氮化鎵功率電子器件上歐姆接觸電極研究進(jìn)展

鄭文浩，田 野

（1.哈爾濱師范大學(xué)/光電帶隙材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150025；2.哈爾濱師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，哈爾濱 150025）

GaN基功率電子器件因其特殊的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有高濃度、高遷移率的二維電子氣體（2DEG），適用于低功耗、高開(kāi)關(guān)速度的場(chǎng)合，是高頻大功率電子器件領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，也將是未來(lái)應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、高鐵及智能電網(wǎng)的核心電控部件[1]。其中，歐姆接觸是功率器件的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。器件利用金屬電極與GaN間接觸形成的歐姆接觸來(lái)輸入或輸出電流[1]。對(duì)于大功率電子器件和高頻器件來(lái)說(shuō)，電極低的接觸電阻意味著低功耗和高器件可靠性，歐姆接觸直接關(guān)系到GaN器件的性能，是影響器件性能的重要因素之一[2]。

通常，寬禁帶半導(dǎo)體的功率器件需要的比接觸電阻（ρc）值在10-5～10-6Ω×cm2內(nèi)[3]，然而，在GaN材料中獲得良好的歐姆接觸是個(gè)難題，因?yàn)檩^寬的帶隙（氮化鎵為3.4 eV）導(dǎo)致n型材料上的肖特基勢(shì)壘高達(dá)1 eV，p型材料甚至達(dá)到2 eV，而AlxGa1-xN合金的情況更為特殊，其帶隙隨著Al含量的增加而增加。因此為了實(shí)現(xiàn)良好的歐姆接觸需要使用具有低肖特基勢(shì)壘高的金屬作為電極材料。本文介紹了一些典型的GaN功率電子器件結(jié)構(gòu)，之后總結(jié)了GaN功率電子器件中的歐姆接觸方案。之后將分析制備歐姆接觸面臨的問(wèn)題、各種嘗試及其相關(guān)進(jìn)展。最后針對(duì)目前研究成果展望歐姆接觸技術(shù)的發(fā)展方向。

1 不同結(jié)構(gòu)的GaN功率器件

1.1 橫向結(jié)構(gòu)的GaN功率器件

橫向GaN基功率器件由于存在具有高濃度、高遷移率的二維電子氣體（2DEG），因此在源極和漏極之間形成天然溝道，即耗盡型（D型）器件。通常制備的GaN HEMT器件都是耗盡型的，由于柵極中的肖特基勢(shì)壘無(wú)法完全消耗下方的2DEG，從而導(dǎo)致閾值電壓（Vth）小于0。要想滿足功率器件的工作需要，要求開(kāi)關(guān)處于常關(guān)狀態(tài)，于是在傳統(tǒng)的D型器件基礎(chǔ)上改變工藝結(jié)構(gòu)，制造出增強(qiáng)型（E型）器件。目前實(shí)現(xiàn)E型器件的典型方式包括凹槽柵技術(shù)、p型柵技術(shù)、Cascode級(jí)聯(lián)技術(shù)和F離子注入技術(shù)等。E型器件中形成歐姆接觸的源極與漏極仍然制作在AlGaN上，與D型器件中的歐姆電極結(jié)構(gòu)相同。不過(guò)橫向GaN基功率器件仍然面臨著柵漏之間電場(chǎng)分布不均、柵漏距離過(guò)大影響器件的擊穿電壓等問(wèn)題，基于這些問(wèn)題人們提出了一種能充分發(fā)揮GaN材料特性的垂直結(jié)構(gòu)。

1.2 垂直結(jié)構(gòu)的GaN功率器件

隨著橫向GaN HEMT功率器件的發(fā)展，其面臨著柵極與漏極電場(chǎng)分布不均勻、柵漏間距增加導(dǎo)致制造成本加大等問(wèn)題，不能發(fā)揮出材料的全部?jī)?yōu)勢(shì)。因此在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)了一種體內(nèi)導(dǎo)電的垂直結(jié)構(gòu)，垂直結(jié)構(gòu)的GaN功率器件能有效節(jié)省器件面積，避免電流的分布不均，抑制電流崩塌獲得更高的頻率及功率特性。目前典型的幾種垂直結(jié)構(gòu)包括P-N二極管、鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Fin－FET）、金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。

1.3 準(zhǔn)垂直結(jié)構(gòu)的GaN功率器件

上述的垂直結(jié)構(gòu)的GaN功率器件由于其優(yōu)秀的材料結(jié)構(gòu)使得其更適用于高電壓情況，但高質(zhì)量的GaN同質(zhì)外延生長(zhǎng)由于其昂貴的生產(chǎn)價(jià)格及晶圓尺寸的限制，阻礙了垂直功率器件的商業(yè)化生產(chǎn)。而Si襯底生長(zhǎng)低密錯(cuò)GaN技術(shù)的發(fā)展可以滿足大尺寸外延，且與Si的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（COMS）工藝兼容也可以大大降低生產(chǎn)成本。因此提出一種將陰陽(yáng)極生長(zhǎng)在同一側(cè)的準(zhǔn)垂直結(jié)構(gòu)，相比于橫向結(jié)構(gòu)其陰陽(yáng)極生長(zhǎng)在不同高度，陰極還需要沉積在重?fù)诫s漂移層上，因此器件結(jié)構(gòu)上會(huì)有一些差異。目前常見(jiàn)的幾種準(zhǔn)垂直結(jié)構(gòu)包括準(zhǔn)垂直的P-N結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)垂直的肖特基二極管結(jié)構(gòu)等。

2 歐姆接觸方案

2.1 n型氮化鎵上的歐姆接觸方案

Mohammad[4]對(duì)n型GaN不同歐姆接觸金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，得出用于形成n型GaN歐姆接觸的包括勢(shì)壘層、覆蓋層、阻擋層和帽層的多層金屬結(jié)構(gòu)。勢(shì)壘金屬層必須具有較低的功函數(shù)和可忽略不計(jì)的電阻。此外，其還應(yīng)該限制上層金屬在氮化鎵表面的擴(kuò)散。一般來(lái)說(shuō)，選擇耐火金屬（Ti，Ta，…）作為勢(shì)壘層。第二層覆蓋層，應(yīng)該能夠與其他金屬形成低功功能的化合物，通常使用鋁（Al）。第三層阻擋層，其通常具有高熔點(diǎn)（大于1 400℃），以便在退火過(guò)程中穩(wěn)定多層，限制下層金屬與第四層的相互擴(kuò)散。最后，第四層金屬層，稱為帽層，作為保護(hù)層，以減少或防止底層金屬的氧化。此處通常選擇金（Au）。如圖1所示。

圖1 目前廣泛應(yīng)用在n型GaN的Ti基歐姆接觸方案

n型歐姆接觸電極目前主要由Ti/Al多元合金構(gòu)成，因Ti與GaN直接接觸會(huì)在界面處形成微納米尺度孔洞而增加接觸電阻和產(chǎn)生大的漏電流。難以進(jìn)一步降低功耗，且影響器件高壓大電流工作性能和器件可靠性。因此新的電極材料也陸續(xù)被嘗試，具體見(jiàn)表1。

表1 不同金屬的功函數(shù)、熔點(diǎn)

何天立等[5]研究了Hf/Al合金不同退火條件下的接觸電阻，并與Ti/Al合金進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)選取的n型GaN樣品是采用MOCVD制備，其載流子濃度為2.39×1019cm-3，載流子遷移率為128 cm2/（V·s），電阻率為1.98×10-4Ωcm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在650℃下Hf/Al合金退火60 s可以得到比相同條件下Ti/Al合金更低的接觸電阻，比接觸電阻值可以達(dá)到4.28×10-5Ωcm2。他們認(rèn)為Hf/Al合金形成歐姆接觸的原因與Ti/Al合金相似，并且沒(méi)有出現(xiàn)Ti/Al合金中的空洞現(xiàn)象。

張可欣等[6]則對(duì)比了同為過(guò)渡族金屬的Zr/Au與Ti/Au的界面反應(yīng)，不同于Ti/Au合金退火溫度升高后接觸電阻的變化，Zr/Au電極在高溫退火及低溫退火條件下的比接觸電阻都在4×10-5Ωcm2量級(jí)上，熱穩(wěn)定性更強(qiáng)，更適合于高溫高壓下的器件上。而在相同退火溫度下Zr/Au的表面粗糙度更加優(yōu)秀，沒(méi)有明顯的孔隙，可以避免電流崩塌，更適合于高功率器件。

2.2 p型氮化鎵上的歐姆接觸方案

相較于n型GaN的歐姆接觸，p型GaN歐姆接觸除了因?yàn)榻麕чg隙過(guò)寬及較難獲得功函數(shù)較低的p型GaN外，還有高濃度p型摻雜難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。Mg仍是GaN最有效的p型摻雜劑，摻雜濃度通常達(dá)到1020cm-3，但其較高的激活能將會(huì)限制p型GaN的空穴濃度。此外，在生長(zhǎng)過(guò)程中形成的Mg-H混合物進(jìn)一步降低了自由空穴的濃度。因此，雖然在p-GaN生長(zhǎng)過(guò)程中可以加入高M(jìn)g濃度（大于1019cm-3），但在材料中獲得的空穴濃度通常在1017～1018cm-3內(nèi)。因此為了解決上述問(wèn)題，人們嘗試各種金屬結(jié)構(gòu)及特定的退火條件來(lái)降低金屬/p-GaN的勢(shì)壘高度，局部增加界面下的活性載流子濃度。在眾多金屬中，高功函數(shù)金屬的體系，如Ni、Pd或Pt是首選的，因?yàn)槠淠軌蛟趐-GaN上獲得較低的勢(shì)壘高度。形成歐姆接觸的比接觸電阻基本在10-3～10-5Ωcm2內(nèi)，相比n型GaN要高出2個(gè)數(shù)量級(jí)左右。

2.3 AlGaN/GaN上的歐姆接觸方案

前文已經(jīng)提及過(guò)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中存在特殊的二維電子氣（2DEG），因此可以在不進(jìn)行摻雜的情況下達(dá)到很高的載流子濃度。因?yàn)槠淞己玫牟牧咸匦院途哂泻芎玫陌l(fā)展前景，對(duì)如何實(shí)現(xiàn)更低接觸電阻，表面形貌良好、工作穩(wěn)定的歐姆接觸將是研究的重點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)源漏歐姆接觸最直接的方法就是借鑒n型GaN歐姆接觸方案，不過(guò)由于A1GaN擁有比GaN材料更大的禁帶寬度，金屬歐姆接觸很難形成，而AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)也不能對(duì)其進(jìn)行摻雜以便限制散射現(xiàn)象并優(yōu)化2DEG的遷移率，異質(zhì)結(jié)內(nèi)可能還會(huì)插入一層AlN，2DEG的面載流子密度也要取決于AlGaN厚度和Al濃度，因此相對(duì)于n型GaN較為復(fù)雜，不能簡(jiǎn)單的完全套用方案。目前主要的歐姆接觸結(jié)構(gòu)采用的也是Ti/Al/metal/Au 4層金屬結(jié)構(gòu)。

Jacobs等[7]提出了降低Ti/Al/Ni/Au金屬化方案接觸電阻的系統(tǒng)方法，最終得到了最佳的金屬比為T(mén)i/Al/Ni/Au（30/180/40/150nm），樣品在900℃下退火30s得到的比接觸電阻率為7.3×10-7Ωcm2。他們認(rèn)為這一方案同樣適用于不同阻擋層的Ti基歐姆接觸方案Ti/Al/（Pt/Ni/Ti）/Au。

2.4 無(wú)金歐姆基礎(chǔ)方案

在Si的CMOS工藝中做為帽層的Au會(huì)形成深能級(jí)雜質(zhì)，因其較大的擴(kuò)散率會(huì)產(chǎn)生極大的污染；在高溫退火后Al處于熔融狀態(tài)會(huì)與Au形成AlAu4，導(dǎo)致電極表面粗糙，進(jìn)而產(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象降低器件的擊穿電壓[8]。因此一些無(wú)金的歐姆接觸方案也陸續(xù)出現(xiàn)。

Takahiro和Takashi[9]研究了Ti/Al/W的歐姆接觸方案及其最佳的退火溫度。利用電子蒸發(fā)沉積Ti/Al/W，過(guò)程中沉積了不同厚度的Ti層，而Al和W的厚度固定為140 nm和20 nm。最終在2.7 nm薄Ti層在500℃的低溫下退火10 min得到了2.54×10-6Ω cm2（0.358 Ω mm）的低接觸電阻。他們發(fā)現(xiàn)較薄的Ti層需要較低的退火溫度，因?yàn)锳l需要通過(guò)Ti層擴(kuò)散并與AlGaN接觸以獲得線性I-V特性。此外，Ti對(duì)于去除AlGaN表面上的自然氧化膜是必不可少的，因此Ti層的最小厚度為2 nm。而這一無(wú)金接觸方案具有與傳統(tǒng)的含金HEMT（高電子遷移率晶體管）相當(dāng)?shù)奶匦?，也有望在現(xiàn)有Si的生產(chǎn)線應(yīng)用。

Xian等[10]提出了一種氮化鈦帽層替代Au的接觸方案，并提出了一種與歐姆接觸過(guò)程相兼容的TiN帽層的制備方法，Ti/Al/Ni/TiN（20/60/10/80 nm）在900℃下退火30 s后，其接觸電阻為3.47×10-6Ωcm2（1.1 Ωmm）。這一結(jié)果與傳統(tǒng)的Au基歐姆接觸方案的性能相當(dāng)（3.12×10-6Ωcm2，1.05 Ωmm），此外，Ti/Al/Ni/TiN歐姆接觸顯示出光滑的表面形貌，表面粗糙度為5.89 nm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果有助于實(shí)現(xiàn)未摻雜的AlGaN/GaN HEMT的無(wú)金歐姆接觸。

3 結(jié)束語(yǔ)

在AlGaN/GaN HEMT器件中，歐姆接觸是實(shí)現(xiàn)源漏電極與二維電子氣（2DEG）接觸的關(guān)鍵，歐姆接觸電阻越低傳輸過(guò)程中的損耗也就越小，而歐姆接觸的可靠性也影響著功率器件的工作效率及工作壽命。本文介紹了幾種典型結(jié)構(gòu)的GaN功率器件及在n型GaN、p型GaN，及AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)上制備歐姆接觸電極的不同合金方案，目前Ti基歐姆接觸體系已經(jīng)十分成熟，然而退火后Ti在界面處會(huì)出現(xiàn)空洞、尖端放電等問(wèn)題，這限制了Ti基電極的接觸電阻。與其同族的Hf、Zr在實(shí)驗(yàn)中可以達(dá)到相近的接觸電阻，且不會(huì)出現(xiàn)較大孔隙，熱穩(wěn)定性也更加優(yōu)秀，未來(lái)可能將是n型歐姆接觸發(fā)展方向。Ni/Au結(jié)構(gòu)雖然能在p型GaN上實(shí)現(xiàn)歐姆接觸，但其熱穩(wěn)定性和長(zhǎng)期可靠性仍面臨著挑戰(zhàn)，在實(shí)現(xiàn)良好歐姆接觸之前仍需進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)工作。隨著無(wú)金歐姆接觸方案的不斷完善，未來(lái)也將會(huì)出現(xiàn)類似Ti/Al/Ni/Au結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化方案，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有的CMOS工藝相兼容，可以大幅降低GaN功率器件的成本，提高GaN器件產(chǎn)量。