具有均匀肖特基势垒的Ni基4H-SiC接触的制备

发布时间：2020-09-08 09:51

　　碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料因其耐高温、耐高压等优异的性能被视为未来发展适用于极端环境的器件中不可或缺的材料之一。金属-半导体接触质量直接影响器件的应用,其中在肖特基接触存在的势垒不均匀性问题阻碍相关器件如肖特基二极管的广泛应用。近年来,研究者分别从表面和界面来探究SiC肖特基势垒不均匀机理并提出改善途径。本论文通过从界面微观角度研究Ni/SiC SBH不均匀性形成机理,并提出相应的改善方案,主要研究成果如下:实验研究表明,沉积态Ni/4H-SiC SBD具有均匀的势垒高度,但经不同温度退火后出现势垒不均匀现象,尤其是600°C退火的SBD的势垒不均匀最为明显,高势垒值和低势垒值相差0.52 eV。去除肖特基接触层后,扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)测试发现,在SBD界面处部分区域出现横向尺寸介于290 nm~540 nm之间、纵向(沿c轴)深度在24 nm~45 nm范围内的六边形凹坑,说明界面反应具有明显的不均匀特征。导电原子力显微镜(CAFM)测试表明,和其它区域相比,六边形凹坑处具有较低的势垒高度。因此,Ni/SiC势垒不均匀与不均匀的界面反应有关,这为改善势垒不均匀性提供了理论指导。基于势垒不均匀性产生的机理,分别采用W/Ni双金属层结构和插层Si对Ni/SiC势垒不均匀性进行改善。研究发现,二者均能有效提高Ni/SiC SBD的势垒均匀性。通过SEM、AFM、透射电子显微(TEM)和X-射线光电子谱(XPS)等表征手段,剖析了W和插层Si的作用:退火处理时,W(Si)与部分Ni相互扩散(反应)降低了Ni与SiC的反应程度,样品表面和界面粗糙度均得到改善,因此这两种方法均能消除Ni基SiC势垒不均匀性,具有重要的应用价值。
【学位单位】：上海师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN304
【部分图文】：

肖特基二极管,势垒高度,高斯分布,室温

子技术对高温、高频、高压及抗辐射器在物理和化学方面具有独特的性质，速度高（~Si 的 2.5 倍）、临界击穿电场导率高（~Si 的 3.3 倍或 GaAs 的 10 倍）用于高温、大功率、紫外辐射较强等环境在大功率电子领域和航天、军工等极端，弥补了传统半导体器件在实际应用中的硅（Si）材料肖特基二极管（SBD）相比度、较短的开关恢复时间、低功耗等优点在实际中，发现 SiC 肖特基二极管在制性差的问题，这与肖特基势垒不均匀性有面，一方面在同一器件上的肖特基势垒高示；另一方面，在中低温度下肖特基势6]，如图 1-2 所示。近年来，有学者相继改善肖特基势垒不均匀性的途径，本文

特性曲线,正向电流,特性曲线,二极管

图 1-2 不同温度下的二极管的正向电流-电压(I-V)特性曲线[6导体肖特基接触表面沉积一层金属，这便形成金属/半导体（M/S）接例。当金属功函数（Wm）大于半导体功函数（Ws）金属一侧，导致半导体近表面处能带发生弯曲，形成电阻，因此称该金属-半导体接触为肖特基接触。自现之后，有关金属-半导体肖特基接触无论是在理论们关注。1938 年 Schottky-Mott 模型首次阐述 M-S 接接触研究的深入，相关专家提出不同的肖特基势垒[8]、Cowley-Sze 模型[9]以及 Tung 模型[10]，使得肖特基善。另外 M/S 界面载流子的输运情况也影响着半导基接触接触载流子输运机制是器件的关键参数如肖想因子（n）、串联电阻（Rs）等提取的重要依据。与

金属,半导体,电势能,紧密接触

具体情况如图 1-3（a）所示；金属与半导体接触后，当金属功函数 Wm大于半导体功函数 Ws，半导体一侧的电子流向金属，半导体近表面处带正电荷，形成正空间电荷区产生势垒；同时金属近表面处不断地积累负电荷，但是整个系统保持电中性。由于金属与半导体存在电子输运，结果提高了半导体电势，导致半导体近表面能带发生弯曲；然而金属一侧变化较小可忽略，最后二者的费米能级达到一致，如图 1-3（b）所示。由该理论模型得到肖特基势垒高度的表达式为： BmW0(1-1式中，Wm为金属功函数，为半导体电子结合能（ 4H-SiC= 3.24 eV）。显然，在理想条件下，同一半导体材料的 M/S 肖特基势垒高度仅仅与金属功函数有关。Schottky-Mott 模型终究是理想模型，但在实际中肖特基势垒高度对金属的依赖性变得微弱，甚至与金属功函数无关。J. R. Waldrop[15]曾报道在 n 型GaAs 和 p 型 GaAs 表面上分别沉积 Cu、Pd、Ag、Au、Al、Ti、Pb、Bi、Ni、Cr、Fe 等金属（其金属功函数依次增大）发现获得的肖特基势垒高度变化较小。以 n 型 GaAs 为例，其势垒高度从 0.96 eV 变化到 0.72 eV，这表明在金属/GaA界面上肖特基势垒与金属功函数之间的关系已经不再简单。

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