Innovaciones en contactos metálicos de óxido de galio beta para electrónica de potencia avanzada

Resumen

El óxido de galio beta (β-Ga₂O₃) de banda ultra-ancha ha atraído considerable atención como material semiconductor prometedor para electrónica de potencia de próxima generación. Posee excelentes propiedades como banda prohibida ancha de 4,6-4,9 eV, campo eléctrico de ruptura alto de 8 MV/cm y excepcional figura de mérito de Baliga (BFOM), junto con estabilidad química y térmica superior. Estas características sugieren gran potencial para futuras aplicaciones en dispositivos de potencia y optoelectrónicos. Sin embargo, el problema crítico de los contactos entre metal y Ga₂O₃ limita el rendimiento de dispositivos β-Ga₂O₃. En este trabajo, hemos revisado los avances en contactos de MOSFET β-Ga₂O₃. Para mejorar propiedades de contacto, se resumen y analizan en detalle cuatro enfoques principales: pre-tratamiento, post-tratamiento, electrodo metálico multicapa e introducción de una intercapa. Por comparación, los dos últimos métodos se estudian intensivamente y son más favorables que el pre-tratamiento, que inevitablemente genera daños incontrolables. Finalmente, se presentan conclusiones y perspectivas futuras para mejorar contactos óhmicos.

Introducción

Recientemente, el óxido de galio (Ga₂O₃) ha sido considerado candidato prometedor para dispositivos de alta potencia y alta eficiencia por sus excelentes propiedades materiales. Ga₂O₃ tiene cinco polimorfos: α, β, γ, δ, ε, entre los cuales β-Ga₂O₃ es el más estable termodinámicamente y ha sido ampliamente estudiado. Con banda ultra-ancha de 4,6-4,9 eV, el campo de ruptura teórico (E_br) de 8 MV/cm para β-Ga₂O₃ es unas tres veces mayor que SiC o GaN, permitiendo dispositivos basados en β-Ga₂O₃ manejar voltajes de conmutación gigantes. La idoneidad de semiconductores para aplicaciones de potencia se evalúa usualmente por la figura de mérito de Baliga (BFOM). El BFOM de β-Ga₂O₃ es casi triple que SiC y GaN, reduciendo significativamente pérdidas de conducción. Además, la velocidad de saturación de electrones se estima teóricamente alrededor de 2 × 10⁷ cm/s, atrayente para operaciones de alta frecuencia. Otro interés distintivo de β-Ga₂O₃ entre semiconductores de banda ancha es que cristales únicos de alta calidad pueden sintetizarse rentablemente mediante técnicas de crecimiento por fusión. Además, películas epitaxiales n-tipo de alta calidad de β-Ga₂O₃ pueden realizarse dopando precisamente con Sn, Si, Ge y Mg, obteniendo densidad electrónica de 10¹⁶ a 10¹⁹ cm⁻³. Debido a estas ventajas, β-Ga₂O₃ muestra capacidades para electrónica de potencia y ambientes extremos (alta temperatura, alto voltaje, alta radiación).

Se han reportado muchos dispositivos prometedores β-Ga₂O₃, incluyendo diodos Schottky, MOSFET y diversos fotodetectores ciego al sol. Entre estos, MOSFET son la configuración predominante para operación de radiofrecuencia y alta potencia, explotando plenamente su alto E_br y BFOM. Sin embargo, uno de los desafíos para aplicación de β-Ga₂O₃ en MOSFET es la dificultad en formar contactos óhmicos comparado con semiconductores de banda estrecha. Usualmente, un excelente contacto óhmico entre semiconductor y electrodo metálico es esencial para dispositivos semiconductores de alto rendimiento. Contactos de baja resistencia podrían reducir caída de voltaje en el contacto y consecuentemente aumentar voltaje a través del canal, asegurando densidad de corriente diseñada y altas velocidades de conmutación. Además, contactos de baja resistencia contribuyen a reducir generación de calor que podría agravar el efecto de auto-calentamiento.

En consecuencia, la fabricación de contactos óhmicos de alta calidad es prerrequisito para lograr dispositivos de alto rendimiento. En esta revisión, comenzamos con conceptos fundamentales de contactos metal/semiconductor. En la sección "Enfoques para contactos óhmicos", se presenta un resumen de avances recientes significativos en contactos óhmicos a β-Ga₂O₃, y se discuten y analizan enfoques. Finalmente, se proporcionan perspectivas para mejorar contactos óhmicos a β-Ga₂O₃ en el futuro.

Física básica de contactos óhmicos

Un contacto óhmico es una unión metal/semiconductor en la que no hay barrera en la interfaz que impida el transporte de portadores, como se ilustra en Fig. 1a. Por el contrario, una barrera de energía existente en la interfaz inhibirá el transporte de portadores entre metal y semiconductor, como es evidente en Fig. 1b. Notablemente, los contactos formados entre semiconductores de banda ancha y metales son siempre Schottky. Así, la resistencia de contacto normalmente depende de la altura de barrera Schottky (SBH) Φ_B metal/semiconductor. Para semiconductor tipo n, obedece la ecuación:

qΦ_B = qΦ_m - χ_s

donde Φ_m es la función de trabajo del metal y χ_s es la afinidad electrónica del semiconductor.

Como se muestra en la Ec. (1), es importante reducir la SBH para formar contacto óhmico. Además, alto dopaje en semiconductores podría facilitar formación de contactos óhmicos, ej. para semiconductores fuertemente dopados (N_D > ~10¹⁸ cm⁻³), la barrera se vuelve lo suficientemente estrecha y permite a electrones tunelizar directamente a través de la interfaz debido a curvatura significativa de banda de conducción, como se muestra en Fig. 2. No obstante, los niveles de dopaje alcanzables en β-Ga₂O₃ suelen estar por debajo de lo que puede obtenerse en Si, como ocurre con otros semiconductores de banda ancha. Además, los estados superficiales también juegan papel importante en formación de contactos óhmicos, frecuentemente definidos como regiones de recombinación de alta tasa. Esos niveles de defecto de banda media inducidos por estados superficiales pueden ayudar al transporte de portadores. Esto implica que un buen contacto óhmico puede formarse introduciendo estados superficiales apropiados en semiconductores.

Una cuantificación eléctrica de las características de contacto es necesaria para evaluar calidad de contactos. Actualmente, la resistividad de contacto específica ρ_C es uno de los parámetros comúnmente usados para acceder al rendimiento de contactos óhmicos, típicamente expresada en Ω·cm². La resistividad de contacto específica es cantidad muy útil independiente de geometría de contacto y se refiere solo a interfaz metal/semiconductor. Hasta ahora, la más baja ρ_C de 4,6 × 10⁻⁶ Ω·cm² se reportó para contactos Ti/Au a β-Ga₂O₃. Wong et al. también obtuvieron baja ρ_C de 7,5 × 10⁻⁶ Ω·cm² con contactos Ti/Au. Hasta ahora, muchos esfuerzos se han dedicado a obtener contactos con baja ρ_C, y valores típicos para resistividades de contacto específicas se extienden en rango 10⁻⁵-10⁻⁶ Ω·cm² para buenos contactos óhmicos.

Enfoques para contactos óhmicos

Hasta la fecha, investigaciones sobre propiedades intrínsecas de β-Ga₂O₃ mostly se han llevado a cabo en su estructura MOSFET, en la que dos métodos de síntesis de canal se suelen adoptar: lámina exfoliada micromeánicamente (nanomembrana) y película epitaxial β-Ga₂O₃ sobre sustrato nativo, resumidos en Tabla 1.

Normalmente, láminas exfoliadas β-Ga₂O₃ pueden transferirse a cualquier sustrato convenientemente y rentablemente. Se encontró que propiedades materiales de β-Ga₂O₃ no se degradan durante exfoliación como lo evidencian espectroscopía Raman y microscopía de fuerza atómica, significando que rendimiento de MOSFET basados en láminas exfoliadas es comparable a basado en capas epitaxiales. Debido a estas ventajas, este método se recomienda para estudiar características eléctricas consistentes en densidad de defectos interfaciales, voltaje de ruptura, dispersión de fonones ópticos superficiales y propiedad térmica, ej. efecto de auto-calentamiento.

Como se resume en Tabla 1, métodos empleados para mejorar contactos óhmicos podrían categorizarse generalmente en tres tipos: (1) pre-tratamiento, (2) post-tratamiento y (3) electrodo metálico multicapa. Además, introducir una intercapa también puede obtener contactos óhmicos superiores, lo cual no se muestra en Tabla 1.

Pre-tratamiento

El pre-tratamiento se realiza antes de deposición de metal, incluyendo implantación iónica, bombardeo de plasma y grabado reactivo por iones (RIE). Higashiwaki et al. demostraron que contactos formados usando pila Ti/Au con proceso de pre-tratamiento RIE mostraron comportamiento casi óhmico, mientras muestra sin tratamiento RIE mostró comportamiento Schottky, como se ilustra en Fig. 3. La diferencia significativa podría atribuirse a la difusión hacia afuera de átomos de oxígeno libres generados mediante bombardeo continuo al romper enlaces Ga-O expuestos, dejando abundantes vacancias de oxígeno que actúan como donantes en β-Ga₂O₃. Por otro lado, el tratamiento RIE continuo también generaría estados superficiales considerables que juegan papel importante durante formación de contacto. Figura 4 muestra características DC de salida asociadas de las cuales se puede observar corriente cuasi-lineal a bajo voltaje de drenaje. En su trabajo posterior, como se demuestra en Fig. 5, las características de salida exhibieron buena relación lineal entre corriente y voltaje de drenaje en la que implantación de iones Si y RIE se aplicaron a β-Ga₂O₃ juntos y se logró resistividad de contacto específica extremadamente baja de 8,1 × 10⁻⁶ Ω·cm². Obviamente, el comportamiento óhmico obtenido por RIE e implantación Si⁺ juntos superaría al de solo RIE ya que átomos Si son donantes superficiales con energías de activación pequeñas en β-Ga₂O₃. Adicionalmente, Zhou et al. reportaron transistores de efecto de campo β-Ga₂O₃ de alto rendimiento con bombardeo de plasma Ar previo a deposición de metal de contacto. En contraste, muestra sin bombardeo Ar exhibió contacto Schottky. La diferencia puede atribuirse a generación de vacancias de oxígeno y estados superficiales durante bombardeo de plasma Ar, mismo que tratamiento RIE.

Aunque las técnicas mencionadas pueden mejorar rendimiento de contactos óhmicos, tales tecnologías no son prácticamente aplicables porque el daño inducido suele ser lo último que ingenieros de proceso quieren en dispositivos semiconductores, y además, contactos óhmicos inducidos por daño no son siempre reproducibles.

Por esta razón, aparte de las técnicas tradicionales usadas frecuentemente para formar contactos óhmicos de baja resistencia, una técnica relativamente novedosa —dopaje spin-on-glass (SOG)— fue adoptada recientemente, y se logró resistividad de contacto específica de 2,1±1,4 × 10⁻⁵ Ω·cm², verificando efectividad de técnica de dopaje SOG. Figura 6 muestra características de salida de MOSFET β-Ga₂O₃ dopados SOG que exhibieron excelente comportamiento lineal a bajo voltaje de drenaje. Comparado con implantación iónica, dopaje SOG reduce difusión de especies inducida por daño y reduce costos al abandonar el costoso implantador iónico. Similar a implantaciones iónicas, el principio básico detrás de esta tecnología es dopar región S/D con donantes superficiales. Obviamente, contacto óhmico superior puede lograrse con β-Ga₂O₃ dopado intencionalmente. Por ejemplo, β-Ga₂O₃ altamente dopado se usó para fabricar transistores de efecto de campo β-Ga₂O₃ con corrientes de drenaje superando 1,5 A/mm. La corriente de drenaje récord se debe al dopaje pesado en β-Ga₂O₃ que causa capa de agotamiento muy delgada, y electrones pueden tunelizar fácilmente a través de esta barrera conduciendo a comportamiento de contacto óhmico. Interesantemente, la orientación de superficie de β-Ga₂O₃ también puede influir en comportamiento de contacto. Baik et al. reportaron que mismos electrodos en β-Ga₂O₃ mostraron diferentes propiedades de contacto, en la que muestra en sustrato (2̅01) se comportó como contactos óhmicos mientras muestra control en (010) exhibió comportamiento Schottky. Esto podría atribuirse a diferente relación Ga/O y densidad de enlaces colgantes en orientaciones específicas.

Post-tratamiento

El post-tratamiento se realiza después de deposición de metal, refiriéndose principalmente al proceso de recocido. El recocido juega papel en reducir daño inducido por tecnologías de proceso previas como implantación iónica y bombardeo de plasma. Además, contribuye a formación de una intercapa que puede reducir discontinuidad de banda de conducción entre metal y β-Ga₂O₃. Notablemente, parámetros incluyendo temperatura, atmósfera y tiempo de recocido ejercen influencia importante en rendimiento de dispositivos. El experimento de recocido en aire y N₂ se implementó para comparar efecto de atmósfera de recocido en contactos óhmicos basados en β-Ga₂O₃. Como se ve en Fig. 7, el rendimiento de recocido en N₂ superó al en aire, lo que podría atribuirse a que mayor presión parcial de oxígeno en aire suprimió formación de vacancias de oxígeno. Sin embargo, la dependencia de características de contacto en temperatura, atmósfera y tiempo de recocido no está clara; por tanto, se necesita optimizar parámetros del proceso de recocido.

Electrodo metálico multicapa

Otro enfoque para formar contactos óhmicos es reducir SBH en interfaz metal/semiconductor. SBH es igual a diferencia entre función de trabajo del metal y afinidad electrónica del semiconductor. Basado en este reconocimiento, se podría esperar que metales con baja función de trabajo formarían contactos óhmicos en β-Ga₂O₃. Sin embargo, se ha probado que la función de trabajo no es factor dominante para formar contacto óhmico.

Nueve metales depositados en β-Ga₂O₃ fueron seleccionados basados en propiedades como función de trabajo, temperatura de fusión y estabilidad de óxido. La función de trabajo de Ti y afinidad electrónica de β-Ga₂O₃ no intencionalmente dopado se conocen como 4,33 eV y 4,00±0,05 eV respectivamente, por lo que una barrera de 0,22 eV debería existir en la interfaz llevando a contacto Schottky. No obstante, resultó que contactos Ti con capa de Au fueron óhmicos con la menor resistencia entre nueve metales tras recocido. Mientras tanto, Bae et al. exploraron dependencia de propiedades de contacto en Ti/Au y Ni/Au para dispositivos basados en láminas exfoliadas β-Ga₂O₃. Se observó que rendimiento de MOSFET con electrodos metálicos Ti/Au superó a Ni/Au bajo misma condición de recocido. Al principio, se consideró que funciones de trabajo de Ni y Ti son 5,01 eV y 4,33 eV respectivamente, por lo que Ti podría formar contacto óhmico más fácilmente que Ni; sin embargo, estudios mediante espectroscopía de rayos X dispersiva en energía (EDS) demostraron que porcentaje atómico de oxígeno en región β-Ga₂O₃ disminuyó mientras porcentaje atómico de oxígeno en Ti cerca de la interfaz aumentó tras recocido, como se ilustra en Fig. 8. Este fenómeno se atribuye a difusión hacia afuera de átomos de oxígeno de β-Ga₂O₃ hacia metal Ti, llevando a formación de vacancias de oxígeno actuando como donantes. Además, durante proceso de recocido, la difusión acelerada de átomos de oxígeno en β-Ga₂O₃ podría reaccionar con Ti y formar Ti₂O₃ útil para formar contactos óhmicos debido a su baja función de trabajo (3,6-3,9 eV). Por tanto, la reacción interfacial entre metales y β-Ga₂O₃ es factor importante en formación de contactos óhmicos en interfaz metal/semiconductor.

Además, se encuentra que la mayoría de electrodos metálicos Ti/Au usados para formar contactos óhmicos fueron recocidos a 450 °C o 470 °C por proceso térmico rápido. Un comportamiento de degradación similar de características de contacto se observó cuando recocido se realizó por encima de 500 °C en Ref. [55, 56], como se ilustra en Figs. 7 y 9, respectivamente. Yao et al. especularon que una capa de óxido aislante se formó posiblemente a temperatura de recocido elevada, resultando en contactos deteriorados. No obstante, Bae et al. observaron que superficie de metal depositado fue mucho más rugosa tras recocido a 700 °C debido a entremezcla de metales y difusión de átomos de galio y oxígeno en electrodos metálicos, lo cual fue atribuido como razón de comportamiento de degradación. Obviamente, mecanismos de degradación de contactos Ti/Au a β-Ga₂O₃ tras recocido a alta temperatura siguen bajo debate.

Dispositivos basados en β-Ga₂O₃ con contactos Ti/Au no pueden satisfacer demanda de trabajo bajo alta temperatura. Por tanto, para evitar degradación de características de contacto a temperatura de recocido elevada, se deberían adoptar pilas metálicas más complejas. Hasta ahora, se han empleado pilas Ti/Al/Au, Ti/Au/Ni y Ti/Al/Ni/Au para formar contactos eléctricos en β-Ga₂O₃. Pero una comparación exhaustiva de características de contacto entre estas pilas metálicas sigue siendo insuficiente.

Mohammad y Greco et al. discutieron el papel de cada capa metálica en pilas complejas, proporcionando algunas directrices para mejorar contactos óhmicos. El esquema de pilas metálicas se muestra en Fig. 10. Nótese que este enfoque está actualmente en desarrollo para dispositivos de potencia basados en GaN.

La primera capa metálica sobre el sustrato, denominada capa de contacto, debería tener baja función de trabajo y buena adhesión al sustrato. Además, también puede bloquear difusión de metales de capas superiores con altas funciones de trabajo hacia el sustrato. Presente, Ti es metal principal como capa de contacto a β-Ga₂O₃ por su baja función (4,33 eV) y buena adhesión. Además, formación de Ti₂O₃ y Ti₃O₅ con funciones de trabajo menores que Ti en la interfaz es favorecida en formación de contactos óhmicos ya que los óxidos reducen SBH y dejan vacancias de oxígeno actuando como donantes. Sin embargo, otros metales con bajas funciones de trabajo incluyendo Ta (3,1 eV) y Hf (3,9 eV) no han sido explorados aún. La segunda capa superior con baja función de trabajo debería poder formar compuestos intermetálicos con la capa de contacto para prevenir su difusión hacia la interfaz. Presente, Al se usa como capa superior ya que cumple estos requisitos. La tercera capa metálica (capa barrera) sirve para limitar difusión interna de capa metálica superior y difusión externa de capas metálicas inferiores. Ni es la capa barrera más común para β-Ga₂O₃. Hay otros buenos candidatos como Mo, Nb, Ir con altos puntos de fusión para sustituir Ni que se espera tengan menor reactividad y solubilidad para Au que Ni. La cuarta capa de cubierta actúa como capa protectora para prevenir o minimizar oxidación de metales subyacentes. Prácticamente, Au se emplea comúnmente para este propósito.

Introducción de una intercapa

Hay principalmente dos métodos de introducir una intercapa en la interfaz metal/β-Ga₂O₃. Uno es formar una capa semiconductora intermedia (ISL) con baja función de trabajo por recocido, ej. Ti₂O₃. El otro es insertar ISL depositada entre metal y β-Ga₂O₃, que ha sido intensivamente estudiada. Comparado con el primer método, el segundo es más favorable para formar contactos óhmicos debido a la alta concentración de portadores de ISL. Las bandas prohibidas de ISL varían de 3,5 a 4,0 eV, como AZO (~3,2 eV), In₂O₃ (~2,9 eV) e IGZO (~3,5 eV). Típicamente, las SBH de varios metales depositados en β-Ga₂O₃ están en rango 0,95-1,47 eV, como se muestra en Fig. 11a. No obstante, la incorporación de una ISL delgada reduce la SBH, facilitando el transporte de electrones desde el metal a la banda de conducción de β-Ga₂O₃, como se ilustra en Fig. 11b. Adicionalmente, la alta densidad de electrones en ISL podría reducir aún más la resistencia de contacto.

Recientemente, AZO/Ti/Au se usó como electrodos en β-Ga₂O₃ implantado con Si⁺, y la resistividad de contacto específica obtenida fue 2,82 × 10⁻⁵ Ω·cm² tras recocido. Oshima et al. lograron contactos óhmicos platino/indio-estaño óxido (Pt/ITO) a β-Ga₂O₃ con amplia ventana de temperatura de proceso. La gran ventana de proceso de 900-1150 °C permite realización de operación a alta temperatura. Y electrodos ITO/Ti/Au a β-Ga₂O₃ también fueron demostrados por Carey et al. en los que la muestra mostró comportamiento óhmico con ρ_C de 6,3 × 10⁻⁵ Ω·cm² tras recocido. Sin ITO, el mismo recocido no entregó características corriente-voltaje lineales. Estos resultados verifican la efectividad de añadir ISL para obtener contactos óhmicos.

Notablemente, se observó una burbuja en superficie de contactos ITO/Ti/Au mientras no hubo burbujeo en capa ITO sola sin capa metálica arriba. Se consideró como resultado de difusión hacia afuera de átomos de oxígeno en capa ITO hacia capas metálicas superiores. Por tanto, es necesario elegir metal o pilas metálicas apropiadas como capas de cubierta sobre ITO para prevenir degradación de morfología superficial.

Conclusiones

En este trabajo, hemos resumido progreso significativo en I+D de MOSFET β-Ga₂O₃. No obstante, los contactos en β-Ga₂O₃ son uno de los temas clave limitando su aplicación potencial como dispositivos de alta frecuencia y alto voltaje en el futuro. Aunque esta revisión proporciona visión general de métodos estado-del-arte para formar contactos óhmicos, aún queda mucho por explorar, y un conjunto de perspectivas concisas puede digerirse como sigue: (i) La dependencia de temperatura y mecanismo de degradación de características de contacto necesitan investigaciones adicionales para clarificación; (ii) Metales con baja función de trabajo como Ta y Hf y metales con alto punto de fusión como Mo, Nb, Ir son dignos de ser evaluados para servir como capa de contacto y capa barrera, respectivamente; (iii) Las pilas metálicas óptimas en β-Ga₂O₃ no han sido plenamente realizadas aún, y un estudio exhaustivo y sistemático de pilas metálicas a β-Ga₂O₃ es imperativo para lograr contactos óhmicos de baja resistencia y térmicamente estables; y (iv) Otras ISL potenciales consistentes en ZnO, IZO, IGZO, etc. permanecen inexploradas, así como influencia de variar espesor y proporción de ingredientes de ISL en rendimiento de contactos. En resumen, los estudios sobre contactos óhmicos a β-Ga₂O₃ son aún bastante superficiales; creemos que este tema continuará siendo uno de los focos en el futuro. Esperamos que los enfoques para formar contactos óhmicos presentados en esta revisión sean instrumentales para lograr dispositivos β-Ga₂O₃ de alto rendimiento.