摘要 單片集成互補(bǔ)邏輯電路與高速光互聯(lián)建立在無數(shù)金屬-半導(dǎo)體接觸基礎(chǔ)之上，而低電阻且耐久的歐姆接觸是制約超寬禁帶半導(dǎo)體光電子器件性能與應(yīng)用的一大因素。近日，哈工大紅外薄膜與晶體團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提...
單片集成互補(bǔ)邏輯電路與高速光互聯(lián)建立在無數(shù)金屬-半導(dǎo)體接觸基礎(chǔ)之上，而低電阻且耐久的歐姆接觸是制約超寬禁帶半導(dǎo)體光電子器件性能與應(yīng)用的一大因素。 近日，哈工大紅外薄膜與晶體團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出過渡金屬（TMs）金屬化方法，首次在絕緣的氧終端本征金剛石（OTD）表面制備出了有效歐姆接觸，10-8 Ωcm2級別極低比接觸電阻打破了金剛石器件領(lǐng)域近三十年的記錄。 通過對界面結(jié)構(gòu)的微觀表征，發(fā)現(xiàn)TMs擴(kuò)散進(jìn)金剛石中產(chǎn)生的淺層晶格損傷是形成歐姆接觸的關(guān)鍵原因，改變了界面過渡金屬碳化物（TMC）的生成是金剛石歐姆接觸的成因這一傳統(tǒng)認(rèn)知。從而擴(kuò)展了在金剛石上制備穩(wěn)定低阻歐姆接觸的方法與理論，有望推動金剛石基高頻高功率電子器件與高性能光電器件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
相關(guān)成果以Record Low Contact Resistivity of 10-8Ω cm2Ohmic Contacts on Oxygen-Terminated Intrinsic Diamond by Transition Metals Metallization為題發(fā)表在國際微電子領(lǐng)域權(quán)威期刊《IEEE Electron Device Letters》，并申請多項(xiàng)中國發(fā)明專利。第一作者為博士生范賽飛，通訊作者為副教授劉康與教授朱嘉琦。
? 發(fā)明了過渡金屬金屬化制備金剛石歐姆接觸方法； ? 改善了測量超高阻半導(dǎo)體比接觸電阻的CTLM法； ? 低達(dá)10-8 Ωcm2的比接觸電阻值創(chuàng)造了金剛石領(lǐng)域最低值； ? 發(fā)明了定點(diǎn)制備金剛石淺層色心方法； ? 提出了新型金剛石歐姆接觸形成機(jī)制，打破傳統(tǒng)認(rèn)知。 金剛石作為UWBG半導(dǎo)體的代表，因其寬帶隙、最高的機(jī)械強(qiáng)度與熱導(dǎo)率、高載流子遷移率、高擊穿場強(qiáng)與化學(xué)惰性等優(yōu)異特性，被公認(rèn)為終極半導(dǎo)體材料，在功率電子器件、深紫外光電子學(xué)、量子信息及極端環(huán)境應(yīng)用等領(lǐng)域具有不可代替的優(yōu)勢。 然而相同歐姆接觸制備工藝在具有穩(wěn)定絕緣表面、奇異能帶結(jié)構(gòu)和極低載流子濃度的OTD上則難以實(shí)現(xiàn)，限制了極端環(huán)境下高性能光電子器件的發(fā)展，這不僅會導(dǎo)致功率二極管輸出電流和整流比降低，晶體管開關(guān)比下降，光電探測器響應(yīng)度和外量子效率降低，而且不良的附著力還會大大降低器件可靠性。因此，探索基于OTD的優(yōu)異歐姆接觸勢在必行，以充分釋放其作為終極半導(dǎo)體的潛力，并提升其商業(yè)應(yīng)用價值。 在前人對摻硼金剛石鈦基歐姆接觸的研究基礎(chǔ)上，作者提出損傷層概念假設(shè)：只要能在金剛石表面形成深入耗盡層的“導(dǎo)電損傷層”，便可在電極接觸與體金剛石之間形成跨越勢壘的電接觸。此舉或能解決制備OTD器件歐姆接觸的難題。為驗(yàn)證假設(shè)的可行性，創(chuàng)新使用TMs（包括Pt、Ru、W、Cr、Zr和V）對OTD進(jìn)行深度金屬化處理，以形成更深的金剛石損傷層。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，金屬化處理后，所用TMs均能在OTD表面形成低阻歐姆接觸，且牢固附著在金剛石表面，顯示出比氫終端金剛石歐姆接觸更高的可靠性。 由于OTD本征電阻率極高，導(dǎo)通電流僅為皮安（10-12 A）級別，極易受到外界噪聲等波動造成基線偏移，使用傳輸線理論（TLM）進(jìn)行歐姆接觸比接觸電阻率（ρc）的測量是極為困難的?？紤]測得的總電阻可等效于溝道電阻Rs與ρc之和。為減少Rs，將金屬化后的樣品進(jìn)行氫終端處理，以獲得具有二維空穴氣（2DHG）導(dǎo)電的溝道。在氫終端處理后，對樣品進(jìn)行了多次ρc測量，實(shí)測Pt接觸實(shí)現(xiàn)了2.5×10-8 Ω cm2的超低ρc值，打破了金剛石歐姆接觸領(lǐng)域近三十年來最低記錄。為了排除2DHG導(dǎo)電溝道對歐姆接觸形成的影響，我們使用氧等離子將暴露的金剛石表面重新處理為氧終端。如圖2所示，I-V特性依然保持線性，但電流顯著減?。ㄅc圖1c相比）。這表明，在退火條件下過渡金屬與金剛石的界面反應(yīng)是形成歐姆接觸的原因，而氫終端的2DHG溝道僅降低Rs以方便測試，并不會導(dǎo)致電極側(cè)面短路。 為探究本研究中高功函數(shù)TMs與金剛石之間界面反應(yīng)與傳統(tǒng)Ti基接觸的不同，表征了Pt與W接觸的鍵合界面。深度共聚焦拉曼光譜表征結(jié)果顯示，使用5 nm的半透明TMs對金剛石金屬化處理后，出現(xiàn)了金剛石NV色心熒光強(qiáng)度的顯著提升，而Pt還顯示出sp2碳催化能力，如圖3所示。我們收集了自表面起不同深度的NV色心與石墨碳峰的相對強(qiáng)度變化，發(fā)現(xiàn)兩者均顯示出隨深度指數(shù)型降低的結(jié)果，而且降低規(guī)律遵循菲克第一擴(kuò)散定律。NV色心發(fā)射強(qiáng)度顯著增強(qiáng)原自金剛石與過渡金屬高溫反應(yīng)生成的大量碳空位。金屬化后，金剛石晶格產(chǎn)生大量損傷，其中的碳空位在熱力學(xué)和濃度梯度的驅(qū)動下，會擴(kuò)散至金剛石內(nèi)部，隨后被均勻分布的氮雜質(zhì)捕獲并結(jié)合，形成更加穩(wěn)定的NV色心結(jié)構(gòu)。這為定點(diǎn)制備金剛石淺層色心提供了簡單高效的方法，有望推動固態(tài)量子光源建設(shè)。 深度刻蝕XPS光譜表征結(jié)果顯示，使用W對金剛石金屬化后，金剛石亞表面的W主要以碳化物形式存在。從深度剖面圖可以得出，sp3碳含量保持恒定，表明刻蝕范圍位于金剛石內(nèi)部而非純碳化鎢層；內(nèi)部的sp2碳含量很可能是由Ar+轟擊產(chǎn)生的主要產(chǎn)物?？梢缘贸觯?jīng)W金屬化后的金剛石近表面層主要由一層受損的“摻雜”有W2C及少量WOx的金剛石薄層構(gòu)成。 圖5展示了通過5nm鉑金屬化的樣品的深度刻蝕XPS光譜。圖5a中可見非對稱的sp2碳峰。圖5b中的對稱O1s峰和圖5c中不對稱的雙重Pt4f峰表明，Pt元素以金屬態(tài)擴(kuò)散分布于樣品內(nèi)部。可以推斷出，Pt金屬化后處理的金剛石亞表面呈現(xiàn)出由大量sp2碳、少量金屬Pt及金剛石相構(gòu)成的漸變混合狀態(tài)。而金屬化處理過程中Pt保持零價金屬態(tài)，未生成氧化物或碳化物，但仍能實(shí)現(xiàn)低電阻歐姆接觸，這與Ti基歐姆接觸結(jié)果顯著不同。 為了獲取混合損傷界面的微觀形貌信息，我們對使用Pt金屬化后的金剛石拍攝了界面透射電鏡（XTEM），如圖6所示。Pt與金剛石晶格之間存在一層薄約5nm的無定形碳（a-C）。放大后顯示，表層金剛石晶格中充滿了碳空位或孔洞缺陷，快速傅里葉變化（FFT）衍射圖案也顯示出非對稱的形態(tài)，表明金剛石晶格經(jīng)受嚴(yán)重?fù)p傷。而a-C的FFT則顯示出無定形材料典型的光暈特征。元素mapping顯示Pt與金剛石之間界面清晰，并未產(chǎn)生碳化物中間層。證明了上述光譜表征結(jié)果。 在使用TMs對金剛石進(jìn)行金屬化后，金剛石歐姆接觸的亞表面層并非如先前所認(rèn)為的那樣，是具有清晰界面的純TMC層，而是受到了損傷的金剛石，其內(nèi)摻入了大量sp2碳、空位缺陷、TMC或其他電活性缺陷，類似于離子注入后的導(dǎo)電金剛石，因此形成了金屬導(dǎo)電旁路（metal shunts），連接電極觸點(diǎn)與塊體金剛石內(nèi)部，產(chǎn)生極低的接觸電阻率與勢壘。這種金屬導(dǎo)電特性與傳統(tǒng)熱電子發(fā)射或場發(fā)射模式下的載流子傳輸機(jī)制相悖，后者中接觸電阻率隨溫度升高而降低。在寬禁帶III-V族半導(dǎo)體的合金歐姆接觸中是常見的機(jī)制。同時，我們發(fā)現(xiàn)，Pt和其他不易氧化的惰性TMs，其金半接觸性能不僅與傳統(tǒng)鈦基歐姆接觸相當(dāng)，甚至更優(yōu)。因此，它們可作為制備金剛石歐姆接觸的更為簡便、穩(wěn)定且耐久的替代方案。 Fan S F, Liang B, Zhang X H, et al. Record Low Contact Resistivity of 10-8 Ω cm 2 Ohmic Contacts on Oxygen-Terminated Intrinsic Diamond by Transition Metals Metallization[J]. IEEE Electron Device Letters, 2024.
Doi: 10.1109/LED.2024.3458053 ?劉康,范賽飛,朱嘉琦,等.一種在金剛石上制備低阻歐姆接觸的方法及歐姆接觸電極結(jié)構(gòu):CN202311730172.X[P]. 2024-03-15. ? 劉康,范賽飛,朱嘉琦.一種測量高阻金剛石歐姆接觸比接觸電阻的方法:CN202311795371.9[P]. 2024-03-26. ? 范賽飛,張森,劉本建,等.使用過渡金屬對金剛石進(jìn)行金屬化制備定點(diǎn)淺層色心的方法: CN202410441178.3[P]. 2024-07-12.
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