Recente ontwikkelingen in β-Ga2O3-metalen contacten

Benaderingen van Ohmic-contacten

Tot op heden zijn onderzoeken naar de intrinsieke eigenschappen van β-Ga₂ O₃ zijn meestal uitgevoerd op de MOSFET-structuur, waarin gewoonlijk twee soorten van de kanaalsynthesemethode worden toegepast. Een daarvan is de micromechanisch geëxfolieerde vlok (nanomembraan); de andere is de epitaxiale β-Ga₂ O₃ film op zijn oorspronkelijke substraat, zoals samengevat in tabel 1.

Normaal geëxfolieerd β-Ga₂ O₃ vlokken kunnen gemakkelijk en kosteneffectief op alle substraten worden overgebracht. Het is gebleken dat de materiaaleigenschappen van β-Ga₂ O₃ vlokken zouden niet degenereren tijdens de exfoliatie, zoals blijkt uit Raman-spectroscopie en atoomkrachtmicroscopie [19], wat betekent dat de prestaties van MOSFET's op basis van de geëxfolieerde vlokken vergelijkbaar zijn met die op basis van epitaxiale lagen. Vanwege deze voordelen wordt deze methode aanbevolen om de elektrische kenmerken te bestuderen, bestaande uit de dichtheid van grensvlakdefecten, doorslagspanning, optische fononverstrooiing aan het oppervlak [47,48,49] en thermische eigenschappen, dwz zelfverhittingseffect [50, 51].

Zoals samengevat in tabel 1, kunnen methoden die worden gebruikt om ohmse contacten te verbeteren in het algemeen worden onderverdeeld in drie typen:(1) voorbehandeling, (2) nabehandeling en (3) meerlagige metalen elektrode. Bovendien kan het introduceren van een tussenlaag ook superieure Ohmse contacten verkrijgen, wat niet wordt getoond in Tabel 1.

Voorbehandeling

De voorbehandeling wordt uitgevoerd vóór metaalafzetting, inclusief ionenimplantatie, plasmabombardement en reactieve ionenetsing (RIE). Higashiwaki et al. toonde aan dat de contacten gevormd met behulp van Ti/Au-stack met het RIE-voorbehandelingsproces een bijna Ohms gedrag vertoonden, terwijl het monster zonder de RIE-behandeling een Schottky-gedrag vertoonde, zoals geïllustreerd in Fig. 3 [1]. Het significante verschil kan worden toegeschreven aan het naar buiten diffunderen van de vrije zuurstofatomen die werden gegenereerd door het continue bombardement door de blootgestelde Ga-O-bindingen te verbreken, waardoor er voldoende zuurstofvacatures achterbleven die als donoren in β-Ga_{2 werken. sub> O3 . Aan de andere kant zou de continue RIE-behandeling ook aanzienlijke oppervlaktetoestanden genereren die een belangrijke rol spelen tijdens contactvorming [41]. Afbeelding 4 toont bijbehorende DC-uitgangskarakteristieken waaruit quasi-lineaire stroom bij lage afvoerspanning kan worden waargenomen. In hun latere werk, zoals aangetoond in figuur 5, vertoonden de uitgangskarakteristieken een goede lineariteitsrelatie tussen de stroom- en afvoerspanning waarin Si-ionenimplantatie en RIE werden toegepast op β-Ga2 O3 samen en een extreem lage specifieke contactweerstand van 8,1 × 10 ⁻⁶ Ω∙cm ² werd bereikt [12]. Het is duidelijk dat het Ohmse gedrag verkregen door RIE en Si ⁺ implantatie samen zou beter presteren dan alleen RIE, aangezien bekend is dat Si-atomen ondiepe donoren zijn met kleine activeringsenergieën in β-Ga2 O3 [34]. Bovendien, Zhou et al. meldde de krachtige β-Ga2 O3 veldeffecttransistoren met Ar-plasmabombardement voorafgaand aan contactmetaalafzetting [52]. Integendeel, het monster zonder Ar-bombardement vertoonde Schottky-contact. Het verschil kan worden toegeschreven aan het genereren van zuurstofvacatures en oppervlaktetoestanden tijdens het Ar-plasmabombardementsproces, hetzelfde als RIE-behandeling.}

(kleur online) IV-curves gemeten tussen twee contacten (zoals gedeponeerd Ti/Au) vervaardigd met en zonder RIE-behandeling op n-Ga₂ O₃ substraten. Overgenomen van ref. [1]

(kleur online) DC-uitgangskenmerken van Ga₂ O₃ metaal/halfgeleider veldeffecttransistoren. Overgenomen van ref. [1]

DC I–V-curven van Ga₂ O₃ MOSFET (L _g = 2 μm) gemeten bij RT. Overgenomen van ref. [12]

Hoewel de bovengenoemde technieken de prestaties van Ohmse contacten kunnen verbeteren, zijn dergelijke technologieën niet praktisch toepasbaar omdat de veroorzaakte schade meestal het laatste is dat procesingenieurs willen in halfgeleiderapparaten, en bovendien zijn de door schade veroorzaakte Ohmse contacten niet altijd reproduceerbaar.

Om deze reden werd recentelijk, afgezien van de bovengenoemde traditionele technieken die vaak worden gebruikt voor het vormen van ohmse contacten met een lage weerstand, een relatief nieuwe techniek - spin-on-glass (SOG) doping - toegepast [53], en een specifieke contactweerstand van 2,1 ± 1.4 × 10 ⁻⁵ Ω∙cm ² werd bereikt, wat de effectiviteit van de SOG-dopingtechniek verifieerde. Afbeelding 6 toont de outputkenmerken van SOG-gedoteerde β-Ga₂ O₃ MOSFET's die uitstekend lineair gedrag vertoonden bij lage afvoerspanning. Vergeleken met ionenimplantatie vermindert de SOG-doping de door schade veroorzaakte diffusie van soorten en verlaagt het de kosten door de dure ionenimplanter te verlaten. Net als bij ionenimplantaties, is het basisprincipe achter deze technologie doping van de S/D-regio met ondiepe donoren. Het is duidelijk dat het superieure Ohmse contact kan worden bereikt met opzettelijk gedoteerde β-Ga₂ O₃ . Bijvoorbeeld de sterk gedoteerde β-Ga₂ O₃ werd gebruikt om β-Ga₂ . te fabriceren O₃ veldeffecttransistoren met afvoerstromen van meer dan 1,5 A/mm [50]. De recordhoge afvoerstroom is te wijten aan de zware dotering in β-Ga₂ O₃ die een zeer dunne uitputtingslaag veroorzaakt, en elektronen kunnen gemakkelijk over deze barrière tunnelen, wat leidt tot een Ohms contactgedrag. Interessant is dat de oriëntatie van de β-Ga₂ O₃ oppervlak kan ook invloed uitoefenen op het contactgedrag. Baik et al. meldde dat dezelfde elektroden op β-Ga₂ O₃ vertoonde verschillende contacteigenschappen, waarbij het monster op (\( \overline{2} \)01) substraat zich gedroeg als Ohmse contacten terwijl het controlemonster op (010) Schottky-gedrag vertoonde. Dit kan worden toegeschreven aan verschillende Ga/O-verhoudingen en dichtheid van bungelende bindingen bij specifieke oriëntaties [54].

Uitgangskarakteristieken van de SOG S/D-gedoteerde MOSFET met L _g = 8 μm, afstand afvoerpoort L _gd = 10 μm. Overgenomen van ref. [53]

Nabehandeling

De nabehandeling wordt uitgevoerd na metaalafzetting, voornamelijk verwijzend naar het gloeiproces. Gloeien speelt een rol bij het verminderen van schade veroorzaakt door eerdere procestechnologieën zoals ionenimplantatie en plasmabombardement. Bovendien draagt ​​het bij aan de vorming van een tussenlaag die de discontinuïteit van de geleidingsband tussen het metaal en β-Ga₂ kan verminderen. O₃ . Opmerkelijk is dat de parameters, waaronder temperatuur, atmosfeer en gloeitijd, een belangrijke invloed uitoefenen op de prestaties van apparaten. Het experiment op het gloeien in lucht en N₂ werd geïmplementeerd om het effect van de uitgloeiende atmosfeer op β-Ga₂ . te vergelijken O₃ -gebaseerde Ohmse contacten [55]. Zoals te zien is in Fig. 7, zijn de prestaties van gloeien in N₂ beter presteerde dan die in lucht, wat kan worden toegeschreven aan die hogere partiële zuurstofdruk in lucht, waardoor de vorming van zuurstofvacatures werd onderdrukt. De afhankelijkheid van contactkenmerken van de temperatuur, atmosfeer en gloeitijd van contactkenmerken is echter onduidelijk; daarom is het verder nodig om de parameters van het gloeiproces te optimaliseren.

Elektrische eigenschappen van β-Ga₂ O₃ vlokken met verschillende thermische gloeiatmosfeer en gloeitemperatuur. Ti/Au-contacten onder a N₂ en b lucht. Overgenomen van ref. [55]

Meerlagige metalen elektrode

Een andere benadering voor het vormen van Ohmse contacten is het verminderen van de SBH op de metaal/halfgeleiderinterface. De SBH is gelijk aan het verschil tussen de werkfunctie van het metaal en de elektronenaffiniteit van de halfgeleider. Op basis van deze herkenning zou men kunnen verwachten dat metalen met een lage werkfunctie Ohmse contacten zouden vormen op β-Ga₂ O₃ . Desalniettemin is bewezen dat de werkfunctie niet de dominante factor is bij het vormen van Ohms contact [56].

Negen metalen afgezet op β-Ga₂ O₃ werden geselecteerd op basis van eigenschappen zoals werkfunctie, smelttemperatuur en oxidestabiliteit [57]. De metaalbewerkingsfunctie van Ti en elektronenaffiniteit van onbedoeld gedoteerd β-Ga₂ O₃ waarvan bekend is dat ze respectievelijk 4,33 eV en 4,00 ± 0,05 eV zijn [19, 58, 59], dus er zou een barrière van 0,22 eV moeten zijn op de interface die naar het Schottky-contact leidt. Desalniettemin bleek dat Ti-contacten met een Au-afdeklaag Ohms waren met de laagste weerstand van negen metalen na gloeien. Ondertussen hebben Bae et al. onderzocht de afhankelijkheid van contacteigenschappen van de Ti/Au en Ni/Au voor apparaten op basis van het geëxfolieerde β-Ga₂ O₃ vlokken [55]. Er werd waargenomen dat de prestaties van MOSFET's met Ti/Au-metaalelektroden beter presteerden dan die met Ni/Au-metaalelektroden onder dezelfde gloeiconditie. In het begin werd aangenomen dat de werkfuncties van Ni en Ti respectievelijk 5,01 eV en 4,33 eV zijn, dus Ti kan gemakkelijker een Ohms contact vormen dan Ni; studies met behulp van energiedispersieve spectroscopie (EDS) toonden echter aan dat het atoompercentage van zuurstof in de β-Ga₂ O₃ gebied nam af, terwijl het atomaire zuurstofpercentage in Ti nabij het grensvlak toenam na uitgloeien, zoals geïllustreerd in Fig. 8 [55]. Dit fenomeen wordt toegeschreven aan de uitdiffusie van zuurstofatomen uit β-Ga₂ O₃ in Ti-metaal, wat leidt tot de vorming van zuurstofvacatures die als donoren fungeren. Bovendien, tijdens het gloeiproces, de versnelde uitdiffusie van zuurstofatomen in β-Ga₂ O₃ zou kunnen reageren met Ti en Ti₂ . vormen O₃ wat handig is voor het vormen van Ohmse contacten vanwege de lage werkfunctie (3,6–3,9 eV). Daarom is de grensvlakreactie tussen metalen en β-Ga₂ O₃ is een belangrijke factor bij het vormen van ohmse contacten op de metaal/halfgeleiderinterface.

Atomaire percentageprofielen door EDS van metallisatie en β-Ga₂ O₃ een pre- en b nagloeien bij een temperatuur van 500  ^° C. Overgenomen van Ref. [55]

Bovendien is gebleken dat de meeste Ti/Au-metaalelektroden die werden gebruikt om Ohmse contacten te vormen, werden uitgegloeid bij 450  ^° C [45, 53] of 470  ^° C [12, 46, 57, 60] door snel thermisch proces. Een soortgelijk degradatiegedrag van contactkenmerken werd waargenomen wanneer het uitgloeien werd uitgevoerd boven 500  ^° C in ref. [55, 56], zoals geïllustreerd in Fig. 7 en 9, respectievelijk. Yao et al. gespeculeerd dat een isolerende oxidelaag mogelijk werd gevormd bij verhoogde gloeitemperatuur, resulterend in de verslechterde contacten. Niettemin, Bae et al. merkte op dat het oppervlak van het afgezette metaal veel ruwer was na 700  ^° Uitgloeien door de vermenging van metalen en de diffusie van gallium- en zuurstofatomen in metaalelektroden, wat werd toegeschreven aan de oorzaak van het degradatiegedrag. Het is duidelijk dat de degradatiemechanismen van Ti/Au-contacten met β-Ga₂ O₃ na gloeien bij hoge temperatuur zijn nog steeds ter discussie.

IV-plots voor Ti/Au-contacten op Sn-gedoteerde (\( \overline{2} \)01) Ga₂ O₃ wafel als functie van de gloeitemperatuur in Ar (gloeitijd 1 min). Overgenomen van ref. [56]

β-Ga₂ O₃ -gebaseerde apparaten met Ti/Au-contacten kunnen niet voldoen aan de vraag naar werken bij hoge temperaturen. Om de achteruitgang van de contactkenmerken bij verhoogde gloeitemperatuur te voorkomen, moeten daarom complexere metalen stapels worden gebruikt. Verreweg zijn Ti/Al/Au [50, 52], Ti/Au/Ni [61, 62] en Ti/Al/Ni/Au metalen stapels [13, 21, 63, 64] gebruikt om elektrische contacten op β-Ga₂ O₃ . Maar een uitgebreide vergelijking van contactkenmerken tussen deze metalen stapels is nog steeds onvoldoende.

Mohammad [65] en Greco et al. [36] besprak de rol van elke metaallaag in de complexe metalen stapels en gaf enkele richtlijnen voor het verbeteren van de Ohmse contacten. Het schema van de metalen stapels wordt getoond in Fig. 10. Merk op dat deze benadering momenteel wordt ontwikkeld voor op GaN gebaseerde stroomapparaten [66,67,68,69].

Het schema van metalen stapels voor het verkrijgen van ohmse contacten met halfgeleiders met een brede bandgap

De eerste metaallaag op de ondergrond, contactlaag genoemd, dient een lage werkfunctie en een goede hechting aan de ondergrond te hebben. Bovendien kan het ook de diffusie van metalen van de bovenste laag met grote werkfuncties in het substraat blokkeren. Momenteel is Ti het belangrijkste metaal als contactlaag voor β-Ga₂ O₃ vanwege zijn lage functie (4,33 eV) en goede hechting op de ondergrond. Trouwens, de vorming van Ti₂ O₃ en Ti₃ O₅ met lagere werkfuncties dan Ti aan het grensvlak heeft de voorkeur bij het vormen van Ohmse contacten, aangezien de oxiden de SBH verminderen en zuurstofvacatures achterlaten die als donoren fungeren. Andere metalen met lage werkfuncties, waaronder Ta (3,1 eV) en Hf (3,9 eV), zijn echter nog niet onderzocht. De tweede bovenlaag met een lage werkfunctie moet in staat zijn om intermetallische verbindingen te vormen met de contactlaag om hun diffusie in het grensvlak te voorkomen. Momenteel wordt Al als deklaag gebruikt omdat het aan deze vereisten kan voldoen. De derde metaallaag (barrièrelaag) dient om de indiffusie van de bovenste metaallaag en uitdiffusie van de onderste metaallagen te beperken [70, 71]. Ni is de meest gebruikte barrièrelaag voor β-Ga₂ O₃ . Er zijn andere goede kandidaten zoals Mo, Nb en Ir met hoge smeltpunten om Ni te vervangen, waarvan wordt verwacht dat ze een lagere reactiviteit en oplosbaarheid voor Au hebben dan Ni [72,73,74,75]. De vierde deklaag fungeert als een beschermende laag om de oxidatie van onderliggende metalen te voorkomen of te minimaliseren. In de praktijk wordt Au vaak gebruikt om dit doel te dienen.

Introductie van een tussenlaag

Er zijn hoofdzakelijk twee methoden om een ​​tussenlaag aan te brengen op het metaal/β-Ga₂ O₃ koppel. Een daarvan is het vormen van een tussenliggende halfgeleiderlaag (ISL) met een lage werkfunctie door uitgloeien, bijvoorbeeld Ti₂ O₃ . De andere is om de gedeponeerde ISL tussen het metaal en β-Ga₂ . te plaatsen O₃ , die intensief is bestudeerd [76,77,78]. Vergeleken met de eerste methode is de laatste gunstiger voor het vormen van Ohmse contacten vanwege de hoge dragerconcentratie van ISL. De bandgaps van ISL's variëren van 3,5 tot 4,0 eV [79,80,81], zoals AZO (~ 3.2 eV) [82], In₂ O₃ (~ 2,9 eV) [83, 84] en IGZO (~ 3,5 eV) [85]. Gewoonlijk worden de SBH's van verschillende metalen afgezet op β-Ga₂ O₃ liggen in het bereik van 0,95-1,47 eV [86, 87], zoals weergegeven in figuur 11a. Desalniettemin vermindert de opname van een dunne ISL de SBH, waardoor het voor elektronen gemakkelijker wordt om van het metaal naar de geleidingsband van β-Ga₂ te transporteren. O₃ , zoals geïllustreerd in Fig. 11b. Bovendien zou de hoge dichtheid van elektronen in ISL de contactweerstand verder kunnen verminderen.

Het schema van bandoffsets voor a metaal/β-Ga₂ O₃ en b metaal/ISL/β-Ga₂ O₃ . ∆E _c is gelijk aan het energieverschil tussen de Fermi-energie van metalen en de geleidingsband van halfgeleiders

De laatste tijd werd AZO/Ti/Au gebruikt als elektroden op Si ⁺ -geïmplanteerde β-Ga₂ O₃ , en de verkregen specifieke contactweerstand was 2,82 × 10 ⁻⁵ Ω∙cm ² na gloeien [76]. Oshima et al. bereikt platina/indium–tinoxide (Pt/ITO) Ohmse contacten met β-Ga₂ O₃ met een breed scala aan procestemperatuurvensters [77]. Het grote procesvenster van 900–1150  ^° C maakt de realisatie van werking bij hoge temperatuur mogelijk. En ITO/Ti/Au-elektroden naar β-Ga₂ O₃ werden ook aangetoond door Carey et al. [78] waarin het monster Ohms gedrag vertoonde met ρ _C van 6,3 × 10 ⁻ 5 Ω∙cm ² na het gloeien. Zonder de ITO leverde hetzelfde uitgloeien geen lineaire stroom-spanningskarakteristieken op. Deze resultaten verifiëren de effectiviteit van het toevoegen van ISL voor het verkrijgen van Ohmse contacten.

Er werd met name een bel op het oppervlak van ITO/Ti/Au-contacten waargenomen terwijl er geen bubbels waren op de enkele ITO-laag zonder metaallaag erboven [78]. Het werd beschouwd als het resultaat van uitdiffusie van zuurstofatomen in de ITO-laag in de bovenste metaallagen. Daarom is het noodzakelijk om geschikte metalen of metalen stapels te kiezen als afdeklagen op ITO om de achteruitgang van de oppervlaktemorfologie te voorkomen.