Pd对Ni基n型SiC器件的欧姆接触特性影响

张　奎, 崔海花

(1．周口科技职业学院 信息与电子工程系，河南 周口 466001；2．周口科技职业学院 机械工程系，河南 周口 466001)



Pd对Ni基n型SiC器件的欧姆接触特性影响

张奎1, 崔海花2

(1．周口科技职业学院 信息与电子工程系，河南 周口 466001；2．周口科技职业学院 机械工程系，河南 周口 466001)

采用电子束蒸发法沉积Ni膜，对Ni膜进行650～1 150 ℃的热处理，研究了不同Ni层处理温度对欧姆接触的影响，再经过900～1 050 ℃热处理，欧姆接触比电阻率能够达到10-6，验证了Ni2Si化合物促进了欧姆接触的形成；采用磁控溅射法沉积Pd和Au层，对比了Au/Pd/Ni电极和Au/Ni电极结构的欧姆接触特性，Au/Pd/Ni结构电极的欧姆接触特性比Au/Ni结构电极稳定，接触势垒低．

势垒；比接触电阻；欧姆接触

近年来，在航空航天、汽车、通信等领域对高温度、高频率、高功率等极端条件下工作的电子器件需求逐渐增大，传统的半导体材料已经远远不能满足需要，具有宽禁带、高热导率、高饱和电子速度的SiC材料弥补了传统半导体材料器件短板．但是，对实际应用的SiC器件来说，电极的欧姆接触的稳定性和重复性，直接影响着器件的最大功率、最大电流及允许频率等性能，同时也直接影响着制造成本[1-2]．特别是在高温大功率应用的场合，低的欧姆接触电阻率和欧姆接触的稳定性成为决定器件性能的决定性因素，因此无论什么器件，金属与半导体的欧姆接触研究一直备受关注．

目前，n-SiC欧姆接触常采用Ni基金属，再蒸发Au来实现，主要是为了减小接触势垒高度，增大多数载流子隧穿几率．由于Au容易扩散到SiC内部晶格，增大接触势垒高度影响欧姆接触性能[3-4]，比电阻率参差不齐，且稳定性重复性较差，因此笔者采用热电子发射模型对Au/Ni和Au/Pd/Ni分别作为SiC器件电极的欧姆接触特性进行了对比研究，揭示了Pd层降低Ni基n-SiC欧姆接触的接触势垒，通过对Ni层单独热处理研究，减小了Ni基n-SiC欧姆接触的比接触电阻，通过对欧姆接触制备工艺的改进，实现了n-SiC欧姆接触低电阻率和稳定性．

1　实验

实验采用EPIGRESS公司的VP508GFR设备进行4H-SiC外延生长，Si面外延层厚度为0.25 μm，在550 ℃用热离子注入法，注入浓度为3×1019cm-3的N+，在1 050 ℃完成退火，形成SiC的重掺杂．样品先依次电子束蒸发沉积100 nm的Ni，经过650～1 100 ℃不同温度热处理，用HF∶HNO3为(1∶3)溶液腐蚀掉金属层，再分别溅射5 nm的Ni，10 nm的Pd和50 nm的Au. 用于测试欧姆接触的TLM图形工艺：光刻隔离，去胶清洗，光刻欧姆接触层，表面处理，金属化，剥离清洗，金属化，测试．欧姆接触图形完成后，经过快速退火工艺后，用Agilent 4155型 CVIV测试仪，多次测量金属-半导体的I-V关系，用KEITHLEY 2400半导体特性测试仪测量TLM图形的I-V关系，通过估算判定欧姆接触特性，研究对Ni层不同合金化温度对比接触电阻的影响；最后研究了两种样品在400 ℃，N2气氛下经过4 h、6 h、12 h、24 h、36 h和48 h老化试验，研究了两种样品的稳定性．

2　结果与讨论

2.1接触势垒

采用Agilent4155型CVIV测试仪，测量Au/Ni和Au/Pd/Ni两种复合金属电极在0～1 V偏压范围内的I-V特性．测试结构如图1所示， 金属-半导体加正向偏压正电极为平板式接触欧姆接触金属电极，另一点是探针接触在距离金属电极边缘1.5 mm的半导体表面处.测试的结果I-V特性曲线如图2所示，此种测试虽然不能够定量地反应欧姆接触势垒的绝对高度，但能够定性地对比两种样品势垒的大小．

图1　CVIV测试电极和SiC结构图

图2　Ni层950 ℃处理两种电极的单向I-V特性曲线图

根据热电子发射理论，单方向电流密度和电场的关系如式(1)表示[5-6]：

(1)

M-S结处单方向电流与电场的关系可由式(2)表示[5-6]：

(2)

其中I为漏电流；S是有效电极接触面积；T为测试热力学温度(300 K)；A为有效理查德常数(约为120 A/(cm2·K2))；q为电子电量；k0为波尔兹曼常数；φns为金半势垒高度(不随外加电压的变化而变化).

当外加电压为0 V时整理得

(3)

其中Ist为0偏压下由接触电势引起的微电流，由于φns为常数，根据式(2)可知LnI与V成线性关系，如图3所示．

图3　不同电极的LnI-V的关系曲线图表1　样品的电极面积

电极Au/NiAu/Pd/Ni电极面积0.1440.176

根据表1中电极的面积和式(3)，经估算可得：Au/Pd/Ni电极的势垒高度低于Au/Ni电极势垒高度0.15 eV，表明Pd金属层促进了SiC欧姆接触的形成，主要是由于在合金化处理过程中Pd大直径原子阻挡了Au原子向SiC内部扩散，破坏Ni与SiC的欧姆接触．

2.2比接触电阻计算

图4　TLM测试电极结构示意图

图5　TLM测试数据拟合示意图

根据接触电阻的定义，可知[5]：

(4)

通过传输线法(TLM 法)对两组样品进行电阻阻值与电极间距关系进行测试，测试拟合结果如图5所示．

根据TLM测试法得[6]：

(5)

其中：Rf=Rs·LT/W，Rs为体材料薄层电阻，LT=(ρc/Rs)1/2，称为传输长度；Ln为接触块之间距离，W为接触块的宽度．因此，通过测量不同接触块之间距离Ln的阻值Rn，作Ln-Rn的曲线，与Y轴截距为2Rf，与X轴截距为2LT，根据比接触电阻公式：ρc=Rf·LT·W可以得到比接触电阻率．

图6　测量Au/Ni结构样品总电阻随间距的变化曲线图

图7　测量Au/pd/Ni结构样品总电阻随间距的变化曲线图

2.3Ni层不同温度热处理的欧姆接触特性

经过650 ℃、750 ℃、850 ℃、950 ℃、1 050 ℃、1 150 ℃等不同温度热处理5 min的样品的欧姆特性如表2所示，从测量结果可以看出，从650 ℃到1 050 ℃温度段两种样品的欧姆接触特性逐渐提高，到1 150 ℃时又开始退化，主要是由于Ni层与SiC经过900 ℃以上接触热处理，促进Ni与SiC反应形成Ni2Si化合物有利于欧姆接触的形成，但同时析出第二相C．当温度超过1 050 ℃时，Ni和SiC反应过渡，第二相C析出过多，恶化了欧姆接触特性[7]．

2.4欧姆接触稳定性

图8为将Au/Pd/Ni结构和Au/Ni结构样品

在400℃的温度下，N2炉中分别进行4 h、6 h、12 h、24 h、36 h、48 h进行老化处理后比电阻曲线，从测量结果可以看出，Au/Pd/Ni电极样品的欧姆接触特性与Au/Ni电极样品的欧姆接触特性相比，可能由于Au/Pd/Ni电极样品的Pd层的阻挡，Au渗透进Ni-SiC的量较小，对Ni的欧姆接触影响较小，欧姆接触特性较为稳定．Au/Ni结构样品由于Au的扩散，一定程度上破坏了Ni-Si的欧姆接触，显示一定的分散性．两种样品在初始老化时，欧姆接触特性都有一定的退化，这主要是由于样品离子注入在深度方向上的不均匀和Ni与SiC继续融合引起．

图8　比接触电阻随老化时间的变化曲线图

3　总结

利用热电子发射理论分析了Au/Pd/Ni欧姆接触电极和Au/Ni欧姆接触电极的特性，结果表明Au/Pd/Ni 与SiC的接触势垒比Au/Ni与SiC的接触势垒低，分析认为Pd层阻挡了Au向半导体内部扩散，阻止了Au对Ni2Si化合物的欧姆接触的破坏．通过TLM法测试结果为Au/Pd/Ni样品的欧姆接触特性比Au/Ni欧姆接触特性更优越，Pd层有助于欧姆接触的稳定．通过对Ni层的单独热处理，在温度为900～1 050 ℃之间有助于欧姆接触的形成，Ni基n-SiC有较好的欧姆接触，主要是Ni2Si的作用得到了进一步验证，对欧姆接触电极制备工艺的改进提供了有力的依据．

表2　不同工艺条件下特征接触电阻率的比较

[1]张娟，柴常春，杨银堂，等.n-SiC欧姆接触的研究进展[J].现代电子技术，2007，30(6)：246-249 .

[2]郭辉，张义门，张玉明，等.Ni基n型SiC材料的欧姆接触机理及模型研究[J].固体电子学研究与进展，2008，28(1)：42-45.

[3]王平，杨银堂.SiC欧姆接触特性[J].西安电子科技大学学报，2011，38(4)：38-41.

[4]陈刚，柏松.4H-SiC欧姆接触与测试方法研究[J].固体电子学研究与进展，2008，26(1):38-41.

[5]刘恩科，朱秉升，罗晋生.半导体物理学[M].7版.北京：电子工业出版社，2003：183-200.

[6]Gerrish V M.Electronic characterization of mercuric iodode gamma ray spectrometers[C].Materials Research Siciety,Spring Meeting,San Francisco,CA(United States),1993.

[7]郭辉.SiC器件欧姆接触理论与实验研究[D].西安：西安电子科技大学，2007：44-49.

Influences of Pd film on Ni-based ohmic contacts to n-type SiC

ZHANG Kui1,CUI Haihua2

(1.Information and Electronic Deparment of Zhoukou Sicence and Technology Vocation College,Zhoukou 466000,China;2.Mechanical Deparment of Zhoukou Sicence and Technology Vocation College, Zhoukou 466000,China)

Ni film is formed using electron beam evaporation method.The sample with Ni film is heated from 650 ℃ to 1 150 ℃,different is studied.The result indicate ρc the sample heated with 900 ℃～1 050 ℃ dropped to 10-6degree.This confirm Ni2Si improved the forming of ohmic contracts.Pd film and Au film is formed by magnetron sputtering method.Comparing the Au/Pd/Ni sample with the Au/Ni sample,it is found ohmic contracts of the Au/Pd/Ni sample is more stable than ohmic contracts of the Au/Ni sample and the barrier of the Au/Pd/Ni sample is lower than the barrier of the Au/Ni sample.

barrier;contract resistence;ohmic contracts

2016-03-26;

2016-05-28

张奎(1975- )，男，河南信阳人，讲师，硕士，主要从事固体微电子研究.E-mail:1249686926@qq.com

TN305

A

1671-9476(2016)05-0078-04

10.13450/j.cnki.jzknu.2016.05.020