不同快速热退火时间对AlGaN/GaN HEMT结构欧姆接触的影响

《Surfaces and Interfaces》：The effects of different rapid thermal annealing times on ohmic contacts to the AlGaN/GaN HEMT structure

Ti/Al/Ni/Au金属堆叠在850℃退火60秒时实现AlGaN/GaN HEMTs最低接触电阻3.23×10??Ω·cm2，XRD、XPS和TEM分析表明氮空位减少与TiN导电通道形成相关。

　　

Yeo Jin Choi|Siva Pratap Reddy Mallem|Yu Na Lee|Sang Yeol Nam|Ki-Sik Im|Sung Jin An

韩国龟尾市Kumoh国家技术学院材料科学与工程系，邮编39177

摘要

本研究采用Ti/Al/Ni/Au金属堆叠结构，在特定温度下通过不同的快速热退火（RTA）时间，制备出低电阻的欧姆接触，用于AlGaN/GaN高电子迁移率（HEMT）结构。通过电流-电压（I–V）特性分析，利用传输长度模型（TLM）确定了欧姆接触的特定接触电阻（ρ_sc）。无论RTA持续时间如何，测量样品均表现出线性特性。在850°C下退火60秒的样品显示出较低的特定接触电阻ρ_sc = 3.23 × 10^-7（± 8.07 × 10^{-8₂）环境中，随着RTA时间的增加，金属堆叠层和AlGaN薄膜中形成了富铝相和TiN金属合金相，这导致氮空位的显著增加。这些氮空位的增加可能引起显著的n型掺杂，从而降低了接触电阻。}

引言

AlGaN/GaN HEMT具有宽禁带、高饱和速度以及二维电子气（2-DEG）中的高迁移率，使其非常适合高功率和高频应用[1]。提高AlGaN/GaN HEMT的性能需要实现低电阻的欧姆接触。一些研究人员研究了无Au的欧姆接触[2][3][4][5]。大多数研究人员在功率应用中使用了基于Ti/Al的Ti/Al/X（X=Ti和Au）和Ti/Al/X/Au（X = Ni、Pt、Mo、Ti等）欧姆接触，因为它们具有优异的电性能和实际可行性[6][7][8][9][10][11]。Al相对于Ti的重要性体现在AlGaN/GaN HEMT所需的理想Ti/Al厚度比上[12,13]。

最近的研究发现了这些欧姆接触中的两种主要电子传输机制：载流子隧穿和通过TiN导电通道的直接连接。这些机制对于评估接触的电性能至关重要，并且受到Ti/Al厚度比的显著影响[14][15][16]。过量的Al会在合金化过程中耗尽Ti，阻碍低电阻TiN和氮空位的形成，从而影响电子传输效率[17]。此外，过量的Al还会导致Ni的耗尽，削弱其阻挡作用，使金属合金发生无序扩散，从而形成粗糙的表面形貌，进而影响欧姆接触的电性能。这些发现强调了调整Ti/Al厚度比的重要性，以在形成导电TiN路径和保持接触结构稳定性之间取得平衡，从而实现最低的接触电阻和精细的表面形貌[17,18]。近年来，已经研究了多种降低AlGaN/GaN HEMT接触电阻的方法，包括无Au金属堆叠[19,20]、外延再生长[21,22]、退火优化[23,24]、超薄势垒[25]和凹陷工艺[26,27]，某些研究报道的特定接触电阻低于10?? Ω·cm2。然而，大多数研究集中在结构改进或替代金属化方法上，而对典型Ti/Al/Ni/Au堆叠中时间依赖的界面相互作用的全面研究仍然较少。这些多层接触通常在700至900°C的温度下进行快速热退火（RTA）以获得欧姆特性。从整流行为到欧姆行为的转变归因于退火过程中形成的TiN界面层，这是由于氮原子从AlGaN势垒层中扩散出来，产生了高掺杂的表面区域[28]。

退火温度和持续时间对欧姆接触的质量和性能至关重要。RTA时间的波动会影响合金反应的程度和导电通道的形成[14][15][16][18]。过长的退火时间可能促进TiN的生成，但也可能导致金属扩散加剧，从而形成粗糙的表面形状和降低电性能。相反，过短的退火时间可能无法充分激活形成低电阻TiN所需的合金过程[16,17]。因此，调整RTA的温度和时间对于在高效合金化和保持结构完整性之间取得平衡至关重要。本研究探讨了RTA持续时间对AlGaN/GaN异质结构中Ti/Al/Ni/Au金属化方案欧姆接触效果的影响。

部分摘录

传输长度方法（TLM）模式

图1显示了AlGaN/GaN异质结构，包括30 nm的Al_0.25Ga_0.75N势垒层、500 nm的GaN通道层、2 μm的高电阻GaN缓冲层以及沉积在蓝宝石基板上的AlN成核层。首先，建立有效的欧姆连接、去除杂质和清除AlGaN/GaN表面的氧化物对于金属沉积至关重要。使用丙酮（(CH₃)₂)CO、异丙醇（C₃H₈O）和去离子水（diH₂O）进行了10分钟的脱脂处理。

结果与讨论

图2(a)显示了不同RTA持续时间下Ti/Al/Ni/Au金属堆叠接触在AlGaN/GaN HMET结构上的I–V图。这些测量是在指定的间距间隔（4、6、8、10、12、16、20、25和30 μm）的欧姆垫之间进行的。测量样品在整个电压范围（-1至1 V）内表现出线性特性。所有退火时间下的欧姆行为都是一致的。图3(a)显示了R_sh随RTA持续时间的变化情况。

结论

延长RTA持续时间对于改善AlGaN/GaN HEMT中的Ti/Al/Ni/Au欧姆接触至关重要。在60秒的RTA持续时间下，对金属堆叠和AlGaN界面的电学和结构研究表明，AlGaN界面处的?_bh降低，这一点通过XPS表面弯曲结合能结果得到了证实。在60秒的RTA条件下，获得了最低的ρ_sc = 3.23 × 10^-7（± 8.07 × 10^{-82，优化了TiN的生成和表面粗糙度。如表1所总结的，}

作者贡献声明

Yeo Jin Choi：概念设计、实验设计、方法论、研究、图形制作、初稿撰写。Siva Pratap Reddy Mallem：方法论、研究、正式分析及审稿编辑。Yu Na Lee：研究及正式分析。Sang Yeol Nam：正式分析及验证。Ki-Sik Im：研究及正式分析。Sung Jin An：撰写审查、验证、编辑、资源管理及监督。

CRediT作者贡献声明

Yeo Jin Choi：初稿撰写、可视化、方法论、研究、概念设计。Siva Pratap Reddy Mallem：撰写审查与编辑、研究、正式分析、概念设计。Yu Na Lee：数据整理。Sang Yeol Nam：可视化、研究、正式分析。Ki-Sik Im：验证、研究、正式分析。Sung Jin An：撰写审查与编辑、监督、资源管理、研究、正式分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究得到了韩国政府资助的国家研究基金会（NRF）（项目编号：RS-2024-0041152651382070670001和2018R1A6A1A03025761）以及韩国技术发展院（KIAT）（项目编号：RS-2024-00409639）的支持。此外，还得到了庆尚北道RISE（区域创新系统与教育）项目（专业产业规模化单元）的支持。