Galliumnitridin kontaktit monen mutkan takana

Nagoyan yliopiston IMaSS-instituutin Haitao Wangin ja Jia Wangin johtama ryhmä on nyt keksinyt uuden tavan alentaa p-tyypin GaN-kontaktien resistanssia.

He ovat havainneet, että ultraohuen magnesiumkerroksen kerrostaminen galliumnitridille (GaN) ja sen lyhytaikainen pehmeä hehkutus luo parhaat tähän mennessä raportoidut sähköiset kontaktit ohuille p-tyypin kerroksille, joita käytetään, esimerkiksi LEDien ja tehotransistorien rakenteissa.

Kyseisten kerrosten ohmiset kontaktit ovat olleet tehokkuuden pullonkaula ohuissa p-tyypin GaN-puolijohteissa vuosikymmeniä niiden suuren resistanssin vuoksi.

He kerrostivat erittäin ohuen magnesiumkerroksen p-GaN-pinnalle ja lämpökäsittelivät sitä 600 celsiusasteessa viiden minuutin ajan, jolloin saavutettiin (1–3) × 10⁻⁴ Ω cm²:n kontaktiresistiivisyys vahingoittamatta pintaa. Tämä on yksi alhaisimmista raportoiduista ohuen p-tyypin GaN:n kontaktiresistiivisyyksistä.

Magnesiumilla seostettu p-tyypin GaN kehitettiin Nagoyan yliopistossa Isamu Akasakin ja Hiroshi Amanon toimesta työstä, joka palkittiin vuoden 2014 fysiikan Nobel-palkinnolla sinisten LEDien ansiosta. Tässä materiaalissa elektronien aukkoja tuotetaan lisäämällä pieniä määriä magnesiumia, jossa on yksi valenssielektroni vähemmän kuin ympäröivässä galliumissa.

Tässä vaiheessa metallin ja puolijohteen rajapinnalla ei ollut tarpeeksi liikkuvia aukkoja, mikä johtaa leveään ehtymisalueeseen. Tämä este luo suuren resistanssin varauksen kululle, joten energiaa kuluu hukkaan. Sitä yritettiin korjata voimakkaasti seostetulla GaN-kerroksella, jossa on runsaasti aukkoja juuri rajapinnassa mutta se oli kuitenkin kallis ja vika-altis prosessi.

Vaihtoehtona yritettiin kerrostaa magnesiummetallia suoraan GaN-kiekolle ja käsitellä sitä hehkutuksella. Magnesiumkerroksesta tuli suhteellisen paksu mutta samalla tutkija löysivät tieteellisesti merkittävän superhilarakenteen. Mutta ohuen p-tyypin GaN:n kannalta pinta oli hehkutuksen jälkeen liian karkea.

Karheusongelman ratkaisemiseksi Haitao Wang ryhtyi kerrostamaan paljon ohuemman magnesiumkalvon. Ongelmaksi muodostui kuitenkin magnesiumin korkea reaktiivisuus, jonka vuoksi se hapettuu helposti ilmanalassa. Sen estämiseksi kokeiltiin suojaavaa kerrosta mutta se loi materiaaliin ei-toivottuja epäpuhtauksia.

”Kokeilin sitten suojaamatonta näytettä referenssinä, ja se oli yllätys”, Haitao Wang sanoi. ”Huomasin, ettei suojauksella ollut mitään vaikutusta.” On todennäköistä, että vain magnesiumin päällimmäinen kerros hapettuu, ja loput säilyvät, vaikka kokonaispaksuus olisi enintään 10 nanometriä.

Sitten tutkijat altistavat syntyneen kerroksen pehmeälle hehkutukselle, jonka aikana ultraohut magnesiumkerros kuluu nopeasti magnesiumin diffundoituessa p-tyypin GaN:n pinta-alueelle. Tutkijoiden iloksi tämä uusi pinta osoittautui paljon tasaisemmaksi kuin heidän aiemmassa työssään.

Tämä erittäin ohut, erittäin korkean pitoisuuden magnesium-seostettu kerros kavensi kontaktin ehtymisaluetta ja edisti aukkojen tunnelointia ja alensi siten kontaktiresistanssia.

Aiheesta aiemmin:

Ratkaisu ultraohuiden kalvojen kontaktiongelmaan

Tutkimus johdattaa 2D-transistorit lähemmäksi tuotantoa