【国际论文】ACS Nano丨韩国世宗大学：利用Ti/Mg/Ti多层膜中镁的互扩散驱动功函数降低实现与（001）β-Ga₂O₃的低电阻欧姆接触

        由韩国世宗大学的研究团队在学术期刊 ACS Nano 发布了一篇名为 Exploiting Mg-Interdiffusion-Driven Work-Function Reduction in Ti/Mg/Ti Multilayers to Achieve Low-Resistivity Ohmic Contacts to (001) β-Ga₂O₃（利用 Ti/Mg/Ti 多层膜中镁的互扩散驱动功函数降低实现与（001）β-Ga₂O₃ 的低电阻欧姆接触）的文章。

        氧化镓（β-Ga₂O₃）作为超宽禁带半导体，因其极高的临界击穿电场和优越的巴利加优值，在下一代功率电子器件和深紫外光电器件领域极具潜力。此外，大尺寸、低成本衬底的可获得性使其相比碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）更具商业化前景。然而，在器件制备过程中，如何形成低电阻欧姆接触是一项重大挑战。良好的欧姆接触能确保电流的高效注入和提取，降低寄生电压降和焦耳热，从而提升器件的效率、热管理能力和长期可靠性。由于 β-Ga₂O₃ 的禁带极宽且电子亲和能较低（约 4.0 eV），寻找功函数匹配的金属非常困难。常用的钛（Ti）功函数约为 4.3 eV，虽然它能与表面氧反应形成 TiO_x 层帮助导电，但在高掺杂衬底上仍倾向于形成肖特基势垒。β-Ga₂O₃ 的不同晶面性质差异巨大。例如 (100) 面表面能最低，最难形成欧姆接触；而 (001) 面虽表面能较高（约 1.17 J/m²）、活性较强，但在该晶向上的欧姆接触研究相对匮乏。像镁（Mg）这样功函数极低（3.5–3.7 eV）的金属理论上非常适合，但其化学性质极其活泼，在空气中极易氧化，导致接触性能恶化。

        在 β-氧化镓 （β-Ga₂O₃） 中形成低电阻欧姆接触对于高效电力电子器件和深紫外（DUV）光电器件至关重要。本研究成功开发出 Ti/Mg/Ti 多层金属堆叠结构（20 nm/50 nm/20 nm）作为 (001) β-Ga₂O₃ 的欧姆接触层。其中 Mg 中间层凭借其相对于 Ti 的低功函数及 β-Ga₂O₃ 的电子亲和力，有效降低了肖特基势垒，实现了低接触电阻率。镁层两侧的钛层形成保护性封顶，既防止镁氧化又提升化学稳定性。紫外光电子能谱（UPS）分析表明，经 400 ℃ 退火处理后，该金属堆栈实现约 3.94 eV 的稳定功函数，与 β-Ga₂O₃ 电子亲和力接近，有利于高效电子注入。X 射线光电子能谱（XPS）验证了界面稳定性，表明该堆叠结构既保护了活性镁层，又补偿了钛的高功函数。此外，透射电子显微镜截面分析与元素映射揭示，原位形成的 (001) β-Ga₂O₃ 界面 TiO_x 层厚度仅 2.5 nm 且分布均匀。关键在于，Mg 向 Ti 层的扩散显著影响有效功函数的降低。透射电子显微镜与元素分析进一步证实镁扩散至钛层形成 Ti–Mg 合金。该合金化效应大幅降低接触层有效功函数，从而促进电子注入并降低接触电阻。传输线模型（TLM）测量显示，经 400 ℃ 退火的 Ti/Mg/Ti 金属堆叠接触电阻率为 6.25 × 10^–4 Ω·cm²，远低于纯 Ti 或 Mg 材料。此外，低温条件下的 TLM 测量表明，在氩气（Ar）氛围中 400 ℃ 退火的 Ti/Mg/Ti 接触堆叠层表现出极小的温度依赖性，表明载流子传输主要受隧道效应支配。在真空和氮气（N₂）氛围中退火的样品也观察到类似的隧道效应主导行为。反之，空气退火接触层呈现显著温度依赖性，证实热电子发射在此条件下成为主导传输机制。XPS 分析结果完全印证了这些电学观测：空气退火样品中镁/钛层均发生严重氧化，N₂ 及真空退火样品氧化程度减轻，而 Ar 退火样品氧化水平最低。惰性无氧环境下的氧化抑制增强了隧道效应，而空气中强氧化作用则抑制隧道效应并强化热电子发射。综合热发射测量与 XPS 结果表明，退火气氛对接触传输机制具有决定性影响，其中氩气环境能形成最稳定且利于隧道效应的界面。最终，将基于金属堆叠的欧姆接触结构（Ti/Mg/Ti 接触堆栈在 Ar 气氛中 400 ℃ 退火）集成至 β-Ga₂O₃ 基金属-半导体-金属（MSM）光探测器中评估器件性能。在 2 μW 的 255 nm 深紫外线照射下，器件展现出高达 14,240.7 A/W 的高响应度。这些发现表明，Ti/Mg/Ti 多层结构方法有效结合了低功函数工程与氧化保护，实现了低电阻、化学稳定的欧姆接触。该策略为提升 β-Ga₂O₃ 基高功率及深紫外光电器件性能提供了前景广阔的途径。

        •同于传统的界面反应，该研究巧妙利用了 Mg 在 Ti 层中的相互扩散来调控整个叠层的功函数。

        •通过 Ti 层的封装解决了 Mg 易氧化的痛点，实现了化学稳定且低阻的接触界面。

        •TEM 和 XPS 分析显示，退火后在界面处原位形成的 TiO_x 层仅为 2.5 nm，厚度均匀且薄，有助于电子通过隧道效应注入。

        本研究提出并验证了一种新型 Ti/Mg/Ti 多层金属堆叠结构，该结构不仅显著提升了 β-Ga₂O₃ 基器件的欧姆特性，同时大幅增强了其光电性能。通过结合紫外光电子能谱（UPS）、X 射线光电子能谱（XPS）和热发射光谱（TLM）分析，该多层金属堆叠结构有效解决了传统金属接触层面临的两大关键挑战：钛的高功函数（相对于 β-Ga₂O₃ 的电子亲和能）以及镁元素的极端表面反应性。首先，UPS 分析证实经 400 ℃ 退火的 Ti/Mg/Ti 多层金属堆栈具有约 3.94 eV 的低有效功函数，与 β-Ga₂O₃ 电子亲和能高度匹配，从而促进近零甚至负的施密特-伯克利效应。该结果还得到堆叠金属中功函数厚度加权平均理论模型的支持。其次，XPS 分析揭示多层堆叠结构通过钛层包裹抑制镁的过度表面氧化，钛层形成钝化 TiO_x 层并维持界面完整性。深度剖面分析进一步证实界面扩散受限，且形成有益的 Ti−Ga 和 Ti−Mg 界面化合物，可能增强电连接性。透射电子显微镜分析证实 Mg 扩散及界面层形成。观察到 Mg 在 Ti 层两侧均发生扩散，且顶层浓度更高。这种差异归因于沉积在镁基底上的多晶顶层与底层下方单晶 (001) β-Ga₂O₃ 衬底之间的结构差异。此外，热导率测量显示，经 400 ℃ 退火的 Ti/Mg/Ti 多层金属堆栈展现出 6.25 × 10^–4 Ω·cm² 的极低体积电阻率 ρc，显著优于传统工艺。值得注意的是，超过 400 ℃（即 600-800 ℃）的退火温度会因氧化加剧和界面失序导致电性能退化。该结果强调了精确优化退火条件以平衡功函数降低与热稳定性的重要性。低温隧道测量明确显示：在氩气氛围中 400 ℃ 退火的 Ti/Mg/Ti 多层金属堆叠欧姆接触，其温度依赖性最弱，表明隧道效应主导传输机制。真空及氮气氛围退火的接触点呈现相似特性。相反，空气退火接触点呈现显著的温度依赖性，证实氧化环境下热电子发射占主导地位。XPS 分析完全印证了这些电学发现：空气退火样品中 Mg 和 Ti 严重氧化，N₂ 与真空条件下氧化程度降低，氩气环境下氧化极轻微。惰性气氛中界面氧化减少促进了隧道效应，而空气中的氧化物形成则抑制隧道效应并增强热电子发射。最后，为验证该方法的实用优势，将 Ti/Mg/Ti 多层金属堆栈应用于 β-Ga₂O₃ 金属-半导体-金属（MSM）光探测器的欧姆接触。实验结果表明：在 255 nm 光照与 -10 V 偏压条件下，该 MSM 光探测器展现出卓越的光电性能——入射功率 2 μW 时，I_ph 超过 51 mA，R值高达 14,240.7 A/W，D* 值达到 1.67×10¹¹ Jones。这些卓越的性能指标证实了优化欧姆接触的关键作用：通过最小化电压降实现高内部增益，同时降低功耗。本研究确立了 Ti/Mg/Ti 多层金属堆叠结构作为 β-Ga₂O₃ 器件低电阻、热稳定且化学稳定欧姆接触的理想候选方案。换言之，该方案为实现适用于火焰检测、环境监测、深紫外成像及空间深紫外传感系统等严苛应用的高性能深紫外光电器件提供了实用且可扩展的解决方案。未来研究中，将进一步探索 Ti/Mg/Ti 多层金属堆叠结构在先进器件架构中的适用性。具体而言，将重点验证其在 β-Ga₂O₃ 金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）中的接触电阻与热稳定性表现，并在鳍式场效应晶体管（FinFET）结构中评估其可缩放性与界面均匀性。本研究将验证该欧姆接触设计在各类 β-Ga₂O₃ 基器件平台中的通用性。

        ACS Nano，创刊于 2007 年，专注纳米材料及其在能源、生物医学、环境、电子等领域的应用，强调创新性设计与功能化。ACS Nano 目前位于中科院一区（材料科学大类），且属于中科院一区的 TOP 期刊。

图1. (a) TLM 测量图案的 3D 示意图；(b) 采用 Ti/Mg/Ti 多层金属堆叠结构的 β-Ga₂O₃ 基 MSM 光探测器示意图。

图2. (a) 在 Ar 气氛中于 400 和 800 °C 退火的 Mg、Ti 及 Ti/Mg/Ti 样品的 UPS 光谱；(b) 显示二次电子截止效应的低动能区域放大图；(c) 电子工作函数附近的高速动能区域；(d) 各样品提取的 KE_min, KE_max 值及计算得出的电子工作函数（单位：eV）。所有UPS测量均在室温（25 ℃）下进行。

图3. (a) 在氩气氛围中 400 ℃ 退火的 Ti/Mg/Ti 多层金属堆叠样品的 XPS 深度剖面图，显示元素分布随蚀刻时间的变化；(b) 高分辨率 Ga_2p 深度剖面图；(c) Ti_2p 深度剖面图；(d) Mg_2p 深度剖面图及对应各蚀刻时间的蚀刻深度（插图）。

图4. (a) Ti/Mg/Ti/β-Ga₂O₃ 结构在氩气氛围下 400 ℃ 退火 1 分钟后 O_1s 峰的 XPS 深度剖面图，以及对应各蚀刻时间的蚀刻深度（插图）；(b−i) 不同深度处 O_1s 光谱的峰拟合，展示了氧相关化学状态在多层堆叠结构中的演变过程。

图5. (a) Au/Ti/Mg/Ti 堆叠层的透射电子显微镜图像；(b) 在氩气氛围下 400 °C 退火 1 分钟后 Mg/Ti/β-Ga₂O₃ 界面的透射电子显微镜图像； (c−f) 分别显示 Ti (c)、O (d)、Mg (e) 和 Ga (f) 元素分布的能谱元素图；(g−i) 选区衍射图案，分别以 (g) Mg 层、(h) 形成的界面层和 (i) β-Ga₂O₃ 区域为中心。

图6. Ti/Mg/Ti 多层金属堆栈的 TLM 测量结果：（a）沉积后样品；（b）200 ℃ 退火；（c）400 ℃ 退火；（d）600 ℃ 退火；（e）800 ℃ Ar 气氛退火；（f）所有样品的提取接触电阻。

图7. (a) I_ph 和 I_dark 特性曲线，(b) R 值，(c) 特定 D* 值，以及 (d) 在 -10 V 偏压下 8 μW 光照条件下的瞬态光响应。图 (e) 和 (f) 展示了采用 Ti/Mg/Ti 多层金属堆叠结构的 β-Ga₂O₃ 金属-半导体-金属（MSM）光探测器的详细衰减与上升时间曲线。

DOI：

doi.org/10.1021/acsnano.5c15851