论文部分内容阅读
SiC半导体由于具有禁带宽度大、临界击穿电场和热导率高等特点,在高温、高压、大功率器件领域具有广阔的应用前景。金属/SiC半导体接触包括SiC欧姆接触和肖特基接触,是构成SiC器件最基本也是最重要的结构,其质量直接影响SiC器件的效率、增益和开关速度等性能指标。制备良好的SiC欧姆接触和肖特基接触是提高SiC器件性能和可靠性的基础。金属半导体接触特性不仅与金属功函数和半导体掺杂浓度有关,还受半导体表面态的影响。相对于Si、GaN等其它半导体而言,SiC半导体表面存在更加复杂的表面态,如用传统的RCA湿法清洗获得的SiC表面仍然存在C、O等污染物,使得金属/SiC接触特性受SiC表面特性的影响非常大。因此,开发新的SiC表面处理技术并利用表面态调控改善金属/SiC欧姆接触和肖特基接触特性显得尤为重要。本文提出并开发了低温低损伤的SiC半导体表面电子回旋共振(ECR)微波氢等离子体处理新技术。利用该方法对SiC表面态进行调控,研究了金属/SiC接触特性的改善效果,并对相应的改善机理以及相关的理论做了深入的研究。主要研究内容及结果如下：1、SiC表面ECR微波氢等离子体处理研究。利用反射式高能电子衍射(RHEED)、原子力显微镜(AFM)以及X射线光电子能谱(XPS)分析了氢等离子体处理对SiC表面结构、形貌、化学及电学性质等的影响。RHEED分析结果表明,经氢等离子体处理后,SiC表面原子排列规则,单晶取向性好,且表面未发生重构;AFM分析发现,SiC表面经处理后变得非常平整,表面均方根粗糙度降低至0.268nm; XPS分析结果显示,经氢等离子体处理后,SiC表面O含量明显降低,C污染物全部被去除,并且表面具有较好的抗氧化性；经计算发现,处理后的SiC表面态密度降低至1010cm-2eV-1量级。表面污染物的去除和表面态密度的显著降低为SiC器件后续工艺,提高器件性能及可靠性提供了有利的保障。2、ECR氢等离子体预处理对金属/n型4H-SiC接触欧姆特性的改善效果及机理研究。对比分析了处理前后Ti/4H-SiC接触的I-V特性和比接触电阻率,发现经处理后,Ti与较高掺杂浓度(1×1018cm-3)的4H-SiC接触后无需退火就形成了低比接触电阻率的欧姆接触。为了明晰欧姆接触的形成机理,在对欧姆接触理论充分研究的基础上,对不同功函数的金属与不同掺杂浓度的SiC接触经氢等离子体处理前后的电学特性进行了系统的对比研究。研究结果表明,Ti/4H-SiC欧姆接触形成的机理在于在接触界面处形成了低的肖特基势垒。氢等离子体处理降低了SiC表面态密度,使得费米能级钉扎效应被消除,势垒高度不再受制于高的表面态密度。并且在镜像力降低、隧穿效应、能带变窄等势垒降低机制的共同作用下,经氢处理后,Ti/4H-SiC接触势垒高度降至0.41eV,无需退火就形成了低比接触电阻率的欧姆接触。避免采用高温退火以及重掺杂SiC衬底制备良好的欧姆接触将有利于提高器件的可靠性,降低SiC器件制备成本。3、ECR氢等离子体预处理对金属/n型4H-SiC肖特基接触特性的改善效果及机理研究。对比分析了处理前后Ni、Pt/4H-SiC接触的I-V特性和势垒高度值,发现经氢处理后,Ni、Pt接触的势垒高度增大,说明整流特性得到改善,并且其整流特性在经过低温400℃退火后得到优化。为了研究其改善机理,利用XPS对表面费米能级以及表面态密度的变化进行了分析。结果显示,经氢等离子体处理后,SiC表面费米能级向导带底方向移动,表面态密度降低。400℃退火后,基本出现了平带的情况,表面态密度达到最低。通过结合低功函数金属Ti/4H-SiC接触的实验结果,对金属/4H-SiC接触的势垒高度与金属功函数和表面态密度的关系进行了讨论,发现实验现象与Cowley和Sze的势垒理论相吻合。SiC肖特基接触特性的改善将有利于促进SiC肖特基接触相关器件的发展。4、金属/n型4H-SiC接触势垒不均匀性分布问题研究。通过利用ECR氢等离子体处理对SiC表面特性进行有效控制,采用I-V-T和C-V-T方法对Pt与不同表面特性的4H-SiC接触的电学特性进行了研究。根据实验结果,分析讨论了金属/4H-SiC接触特性与表面特性之间的关系。结果表明,Pt/4H-SiC接触势垒高度以及势垒不均匀性分布与SiC表面特性存在强烈的依赖关系。其有效势垒高度随着表面费米能级钉扎程度的降低而升高。在费米能级完全被钉扎或者完全解钉扎的情况下,界面势垒分布均匀并分别满足Bardeen和Schottky-Mott模型。然而当表面费米能级被部分钉扎时,金属/SiC接触界面势垒呈Gaussian分布,并且其不均匀性分布程度随钉扎程度的降低而降低。分析产生这些结果的原因可能是,经不同的表面处理后,表面态密度的大小和不均匀性分布程度发生了变化,并由此构建了金属/SiC接触势垒高度及势垒不均匀性分布与表面态密度以及表面费米能级位置的关系模型,明晰了金属/SiC接触势垒不均匀性分布的形成机理。为准确控制金属/SiC接触的势垒高度,进而准确控制金属/SiC接触特性以及SiC器件性能提供了实验和理论依据。