氮化镓功率电子器件上欧姆接触电极研究进展

郑文浩，田 野

（1.哈尔滨师范大学/光电带隙材料教育部重点实验室，哈尔滨 150025；2.哈尔滨师范大学 物理与电子工程学院，哈尔滨 150025）

GaN基功率电子器件因其特殊的AlGaN/GaN异质结构具有高浓度、高迁移率的二维电子气体（2DEG），适用于低功耗、高开关速度的场合，是高频大功率电子器件领域的研究重点，也将是未来应用于电动汽车、高铁及智能电网的核心电控部件[1]。其中，欧姆接触是功率器件的基础结构。器件利用金属电极与GaN间接触形成的欧姆接触来输入或输出电流[1]。对于大功率电子器件和高频器件来说，电极低的接触电阻意味着低功耗和高器件可靠性，欧姆接触直接关系到GaN器件的性能，是影响器件性能的重要因素之一[2]。

通常，宽禁带半导体的功率器件需要的比接触电阻（ρc）值在10-5～10-6Ω×cm2内[3]，然而，在GaN材料中获得良好的欧姆接触是个难题，因为较宽的带隙（氮化镓为3.4 eV）导致n型材料上的肖特基势垒高达1 eV，p型材料甚至达到2 eV，而AlxGa1-xN合金的情况更为特殊，其带隙随着Al含量的增加而增加。因此为了实现良好的欧姆接触需要使用具有低肖特基势垒高的金属作为电极材料。本文介绍了一些典型的GaN功率电子器件结构，之后总结了GaN功率电子器件中的欧姆接触方案。之后将分析制备欧姆接触面临的问题、各种尝试及其相关进展。最后针对目前研究成果展望欧姆接触技术的发展方向。

1 不同结构的GaN功率器件

1.1 横向结构的GaN功率器件

横向GaN基功率器件由于存在具有高浓度、高迁移率的二维电子气体（2DEG），因此在源极和漏极之间形成天然沟道，即耗尽型（D型）器件。通常制备的GaN HEMT器件都是耗尽型的，由于栅极中的肖特基势垒无法完全消耗下方的2DEG，从而导致阈值电压（Vth）小于0。要想满足功率器件的工作需要，要求开关处于常关状态，于是在传统的D型器件基础上改变工艺结构，制造出增强型（E型）器件。目前实现E型器件的典型方式包括凹槽栅技术、p型栅技术、Cascode级联技术和F离子注入技术等。E型器件中形成欧姆接触的源极与漏极仍然制作在AlGaN上，与D型器件中的欧姆电极结构相同。不过横向GaN基功率器件仍然面临着栅漏之间电场分布不均、栅漏距离过大影响器件的击穿电压等问题，基于这些问题人们提出了一种能充分发挥GaN材料特性的垂直结构。

1.2 垂直结构的GaN功率器件

随着横向GaN HEMT功率器件的发展，其面临着栅极与漏极电场分布不均匀、栅漏间距增加导致制造成本加大等问题，不能发挥出材料的全部优势。因此在此基础上出现了一种体内导电的垂直结构，垂直结构的GaN功率器件能有效节省器件面积，避免电流的分布不均，抑制电流崩塌获得更高的频率及功率特性。目前典型的几种垂直结构包括P-N二极管、鳍式场效应晶体管（Fin－FET）、金属半导体场效应晶体管（MOSFET）和绝缘柵双极晶体管（IGBT）。

1.3 准垂直结构的GaN功率器件

上述的垂直结构的GaN功率器件由于其优秀的材料结构使得其更适用于高电压情况，但高质量的GaN同质外延生长由于其昂贵的生产价格及晶圆尺寸的限制，阻碍了垂直功率器件的商业化生产。而Si衬底生长低密错GaN技术的发展可以满足大尺寸外延，且与Si的互补金属氧化物半导体（COMS）工艺兼容也可以大大降低生产成本。因此提出一种将阴阳极生长在同一侧的准垂直结构，相比于横向结构其阴阳极生长在不同高度，阴极还需要沉积在重掺杂漂移层上，因此器件结构上会有一些差异。目前常见的几种准垂直结构包括准垂直的P-N结构、准垂直的肖特基二极管结构等。

2 欧姆接触方案

2.1 n型氮化镓上的欧姆接触方案

Mohammad[4]对n型GaN不同欧姆接触金属结构进行研究，得出用于形成n型GaN欧姆接触的包括势垒层、覆盖层、阻挡层和帽层的多层金属结构。势垒金属层必须具有较低的功函数和可忽略不计的电阻。此外，其还应该限制上层金属在氮化镓表面的扩散。一般来说，选择耐火金属（Ti，Ta，…）作为势垒层。第二层覆盖层，应该能够与其他金属形成低功功能的化合物，通常使用铝（Al）。第三层阻挡层，其通常具有高熔点（大于1 400℃），以便在退火过程中稳定多层，限制下层金属与第四层的相互扩散。最后，第四层金属层，称为帽层，作为保护层，以减少或防止底层金属的氧化。此处通常选择金（Au）。如图1所示。

图1 目前广泛应用在n型GaN的Ti基欧姆接触方案

n型欧姆接触电极目前主要由Ti/Al多元合金构成，因Ti与GaN直接接触会在界面处形成微纳米尺度孔洞而增加接触电阻和产生大的漏电流。难以进一步降低功耗，且影响器件高压大电流工作性能和器件可靠性。因此新的电极材料也陆续被尝试，具体见表1。

表1 不同金属的功函数、熔点

何天立等[5]研究了Hf/Al合金不同退火条件下的接触电阻，并与Ti/Al合金进行了比较。实验选取的n型GaN样品是采用MOCVD制备，其载流子浓度为2.39×1019cm-3，载流子迁移率为128 cm2/（V·s），电阻率为1.98×10-4Ωcm。实验结果发现在650℃下Hf/Al合金退火60 s可以得到比相同条件下Ti/Al合金更低的接触电阻，比接触电阻值可以达到4.28×10-5Ωcm2。他们认为Hf/Al合金形成欧姆接触的原因与Ti/Al合金相似，并且没有出现Ti/Al合金中的空洞现象。

张可欣等[6]则对比了同为过渡族金属的Zr/Au与Ti/Au的界面反应，不同于Ti/Au合金退火温度升高后接触电阻的变化，Zr/Au电极在高温退火及低温退火条件下的比接触电阻都在4×10-5Ωcm2量级上，热稳定性更强，更适合于高温高压下的器件上。而在相同退火温度下Zr/Au的表面粗糙度更加优秀，没有明显的孔隙，可以避免电流崩塌，更适合于高功率器件。

2.2 p型氮化镓上的欧姆接触方案

相较于n型GaN的欧姆接触，p型GaN欧姆接触除了因为禁带间隙过宽及较难获得功函数较低的p型GaN外，还有高浓度p型掺杂难以实现的问题。Mg仍是GaN最有效的p型掺杂剂，掺杂浓度通常达到1020cm-3，但其较高的激活能将会限制p型GaN的空穴浓度。此外，在生长过程中形成的Mg-H混合物进一步降低了自由空穴的浓度。因此，虽然在p-GaN生长过程中可以加入高Mg浓度（大于1019cm-3），但在材料中获得的空穴浓度通常在1017～1018cm-3内。因此为了解决上述问题，人们尝试各种金属结构及特定的退火条件来降低金属/p-GaN的势垒高度，局部增加界面下的活性载流子浓度。在众多金属中，高功函数金属的体系，如Ni、Pd或Pt是首选的，因为其能够在p-GaN上获得较低的势垒高度。形成欧姆接触的比接触电阻基本在10-3～10-5Ωcm2内，相比n型GaN要高出2个数量级左右。

2.3 AlGaN/GaN上的欧姆接触方案

前文已经提及过AlGaN/GaN异质结构中存在特殊的二维电子气（2DEG），因此可以在不进行掺杂的情况下达到很高的载流子浓度。因为其良好的材料特性和具有很好的发展前景，对如何实现更低接触电阻，表面形貌良好、工作稳定的欧姆接触将是研究的重点。实现源漏欧姆接触最直接的方法就是借鉴n型GaN欧姆接触方案，不过由于A1GaN拥有比GaN材料更大的禁带宽度，金属欧姆接触很难形成，而AlGaN/GaN异质结也不能对其进行掺杂以便限制散射现象并优化2DEG的迁移率，异质结内可能还会插入一层AlN，2DEG的面载流子密度也要取决于AlGaN厚度和Al浓度，因此相对于n型GaN较为复杂，不能简单的完全套用方案。目前主要的欧姆接触结构采用的也是Ti/Al/metal/Au 4层金属结构。

Jacobs等[7]提出了降低Ti/Al/Ni/Au金属化方案接触电阻的系统方法，最终得到了最佳的金属比为Ti/Al/Ni/Au（30/180/40/150nm），样品在900℃下退火30s得到的比接触电阻率为7.3×10-7Ωcm2。他们认为这一方案同样适用于不同阻挡层的Ti基欧姆接触方案Ti/Al/（Pt/Ni/Ti）/Au。

2.4 无金欧姆基础方案

在Si的CMOS工艺中做为帽层的Au会形成深能级杂质，因其较大的扩散率会产生极大的污染；在高温退火后Al处于熔融状态会与Au形成AlAu4，导致电极表面粗糙，进而产生尖端放电现象降低器件的击穿电压[8]。因此一些无金的欧姆接触方案也陆续出现。

Takahiro和Takashi[9]研究了Ti/Al/W的欧姆接触方案及其最佳的退火温度。利用电子蒸发沉积Ti/Al/W，过程中沉积了不同厚度的Ti层，而Al和W的厚度固定为140 nm和20 nm。最终在2.7 nm薄Ti层在500℃的低温下退火10 min得到了2.54×10-6Ω cm2（0.358 Ω mm）的低接触电阻。他们发现较薄的Ti层需要较低的退火温度，因为Al需要通过Ti层扩散并与AlGaN接触以获得线性I-V特性。此外，Ti对于去除AlGaN表面上的自然氧化膜是必不可少的，因此Ti层的最小厚度为2 nm。而这一无金接触方案具有与传统的含金HEMT（高电子迁移率晶体管）相当的特性，也有望在现有Si的生产线应用。

Xian等[10]提出了一种氮化钛帽层替代Au的接触方案，并提出了一种与欧姆接触过程相兼容的TiN帽层的制备方法，Ti/Al/Ni/TiN（20/60/10/80 nm）在900℃下退火30 s后，其接触电阻为3.47×10-6Ωcm2（1.1 Ωmm）。这一结果与传统的Au基欧姆接触方案的性能相当（3.12×10-6Ωcm2，1.05 Ωmm），此外，Ti/Al/Ni/TiN欧姆接触显示出光滑的表面形貌，表面粗糙度为5.89 nm。实验结果有助于实现未掺杂的AlGaN/GaN HEMT的无金欧姆接触。

3 结束语

在AlGaN/GaN HEMT器件中，欧姆接触是实现源漏电极与二维电子气（2DEG）接触的关键，欧姆接触电阻越低传输过程中的损耗也就越小，而欧姆接触的可靠性也影响着功率器件的工作效率及工作寿命。本文介绍了几种典型结构的GaN功率器件及在n型GaN、p型GaN，及AlGaN/GaN异质结上制备欧姆接触电极的不同合金方案，目前Ti基欧姆接触体系已经十分成熟，然而退火后Ti在界面处会出现空洞、尖端放电等问题，这限制了Ti基电极的接触电阻。与其同族的Hf、Zr在实验中可以达到相近的接触电阻，且不会出现较大孔隙，热稳定性也更加优秀，未来可能将是n型欧姆接触发展方向。Ni/Au结构虽然能在p型GaN上实现欧姆接触，但其热稳定性和长期可靠性仍面临着挑战，在实现良好欧姆接触之前仍需进行大量实验工作。随着无金欧姆接触方案的不断完善，未来也将会出现类似Ti/Al/Ni/Au结构的标准化方案，实现与现有的CMOS工艺相兼容，可以大幅降低GaN功率器件的成本，提高GaN器件产量。