Inovações em Contatos Metálicos de Óxido de Gálio Beta para Eletrônica de Potência Avançada

Resumo

Óxido de gálio beta (β-Ga₂O₃) de banda ultra-larga tem atraído considerável atenção como material semicondutor promissor para eletrônica de potência de próxima geração. Possui excelentes propriedades materiais como banda larga de 4,6–4,9 eV, alto campo de ruptura elétrico de 8 MV/cm e excepcional figura de mérito de Baliga (BFOM), além de superior estabilidade química e térmica. Essas características sugerem grande potencial para aplicações futuras em dispositivos de potência e optoeletrônicos. No entanto, a questão crítica de contatos entre metal e Ga₂O₃ limita desempenho de dispositivos β-Ga₂O₃. Neste trabalho, revisamos avanços em contatos de MOSFETs β-Ga₂O₃. Para melhorar propriedades de contato, quatro abordagens principais são resumidas e analisadas em detalhes, incluindo pré-tratamento, pós-tratamento, eletrodo metálico multicamadas e introdução de intercamada. Por comparação, as duas últimas são estudadas intensivamente e mais favoráveis que pré-tratamento, que inevitavelmente geraria danos incontroláveis. Finalmente, conclusões e perspectivas futuras para melhorar ainda mais contatos ôhmicos são apresentadas.

Introdução

Recentemente, óxido de gálio (Ga₂O₃) considerado candidato promissor para preparar dispositivos de alta potência e alta eficiência em virtude de suas excelentes propriedades materiais. Ga₂O₃ tem cinco polimorfos diferentes, designados α-Ga₂O₃, β-Ga₂O₃, γ-Ga₂O₃, δ-Ga₂O₃ e ε-Ga₂O₃, entre os quais β-Ga₂O₃ é o mais termodinamicamente estável e tem sido extensivamente estudado. Com banda ultra-larga de 4,6–4,9 eV, o campo de ruptura teórico (E_br) de 8 MV/cm para β-Ga₂O₃ é cerca de três vezes maior que SiC ou GaN, permitindo que dispositivos baseados em β-Ga₂O₃ lidem com tensões de comutação gigantescas. A adequação de semicondutores para aplicações de dispositivos de potência é geralmente avaliada pela figura de mérito de Baliga (BFOM). BFOM de β-Ga₂O₃ é quase triplo que de SiC e GaN, reduzindo significativamente perda de condução. Além disso, velocidade de saturação de elétrons é teoricamente estimada em torno de 2 × 10⁷ cm/s, tornando-o atraente para operações de alta frequência. Outro interesse distinto de β-Ga₂O₃ entre semicondutores de banda larga é que cristais únicos de alta qualidade podem ser sintetizados custo-efetivamente usando técnicas de crescimento por fusão. Além disso, filmes epitaxiais n-type β-Ga₂O₃ de alta qualidade podem ser realizados dopando precisamente com Sn, Si, Ge e Mg, e densidade eletrônica obtida varia de 10¹⁶ a 10¹⁹ cm⁻³. Devido às vantagens acima sobre outros semicondutores de banda larga, β-Ga₂O₃ mostra capacidades para ser material promissor para eletrônica de potência bem como eletrônica de ambiente extremo (alta temperatura, alta tensão, alta radiação).

Muitos dispositivos promissores β-Ga₂O₃ foram relatados, incluindo diodos de barreira Schottky, MOSFETs e vários tipos de fotodetectores cegos ao solar. Entre estes, MOSFETs são configuração mais prevalente para operação de radiofrequência e alta potência, aproveitando plenamente seu alto E_br e BFOM. No entanto, um dos desafios para aplicação de β-Ga₂O₃ em dispositivos MOSFET é a dificuldade em formar contatos ôhmicos comparado a semicondutores de banda estreita. Geralmente, excelente contato ôhmico entre semicondutor e eletrodo metálico é essencial para dispositivos semicondutores de alto desempenho. Contatos de baixa resistência poderiam reduzir queda de tensão no contato e consequentemente aumentar tensão através do canal, garantindo densidade de corrente projetada e altas velocidades de comutação. Além disso, contatos de baixa resistência contribuem para reduzir geração de calor que poderia agravar efeito de autoaquecimento.

Consequentemente, fabricação de contatos ôhmicos de alta qualidade é pré-requisito para alcançar dispositivos de alto desempenho. Nesta revisão, começamos com conceitos fundamentais de contatos metal/semicondutor. Na seção "Abordagens para Contatos Ôhmicos", resumo de avanços recentes significativos em contatos ôhmicos a β-Ga₂O₃ é apresentado, e abordagens são discutidas e analisadas. Finalmente, perspectivas para melhorar contatos ôhmicos a β-Ga₂O₃ no futuro são fornecidas.

Física Básica de Contatos Ôhmicos

Contato ôhmico é junção metal/semicondutor na qual não há barreira na interface impedindo transporte de portadores, como ilustrado na Fig. 1a. Pelo contrário, barreira de energia existente na interface inibirá transporte de portadores entre metal e semicondutor, como evidenciado na Fig. 1b. Notavelmente, contatos formados entre semicondutores de banda larga e metais são sempre Schottky. Assim, resistência de contato normalmente depende da altura de barreira Schottky (SBH) Φ_B metal/semicondutor. Para semicondutor tipo n, obedece equação: qΦ_B = qΦ_m - χ_s, onde Φ_m é função trabalho do metal e χ_s é afinidade eletrônica do semicondutor.

Conforme Eq. (1), é importante reduzir SBH para formar contato ôhmico. Além disso, alta dopagem em semicondutores poderia facilitar formação de contatos ôhmicos, ex.: para semicondutores fortemente dopados (N_D > ~10¹⁸ cm⁻³), barreira se torna estreita o suficiente e permite elétrons tunelarem diretamente através da interface devido a curvatura significativa da banda de condução. No entanto, níveis de dopagem alcançáveis em β-Ga₂O₃ são geralmente abaixo do que pode ser obtido em Si, como ocorre com outros semicondutores de banda larga. Além disso, estados de superfície também desempenham papel importante na formação de contatos ôhmicos, frequentemente definidos como regiões de recombinação de alta taxa. Esses níveis de defeito na banda média induzidos por estados de superfície são capazes de ajudar transporte de portadores. Isso implica que bom contato ôhmico pode ser formado introduzindo estados de superfície apropriados no semicondutor.

Quantificação elétrica das características de contato é necessária para avaliar qualidade dos contatos. Atualmente, resistividade de contato específica ρ_C é um dos parâmetros comumente usados para acessar desempenho de contatos ôhmicos, tipicamente expressa em Ω·cm². Resistividade de contato específica é quantidade muito útil independente da geometria do contato e refere-se apenas à interface metal/semicondutor. Até agora, menor ρ_C de 4,6 × 10⁻⁶ Ω·cm² relatado para contatos Ti/Au a β-Ga₂O₃. Wong et al. também obtiveram baixo ρ_C de 7,5 × 10⁻⁶ Ω·cm² com contatos Ti/Au. Até agora, muitos esforços dedicados a obter contatos com baixo ρ_C, e valores típicos para resistividades de contato específicas espalham-se em faixa de 10⁻⁵–10⁻⁶ Ω·cm² para bons contatos ôhmicos.

Abordagens para Contatos Ôhmicos

Até o momento, investigações sobre propriedades intrínsecas de β-Ga₂O₃ foram realizadas principalmente em sua estrutura MOSFET, na qual dois métodos de síntese de canal são geralmente adotados: flocos exfoliados micromeccanicamente (nanomembrana) e filme epitaxial β-Ga₂O₃ em seu substrato nativo, resumidos na Tabela 1.

Normalmente, flocos de β-Ga₂O₃ exfoliados podem ser transferidos para quaisquer substratos convenientemente e custo-efetivamente. Verificou-se que propriedades materiais de flocos β-Ga₂O₃ não degeneram durante exfoliação, conforme evidenciado por espectroscopia Raman e microscopia de força atômica, significando que desempenho de MOSFETs baseados em flocos exfoliados é comparável ao baseado em camadas epitaxiais. Devido a essas vantagens, este método é recomendado para estudar características elétricas consistindo de densidade de defeitos interfaciais, tensão de ruptura, espalhamento de fonons ópticos de superfície e propriedade térmica, i.e., efeito de autoaquecimento.

Conforme resumido na Tabela 1, métodos empregados para melhorar contatos ôhmicos poderiam ser geralmente categorizados em três tipos: (1) pré-tratamento, (2) pós-tratamento, e (3) eletrodo metálico multicamadas. Além disso, introduzir intercamada também pode obter contatos ôhmicos superiores, o que não é mostrado na Tabela 1.

Pré-tratamento

Pré-tratamento realizado antes da deposição metálica, incluindo implantação iônica, bombardeamento por plasma e gravação reativa por íons (RIE). Higashiwaki et al. demonstraram que contatos formados usando pilha Ti/Au com processo de pré-tratamento RIE mostraram comportamento quase ôhmico, enquanto amostra sem tratamento RIE mostrou comportamento Schottky, como ilustrado na Fig. 3. Diferença significativa atribuída à difusão externa de átomos de oxigênio livres gerados através de bombardeamento contínuo quebrando ligações Ga-O expostas, deixando muitas vacâncias de oxigênio que atuam como doadores em β-Ga₂O₃. Por outro lado, tratamento RIE contínuo também geraria estados de superfície consideráveis que desempenham papel importante durante formação de contato. Figura 4 mostra características de saída DC associadas das quais relação quasi-linear corrente-tensão em baixa tensão de dreno pode ser observada. Em trabalho posterior, conforme demonstrado na Fig. 5, características de saída exibiram boa relação linear entre corrente e tensão de dreno onde implantação de íons Si e RIE aplicados a β-Ga₂O₃ juntos e resistividade de contato específica extremamente baixa de 8,1 × 10⁻⁶ Ω·cm² alcançada. Obviamente, comportamento ôhmico obtido por RIE e implantação Si⁺ juntos superaria aquele por RIE apenas, já que átomos Si são doadores rasos com pequenas energias de ativação em β-Ga₂O₃. Adicionalmente, Zhou et al. relataram transistores de efeito de campo β-Ga₂O₃ de alto desempenho com bombardeamento de plasma Ar antes de deposição de metal de contato. Amostra sem bombardeamento Ar exibiu contato Schottky. Diferença atribuída à geração de vacâncias de oxigênio e estados de superfície durante processo de bombardeamento de plasma Ar, mesma que tratamento RIE.

Embora técnicas acima possam melhorar desempenho de contatos ôhmicos, tais tecnologias não são praticamente aplicáveis porque dano induzido é geralmente última coisa que engenheiros de processo querem em dispositivos semicondutores, e além disso, contatos ôhmicos induzidos por dano nem sempre são reprodutíveis.

Por esta razão, além das técnicas tradicionais supracitadas usadas frequentemente para formar contatos ôhmicos de baixa resistência, técnica relativamente nova — dopagem por spin-on-glass (SOG) — foi recentemente adotada, e resistividade de contato específica de 2,1±1,4 × 10⁻⁵ Ω·cm² alcançada, verificando eficácia da técnica de dopagem SOG. Figura 6 mostra características de saída de MOSFETs β-Ga₂O₃ dopados SOG que exibiram excelente comportamento linear em baixa tensão de dreno. Comparado a implantação iônica, dopagem SOG reduz difusão de espécies induzida por dano e reduz custos abandonando implante iônico caro. Similar a implantações iônicas, princípio básico por trás desta tecnologia é dopar região S/D com doadores rasos. Obviamente, contato ôhmico superior pode ser alcançado com β-Ga₂O₃ intencionalmente dopado. Por exemplo, β-Ga₂O₃ altamente dopado usado para fabricar transistores de efeito de campo β-Ga₂O₃ com correntes de dreno excedendo 1,5 A/mm. Recorde de alta corrente de dreno devido a dopagem pesada em β-Ga₂O₃ que causa camada de depleção muito fina, e elétrons podem tunelar facilmente através desta barreira levando a comportamento de contato ôhmico. Interessante, orientação da superfície β-Ga₂O₃ também pode influenciar comportamento de contato. Baik et al. relataram que mesmos eletrodos em β-Ga₂O₃ mostraram diferentes propriedades de contato, onde amostra em substrato (2̄01) comportou-se como contatos ôhmicos enquanto controle em (010) exibiu comportamento Schottky. Isso poderia ser atribuído a diferentes razões Ga/O e densidade de ligações pendentes em orientações específicas.

Pós-tratamento

Pós-tratamento realizado após deposição metálica, referindo-se principalmente ao processo de recozimento. Recozimento desempenha papel na redução de dano induzido por tecnologias de processo prévias como implantação iônica e bombardeamento por plasma. Adicionalmente, contribui para formação de intercamada que pode reduzir descontinuidade da banda de condução entre metal e β-Ga₂O₃. Notavelmente, parâmetros incluindo temperatura, atmosfera e tempo de recozimento exercem influência importante no desempenho de dispositivos. Experimento de recozimento em ar e N₂ implementado para comparar efeito de atmosfera de recozimento em contatos ôhmicos baseados em β-Ga₂O₃. Como visto na Fig. 7, desempenho de recozimento em N₂ superou aquele em ar, o que poderia ser atribuído a que maior pressão parcial de oxigênio em ar suprimiu formação de vacâncias de oxigênio. No entanto, dependência de características de contato em temperatura, atmosfera e tempo de recozimento é incerta; portanto, mais necessário otimizar parâmetros do processo de recozimento.

Eletrodo Metálico Multicamadas

Outra abordagem para formar contatos ôhmicos é reduzir SBH na interface metal/semicondutor. SBH iguala diferença entre função trabalho do metal e afinidade eletrônica do semicondutor. Baseado neste reconhecimento, espera-se que metais com baixa função trabalho formem contatos ôhmicos em β-Ga₂O₃. No entanto, provou-se que função trabalho não é fator dominante na formação de contato ôhmico.

Nove metais depositados em β-Ga₂O₃ selecionados baseados em propriedades como função trabalho, temperatura de fusão e estabilidade de óxido. Função trabalho do metal Ti e afinidade eletrônica de β-Ga₂O₃ não intencionalmente dopado são conhecidos como 4,33 eV e 4,00±0,05 eV, respectivamente, então barreira de 0,22 eV deveria existir na interface levando a contato Schottky. Não obstante, contatos Ti com camada de cobertura Au foram ôhmicos com menor resistência entre nove metais após recozimento. Enquanto isso, Bae et al. exploraram dependência de propriedades de contato em Ti/Au e Ni/Au para dispositivos baseados em flocos β-Ga₂O₃ exfoliados. Observou-se que desempenho de MOSFETs com eletrodos metálicos Ti/Au superou aqueles com Ni/Au sob mesma condição de recozimento. Inicialmente, considerou-se que funções trabalho de Ni e Ti são 5,01 eV e 4,33 eV, respectivamente, então Ti poderia formar contato ôhmico mais facilmente que Ni; porém, estudos através de espectroscopia de dispersão de energia (EDS) demonstraram que porcentagem atômica de oxigênio na região β-Ga₂O₃ diminuiu enquanto porcentagem atômica de oxigênio em Ti próximo à interface aumentou após recozimento, como ilustrado na Fig. 8. Fenômeno atribuído à difusão externa de átomos de oxigênio de β-Ga₂O₃ para metal Ti, levando à formação de vacâncias de oxigênio atuando como doadores. Além disso, durante processo de recozimento, difusão externa acelerada de átomos de oxigênio em β-Ga₂O₃ poderia reagir com Ti e formar Ti₂O₃ útil para formar contatos ôhmicos devido à sua baixa função trabalho (3,6–3,9 eV). Portanto, reação interfacial entre metais e β-Ga₂O₃ é fator importante na formação de contatos ôhmicos na interface metal/semicondutor.

Além disso, verificou-se que a maioria dos eletrodos metálicos Ti/Au usados para formar contatos ôhmicos foram recozidos a 450 °C ou 470 °C por processo térmico rápido. Comportamento de degradação similar de características de contato observado quando recozimento realizado acima de 500 °C. Yao et al. especularam que camada isolante de óxido foi formada possivelmente em temperatura de recozimento elevada, resultando em contatos deteriorados. No entanto, Bae et al. observaram que superfície de metal depositado ficou muito mais rugosa após recozimento a 700 °C devido à mistura intermolecular de metais e difusão de átomos de gálio e oxigênio em eletrodos metálicos, atribuída como razão para comportamento de degradação. Obviamente, mecanismos de degradação de contatos Ti/Au a β-Ga₂O₃ após recozimento de alta temperatura ainda estão em debate.

Dispositivos baseados em β-Ga₂O₃ com contatos Ti/Au não atendem demanda para operação sob alta temperatura. Portanto, para evitar degradação de características de contato em temperatura de recozimento elevada, pilhas metálicas mais complexas devem ser adotadas. Até agora, Ti/Al/Au, Ti/Au/Ni e Ti/Al/Ni/Au foram empregados para formar contatos elétricos em β-Ga₂O₃. Mas comparação abrangente de características de contato entre estas pilhas metálicas ainda é insuficiente.

Mohammad e Greco et al. discutiram papel de cada camada metálica em pilhas complexas, fornecendo diretrizes para melhorar contatos ôhmicos. Esquemático das pilhas metálicas mostrado na Fig. 10. Nota que esta abordagem está atualmente em desenvolvimento para dispositivos de potência baseados em GaN.

Primeira camada metálica no substrato, referida como camada de contato, deve ter baixa função trabalho e boa adesão ao substrato. Além disso, também pode bloquear difusão de metais de camadas superiores com altas funções trabalho no substrato. Atualmente, Ti é metal principal como camada de contato a β-Ga₂O₃ devido à sua baixa função trabalho (4,33 eV) e boa adesão ao substrato. Além disso, formação de Ti₂O₃ e Ti₃O₅ com funções trabalho menores que Ti na interface é favorecida na formação de contatos ôhmicos, pois os óxidos reduzem SBH e deixam vacâncias de oxigênio atuando como doadores. No entanto, outros metais com baixas funções trabalho incluindo Ta (3,1 eV) e Hf (3,9 eV) não foram explorados ainda. Segunda camada superior com baixa função trabalho deve ser capaz de formar compostos intermetálicos com camada de contato para prevenir sua difusão na interface. Atualmente, Al usado como camada superior, pois atende a estes requisitos. Terceira camada metálica (camada barreira) serve para limitar difusão interna da camada metálica superior e difusão externa de camadas metálicas inferiores. Ni é camada barreira mais comumente usada para β-Ga₂O₃. Existem outros bons candidatos como Mo, Nb e Ir com altos pontos de fusão para substituir Ni, os quais espera-se tenham menor reatividade e solubilidade para Au que Ni. Quarta camada de cobertura atua como camada protetora para prevenir ou minimizar oxidação de metais subjacentes. Praticamente, Au comumente empregado para este propósito.

Introdução de Intercamada

Existem principalmente dois métodos de introduzir intercamada na interface metal/β-Ga₂O₃. Um é formar camada semicondutora intermediária (ISL) com baixa função trabalho por recozimento, ex.: Ti₂O₃. Outro é inserir ISL depositada entre metal e β-Ga₂O₃, que tem sido intensivamente estudada. Comparado ao primeiro método, o segundo é mais favorável para formar contatos ôhmicos devido à alta concentração de portadores da ISL. Bandas de ISLs variam de 3,5 a 4,0 eV, como AZO (~3,2 eV), In₂O₃ (~2,9 eV) e IGZO (~3,5 eV). Tipicamente, SBHs de vários metais depositados em β-Ga₂O₃ estão na faixa de 0,95–1,47 eV, como mostrado na Fig. 11a. Não obstante, incorporação de ISL fina reduz SBH, facilitando transporte de elétrons do metal para banda de condução de β-Ga₂O₃, como ilustrado na Fig. 11b. Adicionalmente, alta densidade de elétrons em ISL poderia reduzir ainda mais resistência de contato.

Recentemente, AZO/Ti/Au usado como eletrodos em β-Ga₂O₃ implantado com Si⁺, e resistividade de contato específica obtida foi 2,82 × 10⁻⁵ Ω·cm² após recozimento. Oshima et al. alcançaram contatos ôhmicos platina/índio-estanho (Pt/ITO) a β-Ga₂O₃ com ampla janela de temperatura de processo. Grande janela de processo de 900–1150 °C permite realização de operação de alta temperatura. Eletrodos ITO/Ti/Au a β-Ga₂O₃ também demonstrados por Carey et al., onde amostra mostrou comportamento ôhmico com ρ_C de 6,3 × 10⁻⁵ Ω·cm² após recozimento. Sem ITO, mesmo recozimento não entregou características corrente-tensão lineares. Estes resultados verificam eficácia de adição de ISL para obter contatos ôhmicos.

Notavelmente, bolha na superfície de contatos ITO/Ti/Au observada enquanto nenhuma bolha em camada única ITO sem camada metálica acima. Considerado resultado de difusão externa de átomos de oxigênio na camada ITO para camadas metálicas superiores. Portanto, necessário escolher metal ou pilhas metálicas apropriadas como camadas de cobertura em ITO para prevenir degradação da morfologia superficial.

Conclusões

Neste trabalho, resumimos progresso significativo em P&D de MOSFETs β-Ga₂O₃. No entanto, contatos em β-Ga₂O₃ são uma das questões-chave limitando sua aplicação potencial como dispositivos de alta frequência e alta tensão no futuro. Embora esta revisão forneça visão geral dos métodos estado-da-arte para formar contatos ôhmicos, ainda há muito espaço a explorar, e conjunto de perspectivas concisas pode ser digerido como segue: (i) Dependência de temperatura e mecanismo de degradação de características de contato precisam investigações adicionais para clarificação; (ii) Metais com baixa função trabalho como Ta e Hf e metais com alto ponto de fusão como Mo, Nb e Ir são dignos de triagem para servir como camada de contato e camada barreira, respectivamente; (iii) Pilhas metálicas ótimas em β-Ga₂O₃ não foram totalmente realizadas ainda, e estudo abrangente e sistemático de pilhas metálicas a β-Ga₂O₃ é imperativo para alcançar contatos ôhmicos de baixa resistência e termicamente estáveis; e (iv) Outras ISLs potenciais consistindo de ZnO, IZO, IGZO, etc. permanecem inexploradas, bem como influência de variar espessura e proporção de ingredientes de ISLs no desempenho dos contatos. Em resumo, estudos sobre contatos ôhmicos a β-Ga₂O₃ ainda são bastante superficiais; acreditamos que este tópico continuará sendo um dos focos no futuro. Esperamos que abordagens para formar contatos ôhmicos apresentadas nesta revisão sejam instrumentais para alcançar dispositivos β-Ga₂O₃ de alto desempenho.