宽禁带科技论|超宽禁带AlGaN获得创纪录的低接触电阻率

近日，沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）李晓航教授团队在富铝AlGaN（Al组分≥80%）欧姆接触领域取得突破性进展。相关成果以“Direct fabrication of record low specific resistivity metal contacts for n-type AlxGa1−xN (x ≥ 0.8)”为题，发表在《Journal of Semiconductors》上。该工作采用无金Ti/Al/Ti金属叠层，直接在富铝n型AlGaN上实现了创纪录的低比接触电阻率，为下一代功率电子和深紫外光电器件提供了可行的接触方案。

研究背景

富铝AlxGa1−xN（x > 0.8）因其超宽禁带（>5.48 eV）、高击穿电场和优异的热稳定性，在高功率、高频电子器件及深紫外光电器件领域具有重要应用前景。然而，在该材料上形成低电阻欧姆接触一直面临巨大挑战。主要困难在于：硅掺杂AlGaN中施主激活能随Al组分升高而显著增加，导致自由载流子浓度极低；同时，材料电子亲和势降低使得金属-半导体界面势垒大幅升高。

现有主流策略是采用原位生长的组分渐变AlGaN层来降低接触势垒，但该方法对外延设备和控制精度要求极高。因此，开发无需渐变层、可直接在富铝AlGaN上实现低电阻接触的金属化方案，是该领域的迫切需求。

图文导读

图1 (a)-(c) MOCVD生长的n-AlGaN样品截面结构示意图 (d) 圆形传输线模型（CTLM）电极结构示意图

图1展示了三个样品的层状结构以及电学测试的电极布局。 从图中可以看到，200 nm n-AlGaN外延层生长在1 μm AlN/蓝宝石模板上，CTLM电极采用同心圆环设计，通过改变环间间隙来提取接触电阻率。

图2 (a)-(c) n-Al0.8Ga0.2N、n-Al0.86Ga0.14N和n-Al0.9Ga0.1N的原子力显微镜形貌图，(d) 高分辨X射线衍射2θ-ω扫描图谱，(e) (002)和(102)晶面的X射线摇摆曲线

图2(a)-(c)展示了三个样品的表面形貌。 均方根粗糙度分别为207 pm、271 pm和339 pm，表明所有样品均具有原子级平整表面，其中Al组分0.8的样品粗糙度最低（<0.2 nm），有利于形成均匀的金属-半导体接触界面。

图2(d)展示了不同Al组分AlGaN的衍射峰位置。 图谱中清晰分辨出AlGaN峰和AlN峰，随着Al组分从0.8增加到0.9，AlGaN峰位向高角度方向移动（更接近AlN峰），证实了不同Al组分外延层的成功生长，且无相分离现象。

图2(e)展示了三个样品的摇摆曲线半高宽。 对于n-Al0.8Ga0.2N，其(002)和(102)半高宽分别为200.48和342.14 arcsec；n-Al0.86Ga0.14N为134.38和295.16 arcsec；n-Al0.9Ga0.1N为148.14和234.50 arcsec。窄的半高宽表明材料具有较低的位错密度，为后续低电阻接触提供了良好的晶体学基础。

表1 三个样品的位错密度（螺位错密度ρs、刃位错密度ρe）以及霍尔效应测试得到的薄层电阻、载流子浓度和迁移率

表1列出了样品的电学性质。 数据显示，随着Al组分从0.8增至0.9，薄层电阻从39.8 kΩ/□急剧上升至2.28 MΩ/□，载流子浓度从1.54×1018 cm−3降至6.9×1015 cm−3，迁移率则因电离杂质散射减弱从10.2 cm2/(V·s)升至39.7 cm2/(V·s)。该趋势直接反映了高Al组分下施主激活能的急剧增大，这也是接触电阻难以降低的根本原因。

图3 (a)-(d) 不同Al组分AlGaN样品在Ti/Al/Ti与Ti/Al/Ti/Au接触下的CTLM I-V特性曲线 (e)-(h) 总电阻与间隙间距的拟合曲线

图3(a)-(d)展示了不同金属化方案的I-V特性。 与传统含Au接触相比，Ti/Al/Ti接触展现出更好的线性行为和可忽略的膝点电压，表明其形成了更优异的欧姆特性。随着Al组分增加，电流明显减小，这与载流子浓度下降和势垒升高一致。对于n-Al0.8Ga0.2N，Ti/Al/Ti接触在较低电压下即可达到100 mA量程上限，而参考样品则呈现明显非线性。

图3(e)-(h)展示了基于圆形传输线模型的线性拟合结果。 通过拟合提取转移长度和薄层电阻，计算得到比接触电阻率。最佳结果为：n-Al0.8Ga0.2N为1.52×10−6Ω·cm2，n-Al0.86Ga0.14N为3.56×10−6 Ω·cm2，n-Al0.9Ga0.1N为5.79×10−5 Ω·cm2。相比之下，传统Ti/Al/Ti/Au接触在n-Al0.8Ga0.2N上的ρc为4.04×10−4 Ω·cm2。Ti/Al/Ti方案将接触电阻率降低了约两个数量级。

图4(a) 接触电阻率计算的误差棒 (b) 本工作与文献中已报道的直接金属/AlGaN欧姆接触ρc随Al组分变化的基准对比

图4(a)展示了多次测量的数据分布。 误差棒显示多数结果集中在同一数量级内，工艺非均匀性导致的波动处于可接受范围。图4(b)展示了本工作与文献数据的对比。 当Al组分低于70%时，接触电阻率通常可保持在10−6 Ω·cm2量级；一旦超过70%，文献值迅速上升，普遍超过10−4 Ω·cm2。本工作在Al组分80%、86%和90%三个点上均实现了文献报道的最低值，特别是在高Al组分区域优势显著。

图5 (a)-(j) 退火后Ti/Al/Ti/Au（左列）与Ti/Al/Ti（右列）接触的扫描电镜表面形貌及透射电镜截面图。

图5展示了两种接触方案的微观结构差异。 传统含Au接触出现明显晶粒粗化、表面粗糙和Al-Au合金化区域，导致界面不均匀和接触电阻升高。而Ti/Al/Ti接触保持更细的晶粒、更平滑的表面，并在金属/AlGaN界面处形成连续的薄Ti-N层。能谱分析证实了该Ti-N层的存在。该Ti-N层被认为通过促进氮空位辅助施主形成并降低电子注入的有效势垒，是实现超低接触电阻的关键。

结论与展望

本研究通过在富铝n型AlGaN上直接采用无金Ti/Al/Ti金属叠层，成功实现了创纪录的低比接触电阻率。该方案在950 °C退火后形成薄而连续的Ti-N界面层，有效提高了界面载流子浓度并降低了势垒高度。所获得的ρc值（1.52×10−6 Ω·cm2至5.79×10−5 Ω·cm2）显著优于现有直接金属化技术。这一进展为富铝AlGaN基功率电子器件和深紫外光电器件的高性能接触提供了切实可行的路径。未来工作可进一步优化退火条件、探索更薄的势垒层以及评估器件级可靠性。

第一作者

刘挺昂，沙特阿卜杜拉国王科技大学博士研究生。

本科毕业于电子科技大学，现为沙特阿卜杜拉国王科技大学在读博士生。主要从事超宽禁带富铝氮化铝镓（Al-rich AlGaN）基材料MOCVD生长，表征和功率器件的研究工作。已发表论文18篇，其中第一作者2篇。

通讯作者

李晓航，沙特阿卜杜拉国王科技大学副教授。

博士毕业于美国佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology），主要从事（超）宽禁带半导体氮化物和氧化物的材料生长、器件制造和系统集成。作为第一/通讯作者在Nature Electronics、Advanced Materials 等知名学术期刊发表论文200余篇。获得美国/日本发明专利授权。目前担任Photonics Research、Advanced Electronics Materials、Journal of Semiconductors期刊编辑/编委以及知名期刊审稿人。

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原文详情：

Tingang Liu, Haicheng Cao, Mingtao Nong, Zhiyuan Liu, Zixian Jiang, Kexin Ren, Glen Isaac Maciel Garcia, and Xiaohang LiJ. Semicond. 2026, 47: 052505 doi: 10.1088/1674-4926/25120008

论文链接：https://doi:
10.1088/1674-4926/25120008

信息来源：半导体学报

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