科研速递

近日，来自日本名古屋大学、美国康奈尔大学、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、麻省理工学院、香港城市大学和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的国际联合研究团队，提出了一种改进的薄p型氮化镓欧姆接触形成工艺。该成果发表于《Applied Physics Letters》（第129卷，063306页，2026年）。

研究团队报告称：“我们证明了，在薄p-GaN上沉积亚10nm镁层，随后进行短时温和退火（600°C，300秒），可在薄p-GaN中形成超浅受主富集区，同时保持表面形貌。 所得接触在零偏压下的比接触电阻率在10⁻⁴Ω·cm2量级，保留了p型霍尔输运特性和良好的迁移率，并能在不影响反向阻断能力的前提下改善正向载流子注入。”

p-GaN欧姆接触：长期存在的工艺难题

在p-GaN上形成欧姆接触一直是一项技术难题，原因在于镁受主的电离能较深（约200meV），以及后续等离子体刻蚀容易引入具有补偿施主能态的缺陷。为克服这一瓶颈，通常需要通过外延再生长或离子注入对p-GaN表面进行重掺杂，但这增加了工艺复杂度和生产成本。此类工艺还伴随着结构损伤风险，可能需要进一步的退火处理，从而增加热预算。

图1：非刻蚀薄p-GaN/AlGaN异质结构和干法刻蚀薄p-GaN同质结样品的工艺流程路线。

亚10nm镁沉积+短时温和退火

研究人员在两种典型器件结构上测试了该技术（图1）：p-GaN栅极高电子迁移率晶体管和GaN npn异质结双极晶体管。对于p-GaN栅极，镁直接沉积在表面p-GaN上；而对于HBT，则需要刻蚀去除顶部n型铝镓氮层以接触p-GaN基区。

刻蚀的一个典型问题，特别是“干法”等离子体刻蚀，是会在表面留下粗糙形貌，给后续工艺和器件性能带来挑战。团队采用氯基反应离子刻蚀去除n-AlGaN层和70nm p-GaN层中的20nm。

镁通过磁控溅射沉积在表面上。50W功率下溅射90秒沉积约8-9nm镁。溅射时间延长至900秒，镁层厚度增至约50nm。这些层在退火前暴露于大气中数小时，期间未使用覆盖层保护镁。900秒的较厚镁层与先前旨在实现厚p-GaN层重掺杂的研究工作一致。退火后清洗采用稀盐酸和过氧化氢溶液去除表面镁残留物和非晶氧化物。

表面形貌与界面特性

X射线光电子能谱分析表明，“软”退火的一个效果是将表面价带弯曲降低至1.3eV，而“硬”退火则为2.2eV，与模拟结果一致。研究人员表示，这表明有效空穴注入势垒降低，金属界面附近的耗尽区变窄。

透射电子显微镜分析未发现镁偏析、镁插层或镁插层GaN超晶格形成的证据。

研究人员评论道：“这一行为与我们先前采用厚镁层和更高热预算退火条件的研究不同，后者经常观察到镁插层和超晶格形成。 这些结构伴随着明显的镁积累，在背面二次离子质谱谱图中镁浓度接近1022/cm3。”

原子力显微镜扫描显示，薄镁软退火后的表面粗糙度与刻蚀后基本持平，而厚镁硬退火则导致严重的表面粗糙化，出现菜花状团聚结构，这会使有效界面厚度增加，促进接触下方的局部电流拥挤，并在后续金属沉积中引入不均匀性。

比接触电阻率降至10⁻⁴Ω·cm2

采用圆环传输线模型图案在退火后的镍/金金属叠层上评估电学性能。薄镁样品在电压和电流扫描中均表现出显著降低的比接触电阻率。 对于干法刻蚀表面，ρc低于2.04×10⁻⁴Ω·cm2（0V时）；对于非刻蚀p-GaN，峰值ρc值略高，为2.74×10⁻⁴Ω·cm2（0.1mA时）。刻蚀p-GaN的最低值达到3.54×10⁻⁵Ω·cm2（0.2mA时）。

研究人员评论道：“对于薄镁软退火样品，电压和电流扫描提取的ρc值非常接近，表明接近本征欧姆接触状态，具有良好的可重复性。这表明电流传导主要由反向偏置条件下金属/p-GaN接触的直接隧穿主导。相比之下，刻蚀后和厚镁硬退火样品的差异大得多，观察到非线性、局部不均匀性和更强的偏置依赖性。”

薄镁退火后的薄层电阻为3.30×10⁵Ω/□，而厚镁工艺为1.09×10⁷Ω/□。研究人员认为厚镁工艺的性能退化源于厚镁退火过程中p-GaN的严重非均匀减薄，“与严重的表面粗糙化和退火后p-GaN层的空间变化一致。”

图2：（a）生长态、（b）刻蚀态、（c）亚10nm镁退火后和（d）50nm镁退火后p-GaN的原子力显微镜表面形貌。

图3：厚镁和薄镁样品的范德堡法霍尔薄层电阻测量结果。

准垂直p-i-n二极管验证：开启电压3V，击穿超800V

研究人员基于不同样品制备了准垂直p-i-n二极管（图4）。参考器件采用刻蚀态样品制备。台面隔离通过反应离子刻蚀完成。阳极和阴极分别为烧结镍/金和沉积态铬/金。刻蚀台面侧壁采用聚酰亚胺钝化。

薄镁和厚镁退火工艺的工序顺序有所不同。薄镁退火阳极形成可在台面隔离之前进行，而厚镁则需要颠倒这些步骤。这凸显了薄镁工艺的实用优势——整面镁沉积省去了光刻和剥离步骤，降低了工艺复杂度和潜在的光刻胶污染。

薄镁二极管的开启电压为3V，显著低于参考器件和厚镁器件。此外，薄镁二极管在0.32V范围内表现出近理想因子1.6的特性，“表明稳定的近扩散限制输运，抑制了肖克利-里德-霍尔复合，与高质量的结和接触一致。”

薄镁和参考器件的反向漏电流远低于厚镁二极管，薄镁器件的击穿电压超过800V。

图4：（a）准垂直p-i-n二极管结构；（b）线性和（c）半对数坐标下的正向电流-电压特性；（d）提取的理想因子；（e）反向特性。

论文信息:

Haitao Wang, Shumeng Yan, Zhiyu Xu, Yingying Lin, Peirong Yu, Joshua Jaehyung Park, Joseph E. Dill, Hei Wong, Qingyuan Han, Xigen Li, Qian Sun, Tomás Palacios, Debdeep Jena, Huili Grace Xing, Jia Wang, Hiroshi Amano; Enabling thin p-GaN Ohmic contacts through ultrathin magnesium deposition and brief thermal annealing. Appl. Phys. Lett. 10 August 2026; 129 (6): 063306. https://doi.org/10.1063/5.0339815

文章来源：semiconductor-today

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