超低阻欧姆接触！金刚石半导体器件重大突破！

中国粉体网讯  近日，哈工大红外薄膜与晶体团队创新提出过渡金属（TMs）金属化方法，首次在绝缘的氧终端本征金刚石（OTD）表面制备出了有效欧姆接触，10^-8Ωcm²级别极低比接触电阻打破了金刚石器件领域近三十年的记录。相关成果以Record Low Contact Resistivity of 10^-8Ωcm² Ohmic Contacts on Oxygen-Terminated Intrinsic Diamond by Transition Metals Metallization为题发表在国际微电子领域权威期刊《IEEE Electron Device Letters》，并申请多项中国发明专利。

金刚石作为超宽带隙（UWBG）半导体的代表，因其宽带隙、最高的机械强度与热导率、高载流子迁移率、高击穿场强与化学惰性等优异特性，被公认为终极半导体材料，在功率电子器件、深紫外光电子学、量子信息及极端环境应用等领域具有不可代替的优势。

单片集成互补逻辑电路与高速光互联建立在无数金属-半导体接触基础之上，而低电阻且耐久的欧姆接触是制约超宽禁带半导体光电子器件性能与应用的一大因素。

研究亮点

1.发明了过渡金属金属化制备金刚石欧姆接触方法；

2.首次在氧终端本征金刚石上制备可靠欧姆接触；

3.改善了测量超高阻半导体比接触电阻的CTLM法；

4.低达10^-8Ωcm²的比接触电阻值创造了金刚石领域最低值；

5.发明了定点制备金刚石浅层色心方法；

6.提出了新型金刚石欧姆接触形成机制，打破传统认知。

研究内容

在前人对掺硼金刚石钛基欧姆接触的研究基础上，作者提出损伤层概念假设：只要能在金刚石表面形成深入耗尽层的“导电损伤层”，便可在电极接触与体金刚石之间形成跨越势垒的电接触。此举或能解决制备OTD器件欧姆接触的难题。为验证假设的可行性，创新使用TMs（包括Pt、Ru、W、Cr、Zr和V）对OTD进行深度金属化处理，以形成更深的金刚石损伤层。

研究结果显示，金属化处理后，所用TMs均能在OTD表面形成低阻欧姆接触，且牢固附着在金刚石表面，显示出比氢终端金刚石欧姆接触更高的可靠性。

(a)制造过程示意图；(b) 样品光学照片；(c) 六种TMs接触的I-V特性曲线；(d)ρ_c值随温度T的变化图，彩色条带为拟合线；(e) 测得的ρ_c值及其与其他金刚石欧姆接触的比较

由于OTD本征电阻率极高，导通电流仅为皮安（10^-12A）级别，极易受到外界噪声等波动造成基线偏移，使用传输线理论（TLM）进行欧姆接触比接触电阻率（ρ_c）的测量是极为困难的。考虑测得的总电阻可等效于沟道电阻R_s与ρ_c之和。为减少R_s，将金属化后的样品进行氢终端处理，以获得具有二维空穴气（2DHG）导电的沟道。在氢终端处理后，对样品进行了多次ρ_c测量，实测Pt接触实现了2.5×10^-8Ωcm²的超低ρ_c值，打破了金刚石欧姆接触领域近三十年来最低记录。

欧姆接触

欧姆接触是一种具有低接触电阻的金属-半导体接触，接触界面的导电遵循金属欧姆定律，即电流与电压成正比。欧姆接触通常制作在高导电的重掺杂半导体表面，其势垒变得极薄，有利于载流子隧穿通过。由于p型掺杂的成功，掺硼金刚石表面的钛基欧姆接触和氢终端金刚石表面的贵金属欧姆接触已得到广泛应用，金刚石肖特基二极管与场效应晶体管得以实现。

然而相同欧姆接触制备工艺在具有稳定绝缘表面、奇异能带结构和极低载流子浓度的OTD上则难以实现，限制了极端环境下高性能光电子器件的发展，这不仅会导致功率二极管输出电流和整流比降低，晶体管开关比下降，光电探测器响应度和外量子效率降低，而且不良的附着力还会大大降低器件可靠性。

因此，探索基于OTD的优异欧姆接触势在必行，以充分释放其作为终极半导体的潜力，并提升其商业应用价值。

参考来源：

1.红外薄膜与晶体

2.杜昊临等.金刚石半导体器件研究概述

（中国粉体网编辑整理/轻言）

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