Planar Ohmic Contacts to Al_0.45Ga_0.55N/Al_0.3Ga_0.7N High Electron Mobility Transistors

Abstract

We present a low resistance, straightforward planar ohmic contact for Al 0.45 Ga 0.55 N/Al 0.3 Ga 0.7 N high electron mobility transistors. Five metal stacks (a/Al/b/Au; a = Ti, Zr, V, Nb/Ti; b = Ni, Mo, V) were evaluated at three individual annealing temperatures (850, 900, and 950 • C). The Ti/Al/Ni/Au achieved the lowest specific contact resistance at a 900 • C anneal temperature. Transmission electron microscopy analysis revealed a metal-semiconductor interface of Ti-Al-Au for an ohmic (900 • C anneal) and a Schottky (850 • C anneal) Ti/Al/Ni/Au stack. HEMTs were fabricated using the optimized recipe with resulting contacts that had room-temperature specific contact resistances of ρ c = 2.5 × 10 −5 cm 2 , sheet resistances of R SH = 3.9 k / , and maximum current densities of 75 mA/mm (at V GATE of 2 V). Electrical measurements from −50 to 200 • C had decreasing specific contact resistance and increasing sheet resistance, with increasing temperature. III-N amplifiers and power transistors are becoming increasingly important in commercial as well as in military applications, finding uses in everything from cellular base stations, to power converters, to satellites.1-2 The advent of new materials and fabrication capabilities enables further advances in this essential technology. Wide bandgap (WBG) SiC-and GaN-based devices have already improved power electronics, reducing their size and weight, compared to Si-based technologies.2 Further, increasing the Al fraction for both the channel and barrier in AlGaN high electron mobility transistors (HEMTs) has the potential to enable the production of HEMTs with higher breakdown voltages and a more attractive tradeoff between breakdown voltage and specific on-resistance, 3 thereby offering improved figures of merit. The ultra-wide-bandgap (UWBG) of AlGaN, in contrast to the WBG of GaN, also empowers devices to have enhanced temperature stability 2 and higher power density. 4 However, the advantages of higher aluminum content come with a challenge. ohmic contacts to high Al-fraction AlGaN devices are difficult to make with low contact resistance. This can be particularly challenging for contacts to HEMT structures where the 2D electron gas is contacted under a barrier layer of very high Al content AlGaN.Previous approaches to producing ohmic contacts on AlGaN HEMTs include Si ion implant under the contacts, 5,6 recessed etching 7 and selective area re-growth under ohmic contacts, 3 or planar contacts using various metallization schemes. 4,[8][9][10][11][12][13][14] Of all of these approaches, the planar, non-implanted contacts are the simplest to fabricate. A literature summary [4][5][6][14][15][16] of AlGaN HEMT contact metallurgy and the Al-fraction of the barrier and channel layers is listed in Table I. The specific contact resistance is plotted against the Al-fraction of both the barrier (Fig. 1A) and channel layers ( Figure 1B). Regardless of contact scheme, the specific contact resistance values for HEMT devices generally adhere to exponentially increasing trend l...

Al0.85Ga0.15N/Al0.70Ga0.30N High Electron Mobility Transistors with Schottky Gates and Large On/Off Current Ratio over Temperature

“…1b. These devices utilize planar Ti/Al/Ni/Au source and drain contacts with layer thicknesses comparable to those of GaN-channel 13 and AlGaN-channel HEMTs ohmic contacts, 14 but with sequential 30 s anneals at 900, 950, and 1000…”

Analysis of the Influence of a Number of Design and Technological Factors on the Parameters of Power Algan/Gan/Sic Hemt

“…Наличие технологии получения воспроизводимых контактов с низким удельным сопротивлением крайне важно для мощных НЕМТ на нитридных гетероструктурах, при этом для широкозонных материалов особенно с тонким нелегированным слоем (i-AlGaN) эта задача достаточно сложная. Для формирования контактов на структурах AlGaN/GaN, как правило, используются металлические композиции на основе Ti/Al, подвергнутые кратковременной термической обработке при Т = 800-900 о С, при этом обычно используются модификации композиций Ti/Al/Ni/Au и Тi/Al/Mo/Au с нижним слоем Ti и верхним Au для уменьшения сопротивления и минимизации процесса окисления «металлической» области [22][23][24]. При отжиге основное взаимодействие металла с гетероструктурой -реакция нижнего слоя титана с азотом нитридных слоёв с образованием слоя TiN с низкой работой выхода электронов и сопутствующего слоя азотных вакансий -доноров [23].…”

“…Для формирования контактов на структурах AlGaN/GaN, как правило, используются металлические композиции на основе Ti/Al, подвергнутые кратковременной термической обработке при Т = 800-900 о С, при этом обычно используются модификации композиций Ti/Al/Ni/Au и Тi/Al/Mo/Au с нижним слоем Ti и верхним Au для уменьшения сопротивления и минимизации процесса окисления «металлической» области [22][23][24]. При отжиге основное взаимодействие металла с гетероструктурой -реакция нижнего слоя титана с азотом нитридных слоёв с образованием слоя TiN с низкой работой выхода электронов и сопутствующего слоя азотных вакансий -доноров [23]. Известно, что химические реакции при отжиге могут сопровождаться образованием агломератов металла [24], поскольку уже при Т = 660 о С алюминий переходит в жидкое состояние и собирается в капли, а при дальнейшем повышении температуры может происходить растрескивание разделяющего слоя Ni (Мо), а также верхнего слоя золота с образованием фаз, например Ni-Al.…”

“…За основу была взята схема, предложенная в работе (рис. 12а) [23]. В этой работе показано, что общее сопротивление вжигаемых омических контактов, в частности, областей исток и сток, включает сумму последовательно включённых сопротивлений областей (рис.…”

“…12б): «металлической» области, представляющей собой композицию напылённых металлов и интерметаллических фаз, образовавшихся при отжиге; 2) модифицированного слоя AlGaN, предположительно, обогащённого алюминием; 3) оставшегося слоя AlGaN и канала двумерного газа. При этом относительное расположение «металлической» области в контакте может быть [23]: «металлическая» область проникает только в верхнюю часть барьерного слоя AlGaN; «металлическая» область захватывает почти весь барьерный слой, но не проникает в канал 2DEG; «металлическая» область проникает в барьерный слой и область двумерного газа (over-annealing case). На рис.…”