On the importance of Ni-Au-Ga interdiffusion in the formation of a Ni-Au / p-GaN ohmic contact

Titolo: Sull'importanza dell'interdiffusione Ni-Au-Ga nella formazione di un contatto ohmico Ni-Au/p-GaN

1. Il Problema

I semiconduttori a base di nitruri del gruppo III (come il GaN) sono fondamentali per dispositivi optoelettronici ad alta potenza e LED. Tuttavia, la realizzazione di contatti ohmici a bassa resistenza sul lato p (p-GaN) rimane una sfida critica. Le difficoltà derivano da:

• L'alta energia di attivazione dei droganti di tipo p (come il Mg), che porta a una bassa densità di accettori ionizzati.
• La mancanza di metalli con un lavoro di uscita adatto al p-GaN (circa 6,6 eV) per minimizzare l'altezza della barriera Schottky.
• L'incertezza sui meccanismi fisici esatti che trasformano un contatto Ni-Au/p-GaN da rettificante a ohmico dopo l'annealing termico.

Sebbene l'annealing in atmosfera ossidante sia noto per migliorare i contatti, il ruolo relativo della formazione di ossido di nichel (NiOx) all'interfaccia, della pulizia della superficie ("auto-cleaning") o della creazione di vacanze di gallio (Ga) non è stato chiarito definitivamente. Alcuni studi precedenti attribuiscono il successo ohmico alla presenza di NiOx all'interfaccia, mentre altri suggeriscono il ruolo delle vacanze di Ga.

2. Metodologia

Gli autori hanno condotto uno studio sistematico combinando caratterizzazione elettrica e analisi microstrutturale ad alta risoluzione:

• Campioni: Strutture epitassiali LED standard (InGaN/GaN) con uno strato di p-GaN drogato al Mg.
• Deposizione: Sono stati depositati strati di Ni (20 nm o 3 nm) e Au (200 nm o 3 nm) mediante evaporazione a fascio di elettroni. Sono state variate le velocità di evaporazione per controllare la qualità degli strati.
• Annealing (RTA): Trattamento termico rapido (RTA) in atmosfera di ossigeno puro a diverse temperature (350°C, 450°C, 650°C) e durate (2-10 min). Sono stati inclusi test in atmosfera di azoto per confronto.
• Caratterizzazione Elettrica: Misurazioni TLM (Transmission Line Method) per determinare la resistenza di contatto specifica ($r_c$), la corrente massima ($I_{max}$) e l'altezza della barriera Schottky ($\Phi_B$).
• Analisi Strutturale e Chimica: Utilizzo di Microscopia Elettronica a Trasmissione ad Alta Risoluzione (HR-TEM/STEM) accoppiata alla Spettroscopia a Raggi X a Dispersione di Energia (EDX). Sono state analizzate sezioni trasversali preparate con FIB per mappare la distribuzione degli elementi (Ni, Au, Ga, O) e quantificare la composizione atomica locale.

3. Contributi Chiave

Il lavoro fornisce una chiarificazione fondamentale sui meccanismi di formazione del contatto ohmico:

1. Smentita del ruolo primario del NiOx all'interfaccia: Contrariamente a quanto ipotizzato in alcuni studi recenti, la presenza di Ni o NiOx direttamente a contatto con il p-GaN non è la causa principale del comportamento ohmico.
2. Identificazione del meccanismo critico: È stata dimostrata l'importanza cruciale della creazione di vacanze di Gallio (Ga) nello strato di p-GaN superficiale, indotta dall'interdiffusione tra Au e Ga.
3. Ruolo dell'ossigeno: L'atmosfera di ossigeno durante l'annealing non serve solo a formare NiOx, ma è essenziale per facilitare la diffusione del Ni verso la superficie (dove si ossida) e, di conseguenza, promuovere la diffusione dell'Au verso il basso e l'out-diffusione del Ga dal semiconduttore.
4. Ottimizzazione dei parametri: È stato dimostrato che contatti ohmici eccellenti possono essere ottenuti anche con strati metallici molto sottili e a temperature di annealing più basse (350°C), se si utilizza una velocità di evaporazione controllata.

4. Risultati Sperimentali

• Campioni non ricotti: Mostrano un comportamento Schottky con barriera di circa 0,70 eV e alta resistenza di contatto.
• Effetto dell'annealing (450°C, 2 min): Si osserva una drastica riduzione della barriera Schottky e della resistenza di contatto. Le analisi TEM-EDX rivelano che il Ni diffonde completamente verso la superficie formando uno strato di NiOx, mentre l'Au diffonde verso il basso sostituendo il Ni all'interfaccia.
• Formazione dello strato Au-Ga: All'interfaccia GaN/metallo si forma uno strato ricco di Ga e Au. L'analisi quantitativa EDX mostra una significativa incorporazione di Ga nello strato metallico (fino al 14-60% in atomo a seconda dello spessore e delle condizioni), indicando una forte out-diffusione del Ga dal reticolo del GaN. Questo processo crea vacanze di Ga nel p-GaN.
• Assenza di Ni all'interfaccia: Dopo 10 minuti di annealing, il Ni è completamente assente dall'interfaccia (tutto ossidato in superficie), ma il contatto rimane ohmico. Questo prova che il NiOx all'interfaccia non è necessario.
• Campioni sottili (3 nm): Anche senza annealing, campioni con strati sottili e bassa velocità di evaporazione mostrano un miglioramento elettrico significativo e una diffusione di Ga già presente, suggerendo che la creazione di vacanze di Ga è il fattore dominante.
• Degradazione ad alte temperature: Annealing a 650°C degrada il contatto a causa della formazione di grandi vuoti e della discontinuità dello strato Au-Ga.

5. Significato e Implicazioni

Questo studio ridefinisce la comprensione della fisica dei contatti ohmici su p-GaN:

• Meccanismo Dominante: La formazione di un contatto ohmico efficace non dipende dalla presenza di un ossido di nichel (NiOx) all'interfaccia, ma dalla creazione di vacanze di gallio nel p-GaN superficiale, facilitata dalla formazione di una lega interfaciale ricca di Ga e Au.
• Implicazioni per la fabbricazione: I risultati suggeriscono che è possibile ottimizzare i contatti p-GaN utilizzando metalli diversi (non solo Ni/Au) purché si favorisca l'interdiffusione e la creazione di vacanze di Ga. Inoltre, si possono utilizzare temperature di processo più basse (350°C) e strati metallici più sottili, riducendo i costi e il danno termico ai dispositivi.
• Robustezza del modello: La capacità di ottenere contatti ohmici anche dopo la rimozione chimica dello strato di NiOx (come suggerito da altri lavori) è coerente con la conclusione che il NiOx non è il fattore determinante, ma piuttosto un sottoprodotto del processo di diffusione assistito dall'ossigeno.

In sintesi, il lavoro sposta il focus dalla chimica dell'interfaccia (NiOx) alla difettologia del semiconduttore (vacanze di Ga) come meccanismo chiave per la riduzione della barriera Schottky nei contatti p-GaN.