行业 | 阿卜杜拉沙特国王科技大学在n型AlN上实现创纪录的低接触电阻率

译自原文
Low contact resistivity at the 10⁻⁴ Ω cm² level fabricated directly on n-type AlN

原文作者
Haicheng Cao ; Mingtao Nong ; Jiaqiang Li ; Xiao Tang ; Tingang Liu ; Zhiyuan Liu ; Biplab Sarkar ; Zhiping Lai ; Ying Wu ; Xiaohang Li, King Abdullah University of Science and Technology (KAUST)

原文链接
https://doi.org/10.1063/5.0215744  Appl. Phys. Lett. 125, 081602 (2024)

项目支持方
多项KAUST Baseline Fund、KAUST Competitive Research Grants资助

摘要

超宽带隙氮化铝（AlN）作为高功率电子器件的高吸引力材料脱颖而出。然而，AlN功率器件由于接触电阻率超过10^-1 Ω cm²而面临性能挑战。在本工作中，我们展示了通过直接应用于n型AlN的精细金属化工艺，实现了10^-4 Ω cm²级别的低接触电阻率。最小的接触电阻率达到5.82 x 10^-4 Ω cm²。我们的分析揭示，低接触电阻主要归因于稳定的TiAlTi/AlN界面，即使在严格的退火条件下也具有弹性，这有利地形成了一个薄的Al-Ti-N中间层，促进了大量的氮空位，增强了界面处的净载流子密度，并降低了接触势垒。这项工作标志着在实现n型AlN的优越欧姆接触方面迈出了重要的一步，为更高效的功率电子和光电器件铺平了道路。

氮化铝（AlN）以其超宽带隙、高击穿强度、卓越的热导率和出色的稳定性而受到青睐，被用于高功率电子器件。因此，追求高效的AlN基功率电子引起了越来越多的关注。目前，金属有机化学气相沉积（MOCVD）是商业AlN生长的主要方法。MOCVD生长的n型AlN的高掺杂电离能限制了其在室温（RT）下的载流子浓度低于10¹⁶ cm^-3。再加上低电子亲和力，AlN遭受高欧姆接触势垒的问题，这导致非线性行为和升高的电阻率。为了实现低接触电阻，当前的主要策略是在n型AlN薄膜上使用n型渐变AlGaN层。然而，这种方法高度依赖于MOCVD设备条件，并且需要精细控制参数，如Ga梯度和前驱体流速。此外，它还涉及额外的生长和蚀刻步骤。相比之下，金属化过程优化更为直接。策略包括选择适当的主要接触层（如钒和薄硅氮化物）来减少接触势垒，以及通过快速热退火过程（RTP）在AlN/金属界面诱导氮（N）空位，以创建额外的供体态。在n型高Al含量AlGaN中，N空位作为供体，在退火后在金属下形成薄的、高掺杂层，并提高了界面净载流子浓度。这增加了载流子通过金属/半导体（M/S）界面空间电荷区的隧穿概率，这对于降低欧姆接触电阻至关重要。然而，AlN表面的高解离能使得热退火后形成N空位更具挑战性。迄今为止，尽管付出了巨大努力，n型AlN在室温下的接触电阻率仍超过10^-1 Ω cm²，没有达到渐变n-AlGaN方法的优势（10^-2 Ω cm²）。

在本研究中，展示了优化的金属化策略，实现了在n型AlN上达到创纪录的低接触电阻率10^-4 Ω cm²水平，绕过了对AlGaN梯度层的需要。对欧姆接触的电学和结构属性进行了全面的研究。这些发现突显了直接在n型AlN上实现优越欧姆接触的巨大潜力，这对于推进高性能AlN基功率电子的发展具有重要意义。

AlN层通过MOCVD在(0001) AlN/蓝宝石衬底上外延生长。外延结构包括一个100 nm的未掺杂AlN再生长层和一个250 nm的硅掺杂AlN层（Si: 6.4x10¹⁸ cm^-3）。评估了两种欧姆接触金属堆叠，TiAlTiAu（20/120/50/200 nm）和TiAlTi（20/120/80 nm），通过溅射制备，并在氮气氛围下进行了快速热处理（RTP），温度范围从800到950℃，持续时间从30到120秒。退火后，使用圆传输线法（CTLM）在室温（RT）下确定了接触特性。评估了n型AlN在RT下的导电率和电离能分别为4.2x10^-3 Ω^-1 cm^-1和约320 meV。示意图结构和制备流程如图1(a)所示。使用聚焦离子束技术准备了两个具有不同金属堆叠的退火样品，以便在Titan ST显微镜中进行横截面透射电子显微镜（TEM）分析。采用高分辨率TEM（HRTEM）和高角环形暗场扫描TEM（HAADF-STEM），结合能量色散X射线光谱（EDXS）和电子能量损失光谱（EELS），研究了退火后M/S界面的结构和组成均匀性。为了评估其对二极管的影响，制备了使用NiAu（40/100 nm）堆叠作为肖特基金属的肖特基势垒二极管（SBDs），电极直径为150 μm，间隙为3 μm。电学特性分析使用Keithley 4200-SCS分析仪进行。通过原子力显微镜（AFM）扫描获得了退火金属堆叠的表面形态。

在相同条件（950℃下60 s）下，两种金属堆叠的表面形态比较如图1(b)和1(c)所示，由于金在高退火温度下易于互扩散，以及金和铝的低熔点，TiAlTiAu堆叠的表面更为粗糙。图2(a)和2(b)展示了在不同退火条件下两种金属堆叠的I-V特性。结果显示所有接触都表现出适度的整流行为。TiAlTi堆叠显示出更接近线性的I-V特性，并且电流显著增加。特别是，TiAlTi堆叠的膝点电压（V_knee）降低到仅1.5 V，远低于TiAlTiAu堆叠观察到的5 V，这表明接触势垒较低。

图1. (a) 圆传输线法（CTLM）图案示意图，垫片直径为300 μm，间隙为10-60 μm；(b) TiAlTiAu和(c) TiAlTi接触退火后的原子力显微镜（AFM）表面形态。

图2. (a) 和 (b) 在不同快速热处理（RTP）条件下，具有10 μm间隙的I-V特性比较。(c) 和 (d) 相应提取的接触电阻率。(e) 使用TiAlTiAu和TiAlTi接触的AlN肖特基势垒二极管（SBDs）的I-V特性。

图2(c)展示了从I-V特性的线性区域得出的接触电阻率。在所有堆叠中，更高的退火温度导致更低的接触电阻率和减少的整流倾向，尤其是在900℃以上。这种增强是由于在升高的温度下加速了表面AlN的分解和N空位的形成。对于TiAlTiAu堆叠，在900℃下退火60 s得到了最小的接触电阻率ρ_c为0.036 Ω cm²。相比之下，将TiAlTi堆叠的退火温度提高到950℃显著降低了其整流行为。将TiAlTi堆叠的退火时间延长到90 s进一步降低了其接触电阻率ρ_c，最小值为5.82 x 10^-4 Ω cm²，接触电阻R_c为82.7 Ω mm。图2(d)显示了最佳退火后两种金属堆叠的SBDs的I-V特性，突出了导电性和阈值电压的显著提高。具体来说，二极管的正向电阻从110.9 Ω cm^-2下降到11.1 Ω cm^-2，达到1 μA所需的电压从3.9 V降低到2.5 V。

为了阐明接触形成机制，图中展示了退火后金属接触的代表性HAADF-STEM图像。通过EDXS分析，识别出两种金属堆叠之间存在明显的相位差异。与TiAlTi堆叠相比，TiAlTiAu堆叠观察到了明显的金属簇，这归因于粗糙的表面。此外，在TiAlTiAu堆叠中，观察到金的互扩散，导致形成了Al-Au合金，并促使钛的外扩散。在任一堆叠中都没有观察到Al和Ti之间的相互扩散。此外，M/S界面非常平滑，没有凸起或金属扩散进入生长的AlN层。接触界面的EDXS分析[图3(c)和3(d)]显示，在退火后TiAlTiAu/AlN界面形成了一个厚（25-35 nm）的Al-N中间层，覆盖了整个界面，而在TiAlTi/AlN界面则识别出了一个薄得多的（1-6 nm）Al-Ti-N层。图3(e)展示了从界面提取的EELS光谱。EELS光谱和这些界面层的原子百分比（在补充材料中）证实了它们的主要成分，与EDXS结果一致。值得注意的是，在两种金属堆叠的表面上都检测到了Ti-N，表明N的存在显著，很可能来源于N₂气体氛围。在TiAlTiAu堆叠中，厚Al-N层中的N也可能部分来源于N₂，因为金属簇的存在使得金属/AlN界面更接近外部气体。此外，RTP设备的不完美真空（仅3-4 Torr）使得Al更容易氧化，因此在EDXS结果中观察到了Al(O)。在关于富Al AlGaN的文献中也报告了类似的现象。

图3. (a) 和 (b) 退火后的TiAlTiAu（900℃, 60 s）和TiAlTi（950℃, 90 s）接触的HAADF-STEM图像。(c) 和 (d) EDXS元素剖面[图(a)和(b)中的黄色虚线]以及(e) 在M/S界面测量的N-K、Ti-L、Al-K和O-K边缘的EELS光谱[图(a)和(b)中的黄色矩形区域]。(f) 和 (g) 退火后的TiAlTiAu和TiAlTi接触的M/S界面的HRTEM图像。下方图像(h)-(m)显示了HRTEM显微图中相应标记区域的FFT。M/S界面由白色虚线指示。(a) 和 (b) 中的比例尺为100 nm，(f) 和 (g) 中的比例尺为5 nm。

在图3(f)–3(m)中，HRTEM图像和快速傅里叶变换（FFT）衍射图案显示两个界面都存在部分氮化物晶体结构，表明从生长的AlN中提取了N并形成了N空位。然而，在TiAlTiAu堆叠中，较厚的Al-N中间层阻碍了退火过程中金属堆叠对N的进一步提取，这可以解释尽管温度从900℃升高到950℃，电阻率仍未改善的原因。同时，这个缺陷较多的较厚中间层抑制了M/S界面的载流子隧穿，反而增加了接触势垒并加剧了整流行为。相比之下，TiAlTi堆叠在950℃时的较薄中间层显示出较低的接触电阻率，通过延长退火时间进一步降低，这促进了N空位的产生和载流子隧穿。然而，对于TiAlTi堆叠，退火时间延长至120 s后接触电阻率的上升表明中间层可能变厚或Al氧化，这需要进一步研究。图4对比了报道的金属/AlGaN直接欧姆接触的接触电阻率与Al摩尔分数。如观察到的，接触电阻在AlGaN的Al摩尔分数超过约70%时迅速增加。因此，通过在AlN上直接接触金属化实现10^-4 Ω cm²范围内的接触电阻被认为是有前景的，这有助于全面理解富Al AlGaN和AlN薄膜上接触形成的机理。

图4. 与铝(Al)含量相关的接触电阻率比较

总之，本工作展示了在n型AlN上直接接触的低接触电阻率，达到了10^-4 Ω cm²水平。使用TiAlTi金属堆叠在950℃下退火90 s获得了最小的接触电阻率5.82x10^-4 Ω cm²。实现如此低的接触电阻率归因于界面的最佳金属化。最佳金属化过程促进了界面处净载流子密度的增加，增强了载流子隧穿。这些结果增强了对直接金属/AlN欧姆接触的界面特性和电学性质的理解，为AlN基功率电子和光电器件的设计和应用提供了宝贵的见解。