Innovationen in Beta-Galliumoxid-Metallkontakten für fortschrittliche Leistungselektronik

Zusammenfassung

Ultra-breitbandiges Beta-Galliumoxid (β-Ga₂O₃) hat beträchtliche Aufmerksamkeit als vielversprechendes Halbleitermaterial für Leistungselektronik der nächsten Generation erregt. Es besitzt exzellente Materialeigenschaften wie eine breite Bandlücke von 4,6–4,9 eV, ein hohes Durchbruchsfeld von 8 MV/cm und einen außergewöhnlichen Baliga's Figure of Merit (BFOM), zusammen mit überlegener chemischer und thermischer Stabilität. Diese Merkmale deuten auf großes Potenzial für zukünftige Anwendungen in Leistungs- und Optoelektronik-Geräten hin. Allerdings begrenzt das kritische Problem der Kontakte zwischen Metall und Ga₂O₃ die Leistung von β-Ga₂O₃-Bauelementen. In dieser Arbeit haben wir Fortschritte bei Kontakten von β-Ga₂O₃-MOSFETs revuepassiert. Zur Verbesserung der Kontakteigenschaften werden vier Hauptansätze zusammengefasst und detailliert analysiert: Vorbehandlung, Nachbehandlung, mehrschichtige Metallelektrode und Einführen einer Zwischenschicht. Im Vergleich werden die letzteren beiden Methoden intensiv erforscht und sind günstiger als die Vorbehandlung, die unweigerlich unkontrollierbare Schäden erzeugt. Schließlich werden Schlussfolgerungen und zukünftige Perspektiven für weitere Verbesserung von Ohmschen Kontakten präsentiert.

Einleitung

Kürzlich wurde Galliumoxid (Ga₂O₃) als vielversprechender Kandidat für die Herstellung von Hochleistungs- und Hochwirkungsgrad-Geräten aufgrund seiner exzellenten Materialeigenschaften betrachtet. Ga₂O₃ hat fünf verschiedene Polymorphe, bezeichnet als α-Ga₂O₃, β-Ga₂O₃, γ-Ga₂O₃, δ-Ga₂O₃ und ε-Ga₂O₃, wobei β-Ga₂O₃ das thermodynamisch stabilste ist und am ausführlichsten untersucht wurde. Mit ultra-breiter Bandlücke von 4,6–4,9 eV ist das theoretische Durchbruchsfeld (E_br) von 8 MV/cm für β-Ga₂O₃ etwa dreimal größer als das von SiC oder GaN, was β-Ga₂O₃-basierten Geräten ermöglicht, gigantische Schaltspannungen zu handhaben. Die Eignung von Halbleitern für Leistungsbauelement-Anwendungen wird üblicherweise durch Baliga's Figure of Merit (BFOM) bewertet. Der BFOM von β-Ga₂O₃ ist fast dreimal so hoch wie der von SiC und GaN, was Leitverluste signifikant reduziert. Zudem wird die Sättigungs-Elektronengeschwindigkeit theoretisch auf ~2 × 10⁷ cm/s geschätzt, was es für Hochfrequenzoperationen attraktiv macht. Ein weiteres besonderes Interesse von β-Ga₂O₃ unter Breitbandlücken-Halbleitern ist, dass hochwertige Einkristalle kosteneffektiv durch Schmelzwachstumstechniken synthetisiert werden können. Zusätzlich können hochwertige n-Typ β-Ga₂O₃-Epitaxieschichten durch präzises Dotieren mit Sn, Si, Ge und Mg realisiert werden, mit resultierender Elektronendichte von 10¹⁶ bis 10¹⁹ cm⁻³. Aufgrund der genannten Vorteile gegenüber anderen Breitbandlücken-Halbleitern zeigt β-Ga₂O₃ Fähigkeiten als vielversprechendes Material für Leistungselektronik sowie Extreme-Umgebung (hohe Temperatur, hohe Spannung, hohe Strahlung) Elektronik.

Viele vielversprechende β-Ga₂O₃-Bauelemente wurden berichtet, einschließlich Schottky-Barrieredioden, MOSFETs und verschiedene Typen von solarblinden Photodetektoren. Unter diesen Bauelementen sind MOSFETs die vorherrschende Konfiguration für Hochfrequenz- und Hochleistungsbetrieb, wodurch hohes E_br und BFOM voll ausgenutzt werden. Eine der Herausforderungen für β-Ga₂O₃-Anwendung in MOSFET-Bauelementen ist jedoch die Schwierigkeit, Ohmsche Kontakte im Vergleich zu Schmalbandlücken-Halbleitern zu bilden. Normalerweise ist ein exzellenter Ohmscher Kontakt zwischen Halbleiter und Metallelektrode essenziell für hochperformante Halbleiterbauelemente. Niedrigwiderstandskontakte könnten den Spannungsabfall am Kontakt reduzieren und folglich die Spannung über dem Kanal erhöhen, was die entworfene Stromdichte und hohe Schaltgeschwindigkeiten sichert. Darüber hinaus tragen niedrigwiderständige Kontakte zur Reduzierung der Wärmeentwicklung bei, die den Selbstheizungseffekt verschlimmern könnte.

Folglich ist die Fertigung hochwertiger Ohmscher Kontakte eine Voraussetzung für das Erreichen hochperformanter Bauelemente. In diesem Review beginnen wir mit grundlegenden Konzepten von Metall/Halbleiter-Kontakten. Im Abschnitt "Ansätze zu Ohmschen Kontakten" wird eine Zusammenfassung jüngster signifikanter Fortschritte bei Ohmschen Kontakten zu β-Ga₂O₃ präsentiert, und Ansätze zu Ohmschen Kontakten werden diskutiert und analysiert. Schließlich werden einige Perspektiven für die Verbesserung von Ohmschen Kontakten zu β-Ga₂O₃ in der Zukunft gegeben.

Grundlegende Physik von Ohmschen Kontakten

Ein Ohmscher Kontakt ist ein Metall/Halbleiter-Übergang, an dem keine Barriere an der Grenzfläche den Transport von Ladungsträgern behindert, wie in Abb. 1a illustriert. Im Gegenteil wird eine an der Grenzfläche bestehende Energiebarriere den Ladungsträgertransport zwischen Metall und Halbleiter inhibieren, wie aus Abb. 1b ersichtlich. Insbesondere sind Kontakte, die zwischen Breitbandlücken-Halbleitern und Metallen gebildet werden, immer Schottky. Daher hängt der Kontaktwiderstand normalerweise von der Schottky-Barrierehöhe (SBH) Φ_B ab. Für einen n-Typ-Halbleiter gilt die Gleichung:

qΦ_B = qΦ_m - χ_s

wobei Φ_m die Austrittsarbeit des Metalls und χ_s die Elektronenaffinität des Halbleiters ist.

Wie in Gleichung (1) dargestellt, ist es wichtig, die SBH zu reduzieren, um den Ohmschen Kontakt zu bilden. Zusätzlich könnte hohe Dotierung in Halbleitern die Bildung von Ohmschen Kontakten erleichtern, z. B. für stark dotierte Halbleiter (N_D > ~10¹⁸ cm⁻³) wird die Barriere schmal genug und ermöglicht Elektronen, direkt durch die Grenzfläche zu tunneln aufgrund signifikanter Bandbiegen des Leitungsbands, wie in Abb. 2 gezeigt. Dennoch sind die in β-Ga₂O₃ erreichbaren Dotierungsniveaus üblicherweise niedriger als in Si, wie bei anderen Breitbandlücken-Halbleitern der Fall. Daneben spielen Oberflächenzustände auch eine wichtige Rolle bei der Bildung von Ohmschen Kontakten, die häufig als Regionen hoher Rekombinationsrate definiert werden. Diese mittigen Bandlücken-Defektniveaus, induziert durch Oberflächenzustände, können den Trägertransport unterstützen. Dies impliziert, dass ein guter Ohmscher Kontakt durch Einführen geeigneter Oberflächenzustände in Halbleiter gebildet werden kann.

Eine elektrische Quantifizierung der Kontaktcharakteristiken ist notwendig, um die Qualität von Kontakten zu bewerten. Derzeit ist der spezifische Kontaktwiderstand ρ_c einer der gängigen Parameter zur Bewertung der Leistung von Ohmschen Kontakten, typischerweise ausgedrückt in Ω·cm². Bisher wurde der niedrigste ρ_c von 4,6 × 10⁻⁶ Ω·cm² für Ti/Au-Kontakte zu β-Ga₂O₃ berichtet. Wong et al. erzielten ebenfalls einen niedrigen ρ_c von 7,5 × 10⁻⁶ Ω·cm² mit Ti/Au-Kontakten. Bisher wurden viele Anstrengungen unternommen, um Kontakte mit niedrigem ρ_c zu erhalten, und typische Werte für spezifische Kontaktwiderstände verteilen sich über einen Bereich von 10⁻⁵–10⁻⁶ Ω·cm² für gute Ohmsche Kontakte.

Ansätze zu Ohmschen Kontakten

Bisher wurden Untersuchungen zu den intrinsischen Eigenschaften von β-Ga₂O₃ mostly auf seiner MOSFET-Struktur durchgeführt, in der zwei Arten der Kanalsynthesemethode üblicherweise angewendet werden. Eine ist der mikromechanisch exfoliierte Flake (Nanomembran); die andere ist der epitaxiale β-Ga₂O₃-Film auf seinem nativen Substrat, wie in Tabelle 1 zusammengefasst.

Normalerweise können exfoliierte β-Ga₂O₃-Flakes bequem und kosteneffektiv auf beliebige Substrate übertragen werden. Es wurde festgestellt, dass die Materialeigenschaften von β-Ga₂O₃-Flakes während der Exfoliation nicht degenerieren, wie durch Raman-Spektroskopie und Rasterkraftmikroskopie belegt, was bedeutet, dass die Leistung von MOSFETs basierend auf exfoliierten Flakes vergleichbar mit denen basierend auf epitaktischen Schichten ist. Aufgrund dieser Vorteile wird diese Methode empfohlen, um elektrische Charakteristiken bestehend aus Dichte interfacialer Defekte, Durchbruchspannung, Oberflächen-optisches-Phonon-Streuung und thermische Eigenschaft, d.h. Selbstheizungseffekt, zu untersuchen.

Wie in Tabelle 1 zusammengefasst, könnten Methoden zur Verbesserung von Ohmschen Kontakten allgemein in drei Typen kategorisiert werden: (1) Vorbehandlung, (2) Nachbehandlung und (3) mehrschichtige Metallelektrode. Daneben kann das Einführen einer Zwischenschicht auch überlegene Ohmsche Kontakte erzielen, was in Tabelle 1 nicht gezeigt ist.

Vorbehandlung

Die Vorbehandlung wird vor Metallabscheidung durchgeführt, einschließlich Ionenimplantation, Plasmbombardement und reaktives Ionenätzen (RIE). Higashiwaki et al. demonstrierten, dass Kontakte, die mit Ti/Au-Stack mit RIE-Vorbehandlungsprozess gebildet wurden, fast ohmsches Verhalten zeigten, während die Probe ohne RIE-Behandlung Schottky-Verhalten zeigte, wie in Abb. 3 illustriert. Der signifikante Unterschied könnte auf das Ausdiffundieren freier Sauerstoffatome zurückgeführt werden, die durch kontinuierliches Bombardement durch Brechen der exponierten Ga-O-Bindungen erzeugt wurden, wodurch viele Sauerstoffvacanzen zurückblieben, die als Donatoren in β-Ga₂O₃ wirken. Andererseits würde die kontinuierliche RIE-Behandlung auch beträchtliche Oberflächenzustände erzeugen, die während der Kontaktbildung eine wichtige Rolle spielen. Abbildung 4 zeigt zugehörige DC-Ausgangscharakteristiken, aus denen quasi-linearer Strom bei niedriger Drain-Spannung beobachtet werden kann. In ihrer späteren Arbeit, wie in Abb. 5 demonstriert, zeigten die Ausgangscharakteristiken gute Linearität zwischen Strom und Drain-Spannung, wobei Si-Ionenimplantation und RIE gemeinsam auf β-Ga₂O₃ angewendet wurden und ein extrem niedriger spezifischer Kontaktwiderstand von 8,1 × 10⁻⁶ Ω·cm² erreicht wurde. Offensichtlich würde das ohmsche Verhalten, das durch RIE und Si⁺-Implantation gemeinsam erzielt wird, das durch nur RIE übertreffen, da Si-Atome als flache Donatoren mit kleinen Aktivierungsenergien in β-Ga₂O₃ bekannt sind. Zusätzlich berichtete Zhou et al. über hochperformante β-Ga₂O₃-Feldeffekttransistoren mit Ar-Plasmbombardement vor Kontaktmetallabscheidung. Im Gegensatz dazu zeigte die Probe ohne Ar-Bombardement Schottky-Kontaktierung. Der Unterschied kann der Erzeugung von Sauerstoffvacanzen und Oberflächenzuständen während des Ar-Plasmbombardement-Prozesses zugeschrieben werden, ähnlich wie bei RIE-Behandlung.

Obwohl die oben genannten Techniken die Leistung von Ohmschen Kontakten verbessern können, sind solche Technologien nicht praktisch anwendbar, da der induzierte Schaden normalerweise das Letzte ist, was Prozessingeneure in Halbleiterbauelementen wollen, und weiterhin sind schadeninduzierte Ohmsche Kontakte nicht immer reproduzierbar.

Aus diesem Grund wurde abgesehen von den oben genannten traditionellen Techniken, die häufig zur Bildung niedrigwiderständiger Ohmscher Kontakte verwendet werden, eine relativ neuartige Technik – Spin-on-Glass (SOG) Dotierung – kürzlich übernommen, und ein spezifischer Kontaktwiderstand von 2,1±1,4 × 10⁻⁵ Ω·cm² wurde erreicht, was die Effektivität der SOG-Dotierungstechnik verifizierte. Abbildung 6 zeigt die Ausgangscharakteristiken von SOG-dotierten β-Ga₂O₃-MOSFETs, die exzellentes lineares Verhalten bei niedriger Drain-Spannung aufwiesen. Im Vergleich zur Ionenimplantation reduziert SOG-Dotierung schadeninduzierte Diffusion von Spezies und senkt Kosten durch Verzicht auf teure Ionenimplanter. Ähnlich wie Ionenimplantationen ist das Grundprinzip hinter dieser Technologie das Dotieren der S/D-Region mit flachen Donatoren. Offensichtlich kann ein überlegener Ohmscher Kontakt mit absichtlich dotiertem β-Ga₂O₃ erreicht werden. Zum Beispiel wurde hochdotiertes β-Ga₂O₃ verwendet, um β-Ga₂O₃-Feldeffekttransistoren mit Drainströmen über 1,5 A/mm herzustellen. Der rekordhohe Drainstrom ist auf die starke Dotierung in β-Ga₂O₃ zurückzuführen, die eine sehr dünne Verarmungszone verursacht, und Elektronen können leicht über diese Barriere tunneln, was zu ohmschem Kontaktverhalten führt. Interessanterweise kann auch die Orientierung der β-Ga₂O₃-Oberfläche das Kontaktverhalten beeinflussen. Baik et al. berichteten, dass dieselben Elektroden auf β-Ga₂O₃ unterschiedliche Kontakt Eigenschaften zeigten, wobei die Probe auf (2̅01) Substrat als Ohmsche Kontakte verhielt, während die Kontrollprobe auf (010) Schottky-Verhalten zeigte. Dies könnte auf unterschiedliches Ga/O-Verhältnis und Dichte von hängenden Bindungen an spezifischen Orientierungen zurückzuführen sein.

Nachbehandlung

Die Nachbehandlung wird nach Metallabscheidung durchgeführt, hauptsächlich bezieht sich auf den Glühprozess. Glühen spielt eine Rolle bei der Reduzierung von Schäden, die durch vorherige Prozesstechnologien wie Ionenimplantation und Plasmbombardement induziert wurden. Zusätzlich trägt es zur Bildung einer Zwischenschicht bei, die die Leitungsband-Diskontinuität zwischen Metall und β-Ga₂O₃ reduzieren kann. Bemerkenswert üben Parameter einschließlich Temperatur, Atmosphäre und Glühzeit einen wichtigen Einfluss auf die Bauelementleistung aus. Das Experiment zum Glühen in Luft und N₂ wurde implementiert, um den Effekt der Glühatmosphäre auf β-Ga₂O₃-basierte Ohmsche Kontakte zu vergleichen. Wie in Abb. 7 zu sehen, übertraf die Leistung des Glühens in N₂ die in Luft, was darauf zurückgeführt werden könnte, dass höherer Sauerstoffpartialdruck in Luft die Bildung von Sauerstoffvacanzen unterdrückte. Allerdings ist die Abhängigkeit der Kontaktcharakteristiken von Temperatur, Atmosphäre und Glühzeit unklar; daher ist es weiterhin notwendig, die Parameter des Glühprozesses zu optimieren.

Mehrschichtige Metallelektrode

Ein weiterer Ansatz zur Bildung von Ohmschen Kontakten ist die Reduzierung der SBH an der Metall/Halbleiter-Grenzfläche. Die SBH entspricht dem Unterschied zwischen der Austrittsarbeit des Metalls und der Elektronenaffinität des Halbleiters. Basierend auf dieser Erkenntnis könnte man erwarten, dass Metalle mit niedriger Austrittsarbeit Ohmsche Kontakte auf β-Ga₂O₃ bilden. Dennoch wurde bewiesen, dass die Austrittsarbeit nicht der dominierende Faktor für die Bildung von Ohmschen Kontakten ist.

Neun Metalle, die auf β-Ga₂O₃ abgeschieden wurden, wurden basierend auf Eigenschaften wie Austrittsarbeit, Schmelztemperatur und Oxidstabilität ausgewählt. Die Austrittsarbeit von Ti und Elektronenaffinität von unabsichtlich dotiertem β-Ga₂O₃ sind bekannt als 4,33 eV und 4,00±0,05 eV, jeweils, so dass eine Barriere von 0,22 eV an der Grenzfläche existieren sollte, was zum Schottky-Kontakt führt. Dennoch stellte sich heraus, dass Ti-Kontakte mit Au-Kappendschicht nach Glühen ohmsch waren mit dem niedrigsten Widerstand unter neun Metallen. Gleichzeitig untersuchten Bae et al. die Abhängigkeit der Kontakt Eigenschaften von Ti/Au und Ni/Au für Bauelemente basierend auf exfoliierten β-Ga₂O₃-Flakes. Es wurde beobachtet, dass die Leistung von MOSFETs mit Ti/Au-Metallelektroden die mit Ni/Au-Metallelektroden unter gleichen Glühbedingungen übertraf. Anfangs wurde angenommen, dass die Austrittsarbeiten von Ni und Ti 5,01 eV und 4,33 eV betragen, so dass Ti leichter einen Ohmschen Kontakt bilden könnte als Ni; jedoch zeigten Studien durch energiedispersive Spektroskopie (EDS), dass der Sauerstoffatomprozentsatz in der β-Ga₂O₃-Region abnahm, während der Sauerstoffatomprozentsatz in Ti nahe der Grenzfläche nach Glühen zunahm, wie in Abb. 8 illustriert. Dieses Phänomen wird dem Ausdiffundieren von Sauerstoffatomen aus β-Ga₂O₃ in Ti-Metall zugeschrieben, was zur Bildung von Sauerstoffvacanzen als Donatoren führt. Zudem könnten während des Glühprozesses die beschleunigten ausdiffundierenden Sauerstoffatome in β-Ga₂O₃ mit Ti reagieren und Ti₂O₃ bilden, was für die Bildung von Ohmschen Kontakten nützlich ist aufgrund seiner niedrigen Austrittsarbeit (3,6–3,9 eV). Daher ist die interfaciale Reaktion zwischen Metallen und β-Ga₂O₃ ein wichtiger Faktor bei der Bildung von Ohmschen Kontakten an der Metall/Halbleiter-Grenzfläche.

Zusätzlich wurde festgestellt, dass die meisten Ti/Au-Metallelektroden, die zur Bildung von Ohmschen Kontakten verwendet wurden, bei 450 °C oder 470 °C durch schnellen thermischen Prozess geglüht wurden. Ein ähnliches Degradationsverhalten der Kontaktcharakteristiken wurde beobachtet, wenn das Glühen über 500 °C durchgeführt wurde, wie in Abb. 7 und 9 jeweils illustriert. Yao et al. spekulierten, dass möglicherweise eine isolierende Oxidschicht bei erhöhter Glühtemperatur gebildet wurde, was zu verschlechterten Kontakten führte. Dennoch beobachtete Bae et al., dass die Oberfläche des abgeschiedenen Metalls nach 700 °C Glühen viel rauer war aufgrund der Vermischung von Metallen und Diffusion von Gallium- und Sauerstoffatomen in Metallelektroden, was als Grund für das Degradationsverhalten angegeben wurde. Offensichtlich sind die Degradationsmechanismen von Ti/Au-Kontakten zu β-Ga₂O₃ nach Hochtemperaturglühen noch Gegenstand der Debatte.

β-Ga₂O₃-basierte Bauelemente mit Ti/Au-Kontakten können die Anforderung für Betrieb unter hoher Temperatur nicht erfüllen. Daher sollten, um Degradation der Kontaktcharakteristiken bei erhöhter Glühtemperatur zu vermeiden, komplexere Metallstapel eingesetzt werden. Bisher wurden Ti/Al/Au, Ti/Au/Ni und Ti/Al/Ni/Au Metallstapel eingesetzt, um elektrische Kontakte auf β-Ga₂O₃ zu bilden. Aber ein umfassender Vergleich der Kontaktcharakteristiken zwischen diesen Metallstapeln ist noch unzureichend.

Mohammad und Greco et al. diskutierten die Rolle jeder Metallschicht in den komplexen Metallstapeln und lieferten einige Richtlinien zur Verbesserung der Ohmschen Kontakte. Das Schema der Metallstapel ist in Abb. 10 gezeigt. Beachten Sie, dass dieser Ansatz derzeit für GaN-basierte Leistungsbauelemente entwickelt wird.

Die erste Metallschicht auf dem Substrat, als Kontaktsschicht bezeichnet, sollte eine niedrige Austrittsarbeit und gute Haftung am Substrat haben. Zudem kann sie auch die Diffusion von oberen Metallschichten mit großen Austrittsarbeiten in das Substrat blockieren. Gegenwärtig ist Ti das primäre Metall als Kontaktsschicht zu β-Ga₂O₃ wegen seiner niedrigen Austrittsarbeit (4,33 eV) und guter Haftung am Substrat. Daneben wird die Bildung von Ti₂O₃ und Ti₃O₅ mit niedrigeren Austrittsarbeiten als Ti an der Grenzfläche begünstigt, da die Oxide die SBH reduzieren und Sauerstoffvacanzen als Donatoren hinterlassen. Andere Metalle mit niedrigen Austrittsarbeiten einschließlich Ta (3,1 eV) und Hf (3,9 eV) wurden jedoch noch nicht erforscht. Die zweite Überlagerungsschicht mit niedriger Austrittsarbeit sollte in der Lage sein, intermetallische Verbindungen mit der Kontaktsschicht zu bilden, um deren Diffusion in die Grenzfläche zu verhindern. Gegenwärtig wird Al als Überlagerungsschicht verwendet, da es diese Anforderungen erfüllt. Die dritte Metallschicht (Barriereschicht) dient dem Zweck, die Ein-Diffusion der oberen Metallschicht und Aus-Diffusion der unteren Metallschichten zu begrenzen. Ni ist die am häufigsten verwendete Barriereschicht für β-Ga₂O₃. Es gibt andere gute Kandidaten wie Mo, Nb und Ir mit hohen Schmelzpunkten, um Ni zu ersetzen, die voraussichtlich niedrigere Reaktivität und Löslichkeit für Au als Ni haben. Die vierte Kappendschicht fungiert als Schutzschicht, um Oxidation der darunter liegenden Metalle zu verhindern oder zu minimieren. Praktisch wird Au häufig für diesen Zweck eingesetzt.

Einführen einer Zwischenschicht

Es gibt hauptsächlich zwei Methoden, eine Zwischenschicht an der Metall/β-Ga₂O₃-Grenzfläche einzuführen. Eine ist die Bildung einer intermediären Halbleiterschicht (ISL) mit niedriger Austrittsarbeit durch Glühen, z. B. Ti₂O₃. Die andere ist das Einfügen der abgeschiedenen ISL zwischen Metall und β-Ga₂O₃, was intensiv untersucht wurde. Im Vergleich zur ersten Methode ist die letztere günstiger für die Bildung von Ohmschen Kontakten aufgrund der hohen Trägerkonzentration der ISL. Die Bandlücken der ISLs reichen von 3,5 bis 4,0 eV, wie AZO (~3,2 eV), In₂O₃ (~2,9 eV) und IGZO (~3,5 eV). Typischerweise liegen die SBHs verschiedener Metalle, die auf β-Ga₂O₃ abgeschieden werden, im Bereich von 0,95–1,47 eV, wie in Abb. 11a gezeigt. Dennoch reduziert die Einbindung einer dünnen ISL die SBH, was es Elektronen erleichtert, vom Metall zum Leitungsband von β-Ga₂O₃ zu transportieren, wie in Abb. 11b illustriert. Zusätzlich könnte die hohe Elektronendichte in der ISL den Kontaktwiderstand weiter reduzieren.

Kürzlich wurde AZO/Ti/Au als Elektroden auf Si⁺-implantiertem β-Ga₂O₃ verwendet, und der erzielte spezifische Kontaktwiderstand betrug 2,82 × 10⁻⁵ Ω·cm² nach Glühen. Oshima et al. erreichten Platin/Indium-Zinn-Oxid (Pt/ITO) Ohmsche Kontakte zu β-Ga₂O₃ mit einem weiten Prozess-Temperaturfenster. Das große Prozessfenster von 900–1150 °C ermöglicht die Realisierung von Hochtemperaturbetrieb. Und ITO/Ti/Au-Elektroden zu β-Ga₂O₃ wurden auch von Carey et al. demonstriert, wobei die Probe ohmsches Verhalten mit ρ_c von 6,3 × 10⁻⁵ Ω·cm² nach Glühen zeigte. Ohne ITO lieferte dasselbe Glühen keine linearen Strom-Spannungs-Kennlinien. Diese Ergebnisse verifizieren die Effektivität des Hinzufügens von ISL für die Erlangung von Ohmschen Kontakten.

Bemerkenswert wurde eine Blase auf der Oberfläche von ITO/Ti/Au-Kontakten beobachtet, während keine Blasenbildung auf der einzelnen ITO-Schicht ohne Metallschicht darüber auftrat. Dies wurde als Ergebnis des Ausdiffundierens von Sauerstoffatomen in der ITO-Schicht in die oberen Metallschichten betrachtet. Daher ist es notwendig, geeignete Metalle oder Metallstapel als Kappendschichten auf ITO zu wählen, um die Degradation der Oberflächenmorphologie zu verhindern.

Schlussfolgerungen

In dieser Arbeit haben wir den signifikanten Fortschritt in F&E von β-Ga₂O₃-MOSFETs zusammengefasst. Dennoch sind die Kontakte auf β-Ga₂O₃ eines der Schlüsselprobleme, die sein potenzielles Anwendung als Hochfrequenz- und Hochspannungsbauelemente in der Zukunft limitieren. Obwohl dieser Review einen Überblick über State-of-the-Art-Methoden zur Bildung von Ohmschen Kontakten bietet, gibt es noch viel Raum für Erkundung, und ein Satz prägnanter Aussichten kann wie folgt verdaut werden: (i) Die Temperaturabhängigkeit und Degradationsmechanismen der Kontaktcharakteristiken benötigen weitere Untersuchungen für klare Klärung; (ii) Metalle mit niedriger Austrittsarbeit wie Ta und Hf und Metalle mit hohem Schmelzpunkt wie Mo, Nb und Ir sind es wert, für die Kontaktsschicht und Barriereschicht gescreent zu werden; (iii) Die optimalen Metallstapel auf β-Ga₂O₃ sind noch nicht vollständig realisiert, und eine umfassende und systematische Studie von Metallstapeln zu β-Ga₂O₃ ist imperativ für das Erreichen niedrigwiderständiger und thermisch stabiler Ohmscher Kontakte; und (iv) Andere potenzielle ISLs bestehend aus ZnO, IZO, IGZO etc. bleiben unerschlossen, sowie der Einfluss variierender Dicke und Proportionen der Inhaltsstoffe von ISLs auf die Leistung der Kontakte. Zusammenfassend sind die Studien über Ohmsche Kontakte zu β-Ga₂O₃ noch recht oberflächlich; wir glauben, dass dieses Thema weiterhin eines der fokussierten Themen in der Zukunft sein wird. Hoffentlich würden die Ansätze zur Bildung von Ohmschen Kontakten, die in diesem Review präsentiert werden, instrumental sein bei der Erreichung hochperformanter β-Ga₂O₃-Bauelemente.