔体生长技术低成本合成。此外，精确掺杂Sn、Si、Ge、Mg可实现高质量n型β-Ga₂O₃外延薄膜，电子浓度10¹⁶-10¹⁹ cm⁻³。基于上述优势，β-Ga₂O₃展现作为功率电子及极端环境（高温、高压、高辐射）电子学材料的能力。

已报道多种有前景β-Ga₂O₃器件，含肖特基势垒二极管、MOSFET、各类阳盲光电探测器。其中MOSFET是射频和高功率操作主流构型，充分发挥高E_br和BFOM。然而，β-Ga₂O₃用于MOSFET器件的挑战之一是形成欧姆接触较窄带隙半导体更困难。优质半导体-金属欧姆接触对高性能器件至关重要。低电阻接触可减少接触压降，增加沟道电压，保证设计电流密度和高开关速度，并减少发热缓解自热效应。因此，制备高质量欧姆接触是实现高性能器件的前提。本综述从金属/半导体接触基本概念入手，“欧姆接触途径”部分总结分析β-Ga₂O₃欧姆接触近期重大进展，最后提供改善β-Ga₂O₃欧姆接触的未来展望。

欧姆接触基本物理

欧姆接触是金属/半导体结，界面无阻碍载流子传输的势垒（图1a）。反之，界面能垒抑制载流子传输（图1b）。值得注意的是，宽带隙半导体与金属形成的接触总是肖特基型。因此接触电阻通常取决于金属/半导体肖特基势垒高度（SBH）Φ_B。对N型半导体：

qΦ_B = qΦ_m - χ_s (1)

其中Φ_m为金属功函数，χ_s为半导体电子亲和势。

如式(1)所示，降低SBH对形成欧姆接触重要。此外，半导体高掺杂可促进欧姆接触形成，如重掺杂半导体（N_D > ~10¹⁸ cm⁻³），势垒因导带显著弯曲变窄，电子可直接隧穿界面（图2）。但β-Ga₂O₃可达掺杂水平通常低于Si，其他宽带隙半导体亦然。表面态在欧姆接触形成中也扮演重要角色，常被定义为高复合速率区域。表面态诱导的中间带隙缺陷能级能辅助载流子传输，暗示通过引入适当表面态可形成良好欧姆接触。

电学量化评估接触特性必要。目前比接触电阻率ρ_C是评价欧姆接触性能常用参数，单位Ω·cm²。比接触电阻率独立于接触几何形状，仅指金属/半导体界面。目前报道最低ρ_C为4.6×10⁻⁶ Ω·cm²（Ti/Au接触β-Ga₂O₃）。Wong等也获7.5×10⁻⁶ Ω·cm²（Ti/Au）。迄今许多努力致力于获得低ρ_C接触，良好欧姆接触典型ρ_C范围10⁻⁵-10⁻⁶ Ω·cm²。

欧姆接触途径

迄今β-Ga₂O₃本征性质研究多在MOSFET结构上，通常采两种沟道合成法：微机械剥离薄片（纳米膜）和本征衬底上外延β-Ga₂O₃薄膜，汇总于表1。

通常剥离β-Ga₂O₃薄片可便捷低成本转移至任意衬底。拉曼和原子力显微镜证实剥离不降解材料性质，意味着基于剥离薄片MOSFET性能可比拟外延层。鉴于此优势，推荐此法研究电学特性含界面缺陷密度、击穿电压、表面光学声子散射、热性质（自热效应）。

表1汇总改善欧姆接触方法大致三类：（1）预处理，（2）后处理，（3）多层金属电极。此外，引入中间层也能获得优越欧姆接触（表1未显示）。

预处理

预处理在金属沉积前进行，含离子注入、等离子体轰击、反应离子刻蚀（RIE）。Higashiwaki等证实Ti/Au堆叠配合RIE预处理接触呈近欧姆行为，无RIE样品呈肖特基行为（图3）。显著差异归因于连续轰击断裂暴露Ga-O键产生游离氧原子外扩散，留下充当施主的氧空位。连续RIE处理也产生大量表面态，在接触形成中起重要作用。图4展示相关DC输出特性，低漏极电压下准线性电流。后续工作中（图5），Si离子注入与RIE结合应用于β-Ga₂O₃，实现极低比接触电阻率8.1×10⁻⁶ Ω·cm²。显然，Si原子为β-Ga₂O₃浅施主、小活化能，RIE+Si⁺注入优于单独RIE。Zhou等报道Ar等离子体轰击前处理实现高性能β-Ga₂O₃场效应晶体管，无Ar轰击样品呈肖特基接触，差异归因于Ar等离子体轰击产生氧空位和表面态，同RIE处理。

上述技术虽改善欧姆接触性能，但工程上不实用，因诱导损伤是工艺工程师最不愿见到的，且损伤诱导欧姆接触不总可复现。因此，除上述传统技术，相对新颖技术——旋涂玻璃（SOG）掺杂最近被采用，获比接触电阻率2.1±1.4×10⁻⁵ Ω·cm²，验证SOG掺杂有效性。图6显SOG掺杂β-Ga₂O₃ MOSFET输出特性，低漏极电压下优异线性行为。相比离子注入，SOG掺杂减少损伤诱导物种扩散，弃用昂贵离子注入机降低成本。原理同离子注入，即用浅施主掺杂S/D区。显然，有意掺杂β-Ga₂O₃可获优越欧姆接触。例如高掺杂β-Ga₂O₃制备场效应晶体管获漏极电流超1.5 A/mm。创纪录高漏极电流因β-Ga₂O₃重掺杂导致极薄耗尽层，电子易隧穿势垒呈欧姆行为。有趣的是，β-Ga₂O₃表面取向也影响接触行为。Baik等报道相同电极在β-Ga₂O₃上显示不同接触性质：(2̅01)衬底表现欧姆接触，对照(010)样品呈肖特基行为，可能归因于特定取向不同Ga/O比和悬空键密度。

后处理

后处理在金属沉积后进行，主要指退火工艺。退火减轻离子注入、等离子体轰击等前序工艺诱导损伤，并促进形成中间层，可能降低金属与β-Ga₂O₃导带不连续性。值得注意的是，温度、气氛、退火时间等参数对器件性能影响显著。实验对比空气和N₂退火气氛对β-Ga₂O₃基欧姆接触影响（图7）。可见N₂退火优于空气，归因于空气较高氧分压抑制氧空位形成。然而，接触特性对温度、气氛、时间的依赖关系尚不明确，需进一步优化退火参数。

此外，多数用于形成欧姆接触的Ti/Au电极在450°C或470°C快速热退火。退火超500°C观测到类似接触特性退化行为（文献[55,56]，图7和9）。Yao等推测高温退火可能形成绝缘氧化层导致接触恶化。但Bae等观测700°C退火后沉积金属表面因金属互混、Ga和O原子扩散入金属电极而粗糙，归因于退化原因。显然，Ti/Au接触β-Ga₂O₃高温退火后退化机制仍在争论中。

Ti/Au接触β-Ga₂O₃器件无法满足高温工作需求。为避免高温退火接触特性退化，应采用更复杂金属堆叠。目前Ti/Al/Au、Ti/Au/Ni、Ti/Al/Ni/Au金属堆叠用于β-Ga₂O₃电接触。但这些金属堆叠接触特性全面对比仍不足。

Mohammad和Greco等讨论复杂金属堆叠各层作用，提供改善欧姆接触指导。金属堆叠示意图见图10。注意此法目前用于GaN基功率器件开发。

衬底上第一金属层称接触层，应有低功函数和良好衬底附着力，也可阻挡大功函数上层金属扩散入衬底。目前Ti是β-Ga₂O₃主要接触层金属，因其低功函数（4.33 eV）和良好附着力。此外，界面形成Ti₂O₃和Ti₃O₅功函数低于Ti，有利于降低SBH并留下氧空位施主，促进欧姆接触。但其他低功函数金属如Ta（3.1 eV）、Hf（3.9 eV）未被探索。第二覆盖层低功函数金属应能与接触层形成金属间化合物防止其扩散至界面。目前Al用作覆盖层满足要求。第三金属层（阻挡层）限制上层金属内扩散和下层金属外扩散。Ni是β-Ga₂O₃最常用阻挡层。其他优秀候选如Mo、Nb、Ir熔点高，预期对Au反应性和溶解度低于Ni。第四盖层作为保护层防止或最小化下层金属氧化。实用中Au常用作此目的。

引入中间层

在金属/β-Ga₂O₃界面引入中间层主要两法：一是退火形成低功函数中间半导体层（ISL），如Ti₂O₃；二是沉积ISL插入金属和β-Ga₂O₃间，后者研究更深入。相比前法，后法因ISL高载流子浓度更有利形成欧姆接触。ISL带隙3.5-4.0 eV，如AZO（~3.2 eV）、In₂O₃（~2.9 eV）、IGZO（~3.5 eV）。典型各种金属沉积β-Ga₂O₃ SBH在0.95-1.47 eV范围（图11a）。薄ISL掺入降低SBH，使电子更易从金属传输至β-Ga₂O₃导带（图11b）。此外，ISL高电子密度可进一步降低接触电阻。