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碳化硅(SiC)是性能优异的宽禁带半导体材料之一,其在高温、高频、高功率和抗辐射器件等方面具有巨大的应用潜力。但是要达到SiC器件实用化的目的,仍存在若干工艺难点,其中关键工艺技术之一是获得良好的欧姆接触。本论文从探索用于SiC的欧姆电极出发,对Ta/Ni/Ta等金属电极与SiC的接触特性进行了系统研究,旨在更深入地认识欧姆接触形成机理并对欧姆接触的制备进行指导。同时采用热分解SiC的方法在其上获得石墨-SiC欧姆接触,开辟了一种制备SiC欧姆接触的新途径。主要研究结果如下:
首先,研究了多层金属Ta/Ni/Ta/结构与n型SiC接触的界面化学、电学性质和表面形貌。实验结果表明,退火前的电极与SiC呈整流接触特性,经500℃~1000℃退火后SiC与电极的界面结构和势垒高度发生变化,获得了良好的欧姆接触,接触电阻率低达10-4Ωcm2。经高温退火后,SiC表面开始分解,Ni层向金属/SiC初始界面扩散,在与SiC相邻处生成Ni2Si; Ta原子则穿越硅化物层向电极表面扩散并与释放的C原子生成TaC层。在Ni电极中引入的金属Ta与C的反应,有效抑制了接触界面处由于硅化物的形成而产生的多余的C原子的聚集。对Ta/Pt/Ta/SiC系统的研究得到了类似的结果。
在分析合金化过程中接触界面反应的基础上探讨了欧姆接触的形成机理并进行了实验验证。退火后C原子的外逸导致电极层与SiC界面处产生了C的空位,而其作为电子施主可增加电极下相对电子浓度,因此电子输运的耗尽层宽度变窄,电子遂穿机率提高,导致接触电阻降低,从而在n型SiC表面获得欧姆接触。建立了Ta/Ni(Pt)/Ta电极与SiC欧姆接触的界面区能带模型,并从衬底的掺杂,接触金属的选择和退火工艺三个方面对欧姆接触的制备工艺进行了讨论。
对不同金属材料及其组合,如Ta/CoFe/Ta,Ti/Pt/Ti,Ru,Ta,Pt等与n型SiC退火前后的接触特性进行了研究。在此基础上测试了α-SiC晶体的介电和热释电性能。
采用热蒸发和电子束轰击n型4H-SiC晶片的方法,使其表层的Si原子升华,获得石墨-SiC欧姆接触。热分解后SiC表层原子发生重构,得到单层或多层graphene和石墨的混合系统,SiC表面发生弛豫的Si-C双原子层及其与混合系统之间的缓冲C原子层改变了接触界面的能带情况,可能是欧姆接触形成的基础。