复旦大学马宏平教授团队：揭示通过激光退火在β-Ga₂O₃上形成的低电阻Cr/Au欧姆接触的界面纳米结构及电学机制

由复旦大学的研究团队在学术期刊 Applied Surface Science 发布了一篇名为 Unveiling the interfacial nanostructure and electrical mechanism of low-resistivity Cr/Au ohmic contacts formed on β-Ga₂O₃ via laser annealing（揭示通过激光退火在 β-Ga₂O₃ 上形成的低电阻 Cr/Au 欧姆接触的界面纳米结构及电学机制）的文章。

1. 项目支持

本研究得到中国国家重点研发计划（2023YFB4606300）、长三角科技创新共同体联合攻关计划（编号：2023CSJG0600）、上海市科学技术委员会科技创新行动计划（编号：21DZ1100800、 23ZR1405300、20501110700和20501110702），国家自然科学基金（52302202），宁波市科技重大项目（2021Z123）， 宁波市甬江人才引进计划（2021A-037-C、2021A-108-G）以及中国科学院青年基金（编号：JCPYJJ22030）资助。

2. 背景

与 GaN 和 SiC 相比，氧化镓（Ga₂O₃）具有更宽的禁带宽度、更高的击穿场强和更高的 Baliga优值（BFOM），因此被认为是下一代电力电子和光电器件的超宽禁带半导体材料。Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管（SBD）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的击穿电压已经超过了 GaN 和 SiC 的理论极限。欧姆接触是半导体和金属电极之间的关键界面，对器件的电学性能起着关键作用。对于需要减小电压和能量耗散的高性能功率器件，必须在金属和半导体之间制备具有低比接触电阻率和良好热稳定性的理想欧姆接触，然而这两种特性通常难以同时实现。虽然快速热退火（RTA）对 Ga₂O₃ 欧姆接触的形成至关重要，但其工艺顺序会对器件制造过程中的肖特基接触产生负面影响。考虑到热影响区域，RTA 可能导致 SBD 的反向击穿电压降低，MOSFET 的沟道迁移率降低，阈值电压升高。RTA 工艺中使用的退火设备在非封闭环境中运行，退火区域缺乏空间选择性，会导致外延层应力和高温热损伤。此外，RTA过程中缺乏均匀性和稳定性，容易造成器件其他区域的热损伤，导致晶格缺陷或掺杂原子的横向扩散。因此，以激光热处理为基础的激光退火技术逐渐成为研究热点。在半导体工业中，激光通常用于切割、减薄、标记和其他几个过程。脉冲激光退火广泛应用于 Si、GaAs、SiC 和 GaN 器件的退火工艺中。脉冲激光退火过程仅对接触表面上受激光照射的区域进行选择性加热。这种局部加热引起衬底和接触金属之间的反应，从而实现欧姆接触，同时由于退火时间短和辐照面积有限可以保持衬底的整体电性能。而针对 Ga₂O₃，激光退火对金属/Ga₂O₃ 界面性能的影响，特别是如何通过激光退火工艺形成欧姆接触，仍然没有得到充分的研究。

3. 主要内容

超宽禁带半导体氧化镓（Ga₂O₃）在高电压、高功率、低损耗功率器件以及光电应用领域具有巨大潜力。然而，基于 Ga₂O₃ 的器件性能远未达到预期，这主要归因于金属-Ga₂O₃ 界面处较高的肖特基势垒高度和接触电阻。本研究采用并优化了 β-Ga₂O₃ 的激光退火工艺，以替代传统的快速热退火（RTA）工艺，从而形成了欧姆接触。研究分析了激光退火能量密度变化对接触电学性能及界面反应的影响。在1 kHz频率下，激光退火能量密度范围为 0.1 至 0.6 J/cm² 时，在 0.3 J/cm² 能量密度下获得最低的比接触电阻率（ρc），ρc 值为 3.82 × 10^-5 Ω·cm²。变温 I-V 测试分析表明，场发射（FE）是主导的导电机制。提取的最低势垒高度为 0.48 eV。通过电学测试、材料表征和理论分析，欧姆接触的形成主要由金属-Ga₂O₃ 界面处禁带宽度较小的 Cr₂O₃ 层的形成驱动。该界面比通过 RTA 形成的欧姆接触界面更平坦且受影响区域更小，这说明激光退火工艺引起了金属与半导体之间发生更高效的扩散和化学反应，使 Ga₂O₃ 功率器件更具商业化的可行性。

4. 创新点

● 激光退火是一种很有前途的制备 Ga₂O₃ 欧姆接触的技术。

● 实现了低接触电阻率 3.82 × 10⁻⁵ Ω ∙ cm²，该值处于理想欧姆接触的范围内。

● Cr 和 Ga 的界面扩散以及 O 的扩散，促进了欧姆接触的形成。

● 激光退火过程中形成的界面不连续 Cr₂O₃ 薄层降低了肖特基势垒高度，促进了 β-Ga₂O₃ 上的欧姆接触形成。

图1. 3×3 μm² 区域内 Cr/Au 接触表面在不同退火能量密度下的 AFM 表征（2D 和3D）：(a1, a2) 退火前，(b1, b2)0.1 J/cm²，(c1, c2)0.2 J/cm²，(d1, d2)0.3 J/cm²，(e1, e2)0.4 J/cm²，以及 (f1, f2)0.5 J/cm²。图中显示了沿图像中标记的白线提取的高度分布数据。

图2. (a) 样品制备、激光退火及 LTLM 图案示意图；(b) 不同退火能量密度（0.1 至 0.6 J/cm²）下，β-Ga₂O₃ 衬底上 Cr/Au 电极的 LTLM 结构的电学特性；(c-g) 能量密度为 0.3 J/cm² 的 Cr/Au 电极在不同电极间距和测量温度下的 I-V 特性变化；(h) 在 0.3 J/cm² 能量密度下退火的 Cr/Au 电极提取的接触电阻用于拟合曲线；；以及 (i) 实验数据（符号）与传输模型拟合（实线）。

DOI：

doi.org/10.1016/j.apsusc.2025.164193

本文转发自《亚洲氧化镓联盟》订阅号