超低阻歐姆接觸！金剛石半導體器件重大突破！

中國粉體網訊  近日，哈工大紅外薄膜與晶體團隊創新提出過渡金屬（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域近三十年的記錄。相關成果以Record Low Contact Resistivity of 10^-8Ωcm² Ohmic Contacts on Oxygen-Terminated Intrinsic Diamond by Transition Metals Metallization為題發表在國際微電子領域權威期刊《IEEE Electron Device Letters》，并申請多項中國發明專利。

金剛石作為超寬帶隙（UWBG）半導體的代表，因其寬帶隙、最高的機械強度與熱導率、高載流子遷移率、高擊穿場強與化學惰性等優異特性，被公認為終極半導體材料，在功率電子器件、深紫外光電子學、量子信息及極端環境應用等領域具有不可代替的優勢。

單片集成互補邏輯電路與高速光互聯建立在無數金屬-半導體接觸基礎之上，而低電阻且耐久的歐姆接觸是制約超寬禁帶半導體光電子器件性能與應用的一大因素。

研究亮點

1.發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體比接觸電阻的CTLM法；

4.低達10^-8Ωcm²的比接觸電阻值創造了金剛石領域最低值；

5.發明了定點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制，打破傳統認知。

研究內容

在前人對摻硼金剛石鈦基歐姆接觸的研究基礎上，作者提出損傷層概念假設：只要能在金剛石表面形成深入耗盡層的“導電損傷層”，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。為驗證假設的可行性，創新使用TMs（包括Pt、Ru、W、Cr、Zr和V）對OTD進行深度金屬化處理，以形成更深的金剛石損傷層。

研究結果顯示，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) 樣品光學照片；(c) 六種TMs接觸的I-V特性曲線；(d)ρ_c值隨溫度T的變化圖，彩色條帶為擬合線；(e) 測得的ρ_c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）進行歐姆接觸比接觸電阻率（ρ_c）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R_s與ρ_c之和。為減少R_s，將金屬化后的樣品進行氫終端處理，以獲得具有二維空穴氣（2DHG）導電的溝道。在氫終端處理后，對樣品進行了多次ρ_c測量，實測Pt接觸實現了2.5×10^-8Ωcm²的超低ρ_c值，打破了金剛石歐姆接觸領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-半導體接觸，接觸界面的導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電的重摻雜半導體表面，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用，金剛石肖特基二極管與場效應晶體管得以實現。

然而相同歐姆接觸制備工藝在具有穩定絕緣表面、奇異能帶結構和極低載流子濃度的OTD上則難以實現，限制了極端環境下高性能光電子器件的發展，這不僅會導致功率二極管輸出電流和整流比降低，晶體管開關比下降，光電探測器響應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的優異歐姆接觸勢在必行，以充分釋放其作為終極半導體的潛力，并提升其商業應用價值。

參考來源：

1.紅外薄膜與晶體

2.杜昊臨等.金剛石半導體器件研究概述

（中國粉體網編輯整理/輕言）

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