金屬-SiC半導體接觸的SiC表面等離子體改性研究.pdf

1、SiC半導體由于具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場和熱導率高等特點，在高溫、高壓、大功率器件領域具有廣闊的應用前景。金屬/SiC半導體接觸包括SiC歐姆接觸和肖特基接觸，是構成SiC器件最基本也是最重要的結構，其質量直接影響SiC器件的效率、增益和開關速度等性能指標。制備良好的SiC歐姆接觸和肖特基接觸是提高SiC器件性能和可靠性的基礎。金屬半導體接觸特性不僅與金屬功函數和半導體摻雜濃度有關，還受半導體表面態(tài)的影響。相對于Si、GaN等其它半

2、導體而言，SiC半導體表面存在更加復雜的表面態(tài)，如用傳統(tǒng)的RCA濕法清洗獲得的SiC表面仍然存在C、O等污染物，使得金屬/SiC接觸特性受SiC表面特性的影響非常大。因此，開發(fā)新的SiC表面處理技術并利用表面態(tài)調控改善金屬/SiC歐姆接觸和肖特基接觸特性顯得尤為重要。
　　本文提出并開發(fā)了低溫低損傷的SiC半導體表面電子回旋共振(ECR)微波氫等離子體處理新技術。利用該方法對SiC表面態(tài)進行調控，研究了金屬/SiC接觸特性的改善效

3、果，并對相應的改善機理以及相關的理論做了深入的研究。主要研究內容及結果如下:
　　1、SiC表面ECR微波氫等離子體處理研究。利用反射式高能電子衍射(RHEED)、原子力顯微鏡(AFM)以及X射線光電子能譜(XPS)分析了氫等離子體處理對SiC表面結構、形貌、化學及電學性質等的影響。RHEED分析結果表明，經氫等離子體處理后，SiC表面原子排列規(guī)則，單晶取向性好，且表面未發(fā)生重構;AFM分析發(fā)現，SiC表面經處理后變得非常平整，表

4、面均方根粗糙度降低至0.268nm;XPS分析結果顯示，經氫等離子體處理后，SiC表面O含量明顯降低，C污染物全部被去除，并且表面具有較好的抗氧化性;經計算發(fā)現，處理后的SiC表面態(tài)密度降低至1010 cm-2eV-1量級。表面污染物的去除和表面態(tài)密度的顯著降低為SiC器件后續(xù)工藝，提高器件性能及可靠性提供了有利的保障。
　　2、ECR氫等離子體預處理對金屬/n型4H-SiC接觸歐姆特性的改善效果及機理研究。對比分析了處理前后Ti

5、/4H-SiC接觸的I-V特性和比接觸電阻率，發(fā)現經處理后，Ti與較高摻雜濃度(1×1018 cm-3)的4H-SiC接觸后無需退火就形成了低比接觸電阻率的歐姆接觸。為了明晰歐姆接觸的形成機理，在對歐姆接觸理論充分研究的基礎上，對不同功函數的金屬與不同摻雜濃度的SiC接觸經氫等離子體處理前后的電學特性進行了系統(tǒng)的對比研究。研究結果表明，Ti/4H-SiC歐姆接觸形成的機理在于在接觸界面處形成了低的肖特基勢壘。氫等離子體處理降低了SiC表

6、面態(tài)密度，使得費米能級釘扎效應被消除，勢壘高度不再受制于高的表面態(tài)密度。并且在鏡像力降低、隧穿效應、能帶變窄等勢壘降低機制的共同作用下，經氫處理后，Ti/4H-SiC接觸勢壘高度降至0.41 eV，無需退火就形成了低比接觸電阻率的歐姆接觸。避免采用高溫退火以及重摻雜SiC襯底制備良好的歐姆接觸將有利于提高器件的可靠性，降低SiC器件制備成本。
　　3、ECR氫等離子體預處理對金屬/n型4H-SiC肖特基接觸特性的改善效果及機理研究

7、。對比分析了處理前后Ni、Pt/4H-SiC接觸的I-V特性和勢壘高度值，發(fā)現經氫處理后，Ni、Pt接觸的勢壘高度增大，說明整流特性得到改善，并且其整流特性在經過低溫400℃退火后得到優(yōu)化。為了研究其改善機理，利用XPS對表面費米能級以及表面態(tài)密度的變化進行了分析。結果顯示，經氫等離子體處理后，SiC表面費米能級向導帶底方向移動，表面態(tài)密度降低。400℃退火后，基本出現了平帶的情況，表面態(tài)密度達到最低。通過結合低功函數金屬Ti/4H-S

8、iC接觸的實驗結果，對金屬/4H-SiC接觸的勢壘高度與金屬功函數和表面態(tài)密度的關系進行了討論，發(fā)現實驗現象與Cowley和Sze的勢壘理論相吻合。SiC肖特基接觸特性的改善將有利于促進SiC肖特基接觸相關器件的發(fā)展。
　　4、金屬/n型4H-SiC接觸勢壘不均勻性分布問題研究。通過利用ECR氫等離子體處理對SiC表面特性進行有效控制，采用I-V-T和C-V-T方法對Pt與不同表面特性的4H-SiC接觸的電學特性進行了研究。根據實

9、驗結果，分析討論了金屬/4H-SiC接觸特性與表面特性之間的關系。結果表明，Pt/4H-SiC接觸勢壘高度以及勢壘不均勻性分布與SiC表面特性存在強烈的依賴關系。其有效勢壘高度隨著表面費米能級釘扎程度的降低而升高。在費米能級完全被釘扎或者完全解釘扎的情況下，界面勢壘分布均勻并分別滿足Bardeen和Schottky-Mott模型。然而當表面費米能級被部分釘扎時，金屬/SiC接觸界面勢壘呈Gaussian分布，并且其不均勻性分布程度隨釘扎