譯自原文
Low Resistance Non-Alloyed Ohmic Contacts to High Al Composition n-type AlGaN
原文鏈接
https://arxiv.org/abs/2512.08871v1, submitted on 9 Dec 2025
原文作者
Joseph E. Dill*,1 Xianzhi Wei,2 Changkai Yu,2 Akhansha Arvind,3 Shivali Agrawal,4 Debaditya Bhattacharya,3 Keisuke Shinohara,5 Debdeep Jena,3, 2, 6 and Huili Grace Xing*3.2.6
1) School of Applied & Engineering Physics, Cornell University
2) Department of Materials Science and Engineering, Cornell University
3) School of Electrical and Computer Engineering, Cornell University
4) Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Cornell University
5) Teledyne Scientific and Imaging, Thousand Oaks
6) Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science, Cornell University
項目支持方
美國國防部高級極化研究局（DARPA）、美國能源部（DOE）科學辦公室基礎能源科學（BES）、由DARPA資助的半導體研究公司（SRC）、美國國家科學基金會
摘要
氮化物電子和光電器件中，與高鋁組分（>70%）n型 AlxGa1−xN超寬帶隙半導體層形成歐姆接觸，通常需要通過剝離工藝和高溫（>700°C）熱合金化來制備。這些條件常導致制備結構的顯著形變，并對器件的所有其他部分施加嚴苛的熱負荷。在此，我們報道了在鋁組分為71%的n+型AlGaN（禁帶寬度Eg∼5.4 eV）上制備的非合金、沉積態歐姆接觸的方法。該方法制備的載流子濃度約7×10¹? cm?³，電阻率為4-5.5 m?·cm（此為目前Al?.??Ga?.??N材料中報道的最低值之一）。該接觸具有線性的I-V特性，在零偏壓下的接觸電阻率為 ρc=(4.4±1.0)×10−4 Ω⋅cm2。如此高質量的接觸通過兩種獨立的制備方案形成：（i）金屬優先圖形化，和（ii）金屬沉積前采用氧氣等離子體去膠進行剝離工藝。考慮到外延所用的AlN單晶襯底中較低的螺旋位錯密度、接觸外延表面的平滑形貌以及接觸的非合金特性，該接觸電阻率完全歸因于載流子穿過金屬-半導體結的熱電子場發射。通過低電流注入條件下的接觸電阻率提取，我們得以運用熱離子場發射模型對這些結果進行建模分析，從而得到 Ti/Al?.??Ga?.??N 的勢壘高度為 (0.81±0.02) eV。
引言
AlGaN 因其高擊穿場強特性在電子應用領域備受關注，同時由于其大直接帶隙特點在紫外光電子應用領域也具有重要價值，而這兩類應用均需要低電阻的金屬-半導體接觸結構。對于Al組分不超過75%的Si摻雜n+型AlxGa1-xN材料，其歐姆接觸的實現已有大量文獻報道，在該組分范圍內可通過淺能級摻雜獲得載流子濃度>1019 cm-3的自由電子濃度。目前在更高Al組分材料中獲得的電導率仍不理想（且缺乏導電性AlN襯底），這主要歸因于兩個方面：更高的摻雜劑激活能以及受主型本征點缺陷對載流子的補償作用。
雖然一些AlGaN基場效應晶體管器件結構允許通過巧妙的組分漸變來形成低鋁組分的接觸表面，但這種便利對于PN結、LED和激光二極管器件并不可行，這些器件需要大面積外延堆疊而活性區無應變誘導弛豫。因此，這些器件結構通常采用準垂直配置，具有一個埋藏的 AlxGa1−xN層，其鋁組分x<75%，以實現n型歐姆接觸的形成。
許多近期關于在鋁組分x>70%的n+型 AlxGa1−xN上形成歐姆接觸的報道，利用了釩（V）或鈦（Ti）金屬堆疊，通過剝離工藝圖形化，并在超過750°C的溫度下進行退火。雖然已有報道接觸電阻率接近 1×10−6 Ω⋅cm2，但這些高溫退火通常會導致金屬特征的顯著形變，同時也對器件異質結構的所有其他組成部分施加了嚴苛的熱負荷。
Smith等人先前對寬禁帶半導體 β-Ga2O3歐姆接觸的研究報道，通過采用金屬優先制備方案而非傳統的剝離方法，實現了與相似摻雜密度下合金接觸相當的非合金歐姆接觸。一項后續的透射電子顯微鏡（TEM）研究檢測到，在金屬優先方式制備的金屬-半導體界面處存在偶然碳污染，而在傳統剝離工藝圖形化的界面處存在約1 nm的碳層。通過氧氣等離子體去膠處理成功去除表面碳，使得無需合金化即可實現優異的歐姆接觸。
先前對n-AlGaN歐姆接觸的研究也注意到了UV/臭氧去膠對于形成低阻接觸的有效性。本報告采用類似策略，我們展示了在鋁組分x=71%的n+型 AlxGa1−xN上形成歐姆接觸的方法。該接觸具有線性的I-V特性和~4×10?? Ω·cm²的接觸電阻率，這是通過金屬優先圖形化方案和適當的去膠去除半導體表面光刻膠殘留的剝離圖形化方案實現的，兩者都旨在減輕金屬-半導體界面處的碳污染。
圖 1. (a) 在2英寸Al極性AlN單晶襯底上通過分子束外延生長的n+型AlGaN樣品的結構示意圖（其螺旋位錯密度 < 10? cm?²）。(b) 通過變溫范德堡霍爾測量得到的遷移率（上圖）和載流子濃度（下圖）。(c) 圍繞不對稱 
衍射點的倒易空間映射圖。(d) 晶圓尺度的無接觸薄層電阻分布圖。數據采集自晶圓中心0.7英寸半徑范圍內；圖中邊緣區域因未進行測量而有意留白。(e) AlGaN表面的5×5 µm² 原子力顯微鏡掃描圖，其均方根粗糙度為0.60 nm。(f) 圍繞 (002) 衍射的ω-2θ X射線衍射掃描的測量結果（藍色）與模擬結果（紅色）對比。
表1. 本研究中表征的五個n+型Al?.??GaN樣品的霍爾效應表征、制備規格及非合金歐姆接觸性能，這些樣品的電阻率為4 - 5.5 mΩ·cm（在帶隙~5.4 eV的AlGaN材料中，屬于報道的最低電阻率之一）。
樣品制備
圖1(a)顯示了本研究所用樣品的外延結構。AlGaN:Si樣品通過等離子體輔助分子束外延（MBE）在2英寸Al極性AlN單晶襯底上生長，所用設備為Veeco Gen10系統，配備用于Ga、Al和Si的標準瀉流池，以及用于提供活性氮的射頻等離子體源。襯底在裝入MBE系統前，先經過溶劑超聲清洗，然后進行酸處理。在外延生長之前，進行原位Al輔助表面清潔，以進一步去除襯底表面的氧化物并避免位錯形核。外延生長始于在富Al條件下、熱電偶溫度為970°C時沉積230 nm厚的AlN層。隨后原位解吸過量的Al，之后在780°C溫度、富Ga條件下生長AlGaN:Si層。Si池溫度為1340°C，目標Si摻雜密度為9×10¹? cm?³。關于AlGaN:Si的MBE生長的更多細節可在我們之前的報告中找到。
外延生長后，進行X射線衍射（XRD）測量以確定AlGaN層的Al摩爾分數和應變狀態。如圖1(c)所示，衍射譜的X射線倒易空間映射（RSM）證實AlGaN外延層與下層AlN襯底共格應變。AlGaN層的Al摩爾分數通過對稱XRD ω-2θ掃描沿（002）衍射確定[見圖1(f)]為71%。圖1(e)顯示了通過原子力顯微鏡（AFM）測量的樣品表面形貌，在5×5 μm²區域內表現出0.60 nm的均方根（RMS）粗糙度。清晰的原子臺階表明其為臺階流生長模式，而指狀特征則歸因于顯著的Ehrlich-Schwobel勢壘誘導的動力學驅動不穩定性
為了評估AlGaN層的電導率，進行了兩英寸晶圓的無接觸薄層電阻映射[見圖1(d)]。我們在整個晶圓上測得平均薄層電阻為93 Ω/□，標準偏差為 6Ω/□。觀察到從晶圓中心約100 Ω/□到其邊緣附近約80 Ω/□的梯度，這可能是由于MBE生長過程中整個晶圓上的通量和溫度不均勻性所致。
將兩英寸晶圓切割成8×8 mm²的小片用于歐姆接觸制備。本研究選擇了五個樣品（標記為A-E）[見圖1(d)]。從8 K到300 K的溫度依賴霍爾效應測量結果如圖1(b)所示。測得的載流子濃度（7.2×10¹? cm?³）在不同溫度下保持恒定，表明Si摻雜已超過莫特相變閾值進入簡并態，這種特性非常有利于形成歐姆接觸。電子遷移率也隨溫度保持恒定在17 cm²/Vs。這些輸運特性與我們之前在藍寶石襯底上的AlN模板上通過MBE生長的簡并摻雜n+型AlGaN的報道一致，但遷移率高出約2倍，載流子濃度高出約5倍。
五個樣品在制備前的室溫霍爾效應測量（如表1）顯示自由電子濃度范圍為6.4-8.2×10¹? cm?³，遷移率范圍為15-19 cm²/Vs。這些n-Al0.71GaN樣品的電阻率為4-5.5 mΩ·cm，是該鋁組分AlGaN中報道的最低值之一。還需注意的是，在AlGaN/AlN界面處，極化不連續性可能引入高達1.5×10¹³ cm?²的移動空穴。然而，這將被這些簡并摻雜的AlGaN:Si層中約2×10¹? cm?²的電子面電荷有效掩蓋，因此在電阻率分析中可以安全忽略。
圖 2. 通過剝離法（上圖；對應樣品A-D）與金屬優先法（下圖；對應樣品E）形成歐姆接觸的器件示意圖與制備工藝流程。右上角注明了每個樣品所使用的接觸金屬（Ω）以及是否進行了氧氣等離子體去膠處理。
在切割后的樣品上制備了圓形傳輸長度法（C-TLM）測試結構，其接觸金屬、半導體表面預處理及金屬圖形化工藝均進行了系統性調整。具體制備流程如圖2所示，并于表1中匯總。樣品首先依次在丙酮與異丙醇中各超聲清洗5分鐘，接著依次浸入10:1的BOE溶液和HCl溶液中各1分鐘處理，每次處理間隔均用去離子水漂洗10秒，最后用氮氣吹干20秒。
樣品A-D采用剝離程序制備，其中n+型AlGaN表面涂覆負性光刻膠，然后通過光刻技術圖形化，在光刻膠中開出孔洞以沉積金屬堆疊。樣品B和D在金屬化前進行了2分鐘的氧氣等離子體去膠，而樣品A和C則沒有。接觸金屬堆疊，由Ω/Al/Ti(20nm/120nm/80nm)組成，通過電子束蒸發在約2×10?? Torr的壓力下沉積，其中 Ω為接觸金屬（樣品A、B為Ti；樣品C、D為V）。
樣品E采用金屬優先方案圖形化。在溶劑和酸清洗后，在裸露的n+型AlGaN表面沉積Ti/Au (20 nm/200 nm)金屬堆疊。在金屬頂部圖形化光刻膠以暴露接觸之間的溝道區域，然后在115°C下硬烘烤5分鐘以形成抗蝕刻的硬掩模。通過浸入Au蝕刻劑TFA中去除Au層，并通過浸入20:1稀釋的BOE溶液中去除Ti層。
C-TLM測量與分析
在室溫下對C-TLM測試結構進行電學表征，以評估不同表面處理和金屬化方案下非合金金屬/n+型AlGaN界面處歐姆接觸的質量。這些測量結果總結于圖3和表1中。C-TLM結構的內半徑為 ri=120μm，外半徑 ro=ri+d，其中間隙距離d的范圍為2至 35μm[見圖3(e)]。所有光刻尺寸均通過700倍放大率下的光學顯微鏡測量確認。直流I-V測量采用四探針配置，向內部圓形焊盤提供電流I，并測量跨越半導體間隙的電壓V（見圖3(a)插圖）。
圖 3. (a) 來自樣品A-E、間隙距離約為5 µm的圓形傳輸線法測試結構的電流-電壓特性曲線。（左上角插圖）樣品A-E的表面處理和接觸金屬總結。（右下角插圖）電流源模式的I-V測量電路配置。(b) 樣品E、B和D在2-35 µm間隙距離下的線性I-V特性區域。(c) 基于(b)中線性I-V特性繪制的樣品E、B和D的TLM曲線圖。(d) 從樣品E、B和D上所有測試結構在0至5 mA電流范圍內提取的接觸電阻Rc的箱形圖。對樣品A和C測得的非線性I-V曲線無法進行電流密度依賴的Rc分析，因為該分析僅適用于線性TLM測試結構（而不適用于C-TLM，因為一對C-TLM接觸不共享相同的電流密度）。每個樣品所有測試結構對應的平均比接觸電阻率值列于表1中（單位為Ω·cm²）。(e) （左）在四探針配置下測量的已制備C-TLM焊盤的顯微鏡圖像；（右）標示C-TLM測試結構內半徑和外半徑尺寸的示意圖。
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