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Stable low-resistance ohmic contact on GaN via an oxynitride interlayer over 20–200 °C: Mechanisms and performance

欧姆接触 材料科学 光电子学 接触电阻 制作 肖特基势垒 宽禁带半导体 蚀刻(微加工) 电接点 二极管 肖特基二极管 可靠性(半导体) 当前拥挤 图层(电子) 功率半导体器件 电阻率和电导率 氮化镓 电流密度 复合材料 砷化镓 不稳定性 干法蚀刻 纳米技术 半导体器件 热稳定性 电子工程 热导率 热的 量子隧道
作者
Shujie Xie,HJ Xu,Caiping Wan,Zongyang Hu,Zhe Cheng,Xuankun Wu,Chanxin Mi,Boyang Yi,Mengxiao Lian,Yingrui He,Yun Zhang
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:139 (22)
标识
DOI:10.1063/5.0324776
摘要

Achieving reliable, low-resistance ohmic contacts in GaN-based devices is fundamentally limited by interfaces with high interface-state densities, which are a direct result of essential fabrication steps. For example, etching to expose the n-GaN layer in laser diodes introduces surface defects, while regrown n+-GaN surfaces in selective-area regrowth (SAG) HEMTs exhibit high interface states due to growth kinetics. These high-frequency and high-power devices typically operate at elevated junction temperatures (100–200 °C), where high interface-state density exacerbates Fermi-level pinning (FLP) effect, leading to unstable contact resistance and reliability concerns. To address this issue, we propose and validate a universal interface engineering strategy: inserting an oxynitride interlayer. We systematically study Ti-based ohmic contacts on SAG n+-GaN from 20 to 200 °C, comparing untreated interfaces with those modified by TiOxNy or GaOxNy interlayers. Through correlated microstructural analysis, temperature-dependent electrical measurements, and conductance-based interface-state characterization, we show that the interlayers effectively suppress interface-state density, mitigate FLP, and stabilize the Schottky barrier height. While untreated contacts display non-monotonic and degrading resistivity with temperature, interlayer-modified contacts exhibit a stable, monotonic decrease in specific contact resistivity. The GaOxNy interlayer yields the best performance, achieving ∼10−8 Ω cm2 order above 100 °C. This work elucidates the critical role of interface states in contact thermal instability and provides a viable materials solution for stable ohmic contacts in GaN-based devices that operate at high temperatures with damaged or low-quality contact interface.

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