中國粉體網(wǎng)訊 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，10-8Ωcm2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。相關(guān)成果以Record Low Contact Resistivity of 10-8Ωcm2 Ohmic 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。
金剛石作為超寬帶隙（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。
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。
研究亮點(diǎn)
1.發(fā)明了過渡金屬金屬化制備金剛石歐姆接觸方法；
2.首次在氧終端本征金剛石上制備可靠歐姆接觸；
3.改善了測量超高阻半導(dǎo)體比接觸電阻的CTLM法；
4.低達(dá)10-8Ωcm2的比接觸電阻值創(chuàng)造了金剛石領(lǐng)域最低值；
5.發(fā)明了定點(diǎn)制備金剛石淺層色心方法；
6.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。
研究內(nèi)容
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。
研究結(jié)果顯示，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。
(a)制造過程示意圖；(b) 樣品光學(xué)照片；(c) 六種TMs接觸的I-V特性曲線；(d)ρc值隨溫度T的變化圖，彩色條帶為擬合線；(e) 測得的ρc值及其與其他金剛石歐姆接觸的比較
由于OTD本征電阻率極高，導(dǎo)通電流僅為皮安（10-12A）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。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(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2.5×10-8Ωcm2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。
歐姆接觸
歐姆接觸是一種具有低接觸電阻的金屬-半導(dǎo)體接觸，接觸界面的導(dǎo)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(dǎo)電的重?fù)诫s半導(dǎo)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(yīng)用，金剛石肖特基二極管與場效應(yīng)晶體管得以實(shí)現(xiàn)。
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。
參考來源：
1.紅外薄膜與晶體
2.杜昊臨等.金剛石半導(dǎo)體器件研究概述
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/輕言）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知刪除！
