Полупроводниковые устройства, такие как светодиоды и транзисторы, обычно состоят из двух частей: n-типа, в которой отрицательный заряд переносится электронами, и p-типа, в которой движутся носители положительного заряда — дырки, которые, по сути, представляют собой пустоты в электронных оболочках. Обе части соединены с контактами, через которые электрический ток может проходить с минимальными потерями энергии. Эти соединения, известные как омические контакты, на протяжении десятилетий были узким местом в эффективности тонких полупроводников p-типа на основе нитрида галлия из-за их высокого сопротивления.
Группа ученых под руководством Хайтао Вана и Цзя Вана из Института материалов и систем устойчивого развития (IMaSS) Университета Нагои предложила новый способ снижения сопротивления контактов из нитрида галлия p-типа. Они нанесли на поверхность p-GaN ультратонкий слой магния и подвергли его термообработке при температуре 600 градусов Цельсия в течение пяти минут, тем самым добившись удельного сопротивления контакта (1–3) × 10⁻⁴ Ом см² без повреждения поверхности. Это одно из самых низких значений контактного сопротивления для тонкого нитрида галлия p-типа.
Результаты разработки, которая сделает широкий спектр электронных устройств, для электромобилей и ЦОДов более энергоэффективными, были опубликованы в журнале Applied Physics Letters.
GaN p-типа, легированный магнием, был разработан в Университете Нагои Исаму Акасаки и Хироси Амано. Их работа была отмечена Нобелевской премией по физике 2014 года за синие светодиоды. В этом материале дырки образуются за счет добавления небольшого количества магния, у которого на один валентный электрон меньше, чем у окружающего его галлия. Этот процесс называется легированием.
Однако магний является активным акцептором электронов при комнатной температуре. В результате на границе металла и полупроводника оказывается недостаточно подвижных дырок, что приводит к образованию широкого барьера, называемого обедненной областью. Этот барьер создает высокое сопротивление потоку заряда, поэтому для прохождения тока через него требуется больше энергии.
Один из способов преодолеть высокое сопротивление — вырастить сильно легированный слой нитрида галлия с высокой концентрацией дырок прямо на границе раздела. Но это дорогостоящий и трудоемкий процесс, который может привести к повреждению на более поздних этапах изготовления устройства, например при плазменном травлении
В поисках альтернатив несколько лет назад та же группа исследователей попыталась нанести слой металлического магния непосредственно на пластину из нитрида галлия и подвергнуть ее термической обработке, называемой отжигом. Этот слой магния был относительно толстым — десятки нанометров. При этом они обнаружили появление удивительной структуры сверхрешетки.
«Эта сверхрешётка была очень интересна с точки зрения фундаментальной науки, — говорит Цзя Ван, руководитель исследования 2024 года, опубликованного в Nature. — Но в то время поверхность после отжига была слишком шероховатой, что вызывало опасения по поводу надёжности устройств, особенно тонких п-образных нитридов галлия, поэтому некоторые преимущества этого подхода не удалось продемонстрировать в полной мере».
Чтобы решить проблему шероховатости, исследователи нанесли гораздо более тонкую плёнку магния. Проблема в том, что магний обладает высокой реакционной способностью и легко окисляется на воздухе. Чтобы этого избежать, обычно используют защитный слой, изолирующий магний от воздуха. Но во всех образцах с защитным слоем были обнаружены нежелательные примеси.
Исследователи подвергли этот тонкий слой термической обработке, называемой «мягким отжигом», при которой образец нагревается до более низкой температуры (600 градусов по Цельсию) и в течение более короткого времени (пять минут) по сравнению с обычным отжигом. В ходе этого процесса ультратонкий слой магния быстро разрушается, поскольку магний диффундирует в поверхностную область нитрида галлия p-типа. К радости исследователей, новая поверхность оказалась намного более гладкой, чем в их предыдущей работе.
Этот ультратонкий слой, легированный магнием в сверхвысокой концентрации, сужает контактную обедненную область и способствует туннелированию дырок через нее, тем самым снижая контактное сопротивление.
Кроме того, этот процесс «сверху вниз» намного проще, быстрее и дешевле в реализации, чем выращивание кристаллов «снизу вверх». Его также можно применять после обработки устройства, что делает его более гибким и совместимым с существующими производственными процессами. Таким образом, этот метод может способствовать ускоренной коммерциализации более эффективных полупроводников