氮化镓高电子迁移率晶体管外延片的方阻和载流子迁移率，是决定器件性能的核心参数。产线上用Xfilm埃利四探针方阻仪做快速非破坏方阻mapping，几秒出一个点，适合批量抽检。但四探针测的是面电阻，拿不到载流子浓度和迁移率——这两个参数得靠范德堡霍尔测量。问题来了：范德堡样品要蒸金属电极、高温退火形成欧姆接触，退火温度拿捏不好就会改变2DEG本来面目。本文发表了一种改进工艺，用等离子体干法刻蚀图形替代退火，在硅、碳化硅、蓝宝石三种衬底上都跑通了。

欧姆接触与2DEG保护的两难

范德堡霍尔测量的前提是在样品四个角做出理想的欧姆接触——电流双向导通、压降最小。对硅基半导体，蒸铝后低温合金就能搞定。GaN不一样，带隙宽、势垒高，不退火根本接触不上。退火温度低了，原子扩散不够，过渡层薄、接触电阻大；温度高了，AlGaN/GaN界面被破坏，2DEG质量劣化。常规退火温度在400到1000 °C之间，得根据电极金属组分精细调。

更麻烦的是退火副作用。高温下原子过度扩散，金属-半导体界面生成杂质相，接触电阻不降反升，甚至欧姆接触直接失效。氧和氮缺陷在AlGaN/GaN表面引入陷阱效应，电子密度和迁移率都会偏移——测出来的数据到底反映材料本身还是退火工艺？分不清。

能带图。（a）常规范德堡方法；（b）改进范德堡方法。常规方案电子需隧穿过宽禁带AlGaN势垒层，改进方案将势垒层减薄使隧穿主导。

不退火也能做出欧姆接触

本文的思路直截了当——既然退火是麻烦根源，那就绕过去。关键在于用氯基等离子体刻蚀在电极位置开出约100 nm深的凹槽，把AlGaN势垒层减薄到合适厚度。再蒸钛/铝金属，金属与2DEG通道之间的势垒大幅降低，场发射隧穿占主导，欧姆接触就成立了。

常规HEMT样品里势垒层太厚，电子隧不过去，不退火就接触不上。改进方案把势垒层刻薄，Ti/Al金属和AlGaN反应生成的重掺杂区紧贴2DEG通道，电子从侧壁就能隧穿进去。这套结构让2DEG直接通过电子势垒更低的GaN通道层接触源漏金属，不走宽禁带AlGaN那条路。侧壁接触面积大，接触界面增强，不需要退火也能实现欧姆接触。

Ti/Al复合电极制备主工艺流程。（a）清洗后旋涂光刻胶并曝光显影；（b）氯基等离子体刻蚀凹槽；（c）剥离形成金属岛；（d）边缘隔离干法刻蚀；（e）最终结构示意图。

导电衬底：硅基GaN的测量稳定性

硅衬底GaN外延是最头疼的——硅导电，衬底漏电会串进测量回路。常规做法是背面减薄或加绝缘层，工艺复杂还不彻底。改进方案用干法刻蚀做边缘隔离，把外延膜边缘和衬底之间的导电路径切断。在MOCVD外延片上做了6个样品，从边缘到中心再到边缘取样。

数据对比很直观。改进法的方阻标准偏差6.39 Ω/□，常规法12.42 Ω/□，砍了一半。迁移率标准偏差从106.66 cm²/V·s压到9.83 cm²/V·s——一个数量级的差距。载流子浓度标准偏差从8.93×10¹¹降到1.56×10¹¹ /cm²。常规法里Si 1和Si 5两个样品载流子浓度波动率分别达41.1%和30.6%，明显是退火过度引入杂质、2DEG界面劣化所致。改进法排除了这个干扰源，数据一致性大幅提升。

退火前后样品参数对比。左：退火前（a）方阻、（b）迁移率、（c）载流子浓度；右：退火后（d）方阻、（e）迁移率、（f）载流子浓度。退火后部分点位出现异常偏移。

非导电衬底：与无接触法的精度对标

蓝宝石和SiC是不导电衬底，可以用非接触射频反射mapping法做基准对标。蓝宝石衬底上改进法的迁移率与LEI测量平均偏差仅4.0%，载流子浓度偏差7.0%，最优样品偏差分别做到0.5%和1.8%。SiC衬底上迁移率平均偏差5.0%，载流子浓度偏差4.1%。退火引入的空间非均匀性在这里同样被规避——蓝宝石Sap 3样品退火后迁移率异常上升，说明退火效应在局部区域会造成不可控偏移。

TLM验证：接触电阻的代价

不退火的代价是接触电阻偏高。传输线模型测试给出接触电阻320.53 Ω·mm，比接触电阻率1.856×10⁻² Ω·cm²。方阻53 Ω/□，五次重复测试最大偏差8%、标准偏差4.48。比退火欧姆电极差不少——没有退火就没法形成大面积重掺杂区，加上AlGaN势垒层过刻蚀会损伤2DEG通道，有效接触面积缩水。

但这个代价在范德堡测量场景下可以接受。接触电阻对霍尔测量的影响远小于退火对2DEG的扰动——载流子浓度、迁移率和方阻与非接触霍尔测量的偏差控制在5%以内。快速制样、避免退火损伤、保持器件完整性，这三点才是工艺产线最看重的。

TLM测试结果。（a）不同间距电极的I-V曲线；（b）电阻与间距的线性拟合，提取接触电阻与比接触电阻率。

这项工作的价值不在于把接触电阻做到多低，而在于把范德堡霍尔测量从退火依赖中解放出来。三种衬底通吃、制样快、数据稳定——产线抽检友好。日常质量控制里，Xfilm埃利四探针方阻仪负责面阻快速mapping，异常点位再用改进范德堡法做迁移率和载流子浓度复测，两套方法互补，既保证效率又拿到完整的电学参数。后续优化方向是把势垒层刻蚀厚度和电极图形参数调好，把接触电阻再压一截，让无退火工艺从"够用"走向"好用"。

Xfilm埃利四探针方阻仪

Xfilm埃利四探针方阻仪用于测量薄层电阻（方阻）或电阻率，可以对最大230mm 样品进行快速、自动的扫描， 获得样品不同位置的方阻/电阻率分布信息。

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· 超高测量范围，测量1mΩ~100MΩ

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本文使用基于四探针法的Xfilm埃利四探针方阻仪，凭借智能化与高精度的电导率测量优势，助力钛基复合材料的电导率测定，推动电子器件领域的材料检测技术升级。