新型低阻接触技术，大幅提升氮化镓器件能效

发光二极管、晶体管这类半导体器件一般由两部分构成：n型半导体通过电子携带负电荷，p型半导体则传输被称为空穴的正电荷载流子，空穴本质上就是电子空位。两部分都需要接触电极，使电流能够以最小的能量损耗流入和流出器件。这类连接被称为欧姆接触，几十年来，高电阻一直是薄型p型氮化镓半导体的效率瓶颈。

如今，名古屋大学可持续材料与系统研究所（IMaSS）的Haitao Wang与Jia Wang带领的研究团队，开发出一种降低p型氮化镓接触电阻的全新方法。研究人员在p型氮化镓表面沉积一层超薄镁层，并在600摄氏度（1112华氏度）下进行5分钟热处理，在不损伤表面的前提下，实现了 (1–3) × 10⁻⁴ Ω・cm² 的接触电阻率，这也是薄型p型氮化镓已报道的最低接触电阻率之一。

该研究成果已发表于相关期刊，有望让电动汽车、数据中心等场景所使用的各类电子设备拥有更高能效。

p型氮化镓接触面临的难题

掺镁p型氮化镓由名古屋大学的Isamu Akasaki与Hiroshi Amano研发，二人凭借蓝光LED相关工作获得2014年诺贝尔物理学奖。在该材料中，通过掺杂工艺掺入镁元素来产生空穴；镁的价电子数少于周围的镓原子。

但在室温条件下，镁是一种难以激活的电子受主。这就导致金属‑半导体界面没有足够的可移动空穴，会形成一个宽阔的势垒，也就是耗尽区。该势垒会对电荷流动产生很高的电阻，需要消耗更多能量才能让电流穿过。

应对高电阻率的一种思路，是在界面处生长高空穴浓度的重掺杂氮化镓层。但该工艺成本高、工序繁琐，并且在等离子刻蚀等后续器件制造环节中容易发生损坏。

超薄镁层实现目标

数年前，该研究团队曾尝试将金属镁直接沉积在氮化镓晶圆上，再进行退火热处理。当时所用镁层厚度达几十纳米。在实验过程中，他们还观察到了超晶格结构的生成。

“从基础科学角度来看，这种超晶格十分有意思。” 主导2024年相关研究、论文发表于Nature的Jia Wang表示，“但经过退火处理后的表面过于粗糙，器件可靠性令人担忧，尤其对于薄型p型氮化镓而言，因此该方案的部分优势无法充分发挥。”

为解决表面粗糙问题，Haitao Wang转而尝试沉积厚度薄得多的镁薄膜。但镁化学活性很强，在空气中极易氧化。为避免氧化，通常会设置保护层隔绝镁与空气接触。然而，所有带保护层的样品都出现了杂质问题。

“之后我制备了无保护层样品作为对照，结果出乎预料。”Haitao Wang说道，“我发现保护层并没有起到实质作用。” 原因大概率是：即便镁层总厚度不超过10纳米，也只有最表层的镁发生氧化，下层材料可以得到保留。

研究人员对这层薄膜采用软退火热处理：相比常规退火，样品加热温度更低，为600摄氏度（1112华氏度），加热时间也更短，仅5分钟。处理过程中，超薄镁层快速消耗，镁原子扩散进入p型氮化镓的表层区域。令研究团队欣喜的是，新工艺得到的表面远优于此前实验，更加平整。

这一层超薄、超高浓度的镁掺杂层收窄了接触耗尽区，促进空穴隧穿越过势垒，由此降低接触电阻。

此外，这种 “自上而下” 的工艺，相比 “自下而上” 的晶体生长，操作更简单、速度更快、成本更低。该工艺还可在器件加工完成后使用，灵活性更高，能够兼容现有制造流程，有望推动高效率半导体加速商业化落地。

Wang表示：“我们目前正将这套工艺应用到各类器件中，包括LED以及电动汽车所用晶体管。”