摘要 單片集成互補邏輯電路與高速光互聯建立在無數金屬-半導體接觸基礎之上，而低電阻且耐久的歐姆接觸是制約超寬禁帶半導體光電子器件性能與應用的一大因素。近日，哈工大紅外薄膜與晶體團隊創新提...
單片集成互補邏輯電路與高速光互聯建立在無數金屬-半導體接觸基礎之上，而低電阻且耐久的歐姆接觸是制約超寬禁帶半導體光電子器件性能與應用的一大因素。 近日，哈工大紅外薄膜與晶體團隊創新提出過渡金屬（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域近三十年的記錄。 通過對界面結構的微觀表征，發現TMs擴散進金剛石中產生的淺層晶格損傷是形成歐姆接觸的關鍵原因，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認知。從而擴展了在金剛石上制備穩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業的發展。
相關成果以Record Low Contact Resistivity of 10-8Ω cm2Ohmic Contacts on Oxygen-Terminated Intrinsic Diamond by Transition Metals Metallization為題發表在國際微電子領域權威期刊《IEEE Electron Device Letters》，并申請多項中國發明專利。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。
? 改善了測量超高阻半導體比接觸電阻的CTLM法； ? 低達10-8 Ωcm2的比接觸電阻值創造了金剛石領域最低值； ? 提出了新型金剛石歐姆接觸形成機制，打破傳統認知。 金剛石作為UWBG半導體的代表，因其寬帶隙、最高的機械強度與熱導率、高載流子遷移率、高擊穿場強與化學惰性等優異特性，被公認為終極半導體材料，在功率電子器件、深紫外光電子學、量子信息及極端環境應用等領域具有不可代替的優勢。 除了高質量晶體材料的獲得與有效摻雜的制備，限制UWBG半導體材料光電子器件發展的一大制約因素即缺乏高效且耐久的歐姆接觸。歐姆接觸是一種具有低接觸電阻的金屬-半導體接觸，接觸界面的導電遵循金屬歐姆定律，即電流與電壓成正比。歐姆接觸通常制作在高導電的重摻雜半導體表面，其勢壘變得極薄，有利于載流子隧穿通過。由于p型摻雜的成功，摻硼金剛石表面的鈦基歐姆接觸和氫終端金剛石表面的貴金屬歐姆接觸已得到廣泛應用，金剛石肖特基二極管與場效應晶體管得以實現，見團隊往期成果→【成果論文】超高靈敏度金剛石二極管溫度傳感器、【封面文章】面向寬禁帶半導體基集成電路的超高開關比增強型金剛石晶體管。 然而相同歐姆接觸制備工藝在具有穩定絕緣表面、奇異能帶結構和極低載流子濃度的OTD上則難以實現，限制了極端環境下高性能光電子器件的發展，這不僅會導致功率二極管輸出電流和整流比降低，晶體管開關比下降，光電探測器響應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的優異歐姆接觸勢在必行，以充分釋放其作為終極半導體的潛力，并提升其商業應用價值。 在前人對摻硼金剛石鈦基歐姆接觸的研究基礎上，作者提出損傷層概念假設：只要能在金剛石表面形成深入耗盡層的“導電損傷層”，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。為驗證假設的可行性，創新使用TMs（包括Pt、Ru、W、Cr、Zr和V）對OTD進行深度金屬化處理，以形成更深的金剛石損傷層。實驗結果表明，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）進行歐姆接觸比接觸電阻率（ρc）的測量是極為困難的。考慮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行氫終端處理，以獲得具有二維空穴氣（2DHG）導電的溝道。在氫終端處理后，對樣品進行了多次ρc測量，實測Pt接觸實現了2.5×10-8 Ω cm2的超低ρc值，打破了金剛石歐姆接觸領域近三十年來最低記錄。為了排除2DHG導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，但電流顯著減小（與圖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，并不會導致電極側面短路。 為探究本研究中高功函數TMs與金剛石之間界面反應與傳統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果顯示，使用5 nm的半透明TMs對金剛石金屬化處理后，出現了金剛石NV色心熒光強度的顯著提升，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度變化，發現兩者均顯示出隨深度指數型降低的結果，而且降低規律遵循菲克第一擴散定律。NV色心發射強度顯著增強原自金剛石與過渡金屬高溫反應生成的大量碳空位。金屬化后，金剛石晶格產生大量損傷，其中的碳空位在熱力學和濃度梯度的驅動下，會擴散至金剛石內部，隨后被均勻分布的氮雜質捕獲并結合，形成更加穩定的NV色心結構。這為定點制備金剛石淺層色心提供了簡單高效的方法，有望推動固態量子光源建設。 深度刻蝕XPS光譜表征結果顯示，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部而非純碳化鎢層；內部的sp2碳含量很可能是由Ar+轟擊產生的主要產物。可以得出，經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元素以金屬態擴散分布于樣品內部。可以推斷出，Pt金屬化后處理的金剛石亞表面呈現出由大量sp2碳、少量金屬Pt及金剛石相構成的漸變混合狀態。而金屬化處理過程中Pt保持零價金屬態，未生成氧化物或碳化物，但仍能實現低電阻歐姆接觸，這與Ti基歐姆接觸結果顯著不同。 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，表明金剛石晶格經受嚴重損傷。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，并未產生碳化物中間層。證明了上述光譜表征結果。 在使用TMs對金剛石進行金屬化后，金剛石歐姆接觸的亞表面層并非如先前所認為的那樣，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電金剛石，因此形成了金屬導電旁路（metal shunts），連接電極觸點與塊體金剛石內部，產生極低的接觸電阻率與勢壘。這種金屬導電特性與傳統熱電子發射或場發射模式下的載流子傳輸機制相悖，后者中接觸電阻率隨溫度升高而降低。在寬禁帶III-V族半導體的合金歐姆接觸中是常見的機制。同時，我們發現，Pt和其他不易氧化的惰性TMs，其金半接觸性能不僅與傳統鈦基歐姆接觸相當，甚至更優。因此，它們可作為制備金剛石歐姆接觸的更為簡便、穩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構: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行金屬化制備定點淺層色心的方法: CN202410441178.3[P]. 2024-07-12.
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