【国际论文】通过去除表面碳实现非合金化Ti/Au欧姆接触与β-Ga₂O₃之间的0.05 Ω-mm接触电阻

        由美国康奈尔大学的研究团队在学术期刊 APL Materials 发布了一篇名为 Achieving 0.05 Ω-mm contact resistance in non-alloyed Ti/Au ohmics to β-Ga₂O₃ by removing surface carbon（通过去除表面碳实现非合金化 Ti/Au 欧姆接触与 β-Ga₂O₃ 之间的 0.05 Ω-mm 接触电阻）的文章。该篇文章被该期刊评选为编辑推荐文章。

        自2012年发表演示以来，β-Ga₂O₃ 晶体管一直被广泛研究以实现商业化。尽管硅目前在晶体管市场中占据主导地位，但具有更高带隙的半导体在耐受更高的临界电场方面具有优势，这对于更高效的高功率设备至关重要。碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）是首批实现商业成功的宽带隙半导体。β-Ga₂O₃ 的带隙（4.8 eV）大于SiC（3.3 eV）和GaN（3.4 eV），这为描述功率电子学中击穿电压与器件导通电阻之间基本权衡的巴利加优值设定了更高的理论上限。β-Ga₂O₃ 还是一种经济可行且可商业化规模化的技术，因为熔融生长原生衬底易于获得。通过各种内在和外在掺杂方法，已在通道区和选择性接触区实现了高达 5 × 10²⁰ cm^-3 的掺杂浓度。

        在本研究中，研究人员探讨了未退火的 Ti/Au 接触在高掺杂（010）β-Ga₂O₃ 表面的欧姆行为与其界面结构和化学性质之间的关联。扫描透射电子显微镜（STEM）、原子力显微镜-红外光谱（AFM-IR）以及飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）测量结果表明，光刻胶图案去除后，碳污染仍可能残留，从而抑制了传统剥离工艺中的电导率。进一步表明，环境中的碳污染可通过电子能量损失谱（EELS）和电子自旋共振（ESR）谱进行测量，并在不使用光刻胶的金属优先工艺中增加接触电阻。证明通过紫外线臭氧或氧等离子体脱胶对 Ga₂O₃ 表面进行充分清洁可实现低电阻接触。

        在 β-Ga₂O₃ 中保持无污染的金属-半导体界面对于实现一致的低电阻（< 1 Ω-mm）欧姆接触至关重要。在此发表了一项扫描透射电子显微镜研究，探讨了在常规剥离工艺与金属优先工艺中，Ti/Au 欧姆接触质量在 (010) β-Ga₂O₃ 表面的变化。观察到在采用传统剥离工艺制备的非导电接触中，Ti 与 Ga₂O₃ 之间存在一层约 1 nm 厚的碳屏障层。研究人员认为该层由光刻胶残留物形成，此前未被 X 射线光电子能谱（XPS）检测到，原因在于碳层的薄层特性、不均匀覆盖以及 Ga₂O₃ 表面的粗糙度。该薄碳层的存在通过电子能量损失谱和原子力显微镜-红外光谱得到证实。薄且不均匀的碳层导致了先前关于非合金接触的报告中高度不一致的接触行为。在金属优先工艺制备的导电欧姆接触中，也在原生样品上观察到偶然碳。研究人员发现，对原生样品进行五分钟的活性氧脱碳处理即可去除该碳层，进一步改善欧姆行为并降低接触电阻 R_c 至 0.06 Ω-mm。还展示了对 Ga₂O₃ 表面进行一小时的紫外线臭氧处理可消除剥离工艺产生的碳残留，从而实现低 R_c 值 0.05 Ω-mm。

        本研究探讨了 Ti/Au 欧姆接触质量随剥离工艺和金属优先工艺变化的情况。STEM-EELS 测量结果表明，Ga₂O₃/Ti 界面处的碳污染程度与测得的欧姆接触电阻呈直接相关。发现通过剥离工艺制备的非导电接触中含有显著的光刻胶碳残留物，并推测先前报道的接触性能较大差异源于类似的光刻胶残留物。进一步报告表明，经过一小时的紫外线臭氧处理可去除光刻胶残留物，从而获得接触电阻 R_c 为 0.05 Ω-mm 的线性欧姆接触。提出了 AFM-IR 可作为非破坏性扫描探针测量方法，用于关键器件工艺中的中间过程诊断，以确保接触沉积前的表面清洁度。另一方面，金属优先工艺在原生样品上表现出线性欧姆非合金化接触行为。然而，接触界面仍含有由于空气暴露导致的有机污染物碳 EELS 特征，该特征也可通过 ESR 光谱检测到。在接触金属沉积前对生长表面进行 5 分钟活性氧脱碳处理，可消除该附着碳，使接触电阻降低约 5 倍至 0.06 Ω-mm，这是迄今为止报道的 (010) β-Ga₂O₃ 接触电阻的第二低值。得出了当表面碳得到适当管理时，通过剥离法和金属优先接触工艺均可实现非合金化接触的结论。

图1. 金属接触 Au/Ti/Ga₂O₃ 界面 ADF-STEM 截面图像概述。样品 A（非导电）在 Ti 与 Ga₂O₃ 界面之间显示出约 1 nm 厚的污染层，而线性欧姆接触样品 B–D 中未观察到该现象。

图2. 来自 Ga₂O₃ 界面样品 A–D 的 Ti-L_2,3 边界的归一化EELS光谱。光谱显示了Ti价态的演变，从 Ga₂O₃ 界面附近的非晶态 TiO_x 过渡到更远处的金属 Ti。品红色和蓝色虚线分别标记了 Ti 和 TiO_x 的峰位，展示了 Ti 键合状态的变化。无论界面碳含量如何，样品 A–D 均显示 Ti 从 Ga₂O₃ 中吸附氧气形成 TiO_x。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0276786