名古屋大学天野浩教授团队开发出薄层p-GaN超低阻欧姆接触新工艺！

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（来源：第三代半导体产业）

近日，名古屋大学天野浩（Hiroshi Amano）教授团队联合多个国际知名GaN研究团队，改进并开发出一种适用于薄层p-GaN（厚度小于 100 nm）的超低比接触电阻欧姆接触工艺。

研究人员在 p-GaN 表面沉积亚 10 nm（sub-10-nm）厚的金属 Mg 薄膜，随后仅需进行简单的快速热处理——600 ℃、5 分钟的“软退火”——并经 HCl 清洗，即可在基本保持原有 p-GaN 表面平整度的同时，通过 Mg 自表面向下的浅层扩散形成极浅、高浓度的 Mg 掺杂 GaN 层，从而获得类似于自下而上原位外延生长的高掺杂 p⁺-GaN 超薄接触层的效果。

研究团队开展了系统的对照实验，并选用两种具有代表性的外延结构：面向 HEMT 应用的未经反应离子刻蚀（RIE）的 p-GaN/AlGaN/GaN-on-Si，以及面向 HBT 应用的经 RIE刻蚀的 p-GaN/UID-GaN/n-GaN-on-Si。通过圆形传输线法（circular transfer length method，CTLM）进行测试，并严格依据零偏压（zero-bias）下的微分电阻提取比接触电阻原则，实现了低至（1～3）×10-4Ω·cm²的比接触电阻。相关成果于 2026 年 8 月 11 日在线发表于《应用物理快报》（Applied Physics Letters）。

【研究背景】

p-GaN与金属电极之间能否形成低阻欧姆接触，直接影响相关器件的工作电压、效率与功耗。在p-GaN 表面形成Mg重掺杂的超薄p⁺层，是降低接触电阻的必须途径。传统方法通常通过外延生长形成极薄的重掺杂 p⁺-GaN接触层，不仅对外延生长和掺杂控制要求较高，而且在金属电极形成前的器件加工过程中，p-GaN表面还可能受到干法刻蚀等离子体的损伤。

针对这一瓶颈，名古屋大学天野浩教授团队自 2021 年起探索通过在 GaN 表面沉积金属 Mg 薄膜并进行快速热退火，实现低阻欧姆接触。然而，先前工艺通常采用数十纳米厚的 Mg 膜和较高的退火温度，容易造成退火后 GaN 表面显著粗化。对于厚度为数百纳米的 p-GaN 层，这种程度的表面粗化尚具有一定的容忍度；但对于厚度不足 100 nm 的薄层 p-GaN，严重的表面粗化会破坏外延层的完整性，进而使器件性能明显劣化。由于目前许多 GaN 电子器件采用薄层 p-GaN，传统 Mg 退火工艺的实际应用因此受到限制。

为解决这一问题，研究团队尝试将金属 Mg 膜厚度进一步降低至亚 10 nm（sub-10-nm）级。实验表明，这种超薄金属 Mg 膜即使不使用用于隔绝空气、抑制氧化的帽层，在室温空气中仍具有良好的稳定性。随后仅需在 600 ℃下退火 5 分钟，再通过酸洗去除表面残留的 Mg 及 MgO，即可通过 Mg 的极浅层扩散，在 p-GaN 表面形成高浓度 Mg 掺杂层，为实现低阻欧姆接触提供有利的表面结构。研究团队将这种与传统高温、长时间退火形成鲜明对比的低热预算处理称为“软退火”。与传统厚 Mg 退火工艺相比，超薄 Mg 软退火显著抑制了表面粗化，同时在接触电阻、载流子输运以及器件反向漏电等关键电学性能方面表现出明显优势。

【研究内容】

图1｜薄层Mg软退火工艺及其对 p-GaN 表面性质的影响。（a）未刻蚀和干法刻蚀薄层 p-GaN 样品的结构及工艺流程。薄层 Mg退火：在 p-GaN 表面沉积亚 10 nm级的Mg，并在 600 ℃下退火 5 min；厚 层Mg退火：在 p-GaN 表面沉积 50 nm Mg，并在 800 ℃下退火 15 min。（b）不同处理条件下 p-GaN 的 X 射线光电子能谱（XPS）价带谱及表面附近能带示意图。（c）退火前薄层Mg在p-GaN表面的 HAADF-STEM 图像及 Mg、Ga 和 N 的 EDS 元素分布图，显示约 8.5 nm厚的Mg 层连续覆盖于 p-GaN 表面。（d）软退火前后 p-GaN 中 Mg浓度的表层高分辨低能束SIMS深度分布。软退火后 Mg 在表面附近形成高浓度、极浅的分布。

如图 1(a) 所示，本研究选用了两种具有代表性的外延结构：左栏为未经 RIE 刻蚀的 p-GaN/AlGaN/GaN-on-Si，面向p-GaN 栅 HEMT 等应用；右栏为经 RIE 刻蚀的 p-GaN/u-GaN/n-GaN-on-Si，面向 HBT等器件应用。通过同时考察未刻蚀与刻蚀损伤后的 p-GaN 表面，研究进一步验证了该工艺对不同p-GaN表面状态的适用性。

HAADF-STEM和EDS观察证实，退火前厚度约为10 nm 的金属 Mg 膜能够连续覆盖 p-GaN 表面。由EAG公司提供的具有表层高分辨率的低能束SIMS结果显示，软退火后 Mg 浓度在表面附近达到约 1×1021 cm-3，并在约 10 nm 的深度范围内指数型迅速下降，形成极浅的高浓度 Mg 分布。

XPS进一步显示，价带顶与费米能级之间的能量差由 2.2 eV 减小至 1.3 eV。这表明软退火显著调控了 p-GaN 表面附近的电子能带状态，可降低金属/p-GaN 界面的有效空穴注入势垒，并有助于缩窄耗尽区、增强空穴隧穿。

图 2｜AFM 表面形貌比较。采用亚10 nm Mg级的软退火后，刻蚀表面的粗糙度基本保持不变；而采用 50 nm Mg 时则出现明显凝聚和粗化。

对于具有较薄 p-GaN 层的器件而言，退火后能否保持相对平整的表面，是决定该工艺能否实际应用的关键因素。AFM结果显示，经干法刻蚀后剩余厚度约为 50 nm 的 p-GaN 层，其表面均方根（RMS）粗糙度为 1.59 nm；经过超薄 Mg 退火后仍为 1.56 nm，几乎没有变化。相比之下，采用厚 Mg 膜退火后，RMS 粗糙度显著增至 18.22 nm，并出现明显的表面粗化。对于原本厚度仅约 50 nm 的 p-GaN 层而言，如此显著的表面起伏表明局部 p-GaN 可能已经发生严重减薄，从而可能影响 p-GaN 层的结构完整性及后续器件性能。

图3｜部分CTLM 测试结果展示（数据以三个独立 CTLM 结构测量结果的平均值 ± 标准偏差表示）。上排：RIE刻蚀后未经Mg退火处理的p-GaN; 中排：RIE刻蚀后经厚Mg退火处理的p-GaN; 下排：RIE刻蚀后经超薄Mg退火处理的p-GaN。（a）I–V特性；（b）零偏压下提取的TLM结果；（c）比接触电阻值和方块电阻随提取电压的变化。

研究团队采用圆形传输长度法（CTLM）系统评价欧姆接触特性。无论是经历等离子体曝光、表面存在刻蚀损伤的p-GaN，还是未经刻蚀且未预先生长p+-GaN接触层的p-GaN，经薄层Mg退火后，均可在0 V附近获得近线性I–V特性曲线。研究进一步采用零偏压下的微分电阻提取比接触电阻。由于零偏压处提取的微分电阻通常高于一定偏压下的对应数值，因此给出了相对保守的接触电阻估计。即便如此，测得的比接触电阻仍低至（1～3）×10-4Ω·cm2。这些结果同时表明，该工艺并不依赖特定的p-GaN 表面状态，对未经刻蚀以及刻蚀损伤的 p-GaN 表面均具有良好的适用性，体现出较强的工艺兼容性和器件通用性。

图4｜Mg退火后p-GaN 样品的霍尔输运特性。（a）采用 van der Pauw 法测得的 50 nm 厚 Mg 退火样品和亚10 nm 超薄 Mg 退火样品的方块电阻；（b）方块电阻的 Arrhenius 图；（c）298 K 下霍尔电压随磁场的变化；（d）空穴浓度的 Arrhenius 图；（e）亚10 nm 薄层 Mg 退火样品的空穴迁移率随温度的变化；（f）霍尔测量数据的加权参数空间分析。分析结果表明，补偿比 ND/NA低于 1%，说明材料中的补偿效应较弱。

利用霍尔效应，对超薄Mg 退火工艺进行载流子水平输运验证，如图 4(a) 所示，厚 Mg 退火后的 p-GaN 方块电阻约为超薄 Mg 退火样品的 30 倍。结合 AFM 观察到的显著表面粗化，这一结果进一步表明，厚 Mg 退火可能造成 p-GaN 实际平均厚度显著减小。相比之下，霍尔效应测试的进一步分析显示，超薄 Mg 退火样品的空穴迁移率在相近 Mg 掺杂浓度的 p-GaN 中的报道值处于较高水平［图 4(e)］，且施主/受主浓度补偿比 ND/NA低于 1%［图 4(f)］。这些结果表明，超薄 Mg 退火工艺并未引入大量会对空穴输运产生显著散射作用的补偿中心，在改善表面接触特性的同时，能够较好地保持 p-GaN 的载流子输运性能。

图5｜准垂直 p–i–n 二极管的器件性能验证。（a）器件结构；（b）（c）正向I–V特性；（d）理想因子；（e）反向耐压特性。超薄 Mg 处理在改善正向载流子注入的同时，保持了低漏电和高耐压特性。

研究团队进一步利用RIE 刻蚀后剩余厚度仅约 50 nm 的 p-GaN 制备准垂直 p–i–n 二极管，对超薄 Mg 退火工艺进行载流子垂直输运验证。采用超薄 Mg 退火后，随着 p-GaN 接触电阻显著降低，器件的正向空穴注入得到明显改善。与此同时，表面改性并未以牺牲器件反向性能为代价：器件仍保持 800 V 以上的反向耐压，对应估算峰值电场约为 2 MV/cm，且未观察到反向漏电流的明显增加。

这些结果进一步表明，超薄Mg 退火过程中可能引入的杂质或缺陷，并未形成对空穴输运产生显著影响的散射中心，也未表现出由深能级缺陷引起的明显反向漏电增加。换言之，该工艺在实现低接触电阻的同时，兼顾了平整的 p-GaN 表面、良好的空穴输运特性以及高耐压、低漏电等多项关键器件性能。

【研究意义】

本研究提出了可在保持薄层 p-GaN 表面光滑的同时形成低阻欧姆接触的实用工艺。该方法无需帽层，仅需沉积亚10 nm厚的金属Mg薄膜，并在 600 ℃下进行 5 分钟的短时快速热处理，工艺流程简单、灵活，因此具有较好的现有半导体制造工艺兼容性。

该技术有望拓展至 p-GaN 栅 HEMT、micro-LED、异质结双极晶体管（HBT）以及垂直 GaN 功率器件等多种采用薄层 p-GaN 的电子与光电子器件。

本研究获得日本科学技术振兴机构（JST）先进国际共同研究推进事业（ASPIRE）项目“金属Mg层与 GaN 层的超晶格结构（MiGs）的物性、器件应用及其超宽禁带半导体材料（AlN、Ga2O3等）超高浓度掺杂的拓展研究”（项目PI：天野浩特别教授）的支持。名古屋大学博士后研究员王海涛博士为论文第一作者，王嘉助理教授为论文通讯作者。

【文章信息】

论文标题：Enabling thin p-GaN Ohmic contacts through ultrathin magnesium deposition and brief thermal annealing

期刊：Applied Physics Letters, vol. 129, 063306

作者：Haitao Wang（王海涛）、Shumeng Yan（闫书萌）、Zhiyu Xu、Yingying Lin（林莹莹）、Peirong Yu（余培溶）、Joshua Jaehyung Park、Joseph E. Dill、Hei Wong（王曦）、Qingyuan Han（韩青原）、Xigen Li（李熙根）、Qian Sun（孙钱）、Tomás Palacios、Debdeep Jena、Huili Grace Xing、Jia Wang（王嘉）、Hiroshi Amano（天野浩）

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