康乃尔大学基于介质辅助剥离实现AlN单晶衬底 pn二极管n/p型微分接触电阻率协同优化

译自原文
Dielectric assisted liftoff enabled simultaneous low n- and p- differential contact resistivities in ultrawide bandgap AlGaN pn diodes on bulk AlN

原文链接

https://doi.org/10.35848/1347-4065/ae3673

原文作者
Debaditya Bhattacharya¹, Shivali Agrawal² , Hsin-Wei S. Huang¹ , Madhav Ramesh¹ , Joseph E. Dill³, Vladimir Protasenko¹ , Huili Grace Xing^1,4,5 , and Debdeep Jena^1,3,4,5

¹ School of Electrical and Computer Engineering, Cornell University,
² R.F. Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering, Cornell University,
³ School of Applied and Engineering Physics, Cornell University, Ithaca, NY 14853, United States of America
⁴ Department of Materials Science and Engineering, Cornell University,
⁵ Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science, Cornell University

项目支持方

美国国防高级研究计划局（DARPA）、美国国家科学基金会（NSF）、美国国家纳米技术协同基础设施（NNCI）、康奈尔纳米尺度科学技术中心（Cornell NanoScale Facility）

摘要

超宽禁带（UWBG）半导体pn结二极管在高电压电力电子与紫外光电子器件领域具有重要应用前景。然而，受限于AlGaN中掺杂剂溶解度低、缺乏功函数匹配的金属、工艺诱导损伤以及单晶体AlN衬底中位错缺失等因素，在UWBG结区制备低阻接触极具挑战。本研究提出一种介质辅助剥离工艺方案，可在体AlN衬底异质结构二极管中同步实现n型与p型接触的低开启电压（Von）及低比微分接触电阻率（ρc）。实验结果表明：在0–5 kA cm⁻²电流密度范围内，刻蚀后的n型Al₀.₇₅Ga₀.₂₅N接触的比微分接触电阻率达5–6×10⁻⁵ Ωcm²，开启电压≈0 V；在相同电流区间内，p-In₀.₀₇Ga₀.₉₃N接触的约为10⁻³–10⁻⁵ Ω·cm²，≈0–0.01 V。该二极管制备的核心设计理念在于引入介质层阻隔氮化物半导体表面与光刻胶的直接接触，同时在n型接触退火过程中对p-InGaN层形成有效保护。

引言

在具有显著技术应用前景的超宽禁带（UWBG）半导体体系中，禁带宽度约为5–6 eV的金刚石、α-Ga₂O₃以及高铝组分AlGaN与AlN备受关注。其中，Al(Ga)N是唯一兼具直接带隙特性与强极化效应的材料，其独特的能带结构与极化场有利于实现高效的n型与p型掺杂，从而支撑单极与双极外延异质结器件的构筑。这一本征优势使得AlGaN成为研制超宽禁带pn结二极管的理想平台。然而，当前AlN因本征电阻率过高，难以实现低阻的n型或p型接触。尽管通过Si施主掺杂已在Al₀.₇Ga₀.₃N中实现了n型导电，但在同等高铝组分条件下，受主掺杂至今仍未能获得理想的p型电导率。

在陡峭的GaN/AlN异质结处，得益于极化效应，无需受主掺杂即可因极化效应形成二维空穴气（2DHG）。采用组分梯度渐变可将此二维空穴气拓展为三维空穴气，该技术被称为分布式极化掺杂（DPD）。在p型朝上的异质结中，三维空穴气构建了空穴垂直注入通道，使其能从顶部低阻金属/p-InGaN/GaN叠层向下输运至底部的超宽禁带（UWBG）结区。因此，DPD注入层实现了与UWBG AlGaN（或AlN）pn结二极管有源区价带中空穴的低阻接触。

分布式极化掺杂技术已成功应用于金属有机化学气相沉积以及分子束外延在AlN单晶衬底上制备的pn结二极管。对于功率电子器件、紫外激光器及发光二极管而言，降低n型与p型接触电阻有助于减少非期望损耗，从而显著提升器件的关键性能指标。由于超宽禁带AlGaN常用的蓝宝石与AlN单晶衬底均属电绝缘性质，n型接触通常需在刻蚀表面沉积金属并进行高温退火。位错的存在有助于低阻接触的形成。然而， AlN单晶衬底的位错密度约为10⁴ cm⁻²，远低于蓝宝石上AlN模板的约10⁹ cm⁻²，这使得AlN单晶衬底上的接触制备面临挑战。受限于表面化学调控难度大，加之高温退火的负面影响，如何以可重复的方式同步实现低n型与p型接触电阻一直是一大难题。此外，针对超宽禁带β-Ga₂O₃二极管的金属优先工艺研究以及对n-AlGaN金属优先接触的研究均表明，有效抑制光刻工艺引入的碳污染是实现低阻线性接触的关键。

本项目提出一种介质辅助剥离技术，该方法利用介质掩模消除上述工艺障碍，从而在AlN单晶衬底上同步实现了低阻n型与p型接触。

实验方法

2.1. 器件设计与外延生长

采用等离子体辅助分子束外延技术在Crystal IS公司提供的2英寸AlN单晶衬底上生长二极管外延结构，相关生长参数参见文献。结构的n型区为厚度400 nm的埋入式n型Al₀.₇₅Ga₀.₂₅N层，经二次离子质谱测试，其Si掺杂浓度达8 × 10¹⁹ cm⁻³。位于n型区上方的本征区参照发光二极管结构设计，在120 nm厚的非故意掺杂Al₀.₆₅Ga₀.₃₅N波导层中嵌入一层9 nm厚的非故意掺杂Al₀.₅₅Ga₀.₄₅N量子阱。针对生长在AlN单晶衬底上、厚度为84 nm的n-Al₀.₇₃Ga₀.₂₇N校准样品进行的霍尔测试表明，其三维电子浓度n₃_d = 7.3 × 10¹⁹ cm⁻³，电子迁移率μₙ = 18.1 cm² V⁻¹ s⁻¹，方块电阻R_sh = 560 Ω/□。p型区由两部分构成：首先是一层厚度300 nm、组分从AlN线性渐变至Al₀.₆₅Ga₀.₃₅N的分布式极化掺杂注入层，随后依次为10 nm厚的p-GaN层与5 nm厚的p-In₀.₀₇Ga₀.₉₃N层。p-GaN与p-InGaN层中Mg的目标掺杂浓度均设定为约5 × 10¹⁹ cm⁻³。在完成外延生长后、正式进入器件工艺前，将2英寸外延片切割为若干正方形芯片单元。

图1. 基于介质辅助剥离技术的准垂直结构器件制备工艺流程。该方案通过以介质层作为刻蚀掩模，确保光刻胶在n型接触开窗刻蚀步骤及金属化步骤中始终不与半导体表面发生直接接触。

2.2. 纳米加工与介质辅助剥离工艺

图1展示了详细的器件制备流程，具体步骤如下。首先将样品依次浸入HCl与HF溶液中各1分钟，随后进行有机溶剂清洗，以获得洁净的半导体表面，如图1(a)所示。如图1(b)所示，采用等离子体增强原子层沉积技术在顶部p-InGaN表面沉积10 nm厚的SiO₂保护层，继而通过等离子体增强化学气相沉积生长2 μm厚的SiO₂介质层，以此构建介质掩模。随后旋涂正性光刻胶并对图形化后的样品进行坚膜处理，即在115 °C条件下硬烘烤5分钟。接着，利用10:1缓冲氧化物刻蚀液湿法刻蚀SiO₂，暴露出所需区域的表面，如图1(c)与图1(d)所示。

随后，利用有机溶剂去除光刻胶，过程如图1(e)所示。该图形化的SiO₂层在随后的刻蚀步骤中作为硬掩模，用于暴露下方的n-AlGaN层，如图1(f)所示。刻蚀过程分为两步进行：第一步采用高功率Cl₂/BCl₃/Ar感性耦合等离子体反应离子刻蚀，向下刻蚀450 nm直至露出n-AlGaN层；第二步采用低功率BCl₃感性耦合等离子体反应离子刻蚀，持续2分钟，进一步刻蚀暴露出的n-AlGaN表面约10 nm，以消除表面损伤。刻蚀完成后，先用HF溶液去除残留的介质掩模，再依次使用HCl与HF溶液清洗刻蚀表面，如图1(g)所示。

以下对介质辅助剥离方法进行详细说明。该工艺属于一种伪金属优先工艺，能够在实现剥离金属化的同时，避免半导体表面与光刻胶直接接触。如图1(h)所示，采用等离子体增强原子层沉积技术在样品表面保形沉积50 nm厚的SiO₂层。随后，利用负性剥离胶对n电极图形进行定义，并在115 ℃条件下硬烘烤5分钟。紧接着，通过短时间缓冲氧化物刻蚀液浸泡暴露半导体表面，随即采用1:1盐酸/去离子水溶液处理暴露区域15秒，再次经缓冲氧化物刻蚀液处理以去除盐酸处理过程中可能形成的氧化层，相关过程如图1(i)与图1(j)所示。随后，利用电子束蒸发依次沉积n型接触金属叠层V/Al/Ni/Au（厚度分别为20/80/40/10 nm），并完成金属剥离，如图1(k)与图1(l)所示。该流程确保了光刻胶在整个过程中不与半导体表面直接接触，从而有效避免了光刻胶污染。金属剥离完成后，在N₂气氛下对n型接触进行快速热退火处理，退火温度为850 ℃，持续时间为10秒。值得注意的是，介质辅助剥离工艺中残留在p-InGaN表面的SiO₂层，在高温n型退火过程中起到了关键的保护作用，防止p型层受热损伤。

n型接触退火完成后，采用相同的介质辅助剥离方法制备p型接触，随后沉积Ni/Au（15/20 nm）电极，相关流程如图1(m)、1(n)、1(o)与1(p)所示。随后在O₂气氛下对p型接触进行快速热退火，退火温度为450 ℃，持续时间为210秒。至此，器件电极制备流程全部完成。

上述p型接触退火条件源自一组独立的优化实验，具体过程如下。实验样品由生长在AlN单晶衬底上的10 nm厚p-GaN层及5 nm厚p-InGaN帽层构成。该样品经介质辅助剥离工艺完成Ni/Au接触金属沉积后，被切割为若干独立单元，并分别在不同条件下进行退火处理。图2(a)给出了间距为5 μm的圆型传输线法测试图形所测得的I–V曲线。结果表明，在450 ℃、O₂气氛退火环境下，随着退火时间由30秒延长至210秒，接触电流逐渐增大；而当退火时间进一步延长至330秒时，接触电流反而下降。由此可见，210秒为该Ni/Au接触体系的最佳退火时长。

为评估介质辅助剥离工艺的有效性，选取同一外延片上的另一单元，采用传统剥离工艺制备对照组器件，其n型接触退火条件设定为800 ℃、30秒。图2(b)显示，与传统负胶剥离工艺相比，介质辅助剥离工艺显著削弱了n-AlGaN接触界面的肖特基特性。通过在850 ℃下进行退火，并将退火时间缩短至10秒，可进一步降低n型接触电阻。上述系列实验为优化介质辅助剥离工艺参数提供了关键依据。

图2. (a) 间距为5 μm的圆型传输线法测试图形测得的I–V曲线，用于确定p型接触的最佳退火时长。(b) 对比标准光刻剥离工艺与介质辅助剥离工艺在不同退火温度下的n型接触I–V曲线，测试图形间距同样为5 μm。(c) 基于图1所述工艺制备的完整pn结二极管样品上p型接触的长传输线法测试结果及实测间距。插图为I = 0.1 mA条件下的长传输线法拟合示例，右下角示意图展示了长传输线法测试图形结构，并给出了电流密度的计算方法。(d) 同(c)样品中n型接触的圆型传输线法测试结果及实测间距。插图为I = 10 mA条件下的圆型传输线法拟合示例，右下角示意图展示了圆型传输线法测试图形结构，并给出了电流密度的计算方法。(e) 电流依赖的比差分接触电阻。(f) 提取得到的n型层与p型层方块电阻。(g) 接触的平均开启电压，由传输线法I–V曲线在等电流条件下的切线于x轴截距的平均值计算得出；对于理想的线性欧姆接触，该平均开启电压应为0 V。插图展示了接触的等效电路模型，即理想二极管与串联电阻的组合。

2.3. 传输线法分析

采用传输线法表征接触特性时，首先利用光学显微镜测量电极间距，并采用开尔文四探针配置测试I–V曲线。图2(c)与图2(d)分别给出了不同间距下p型与n型传输线法电极测得的I–V曲线。针对p型线性传输线法数据，采用如下关系式进行拟合：

式中，R_T为总电阻，R_sh为方块电阻，W为线性传输线法电极的宽度，d为接触间距，L_T为传输长度。针对n型圆型传输线法数据，则采用下述关系式进行拟合：

式中，R_sh为材料方块电阻，r_i为圆型传输线法电极的内半径，r_o=r_i+d为外半径，L_T为传输长度；I₀与I₁分别为第一类零阶与一阶贝塞尔函数，K₀与K₁分别为第二类零阶与一阶贝塞尔函数。

传统的传输线法分析在提取比接触电阻ρ_c时，通常假定I–V曲线呈线性特征，且ρ_c与电流I无关。然而，器件动态电阻往往是工程应用中重点关注的核心指标，明确该电阻的来源对器件设计具有重要的指导意义。对于具有非线性I–V特性的接触，传统提取方法仅在I = 0条件下严格适用。因此，针对非线性但仍具良好重复性的I–V曲线，必须考虑电流依赖的差分接触电阻ϱ_c(I)以及电流依赖的开启电压v_on(I)。为区别于传统意义上的比接触电阻ρ_c，本文引入符号ϱ_c特指差分比接触电阻。鉴于图2(c)与图2(d)中的接触均表现出明显的非线性特征，我们将每个接触建模为一个由电流依赖的理想二极管与一个电流依赖的电阻ϱ_c(I)/A（其中A为接触面积）串联而成的等效结构。理想的接触应同时具备较低的v_on(I)与ϱ_c(I)。下文将详细阐述差分比接触电阻ϱ_c(I)与接触开启电压v_on(I)的提取流程。

将式(1)与式(2)中的R_T替换为微分电阻R_T=dV(I)/dI，并结合图2(c)与图2(d)中不同传输线法间距在等电流条件下的测试数据，即可提取得到方块电阻R_sh与传输长度L_T。此处引入新记号R_T以特指微分电阻。联立上述两参数，依据文献可得差分接触电阻满足。图2(c)与图(d)插图分别给出了p型长传输线法与n型圆型传输线法在0.1 mA与10 mA条件下的等电流拟合示例。