Innovations dans les contacts métalliques β-oxyde de gallium pour l'électronique de puissance avancée

Résumé

L'oxyde de gallium bêta ultra-large bande (β-Ga₂O₃) attire une attention considérable comme semi-conducteur prometteur pour l'électronique de puissance de prochaine génération. Il possède d'excellentes propriétés : gap 4,6–4,9 eV, champ de claquage élevé 8 MV/cm, figure de mérite Baliga (BFOM) exceptionnelle, stabilité chimique et thermique supérieure. Ces caractéristiques suggèrent grand potentiel pour applications futures dispositifs puissance et optoélectroniques. Cependant, la question critique des contacts métal-Ga₂O₃ limite la performance des dispositifs β-Ga₂O₃. Dans ce travail, nous passons en revue les avancées sur contacts β-Ga₂O₃ MOSFET. Pour améliorer propriétés contacts, quatre approches principales sont résumées et analysées en détail : pré-traitement, post-traitement, électrode métal multicouche, et introduction d'une intercouche. Par comparaison, les deux dernières sont étudiées intensivement et plus favorables que pré-traitement qui génère inévitablement dommages incontrôlables. Finalement, conclusions et perspectives futures pour améliorer davantage contacts ohmiques sont présentées.

Introduction

Récemment, l'oxyde de gallium (Ga₂O₃) considéré candidat prometteur pour dispositifs haute puissance et haut rendement grâce ses excellentes propriétés matérielles. Ga₂O₃ a cinq polymorphes : α, β, γ, δ, ε-Ga₂O₃, dont β-Ga₂O₃ le plus thermodynamiquement stable et le plus étudié. Avec gap ultra-large 4,6–4,9 eV, champ de claquage théorique (E_br) 8 MV/cm ~3× plus grand que SiC ou GaN, permettant dispositifs β-Ga₂O₃ gérer tensions commutation gigantesques. Adéquation semiconducteurs applications puissance évaluée par figure de mérite Baliga (BFOM). BFOM β-Ga₂O₃ presque triple SiC et GaN, réduisant significativement pertes conduction. De plus, vitesse saturation électroniques théoriquement ~2 × 10⁷ cm/s, alléchante opérations haute fréquence. Autre intérêt distinctif β-Ga₂O₃ parmi semiconducteurs large bande : cristaux simples haute qualité synthétisables rentablement par techniques croissance par fusion. En plus, films épitaxiaux n-type β-Ga₂O₃ haute qualité réalisables par dopage précis Sn, Si, Ge, Mg, densité électronique 10¹⁶ à 10¹⁹ cm⁻³. Vu avantages sur autres semiconducteurs large bande, β-Ga₂O₃ montre capacités pour électronique puissance et environnements extrêmes (haute température, haute tension, haute radiation).

Nombreux dispositifs β-Ga₂O₃ prometteurs rapportés : diodes barrière Schottky, MOSFET, photodétecteurs solaire-aveugles variés. Parmi ceux-ci, MOSFET configuration prédominante pour radiofréquence et haute puissance, exploitant pleinement haut E_br et BFOM. Cependant, défi pour application β-Ga₂O₃ dans MOSFET est difficulté former contacts ohmiques comparé semiconducteurs bande étroite. Contact ohomique excellent entre semiconducteur et électrode métal essentiel pour dispositifs semiconducteurs haute performance. Contacts faible résistance réduisent chute tension contact, augmentant tension à travers canal, assurant densité courant conçue et vitesses commutation élevées. De plus, contacts faible résistance réduisent génération chaleur aggravant auto-échauffement.

En conséquence, fabrication contacts ohmiques haute qualité prérequis pour dispositifs haute performance. Cette revue commence concepts fondamentaux contacts métal/semiconducteur. Section « Approches contacts ohmiques » résume avancées récentes significatives contacts ohmiques β-Ga₂O₃, discute et analyse approches. Finalement, perspectives pour améliorer contacts ohmiques β-Ga₂O₃ futur fournies.

Physique de base des contacts ohmiques

Contact ohomique est jonction métal/semiconducteur sans barrière interface impedant transport porteurs (Fig. 1a). Inversement, barrière énergie existant interface inhibe transport porteurs métal-semiconducteur (Fig. 1b). Notamment, contacts formés entre semiconducteurs large bande et métaux sont toujours Schottky. Résistance contact dépend normalement hauteur barrière Schottky (SBH) Φ_B. Pour semiconducteur type n, obéit équation :

$$ q\Phi_B = q\Phi_m - \chi_s $$ (1)

où Φ_m fonction travail métal, χ_s affinité électronique semiconducteur.

Comme Eq. (1), important réduire SBH former contact ohomique. Dopage élevé semiconducteurs pourrait faciliter formation contacts ohmiques, ex. semiconducteurs lourdement dopés (N_D > ~10¹⁸ cm⁻³), barrière devient assez étroite permettre électrons tunneler directement interface grâce courbure bande conduction significative [39], Fig. 2. Néanmoins, niveaux dopage réalisables β-Ga₂O₃ généralement inférieurs à ce qu'obtenable dans Si, comme autres semiconducteurs large bande. Autres part, états surface jouent rôle important formation contacts ohmiques, fréquemment définis régions recombinaison haut taux. Niveaux défauts milieu gap induits états surface aident transport porteurs. Cela implique bon contact ohomique peut être formé en introduisant états surface appropriés dans semiconducteurs [40-43].

Schéma illustrations a contacts ohmiques et b contacts Schottky. E_C, E_V, E_F,m, E_F,s niveaux énergie bord bande conduction, bord bande valence, énergie Fermi métal et semiconducteur respectivement

Diagramme bandes énergie interface métal/semiconducteur semiconducteurs hautement dopés

Quantification électrique caractéristiques contact nécessaire évaluer qualité contacts. Actuellement, résistivité contact spécifique ρ_C paramètre couramment utilisé accéder performance contacts ohmiques, typiquement exprimé Ω·cm² [44]. ρ_C quantité très utile indépendante géométrie contact référant interface métal/semiconducteur seulement. À ce jour, plus bas ρ_C 4,6 × 10⁻⁶ Ω·cm² rapporté contacts Ti/Au β-Ga₂O₃ [45]. Wong et al. aussi obtenu bas ρ_C 7,5 × 10⁻⁶ Ω·cm² contacts Ti/Au [46]. Jusqu'ici, nombreux efforts consacrés obtenir contact faible ρ_C, valeurs typiques résistivités contact spécifiques s'étendent 10⁻⁵–10⁻⁶ Ω·cm² pour bons contacts ohmiques [36].

Approches contacts ohmiques

À ce jour, investigations propriétés intrinsèques β-Ga₂O₃ mostly menées sur structure MOSFET, deux méthodes synthèse canal habituellement adoptées. L'une : flocon exfolié micromécaniquement (nanomembrane) ; l'autre : film épitaxial β-Ga₂O₃ sur substrat natif, résumé Tableau 1.

Normalement, flocons β-Ga₂O₃ exfoliés transférables commodément, rentablement sur tout substrat. Propriétés matérielles flocons β-Ga₂O₃ ne se dégradent pas pendant exfoliation selon spectroscopie Raman et microscopie force atomique [19], signifiant performance MOSFETs base flocons exfoliés comparable base couches épitaxiales. Vu ces avantages, méthode recommandée étudier caractéristiques électriques : densité défauts interface, tension claquage, diffusion phonons optiques surface [47-49], propriété thermique, effet auto-échauffement [50, 51].

Comme résumé Tableau 1, méthodes employées améliorer contacts ohmiques généralement catégorisées trois types : (1) pré-traitement, (2) post-traitement, (3) électrode métal multicouche. En plus, introduction intercouche peut aussi obtenir contacts ohmiques supérieurs non montré Tableau 1.

Pré-traitement

Pré-traitement effectué avant dépôt métal, incluant implantation ionique, bombardement plasma, gravure ionique réactive (RIE). Higashiwaki et al. démontré contacts formés utilisant empilement Ti/Au avec pré-traitement RIE montraient comportement quasi-ohomique, tandis échantillon sans RIE montrait comportement Schottky, Fig. 3 [1]. Différence significative attribuable à diffusion externe atomes oxygène libres générés bombardement continu brisant liaisons Ga-O exposées, laissant nombreuses lacunes oxygène agissant donneurs β-Ga₂O₃. D'autre part, traitement RIE continu générait aussi états surface considérables jouant rôle important formation contact [41]. Figure 4 montre caractéristiques DC sortie dont relation quasi-linéaire courant-tension drain bas observable. Travail ultérieur, Fig. 5, caractéristiques sortie exhibaient bonne linéarité courant-tension drain où implantation Si⁺ et RIE appliqués β-Ga₂O₃ ensemble et résistivité contact spécifique extrêmement basse 8,1 × 10⁻⁶ Ω·cm² atteinte [12]. Évidemment, comportement ohomique obtenu RIE et implantation Si⁺ ensemble surpasse RIE seul car atomes Si donneurs peu profonds faibles énergies activation β-Ga₂O₃ [34]. De plus, Zhou et al. rapporté transistors effet champ β-Ga₂O₃ haute performance avec bombardement plasma Ar avant dépôt métal contact [52]. Échantillon sans bombardement Ar exhibait contact Schottky. Différence attribuable génération lacunes oxygène et états surface pendant bombardement plasma Ar, même que traitement RIE.

(Couleur en ligne) Courbes I-V mesurées entre deux contacts (Ti/Au déposés) fabriqués avec et sans traitement RIE sur substrats n-Ga₂O₃. Reproduit Réf. [1]

(Couleur en ligne) Caractéristiques sortie DC transistors effet champ métal/semiconducteur Ga₂O₃. Reproduit Réf. [1]

Courbes I-V DC Ga₂O₃ MOSFET (L_g = 2 µm) mesurées RT. Reproduit Réf. [12]

Bien que techniques susmentionnées améliorent performance contacts ohmiques, telles technologies pas pratiquement applicables car dommages induits généralement dernière chose ingénieurs procédés veulent dispositifs semiconducteurs, et contacts ohmiques induits dommages pas toujours reproductibles.

Pour cette raison, outre techniques traditionnelles susdites utilisées fréquemment former contacts ohmiques faible résistance, technique relativement novel — dopage verre par centrifugation (SOG) — récemment adoptée [53], résistivité contact spécifique 2,1±1,4 × 10⁻⁵ Ω·cm² atteinte, vérifiant efficacité technique dopage SOG. Figure 6 montre caractéristiques sortie MOSFETs β-Ga₂O₃ dopés S/D SOG exhibant excellent comportement linéaire bas tension drain. Comparé implantation ionique, dopage SOG réduit diffusion espèces induite dommages et abaisse coûts abandonnant implanteur ionique coûteux. Similaire implantations ioniques, principe base cette technologie dopage région S/D donneurs peu profonds. Évidemment, contact ohomique supérieur peut être atteint avec β-Ga₂O₃ intentionnellement dopé. Par exemple, β-Ga₂O₃ hautement dopé utilisé fabriquer transistors effet champ β-Ga₂O₃ courants drain excédant 1,5 A/mm [50]. Courant drain record dû dopage lourd β-Ga₂O₃ causant couche appauvrissement très mince, électrons tunnellent facilement barrière menant comportement contact ohomique. Intéressant, orientation surface β-Ga₂O₃ peut aussi influencer comportement contact. Baik et al. rapporté mêmes électrodes β-Ga₂O₃ montraient propriétés contact différentes, échantillon sur substrat (2̄01) comportait contacts ohmiques tandis témoin sur (010) exhibait comportement Schottky. Attribuable différents rapport Ga/O et densité liaisons pendantes orientations spécifiques [54].

Caractéristiques sortie MOSFET dopé S/D SOG L_g = 8 µm, espacement drain grille L_gd = 10 µm. Reproduit Réf. [53]

Post-traitement

Post-traitement effectué après dépôt métal, principalement recuit. Recuit joue rôle réduction dommages induits technologies procédés antérieures comme implantation ionique, bombardement plasma. De plus, contribue formation intercouche pouvant réduire discontinuité bande conduction métal-β-Ga₂O₃. Remarquablement, paramètres température, atmosphère, temps recuit influencent important performance dispositifs. Expérience recuit air et N₂ implémentée comparer effet atmosphère recuit contacts ohmiques β-Ga₂O₃ [55]. Fig. 7, performance recuit N₂ surpasse air, attribuable pression partielle oxygène plus haute air supprimant formation lacunes oxygène. Cependant, dépendance caractéristiques contact température, atmosphère, temps recuit floue ; optimisation paramètres processus recuit nécessaire.

Propriétés électriques flocons β-Ga₂O₃ différentes atmosphère recuit thermique et température recuit. Contacts Ti/Au sous a N₂ et b air. Reproduit Réf. [55]

Électrode métal multicouche

Autre approche former contacts ohmiques : réduire SBH interface métal/semiconducteur. SBH égale différence fonction travail métal et affinité électronique semiconducteur. Basé cette reconnaissance, on pourrait s'attendre métaux faible fonction travail forment contacts ohmiques β-Ga₂O₃. Néanmoins, prouvé fonction travail pas facteur dominant formation contact ohomique [56].

Neuf métaux déposés β-Ga₂O₃ sélectionnés basé propriétés fonction travail, température fusion, stabilité oxyde [57]. Fonction travail Ti et affinité électronique β-Ga₂O₃ non intentionnellement dopé connues 4,33 eV et 4,00±0,05 eV respectivement [19, 58, 59], donc barrière 0,22 eV devrait exister interface menant contact Schottky. Néanmoins, contacts Ti avec couche coiffage Au étaient ohmiques plus basse résistance parmi neuf métaux après recuit. Parallèlement, Bae et al. exploré dépendance propriétés contacts Ti/Au et Ni/Au dispositifs base flocons β-Ga₂O₃ exfoliés [55]. Observé performance MOSFETs électrodes métal Ti/Au surpasse Ni/Au même condition recuit. Au début, considéré fonctions travail Ni et Ti 5,01 eV et 4,33 eV, donc Ti pourrait former contact ohomique plus facilement que Ni ; cependant, études spectroscopie dispersion énergie (EDS) démontré pourcentage atomique oxygène région β-Ga₂O₃ diminuait tandis pourcentage atomique oxygène Ti près interface augmentait après recuit, Fig. 8 [55]. Phénomène ascribed diffusion externe atomes oxygène β-Ga₂O₃ vers métal Ti, menant formation lacunes oxygène agissant donneurs. De plus, pendant recuit, diffusion externe accélérée atomes oxygène β-Ga₂O₃ pouvait réagir Ti former Ti₂O₃ utile former contacts ohmiques grâce sa faible fonction travail (3,6–3,9 eV). Donc réaction interfaciale métaux-β-Ga₂O₃ facteur important formation contacts ohmiques interface métal/semiconducteur.

Profils pourcentage atomique EDS métallisation et β-Ga₂O₃ a pré- et b post-recuit température 500 °C. Reproduit Réf. [55]

En plus, trouvé plupart électrodes métal Ti/Au utilisées former contacts ohmiques recuites 450 °C [45, 53] ou 470 °C [12, 46, 57, 60] par processus thermique rapide. Comportement dégradation similaire caractéristiques contact observé recuit au-dessus 500 °C Réf. [55, 56], Figs. 7 et 9. Yao et al. spéculé couche oxyde isolante formée possiblement température recuit élevée, résultant contacts détériorés. Néanmoins, Bae et al. observé surface métal déposé beaucoup plus rugueuse après recuit 700 °C due intermélange métaux et diffusion atomes gallium et oxygène dans électrodes métal, ascribed raison dégradation. Évidemment, mécanismes dégradation contacts Ti/Au β-Ga₂O₃ après recuit haute température encore débattus.

Graphiques I-V contacts Ti/Au sur wafer Ga₂O₃ (2̄01) dopé Sn fonction température recuit Ar (temps recuit 1 min). Reproduit Réf. [56]

Dispositifs β-Ga₂O₃ base contacts Ti/Au ne peuvent répondre demande fonctionnement haute température. Donc, éviter dégradation caractéristiques contact température recuit élevée, empilements métal plus complexes devraient être adoptés. Jusqu'ici, Ti/Al/Au [50, 52], Ti/Au/Ni [61, 62], Ti/Al/Ni/Au [13, 21, 63, 64] employés former contacts électriques β-Ga₂O₃. Mais comparaison complète caractéristiques contacts entre ces empilements métal encore insuffisante.

Mohammad [65] et Greco et al. [36] discuté rôle chaque couche métal empilements complexes, fournissant lignes directrices améliorer contacts ohmiques. Schéma empilements métal Fig. 10. Note cette approche actuellement développée dispositifs puissance base GaN [66-69].

Schéma empilements métal pour obtenir contacts ohmiques semiconducteurs large bande

Première couche métal sur substrat, dite couche contact, devrait avoir faible fonction travail et bonne adhérence substrat. De plus, peut aussi bloquer diffusion métaux couches supérieures grandes fonctions travail vers substrat. Présentement, Ti métal principal couche contact β-Ga₂O₃ grâce faible fonction (4,33 eV) et bonne adhérence substrat. De plus, formation Ti₂O₃ et Ti₃O₅ fonctions travail plus basses que Ti à interface favorisée formant contacts ohmiques car oxydes réduisent SBH et laissent lacunes oxygène agissant donneurs. Cependant, autres métaux faibles fonctions travail Ta (3,1 eV) et Hf (3,9 eV) pas explorés yet. Deuxième surcouche faible fonction travail devrait pouvoir former composés intermétalliques avec couche contact prévenir leur diffusion interface. Présentement, Al utilisé surcouche car remplit ces exigences. Troisième couche métal (couche barrière) sert limiter diffusion interne couche métal supérieure et diffusion externe couches métal inférieures [70, 71]. Ni plus couramment utilisé couche barrière β-Ga₂O₃. Autres bons candidats Mo, Nb, Ir points fusion élevés substituer Ni attendus avoir réactivité et solubilité Au plus faibles que Ni [72-75]. Quatrième couche coiffage agit couche protectrice prévenir/minimiser oxydation métaux sous-jacents. Pratiquement, Au couramment employé servir ce but.

Introduction d'une intercouche

Deux principales méthodes introduction intercouche interface métal/β-Ga₂O₃. Une : former couche semiconductrice intermédiaire (ISL) faible fonction travail par recuit, ex. Ti₂O₃. Autre : insérer ISL déposée entre métal et β-Ga₂O₃, intensivement étudiée [76-78]. Comparée première méthode, seconde plus favorable former contacts ohmiques grâce haute concentration porteurs ISL. Gaps ISL varient 3,5 à 4,0 eV [79-81], comme AZO (~3,2 eV) [82], In₂O₃ (~2,9 eV) [83, 84], IGZO (~3,5 eV) [85]. Typiquement, SBH divers métaux déposés β-Ga₂O₃ range 0,95–1,47 eV [86, 87], Fig. 11a. Néanmoins, incorporation fine ISL réduit SBH, facilitant transport électrons métal vers bande conduction β-Ga₂O₃, Fig. 11b. De plus, haute densité électrons ISL pourrait réduire davantage résistance contact.

Schéma décalages bandes pour a métal/β-Ga₂O₃ et b métal/ISL/β-Ga₂O₃. ΔE_c égale différence énergie entre énergie Fermi métaux et bande conduction semiconducteurs

Récemment, AZO/Ti/Au utilisé électrodes sur β-Ga₂O₃ implanté Si⁺, résistivité contact spécifique 2,82 × 10⁻⁵ Ω·cm² obtenue après recuit [76]. Oshima et al. réalisé contacts ohmiques platine/indium-étain oxyde (Pt/ITO) β-Ga₂O₃ large fenêtre température processus [77]. Grande fenêtre processus 900–1150 °C permet réalisation opération haute température. Contacts ITO/Ti/Au β-Ga₂O₃ aussi démontrés Carey et al. [78] échantillon montrait comportement ohomique ρ_C 6,3 × 10⁻⁵ Ω·cm² après recuit. Sans ITO, même recuit ne délivrait pas caractéristiques courant-tension linéaires. Résultats vérifient efficacité ajout ISL obtenir contacts ohmiques.

Notablement, bulle surface contacts ITO/Ti/Au observée alors aucune bulle monocouche ITO sans couche métal au-dessus [78]. Considéré résultat diffusion externe atomes oxygène couche ITO vers couches métal supérieures. Donc nécessaire choisir métal approprié ou empilements métal comme couches coiffage sur ITO prévenir dégradation morphologie surface.

Conclusions

Ce travail résumé progrès significatif R&D β-Ga₂O₃ MOSFETs. Néanmoins, contacts β-Ga₂O₃ restent problème clé limitant potentiel application dispositifs haute fréquence haute tension futur. Bien que cette revue fournisse aperçu méthodes état-art former contacts ohmiques, beaucoup espace reste explorer, ensemble perspectives concises : (i) Dépendance température et mécanisme dégradation caractéristiques contacts nécessitent investigations approfondies clarification claire ; (ii) Métaux faible fonction travail Ta, Hf et métaux point fusion élevé Mo, Nb, Ir dignes être criblés servant couche contact et couche barrière respectivement ; (iii) Empilements métal optimaux β-Ga₂O₃ pas pleinement réalisés yet, étude complète systématique empilements métal β-Ga₂O₃ impérative atteindre contacts ohmiques faible résistance thermiquement stables ; (iv) Autres ISL potentielles consistant ZnO, IZO, IGZO etc. restent inexploitées, ainsi influence variation épaisseur et proportion ingrédients ISL performance contacts. En résumé, études contacts ohmiques β-Ga₂O₃ encore assez superficielles ; croyons ce sujet continuera être un des enjeux ciblés futur. Espérons approches former contacts ohmiques présentées cette revue instrumentales atteindre dispositifs β-Ga₂O₃ haute performance.