通过选择性激光熔化制备的Al-Mg-Sc-Zr合金的冲击响应及微观结构演变

《Journal of Alloys and Compounds》：Impact response and microstructure evolution of Al-Mg-Sc-Zr alloy fabricated by selective laser melting

本研究通过优化Ti/Al/Ti/Au金属叠层中Ti接触层的厚度（5-30 nm）及快速热退火参数（350-900 °C，30-60 s），显著降低Fe掺杂半绝缘GaN（SI-GaN:Fe）的N面欧姆接触电阻至4.2×10^4 Ω/cm2，较原始样品降低80%，同时提升反向击穿电压至14-16 kV，最高达18 kV。实验表明，Ti层厚度和退火温度/时间协同调控氮空位（V_N）与镓空位（V_Ga）的界面平衡，800 °C退火30 s时形成稳定的Ti-N化合物，抑制界面氧化和金属颗粒聚集，从而优化接触性能。

　　

孙远航|周浩|郝新宇|卢正谦|王云宁|易菊敏|张玉敏|王建峰|徐珂

中国科学技术大学纳米技术与纳米生物学院，安徽合肥，230026

摘要

在Fe掺杂的半绝缘GaN（SI-GaN:Fe）的N面上制备高质量欧姆接触对于基于GaN的光电半导体开关（PCSSs）的性能和可靠性至关重要。在本研究中，我们探讨了Ti接触层厚度（5-30纳米）在Ti/Al/Ti/Au多层堆栈中的影响，以及快速热退火参数（350–900°C，30–60秒）对SI-GaN:Fe欧姆接触特性的影响。尽管SI-GaN:Fe本身具有较高的电阻率，但经过优化的接触结构——即在800°C下退火30秒的10纳米Ti层——实现了低至4.2 × 10^4 Ω·cm^2的特定接触电阻。与原始样品相比，这代表了约80%的电阻降低。具体而言，金属化优化进一步提高了约65%的性能。横截面TEM和EDS分析表明，欧姆接触行为的变化可能归因于高温退火过程中SI-GaN:Fe的热分解。Ga和N原子的温度依赖性外扩散改变了氮空位（V_N）和镓空位（V_G）之间的平衡。在适当的温度（800°C）下退火有利于N的扩散，促进了V_N的生成，并促进了Ti-Al-N化合物在界面处的形成，从而降低了接触电阻。相反，高温退火会加速Ga的扩散，增加V_G的浓度并导致表面聚集，从而降低电性能，使接触从欧姆行为转变为非欧姆行为。此外，优化的金属化工艺显著提高了制备的PCSS器件的击穿电压，从8–10 kV提升至14–16 kV，最高可达18 kV。这些发现为接触界面工程提供了详细的理解，并为制造可靠的基于GaN的高压PCSSs提供了实用指导。

引言

氮化镓（GaN）作为一种第三代宽带隙半导体材料，由于其宽带隙（3.4 eV）、高击穿电场（3–4 MV/cm）、高饱和漂移速度（2.5 × 10^7 cm/s）和优异的热导率[1]，在高压和高频电子应用中展现出巨大潜力。这些特性使得GaN在电力电子、射频（RF）通信和脉冲功率技术[2],[3]中非常吸引人。在光电半导体开关（PCSSs）中，Fe掺杂的半绝缘GaN（SI-GaN:Fe）由于其高击穿电场、低暗电流和直接带隙[4],[5]，已成为高功率、高频和宽带脉冲开关的理想基板。

尽管SI-GaN:Fe具有优异的材料特性，但基于GaN的PCSSs在击穿场强、操作稳定性和器件寿命方面仍面临重大挑战[6]。特别是在高电压条件下，金属电极边缘经常发生局部击穿，这可能导致热损伤和结构崩塌，最终导致器件失效[7]。

先前的研究表明，这种失效机制主要归因于两个因素。首先，在传统的平面结构中，电场拥挤会导致场分布极不均匀[8]。最强的电场往往集中在金属电极的边缘，那里的局部场强可能远超过平均值，显著增加电击穿的风险并降低器件的电压耐受性[9]。其次，高接触电阻和热积累的联合效应是另一个主要失效原因。尽管SI-GaN:Fe具有优异的击穿强度和低泄漏电流，但其体电阻率较高，导致金属-半导体界面的接触电阻较大[10]。在长时间运行过程中会产生大量的焦耳热，如果散热不足，最终可能导致热击穿并加速器件退化[11],[12]。

为了解决上述问题，最近的研究主要集中在两个方面。首先，在器件结构设计方面，例如将平面结构转换为垂直结构或使用透明电极，可以实现更均匀的电场分布，从而降低峰值电场并提高PCSSs的击穿电压性能[13]。其次，通过工艺工程改进金属-基底接触质量，旨在降低特定接触电阻（ρ_C）并提高器件在高压和高频操作下的稳定性[14]。特别是在垂直器件结构中，优化N面欧姆接触性能不仅降低了导通状态下的电阻，还对决定器件的热稳定性和整体可靠性起着关键作用[15]。

对于GaN欧姆接触，典型的电极结构由从GaN表面向上堆叠的四个金属层组成：接触层、覆盖层、阻挡层和帽层。每一层都有其独特的功能，这些金属的选择和配置直接影响接触电阻、热稳定性和电极的长期可靠性。目前最广泛采用的GaN欧姆接触结构是Ti/Al金属堆栈[16]。虽然可以使用多种金属（如Ta[17]、Cr[18]、V[19]和Hf[20]）作为GaN欧姆接触材料，但Ti仍然是最常用的接触层材料[21]。Ti的功函数相对较低（4.33 eV），接近GaN的功函数，有助于降低接触势垒并提高载流子注入效率。在界面处形成的氮化钛（TiN）会在GaN表面产生氮空位，这些空位作为施主缺陷，导致形成高掺杂的表面区域，显著增加载流子浓度[22],[23]。TiN的形成焓（-336 kJ/mol）远低于GaN（-110.9 kJ/mol），表明Ti-N反应具有更强的热力学驱动力，促进了稳定的界面键合。

然而，单独使用Ti作为电极在退火过程中容易在界面处产生空洞，从而削弱金属和半导体之间的机械接触[24],[25]。为了解决这个问题，通常会在Ti接触层上沉积一层铝（Al）[26]。在退火过程中，Al在高温下会局部熔化并与Ti发生互扩散，形成Ti-Al合金。这种合金有助于在GaN表面形成连续且均匀的金属层，从而抑制高温下的聚集并提高电极的结构稳定性和可靠性。此外，Ti/Al合金与GaN形成的接触势垒较低，使得载流子注入更加高效。由于这些优点，Ti/Al金属系统已成为最成熟和最广泛使用的GaN欧姆接触方法，并广泛应用于各种GaN电力电子设备[27]。

值得注意的是，晶体极性显著影响表面电子性质。正如Jang等人[28]所报告的，N面的GaN自然表现出较低的肖特基势垒高度（SBH），这归因于自极化的方向相反，减少了N面上的向上表面带弯曲。理论上，这一内在特性有助于电子载流子在界面处的传输。然而，由于N面的化学活性较高，实现这一潜力具有挑战性，需要精确控制界面反应。

在我们之前关于N面SI-GaN:Fe的研究中，我们系统评估了几种表面处理方法，发现使用感应耦合等离子体（ICP）干法刻蚀后进行盐酸（HCl）湿法刻蚀的组合方法可以显著减少界面氧含量和表面带弯曲，从而实现最低的接触电阻[30]。基于这种优化的表面处理工艺，本研究进一步探讨了两个关键制造参数——Ti接触层厚度和退火参数——对欧姆接触形成的影响。

在本研究中，我们在SI-GaN:Fe基板的N面上沉积了Ti/Al/Ti/Au金属堆栈，并系统研究了Ti接触层厚度（5–30纳米）和退火参数（350–900°C，30–60秒）对接触性能的影响。结果表明，优化Ti接触层厚度和退火参数有助于形成高质量欧姆接触，其特征是低接触势垒高度和低接触电阻。相反，不适当的Ti接触层厚度或退火参数会降低界面质量，改变电性能，并导致接触从欧姆行为转变为非欧姆行为。Ti接触层厚度显著影响Al的扩散、TiN的形成以及GaN在退火过程中的分解。这些过程又会影响界面处的氮/镓空位比例和最终的接触性能。优化的接触方案有效抑制了器件运行过程中的热积累，提高了基于GaN的PCSSs的电流处理能力和击穿强度。

材料与方法

商用SI-GaN:Fe基板由苏州纳米赢科技有限公司提供。通过圆形转移长度法（CTLM）评估了制备的欧姆接触的电阻率（ρ_C）。这些结构具有固定半径为300 μm的外圆电极，内外圆之间的间距从10 μm到45 μm不等。电阻率（ρ_C）也是通过CTLM测得的。内外圆之间的总电阻（R_total）也被测量。

Ti接触层厚度对欧姆接触的影响

样品的欧姆接触性能受到Ti接触层厚度的显著影响。一般来说，Ti接触层必须符合一定的厚度标准：首先，Ti层不能太薄，因为它需要清除残余的表面氧并减少残余的表面氧化物。过薄的Ti层可能无法完全去除这些残余氧，从而导致GaO_X的形成，阻碍载流子传输。此外，过厚的Ti层也会影响接触性能。

结论

在本研究中，我们系统研究了Ti接触层厚度（5–30纳米）和快速热退火（RTA）参数（350–900°C，30–60秒）对N面SI-GaN:Fe欧姆接触形成的影响，基于我们之前开发的表面预处理工艺（ICP干法刻蚀+HCl湿法刻蚀）。通过精细调节金属堆栈中的Ti厚度和退火条件，我们确定了在800°C下退火30秒的10纳米Ti层为最佳条件，实现了最低的接触电阻。

CRediT作者贡献声明

孙远航：撰写——原始草稿，验证，研究，数据管理，概念化。周浩：验证，研究。郝新宇：数据管理。卢正谦：概念化。王云宁：研究。易菊敏：研究，概念化。张玉敏：撰写——审阅与编辑，资金获取。王建峰：项目管理，资金获取。徐珂：资源，项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号62574214、12274360）、先进材料-国家科技重大项目（项目编号2024ZD0605000）、江苏省重点研发项目（项目编号BE2023007）和江苏省关键科技专项项目（项目编号BG2024019）的支持。