盖世汽车讯 诸如LED和晶体管之类的半导体器件通常由两部分组成：n型部分，通过电子承载负电荷；以及p型部分，通过空穴（本质上是电子空位）承载正电荷载流子。这两部分都依赖于能够使电流以最小能量损耗流入和流出的接触。这些被称为欧姆接触的连接，由于其高电阻，几十年来一直是薄p型GaN半导体效率的瓶颈。

图片来源：名古屋大学

据外媒报道，由名古屋大学（Nagoya University）材料与系统可持续发展研究所（IMaSS）的王海涛（Haitao Wang）和王佳（Jia Wang）领导的研究团队开发了一种降低p型GaN接触电阻的新方法。他们在p-GaN表面沉积了一层超薄镁层，并在600°C（1112°F）下进行5分钟的热处理，在不损伤表面的情况下实现了(1–3) × 10⁻⁴ Ω cm²的接触电阻。这是目前报道的薄型p型氮化镓（GaN）接触电阻率最低的器件之一。相关研究成果已发表在期刊《应用物理快报》（Applied Physics Letters）上，有望提高电动汽车和数据中心等场所使用的各种电子设备的能效。

p-GaN接触的挑战

镁掺杂p型GaN由名古屋大学的Isamu Akasaki和Hiroshi Amano开发，其蓝色LED的研究成果获得了2014年诺贝尔物理学奖。在这种材料中，通过添加少量的镁来产生空穴，镁的价电子比周围的镓少一个，这一过程称为掺杂。

然而，镁在室温下是顽固的电子受体。因此，金属-半导体边界没有足够的可移动空穴，形成一个称为耗尽区的宽势垒。该势垒对电荷流动产生高阻力，因此需要更多的能量来驱动电流通过它。

应对这种高电阻率的一种方法是生长界面处空穴浓度高的重掺杂GaN层。但这是一个成本高昂且费力的过程，在后续的器件制造阶段（例如等离子蚀刻）中很容易受到损坏。

一层薄薄的镁层就能解决问题

几年前，同一研究团队尝试将一层金属镁直接沉积在氮化镓（GaN）晶片上，并采用一种称为退火的热处理方法进行处理。这层镁层相对较厚，厚度达几十纳米。在此过程中，他们还发现了一种非凡的超晶格结构的出现。

“这种超晶格对于基础科学来说非常有趣，”领导2024年发表在《自然》杂志上的这项研究的Jia Wang说道，“但当时，退火后的表面过于粗糙，引发了人们对器件可靠性的担忧，特别是对于薄的p型GaN而言，因此这种方法的一些优势未能得到充分展现。”

为了解决表面粗糙度问题，Haitao Wang转而沉积更薄的镁膜。问题在于镁的高活性，使其在空气中极易氧化。为了防止氧化，通常会使用一层保护盖层将镁与空气隔离。但所有使用盖层的样品都出现了不必要的杂质。

图片来源：名古屋大学

“然后我尝试了一个不加盖层的样品作为对照，结果出乎我的意料，”Haitao Wang表示，“我发现盖层并没有起到任何作用。”很可能只有最外层的镁被氧化，即使总厚度不超过10纳米，其余部分也能保持完好。

研究人员对这层薄层进行了一种称为“软退火”的热处理。在软退火中，样品被加热到比常规退火更低的温度（600°C/1112°F）和更短的时间（5分钟）。在此过程中，超薄镁层迅速被消耗，因为镁会扩散到p型GaN的表面区域。令研究人员欣喜的是，这种新的表面比他们之前的研究结果更加光滑。

这种超薄、超高浓度的镁掺杂层缩小了接触耗尽区，并促进了空穴隧穿，从而降低了接触电阻。

此外，这种“自上而下”的晶体生长工艺比“自下而上”的晶体生长工艺更简单、快捷、成本更低。它还可以应用于器件加工之后，使其更具灵活性，并与现有的制造工艺兼容。因此，它有望加速高效半导体的商业化进程。

“我们目前正在将这种方法应用于不同类型的器件，例如电动汽车中的LED和晶体管，”Haitao Wang说道。