Inovasi Kontak Logam Beta-Galium Oksida untuk Elektronika Daya Lanjutan

Abstrak

Galium oksida beta lebar ultra-sempit (β-Ga₂O₃) telah menarik perhatian besar sebagai bahan semikonductor menjanjikan untuk elektronika daya generasi mendatang. Memiliki properti material yang unggul seperti jarak energi lebar 4,6–4,9 eV, medan listrik breakdown tinggi 8 MV/cm, dan Baliga’s figure of merit (BFOM) yang luar biasa, bersama stabilitas kimia dan termal yang superior. Fitur-fitur ini menunjukkan potensi besar untuk aplikasi di masa depan dalam perangkat daya dan optoelektronik. Namun, isu kritis kontak antara logam dan Ga₂O₃ membatasi kinerja perangkat β-Ga₂O₃. Dalam karya ini, kami telah meninjau kemajuan kontak pada MOSFET β-Ga₂O₃. Untuk meningkatkan properti kontak, empat pendekatan utama diringkas dan dianalisis secara detail, termasuk perawatan awal, perawatan pasca, elektroda logam multilayer, dan perkenalan lapisan antara. Dengan perbandingan, metode terakhir dua sedang diteliti secara intensif dan lebih menguntungkan dibandingkan perawatan awal yang tak terhindarkan akan menghasilkan kerusakan yang tidak terkontrol. Akhirnya, kesimpulan dan perspektif masa depan untuk meningkatkan kontak Ohmik lebih lanjut disajikan.

Pendahuluan

Terakhir, galium oksida (Ga₂O₃) dianggap sebagai calon menjanjikan untuk menyusun perangkat daya tinggi dan efisiensi tinggi berkat properti material yang unggul [1,2,3]. Ga₂O₃ memiliki lima polimorf yang berbeda, yaitu α-Ga₂O₃, β-Ga₂O₃, γ-Ga₂O₃, δ-Ga₂O₃, dan ε-Ga₂O₃, di mana β-Ga₂O₃ adalah yang paling stabil termodinamis dan telah banyak diteliti [4]. Dengan jarak energi ultra-lebar 4,6–4,9 eV [5,6,7], medan breakdown teoretis (E_br) sebesar 8 MV/cm untuk β-Ga₂O₃ sekitar tiga kali lebih besar dari SiC atau GaN [8,9,10], yang memungkinkan perangkat berbasis β-Ga₂O₃ menangani tegangan switching yang sangat besar. Kesesuaian semikonductor untuk aplikasi perangkat daya biasanya dievaluasi menggunakan Baliga’s figure of merit (BFOM) [11]. BFOM β-Ga₂O₃ hampir tiga kali lipat SiC dan GaN, mengurangi kehilangan konduksi secara signifikan [3, 12,13,14]. Selain itu, kecepatan elektron saturasi diperkirakan sekitar 2 × 10⁷ cm/s, menjadikannya menarik untuk operasi frekuensi tinggi [15,16,17,18,19,20]. Minat yang khas dari β-Ga₂O₃ di antara semikonductor jarak energi lebar adalah kristal tunggal berkualitas tinggi dapat disintesis secara hemat biaya menggunakan teknik pertumbuhan leleh [21,22,23,24]. Selain itu, film epitaksial β-Ga₂O₃ tipe n berkualitas tinggi dapat direalisikan dengan doping presisi Sn, Si, Ge, dan Mg, dan densitas elektron yang didapat bervariasi dari 10¹⁶ hingga 10¹⁹ cm⁻³ [25,26,27,28]. Karena keuntungan di atas dibandingkan semikonductor jarak energi lebar lainnya, β-Ga₂O₃ menunjukkan kemampuannya sebagai bahan yang menjanjikan untuk elektronika daya serta elektronika lingkungan ekstrem (suhu tinggi, tegangan tinggi, dan radiasi tinggi) [29,30,31].

Banyak perangkat β-Ga₂O₃ yang menjanjikan telah dilaporkan, termasuk dioda barrier Schottky [32], MOSFET [1,2,3], dan berbagai jenis detektor fotonik buta matahari [33, 34]. Di antara perangkat ini, MOSFET adalah konfigurasi paling umum untuk operasi frekuensi radio dan daya tinggi [35], memanfaatkan E_br dan BFOM yang tinggi. Namun, salah satu tantangan untuk aplikasi β-Ga₂O₃ dalam perangkat MOSFET adalah kesulitan dalam membentuk kontak Ohmik dibandingkan semikonductor jarak energi sempit [36]. Biasanya, kontak Ohmik yang baik antara semikonductor dan elektroda logam sangat penting untuk perangkat semikonductor berkinerja tinggi [37, 38]. Kontak dengan resistensi rendah dapat mengurangi penurunan tegangan pada kontak dan akibatnya meningkatkan tegangan di seluruh saluran, memastikan densitas arus yang dirancang dan kecepatan switching yang tinggi. Selain itu, kontak dengan resistensi rendah berkontribusi pada pengurangan pembangkitan panas yang dapat memperburuk efek pemanasan sendiri.

Akibatnya, pembuatan kontak Ohmik berkualitas tinggi adalah prasyarat untuk mencapai perangkat berkinerja tinggi. Dalam tinjauan ini, kami memulai dengan konsep dasar kontak logam/semikonductor. Di bagian "Pendekatan Kontak Ohmik", disajikan rangkuman kemajuan signifikan terbaru tentang kontak Ohmik pada β-Ga₂O₃, dan pendekatan kontak Ohmik dibahas serta dianalisis. Akhirnya, beberapa perspektif disediakan untuk meningkatkan kontak Ohmik pada β-Ga₂O₃ di masa depan.

Fisika Dasar Kontak Ohmik

Kontak Ohmik adalah juncsi logam/semikonductor di mana tidak ada barrier di antarmuka yang menghambat transportasi pemagas, seperti diilustrasikan pada Gambar 1a. Sebaliknya, adanya bar energi di antarmuka akan menghambat transportasi pemagas antara logam dan semikonductor, seperti terlihat pada Gambar 1b. Secara khusus, kontak yang terbentuk antara semikonductor jarak energi lebar dan logam selalu bertipe Schottky. Oleh karena itu, resistensi kontak biasanya bergantung pada tinggi barrier Schottky logam/semikonductor (SBH) Φ_B. Untuk semikonductor tipe n, hal ini mematuhi persamaan:

$$ {q\Phi}_B={q\Phi}_m-{\chi}_s $$ (1)

Ilustrasi skematis a kontak Ohmik dan b kontak Schottky. E_C, E_V, E_{F, m}, dan E_{F, s} adalah level energi tepi pita konduksi, tepi pita valensi, energi Fermi logam dan semikonductor, masing-masing

di mana Φ_m adalah fungsi kerja logam dan χ_s adalah affinitas elektron semikonductor.

Seperti digambarkan dalam Eq. (1), penting untuk mengurangi SBH untuk membentuk kontak Ohmik. Selain itu, doping tinggi dalam semikonductor dapat memfasilitasi pembentukan kontak Ohmik, misalnya, untuk semikonductor yang sangat terdoping (N_D > ~ 10¹⁸ cm⁻³), bar akan menjadi sempit cukup dan mengizinkan elektron langsung menembus melalui antarmuka akibat lenturan pita konduksi yang signifikan [39], seperti ditunjukkan pada Gambar 2. Namun, tingkat doping yang dapat dicapai dalam β-Ga₂O₃ biasanya di bawah yang dapat didapat dalam Si, seperti halnya dengan semikonductor jarak energi lebar lainnya. Selain itu, status permukaan juga memainkan peran penting dalam pembentukan kontak Ohmik yang sering didefinisikan sebagai wilayah dengan tingkat rekombinasi tinggi. Level defek pita tengah yang diinduksi oleh status permukaan ini dapat membantu transportasi pemagas. Ini berarti bahwa kontak Ohmik yang baik dapat dibentuk dengan memperkenalkan status permukaan yang tepat ke dalam semikonductor [40,41,42,43].

Diagram pita energi di antarmuka logam/semikonductor dengan semikonductor yang sangat terdoping

Pengukuran listrik dari karakteristik kontak diperlukan untuk mengevaluasi kualitas kontak. Saat ini, resistivitas kontak spesifik ρ_C adalah salah satu parameter yang umum digunakan untuk menilai kinerja kontak Ohmik, biasanya dinyatakan dalam Ω ∙ cm² [44]. Resistivitas kontak spesifik adalah kuantitas yang sangat berguna yang independen dari geometri kontak dan hanya merujuk pada antarmuka logam/semikonductor. Hingga sekarang, ρ_C terendah sebesar 4,6 × 10⁻⁶ Ω ∙ cm² telah dilaporkan untuk kontak Ti/Au pada β-Ga₂O₃ [45]. Wong et al. juga memperoleh ρ_C rendah sebesar 7,5 × 10⁻⁶ Ω ∙ cm² dengan kontak Ti/Au [46]. Hingga saat ini, banyak upaya telah dilakukan untuk mendapatkan kontak dengan ρ_C rendah, dan nilai typikal untuk resistivitas kontak spesifik menyebar dalam rentang 10⁻⁵–10⁻⁶ Ω ∙ cm² untuk kontak Ohmik yang baik [36].

Pendekatan Kontak Ohmik

Hingga saat ini, penelitian tentang properti intrinsik β-Ga₂O₃ sebagian besar telah dilakukan pada struktur MOSFET-nya, di mana dua jenis metode sintesis saluran biasanya diadopsi. Satu adalah flakes (nanomembran) yang dihasilkan dengan pelepisan mekanik; yang lain adalah film epitaksial β-Ga₂O₃ pada substrat aslinya, seperti diringkas dalam Tabel 1.

Biasanya, flakes β-Ga₂O₃ yang dipelepis dapat dipindahkan ke substrat apa saja dengan mudah dan hemat biaya. Ditemukan bahwa properti material flakes β-Ga₂O₃ tidak akan degradasi selama pelepisan sebagaimana dibuktikan dengan spektroskopi Raman dan mikroskopi gaya atom [19], berarti kinerja MOSFET berdasarkan flakes yang dipelepis setara dengan yang berdasarkan lapisan epitaksial. Keuntungan ini, metode ini direkomendasikan untuk mempelajari karakteristik listrik yang terdiri dari densitas defek antarmuka, tegangan breakdown, penyerakan fon optik permukaan [47,48,49], dan properti termal, yaitu efek pemanasan sendiri [50, 51].

Seperti diringkas dalam Tabel 1, metode yang digunakan untuk meningkatkan kontak Ohmik dapat secara umum dikategorikan menjadi tiga tipe: (1) perawatan awal, (2) perawatan pasca, dan (3) elektroda logam multilayer. Selain itu, perkenalan lapisan antara juga dapat menghasilkan kontak Ohmik yang superior yang tidak ditampilkan dalam Tabel 1.

Perawatan Awal

Perawatan awal dilakukan sebelum penyetoran logam, termasuk implos ion, bombardemen plasma, dan etching ion reaktif (RIE). Higashiwaki et al. menunjukkan bahwa kontak yang dibentuk dengan menggunakan tumpukan Ti/Au dengan proses perawatan awal RIE menunjukkan perilaku hampir Ohmik, sedangkan sampel tanpa perawatan RIE menunjukkan perilaku Schottky, seperti diilustrasikan pada Gambar 3 [1]. Perbedaan signifikan dapat diatribusikan pada difusi keluar atom oksien bebas yang dihasilkan melalui bombardemen berkelanjutan dengan memecah ikatan Ga-O yang terpapar, meninggalkan banyak rongga oksien yang bertindak sebagai donatur dalam β-Ga₂O₃. Di sisi lain, perawatan RIE berkelanjutan juga akan menghasilkan status permukaan yang cukup banyak yang memainkan peran penting selama pembentukan kontak [41]. Gambar 4 menunjukkan karakteristik output DC terkait yang dari mana arus quasi-linear pada tegangan drain rendah dapat diamati. Dalam karya mereka yang lebih lanjut, seperti ditunjukkan pada Gambar 5, karakteristik output menunjukkan hubungan linear yang baik antara arus dan tegangan drain di mana implos ion Si dan RIE diterapkan pada β-Ga₂O₃ bersama-sama dan resistivitas kontak spesifik sangat rendah sebesar 8,1 × 10⁻⁶ Ω∙cm² telah dicapai [12]. Jelas, perilaku Ohmik yang diperoleh dengan RIE dan implos Si⁺ bersama-sama akan lebih unggul dibandingkan hanya RIE karena atom Si dikenal sebagai donatur dangkal dengan energi aktivasi kecil dalam β-Ga₂O₃ [34]. Selain itu, Zhou et al. melaporkan transistor efek lapangan β-Ga₂O₃ berkinerja tinggi dengan bombardemen plasma Ar sebelum penyetoran logam kontak [52]. Sebaliknya, sampel tanpa bombardemen Ar menunjukkan kontak Schottky. Perbedaan dapat diatribusikan pada pembentukan rongga oksien dan status permukaan selama proses bombardemen plasma Ar, sama seperti perawatan RIE.

(Secara online) Kurva I–V yang diukur antara dua kontak (Ti/Au yang di-setor) yang dibuat dengan dan tanpa perawatan RIE pada substrat n-Ga₂O₃. Direproduksi dari Ref. [1]

(Secara online) Karakteristik output DC transistor efek lapangan logam/semikonductor Ga₂O₃. Direproduksi dari Ref. [1]

Kurva I–V DC MOSFET Ga₂O₃ (L_g = 2 μm) yang diukur pada suhu ruangan. Direproduksi dari Ref. [12]

Meskipun teknik-technik di atas dapat meningkatkan kinerja kontak Ohmik, teknologi tersebut tidak dapat diterapkan secara praktis karena kerusakan yang diinduksi biasanya adalah hal terakhir yang diinginkan oleh insinyur proses dalam perangkat semikonductor, dan selain itu, kontak Ohmik yang diinduksi oleh kerusakan tidak selalu dapat direproduksi.

Karena alasan ini, selain teknik tradisional yang disebutkan sebelumnya yang sering digunakan untuk membentuk kontak Ohmik dengan resistensi rendah, teknik yang relatif baru—doping spin-on-glass (SOG)—baru-baru ini diadopsi [53], dan resistivitas kontak spesifik sebesar 2,1±1,4 × 10⁻⁵ Ω∙cm² telah dicapai, yang memverifikasi efektivitas teknik doping SOG. Gambar 6 menunjukkan karakteristik output MOSFET β-Ga₂O₃ yang terdoping SOG yang menunjukkan perilaku linear yang sangat baik pada tegangan drain rendah. Dibandingkan dengan implos ion, doping SOG mengurangi difusi spesies yang diinduksi oleh kerusakan dan menurunkan biaya dengan mengabaikan implos ion yang mahal. Mirip dengan implos ion, prinsip dasar di balik teknologi ini adalah doping wilayah S/D dengan donatur dangkal. Jelas, kontak Ohmik yang superior dapat dicapai dengan β-Ga₂O₃ yang secara sengaja terdoping. Misalnya, β-Ga₂O₃ yang sangat terdoping digunakan untuk membuat transistor efek lapangan β-Ga₂O₃ dengan arus drain yang melebihi 1,5 A/mm [50]. Arus drain tertinggi ini disebabkan oleh doping berat dalam β-Ga₂O₃ yang menyebabkan lapisan depleksi yang sangat tipis, dan elektron dapat menembus melalui barrier ini dengan mudah yang mengakibatkan perilaku kontak Ohmik. Menariknya, orientasi permukaan β-Ga₂O₃ juga dapat mempengaruhi perilaku kontak. Baik et al. melaporkan bahwa elektroda yang sama pada β-Ga₂O₃ menunjukkan properti kontak yang berbeda, di mana sampel pada substrat (2̅01) berperilaku sebagai kontak Ohmik sedangkan sampel kontrol pada (010) menunjukkan perilaku Schottky. Ini dapat diatribusikan pada rasio Ga/O yang berbeda dan densitas ikatan longgar pada orientasi tertentu [54].

Karakteristik output MOSFET S/D-doped SOG dengan L_g = 8 μm, jarak drain gate L_gd = 10 μm. Direproduksi dari Ref. [53]

Perawatan Pasca

Perawatan pasca dilakukan setelah penyetoran logam, terutama merujuk pada proses annealing. Annealing berperan dalam mengurangi kerusakan yang diinduksi oleh teknologi proses sebelumnya seperti implos ion dan bombardemen plasma. Selain itu, ia berkontribusi pada pembentukan lapisan antara yang dapat mengurangi ketidakterusan pita konduksi antara logam dan β-Ga₂O₃. Secara menarik, parameter termasuk suhu, atmosfer, dan waktu annealing mempengaruhi kinerja perangkat secara penting. Eksperimen tentang annealing di udara dan N₂ dilakukan untuk membandingkan efek atmosfer annealing pada kontak Ohmik berbasis β-Ga₂O₃ [55]. Seperti yang dapat dilihat pada Gambar 7, kinerja annealing di N₂ lebih unggul dari pada di udara, yang dapat diatribusikan pada tekanan parsial oksigen yang lebih tinggi di udara menekan pembentukan rongga oksien. Namun, ketergantungan karakteristik kontak pada suhu, atmosfer, dan waktu annealing pada karakteristik kontak tidak jelas; oleh karena itu, parameter proses annealing perlu dioptimalkan lebih lanjut.

Properti listrik flakes β-Ga₂O₃ dengan atmosfer annealing termal dan suhu annealing yang berbeda. Kontak Ti/Au di bawah a N₂ dan b udara. Direproduksi dari Ref. [55]

Elektroda Logam Multilayer

Pendekatan lain untuk membentuk kontak Ohmik adalah dengan mengurangi SBH di antarmuka logam/semikonductor. SBH sama dengan selisih antara fungsi kerja logam dan affinitas elektron semikonductor. Berdasarkan pengakuan ini, seseorang mungkin berharap logam dengan fungsi kerja rendah akan membentuk kontak Ohmik pada β-Ga₂O₃. Namun, telah terbukti bahwa fungsi kerja bukan faktor dominan dalam pembentukan kontak Ohmik [56].

Sembilan logam yang di-setor pada β-Ga₂O₃ dipilih berdasarkan properti seperti fungsi kerja, suhu leleh, dan stabilitas oksida [57]. Fungsi kerja logam Ti dan affinitas elektron β-Ga₂O₃ yang tidak terdengaja diketahui masing-masing sebesar 4,33 eV dan 4,00±0,05 eV [19, 58, 59], sehingga bar sebesar 0,22 eV harus ada di antarmuka yang mengarah pada kontak Schottky. Namun, ternyata kontak Ti dengan lapisan penutup Au adalah Ohmik dengan resistensi terendah di antara sembilan logam setelah annealing. Sementara itu, Bae et al. mengeksplorasi ketergantungan properti kontak pada Ti/Au dan Ni/Au untuk perangkat berdasarkan flakes β-Ga₂O₃ yang dipelepis [55]. Terjadi bahwa kinerja MOSFET dengan elektroda logam Ti/Au lebih unggul daripada yang dengan elektroda logam Ni/Au dalam kondisi annealing yang sama. Pada awalnya, diasumsikan bahwa fungsi kerja Ni dan Ti masing-masing sebesar 5,01 eV dan 4,33 eV, sehingga Ti dapat membentuk kontak Ohmik dengan lebih mudah dibandingkan Ni; namun, studi melalui spektroskopi energi dispersif (EDS) menunjukkan bahwa persentase atom oksigen di wilayah β-Ga₂O₃ menurun sementara persentase atom oksigen di Ti di dekat antarmuka meningkat setelah annealing, seperti diilustrasikan pada Gambar 8 [55]. Fenomena ini diatribusikan pada difusi keluar atom oksigen dari β-Ga₂O₃ ke logam Ti, yang mengarah pada pembentukan rongga oksien yang bertindak sebagai donatur. Selain itu, selama proses annealing, difusi keluar atom oksigen yang dipercepat dalam β-Ga₂O₃ dapat bereaksi dengan Ti dan membentuk Ti₂O₃ yang berguna untuk membentuk kontak Ohmik karena fungsi kerjanya yang rendah (3,6–3,9 eV). Oleh karena itu, reaksi antarmuka antara logam dan β-Ga₂O₃ adalah faktor penting dalam membentuk kontak Ohmik di antarmuka logam/semikonductor.

Profil persentase atom oleh EDS dari metalisasi dan β-Ga₂O₃ a sebelum dan b setelah annealing pada suhu 500 °C. Direproduksi dari Ref. [55]

Selain itu, ditemukan bahwa sebagian besar elektroda logam Ti/Au yang digunakan untuk membentuk kontak Ohmik di-annealing pada 450 °C [45, 53] atau 470 °C [12, 46, 57, 60] oleh proses thermal cepat. Perilaku degradasi serupa dari karakteristik kontak diamati ketika annealing dilakukan di atas 500 °C dalam Ref. [55, 56], seperti diilustrasikan pada Gambar 7 dan 9, masing-masing. Yao et al. menyangka bahwa lapisan oksida isolator terbentuk kemungkinan pada suhu annealing yang lebih tinggi, yang mengarah pada kontak yang melurun. Namun, Bae et al. mengamati bahwa permukaan logam yang di-setor menjadi jauh lebih kasar setelah annealing 700 °C akibat campuran logam dan difusi atom galium dan oksigen ke dalam elektroda logam, yang diatribusikan sebagai alasan perilaku degradasi. Jelas, mekanisme degradasi kontak Ti/Au pada β-Ga₂O₃ setelah annealing suhu tinggi masih diperdebatkan.

Plot I–V untuk kontak Ti/Au pada wafer Ga₂O₃ (2̅01) yang terdoping Sn sebagai fungsi suhu annealing dalam Ar (waktu annealing 1 menit). Direproduksi dari Ref. [56]

Perangkat berbasis β-Ga₂O₃ dengan kontak Ti/Au tidak dapat memenuhi kebutuhan untuk bekerja pada suhu tinggi. Oleh karena itu, untuk menghindari degradasi karakteristik kontak pada suhu annealing yang lebih tinggi, tumpukan logam yang lebih kompleks harus diadopsi. Hingga saat ini, tumpukan logam Ti/Al/Au [50, 52], Ti/Au/Ni [61, 62], dan Ti/Al/Ni/Au [13, 21, 63, 64] telah digunakan untuk membentuk kontak listrik pada β-Ga₂O₃. Namun, perbandingan komprehensif karakteristik kontak antara tumpukan logam ini masih belum cukup.

Mohammad [65] dan Greco et al. [36] membahas peran setiap lapisan logam dalam tumpukan logam kompleks, memberikan beberapa pedoman untuk meningkatkan kontak Ohmik. Skematik tumpukan logam ditunjukkan pada Gambar 10. Perlu dicatat bahwa pendekatan ini saat ini sedang dikembangkan untuk perangkat daya berbasis GaN [66,67,68,69].

Skematik tumpukan logam untuk mendapatkan kontak Ohmik pada semikonductor jarak energi lebar

Lapisan logam pertama pada substrat, yang disebut lapisan kontak, harus memiliki fungsi kerja rendah dan perekat yang baik ke substrat. Selain itu, ia juga dapat mencegah difusi logam lapisan atas dengan fungsi kerja besar ke dalam substrat. Saat ini, Ti adalah logam utama sebagai lapisan kontak untuk β-Ga₂O₃ karena fungsi kerjanya yang rendah (4,33 eV) dan perekat yang baik ke substrat. Selain itu, pembentukan Ti₂O₃ dan Ti₃O₅ dengan fungsi kerja yang lebih rendah dari Ti di antarmuka mendukung pembentukan kontak Ohmik karena oksida mengurangi SBH dan meninggalkan rongga oksien yang bertindak sebagai donatur. Namun, logam lain dengan fungsi kerja rendah termasuk Ta (3,1 eV) dan Hf (3,9 eV) belum pernah diteliti. Lapisan penutup kedua dengan fungsi kerja rendah harus dapat membentuk senyawa logam-logam dengan lapisan kontak untuk mencegah difusinya ke antarmuka. Saat ini, Al digunakan sebagai lapisan penutup karena dapat memenuhi persyaratan ini. Lapisan logam ketiga (lapisan barrier) bertujuan untuk membatasi difusi masuk lapisan logam atas dan difusi keluar lapisan logam bawah [70, 71]. Ni adalah lapisan barrier yang paling umum digunakan untuk β-Ga₂O₃. Ada kandidat lain yang baik seperti Mo, Nb, dan Ir dengan titik leleh tinggi untuk menggantikan Ni yang diharapkan memiliki reaktivitas dan kelegakan terhadap Au yang lebih rendah dibandingkan Ni [72,73,74,75]. Lapisan penutup keempat bertindak sebagai lapisan pelindung untuk mencegah atau meminimalkan oksidasi logam di bawahnya. Secara praktis, Au biasanya digunakan untuk tujuan ini.

Memperkenalkan Lapisan Antara

Ada terutama dua metode untuk memperkenalkan lapisan antara di antarmuka logam/β-Ga₂O₃. Satu adalah membentuk lapisan semikonductor perantara (ISL) dengan fungsi kerja rendah melalui annealing, misalnya Ti₂O₃. Yang lain adalah memasukkan ISL yang di-setor antara logam dan β-Ga₂O₃, yang telah diteliti secara intensif [76,77,78]. Dibandingkan dengan metode pertama, yang terakhir lebih menguntungkan untuk membentuk kontak Ohmik karena konsentrasi pemagas tinggi dari ISL. Jarak energi ISL bervariasi dari 3,5 hingga 4,0 eV [79,80,81], seperti AZO (~ 3,2 eV) [82], In₂O₃ (~ 2,9 eV) [83, 84], dan IGZO (~ 3,5 eV) [85]. Biasanya, SBH dari berbagai logam yang di-setor pada β-Ga₂O₃ berada dalam rentang 0,95–1,47 eV [86, 87], seperti ditunjukkan pada Gambar 11a. Namun, integrasi ISL tipis mengurangi SBH, sehingga memudahkan elektron untuk transportasi dari logam ke pita konduksi β-Ga₂O₃, seperti diilustrasikan pada Gambar 11b. Selain itu, densitas elektron tinggi dalam ISL dapat lebih mengurangi resistensi kontak.

Skematik offset pita untuk a logam/β-Ga₂O₃ dan b logam/ISL/β-Ga₂O₃. ∆E_c sama dengan selisih energi antara energi Fermi logam dan pita konduksi semikonductor

Terakhir, AZO/Ti/Au digunakan sebagai elektroda pada β-Ga₂O₃ yang di-implos Si⁺, dan resistivitas kontak spesifik yang diperoleh adalah 2,82 × 10⁻⁵ Ω∙cm² setelah annealing [76]. Oshima et al. mencapai kontak Ohmik Pt/ITO pada β-Ga₂O₃ dengan rentang suhu proses yang luas [77]. Rentang proses yang luas 900–1150 °C memungkinkan realizasi operasi suhu tinggi. Dan elektroda ITO/Ti/Au untuk β-Ga₂O₃ juga telah ditunjukkan oleh Carey et al. [78] di mana sampel menunjukkan perilaku Ohmik dengan ρ_C sebesar 6,3 × 10⁻⁵ Ω∙cm² setelah annealing. Tanpa ITO, annealing yang sama tidak memberikan karakteristik arus-tegangan linear. Hasil-hasil ini memverifikasi efektivitas penambahan ISL untuk mendapatkan kontak Ohmik.

Secara khusus, gelembung pada permukaan kontak ITO/Ti/Au diamati sementara tidak ada gelembung pada lapisan ITO tunggal tanpa lapisan logam di atas [78]. Ini dianggap sebagai hasil dari difusi keluar atom oksigen dalam lapisan ITO ke lapisan logam atas. Oleh karena itu, perlu memilih logam atau tumpukan logam yang tepat sebagai lapisan penutup pada ITO untuk mencegah degradasi morfologi permukaan.

Kesimpulan

Dalam karya ini, kami telah meringkas kemajuan signifikan dalam penelitian dan pengembangan MOSFET β-Ga₂O₃. Namun, kontak pada β-Ga₂O₃ adalah salah satu isu kunci yang membatasi potensi aplikasinya sebagai perangkat frekuensi tinggi dan tegangan tinggi di masa depan. Meskipun tinjauan ini memberikan gambaran umum tentang metode terbaru untuk membentuk kontak Ohmik, masih ada banyak ruang yang perlu dieksplorasi, dan serangkaian prospek ringkas dapat dicerna sebagai berikut: (i) Ketergantungan suhu dan mekanisme degradasi karakteristik kontak memerlukan penelitian lebih lanjut untuk klarifikasi yang jelas; (ii) Logam dengan fungsi kerja rendah seperti Ta dan Hf dan logam dengan titik leleh tinggi seperti Mo, Nb, dan Ir layak difilter untuk bertindak sebagai lapisan kontak dan lapisan barrier, masing-masing; (iii) Tumpukan logam optimal pada β-Ga₂O₃ belum sepenuhnya direalisikan, dan studi komprehensif dan sistematis tentang tumpukan logam untuk β-Ga₂O₃ sangat penting untuk mencapai kontak Ohmik dengan resistensi rendah dan stabil termal; dan (iv) ISL potensi lainnya yang terdiri dari ZnO, IZO, IGZO, dll. belum dieksploitasi, serta pengaruh variasi ketebalan dan proporsi bahan ISL terhadap kinerja kontak. Secara singkat, studi tentang kontak Ohmik pada β-Ga₂O₃ masih cukup dangkal; kami percaya bahwa topik ini akan terus menjadi salah satu isu yang difokuskan di masa depan. Dengan harapan, pendekatan untuk membentuk kontak Ohmik yang disajikan dalam tinjauan ini akan berperan penting dalam mencapai perangkat β-Ga₂O₃ berkinerja tinggi.