氮化鎵功率電子器件上歐姆接觸電極研究進展

鄭文浩，田 野

（1.哈爾濱師范大學/光電帶隙材料教育部重點實驗室，哈爾濱 150025；2.哈爾濱師范大學 物理與電子工程學院，哈爾濱 150025）

GaN基功率電子器件因其特殊的AlGaN/GaN異質結構具有高濃度、高遷移率的二維電子氣體（2DEG），適用于低功耗、高開關速度的場合，是高頻大功率電子器件領域的研究重點，也將是未來應用于電動汽車、高鐵及智能電網的核心電控部件[1]。其中，歐姆接觸是功率器件的基礎結構。器件利用金屬電極與GaN間接觸形成的歐姆接觸來輸入或輸出電流[1]。對于大功率電子器件和高頻器件來說，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，寬禁帶半導體的功率器件需要的比接觸電阻（ρc）值在10-5～10-6Ω×cm2內[3]，然而，在GaN材料中獲得良好的歐姆接觸是個難題，因為較寬的帶隙（氮化鎵為3.4 eV）導致n型材料上的肖特基勢壘高達1 eV，p型材料甚至達到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。因此為了實現良好的歐姆接觸需要使用具有低肖特基勢壘高的金屬作為電極材料。本文介紹了一些典型的GaN功率電子器件結構，之后總結了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題、各種嘗試及其相關進展。最后針對目前研究成果展望歐姆接觸技術的發展方向。

1 不同結構的GaN功率器件

1.1 橫向結構的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壘無法完全消耗下方的2DEG，從而導致閾值電壓（Vth）小于0。要想滿足功率器件的工作需要，要求開關處于常關狀態，于是在傳統的D型器件基礎上改變工藝結構，制造出增強型（E型）器件。目前實現E型器件的典型方式包括凹槽柵技術、p型柵技術、Cascode級聯技術和F離子注入技術等。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構相同。不過橫向GaN基功率器件仍然面臨著柵漏之間電場分布不均、柵漏距離過大影響器件的擊穿電壓等問題，基于這些問題人們提出了一種能充分發揮GaN材料特性的垂直結構。

1.2 垂直結構的GaN功率器件

隨著橫向GaN HEMT功率器件的發展，其面臨著柵極與漏極電場分布不均勻、柵漏間距增加導致制造成本加大等問題，不能發揮出材料的全部優勢。因此在此基礎上出現了一種體內導電的垂直結構，垂直結構的GaN功率器件能有效節省器件面積，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構包括P-N二極管、鰭式場效應晶體管（Fin－FET）、金屬半導體場效應晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。

1.3 準垂直結構的GaN功率器件

上述的垂直結構的GaN功率器件由于其優秀的材料結構使得其更適用于高電壓情況，但高質量的GaN同質外延生長由于其昂貴的生產價格及晶圓尺寸的限制，阻礙了垂直功率器件的商業化生產。而Si襯底生長低密錯GaN技術的發展可以滿足大尺寸外延，且與Si的互補金屬氧化物半導體（COMS）工藝兼容也可以大大降低生產成本。因此提出一種將陰陽極生長在同一側的準垂直結構，相比于橫向結構其陰陽極生長在不同高度，陰極還需要沉積在重摻雜漂移層上，因此器件結構上會有一些差異。目前常見的幾種準垂直結構包括準垂直的P-N結構、準垂直的肖特基二極管結構等。

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n型GaN不同歐姆接觸金屬結構進行研究，得出用于形成n型GaN歐姆接觸的包括勢壘層、覆蓋層、阻擋層和帽層的多層金屬結構。勢壘金屬層必須具有較低的功函數和可忽略不計的電阻。此外，其還應該限制上層金屬在氮化鎵表面的擴散。一般來說，選擇耐火金屬（Ti，Ta，…）作為勢壘層。第二層覆蓋層，應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（大于1 400℃），以便在退火過程中穩定多層，限制下層金屬與第四層的相互擴散。最后，第四層金屬層，稱為帽層，作為保護層，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多元合金構成，因Ti與GaN直接接觸會在界面處形成微納米尺度孔洞而增加接觸電阻和產生大的漏電流。難以進一步降低功耗，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被嘗試，具體見表1。

表1 不同金屬的功函數、熔點

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合金進行了比較。實驗選取的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。實驗結果發現在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到4.28×10-5Ωcm2。他們認為Hf/Al合金形成歐姆接觸的原因與Ti/Al合金相似，并且沒有出現Ti/Al合金中的空洞現象。

張可欣等[6]則對比了同為過渡族金屬的Zr/Au與Ti/Au的界面反應，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量級上，熱穩定性更強，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秀，沒有明顯的孔隙，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歐姆接觸除了因為禁帶間隙過寬及較難獲得功函數較低的p型GaN外，還有高濃度p型摻雜難以實現的問題。Mg仍是GaN最有效的p型摻雜劑，摻雜濃度通常達到1020cm-3，但其較高的激活能將會限制p型GaN的空穴濃度。此外，在生長過程中形成的Mg-H混合物進一步降低了自由空穴的濃度。因此，雖然在p-GaN生長過程中可以加入高Mg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。因此為了解決上述問題，人們嘗試各種金屬結構及特定的退火條件來降低金屬/p-GaN的勢壘高度，局部增加界面下的活性載流子濃度。在眾多金屬中，高功函數金屬的體系，如Ni、Pd或Pt是首選的，因為其能夠在p-GaN上獲得較低的勢壘高度。形成歐姆接觸的比接觸電阻基本在10-3～10-5Ωcm2內，相比n型GaN要高出2個數量級左右。

2.3 AlGaN/GaN上的歐姆接觸方案

前文已經提及過AlGaN/GaN異質結構中存在特殊的二維電子氣（2DEG），因此可以在不進行摻雜的情況下達到很高的載流子濃度。因為其良好的材料特性和具有很好的發展前景，對如何實現更低接觸電阻，表面形貌良好、工作穩定的歐姆接觸將是研究的重點。實現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異質結也不能對其進行摻雜以便限制散射現象并優化2DEG的遷移率，異質結內可能還會插入一層AlN，2DEG的面載流子密度也要取決于AlGaN厚度和Al濃度，因此相對于n型GaN較為復雜，不能簡單的完全套用方案。目前主要的歐姆接觸結構采用的也是Ti/Al/metal/Au 4層金屬結構。

Jacobs等[7]提出了降低Ti/Al/Ni/Au金屬化方案接觸電阻的系統方法，最終得到了最佳的金屬比為Ti/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 無金歐姆基礎方案

在Si的CMOS工藝中做為帽層的Au會形成深能級雜質，因其較大的擴散率會產生極大的污染；在高溫退火后Al處于熔融狀態會與Au形成AlAu4，導致電極表面粗糙，進而產生尖端放電現象降低器件的擊穿電壓[8]。因此一些無金的歐姆接觸方案也陸續出現。

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。利用電子蒸發沉積Ti/Al/W，過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。他們發現較薄的Ti層需要較低的退火溫度，因為Al需要通過Ti層擴散并與AlGaN接觸以獲得線性I-V特性。此外，Ti對于去除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。而這一無金接觸方案具有與傳統的含金HEMT（高電子遷移率晶體管）相當的特性，也有望在現有Si的生產線應用。

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）。這一結果與傳統的Au基歐姆接觸方案的性能相當（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。實驗結果有助于實現未摻雜的AlGaN/GaN HEMT的無金歐姆接觸。

3 結束語

在AlGaN/GaN HEMT器件中，歐姆接觸是實現源漏電極與二維電子氣（2DEG）接觸的關鍵，歐姆接觸電阻越低傳輸過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構的GaN功率器件及在n型GaN、p型GaN，及AlGaN/GaN異質結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十分成熟，然而退火后Ti在界面處會出現空洞、尖端放電等問題，這限制了Ti基電極的接觸電阻。與其同族的Hf、Zr在實驗中可以達到相近的接觸電阻，且不會出現較大孔隙，熱穩定性也更加優秀，未來可能將是n型歐姆接觸發展方向。Ni/Au結構雖然能在p型GaN上實現歐姆接觸，但其熱穩定性和長期可靠性仍面臨著挑戰，在實現良好歐姆接觸之前仍需進行大量實驗工作。隨著無金歐姆接觸方案的不斷完善，未來也將會出現類似Ti/Al/Ni/Au結構的標準化方案，實現與現有的CMOS工藝相兼容，可以大幅降低GaN功率器件的成本，提高GaN器件產量。