黃玲琴 朱靖 馬躍 梁庭 雷程 李永偉 谷曉鋼?

1) (江蘇師范大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院, 徐州 221000)

2) (中北大學(xué), 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 太原 030051)

(2021 年4 月11 日收到; 2021 年6 月27 日收到修改稿)

1 引 言

第三代半導(dǎo)體碳化硅 (SiC)具有寬禁帶、高臨界擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率等優(yōu)異性能, 是制備高溫、高頻、大功率、低功耗器件的理想半導(dǎo)體材料. 對(duì)比Si 器件, SiC 器件的品質(zhì)因數(shù)優(yōu)越103以上, 使用SiC 器件的電力系統(tǒng)可以節(jié)能達(dá)70%[1,2]. 因此,在當(dāng)前環(huán)境污染日益嚴(yán)重, 能源日趨緊張的社會(huì)背景下, SiC 電力電子器件的研制和發(fā)展非常重要.

目前, 基于SiC 的二極管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、晶閘管、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等器件得到了一定的應(yīng)用[3]. 然而, SiC 材料特性的優(yōu)勢(shì)并沒(méi)有在SiC 器件性能中得以充分發(fā)揮, 原因在于SiC 器件研制中的一些關(guān)鍵技術(shù)難題未能解決, 成為了阻礙SiC 器件發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸, 其中金屬接觸問(wèn)題就是當(dāng)前迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題[4-15].

金屬/SiC 可形成歐姆接觸或肖特基接觸, 其性能的好壞直接關(guān)系到器件的效率、增益、開(kāi)關(guān)速度等性能指標(biāo). 制備低電阻高穩(wěn)定的SiC 歐姆接觸和整流特性良好的肖特基接觸是決定SiC 在高溫、高頻、大功率、低功耗器件領(lǐng)域應(yīng)用潛力得以充分發(fā)揮的關(guān)鍵. 然而, 良好的SiC 歐姆接觸尤其是p型SiC 歐姆接觸難以制備, SiC 肖特基接觸整流特性還有待進(jìn)一步改善.

本文針對(duì)SiC 電力電子器件高性能金屬接觸制備難題, 首先對(duì)SiC 歐姆接觸和肖特基接觸研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析, 揭示了決定金屬/SiC 接觸性能的界面勢(shì)壘不可控等關(guān)鍵問(wèn)題. 然后對(duì)金屬/SiC 接觸勢(shì)壘及界面態(tài)性質(zhì)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析, 并綜述了近年來(lái)在金屬/SiC 接觸界面調(diào)控技術(shù)上取得的重要進(jìn)展. 最后對(duì)金屬/SiC 接觸界面態(tài)本質(zhì)及界面調(diào)控技術(shù)的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望.

2 SiC 歐姆接觸和肖特基接觸制備研究現(xiàn)狀與分析

2.1 SiC 歐姆接觸制備研究現(xiàn)狀與分析

就理論而言, 金屬/SiC 接觸的電學(xué)特性主要受控于接觸界面處的肖特基勢(shì)壘高度, 勢(shì)壘越低越有利于形成歐姆接觸[1,14]. 然而, 由于SiC 的禁帶寬度大, 已有金屬與SiC 接觸無(wú)法直接形成較低的勢(shì)壘, 因此, 目前SiC 歐姆接觸主要是結(jié)合重?fù)诫s和高溫退火工藝, 在重?fù)诫s的SiC 表面沉積金屬,然后經(jīng)過(guò)高溫退火(> 800 ℃)進(jìn)行制備.

長(zhǎng)期以來(lái), SiC 歐姆接觸的研究主要是基于對(duì)傳統(tǒng)工藝的改進(jìn), 如探索接觸金屬體系、SiC摻雜濃度、退火溫度等對(duì)歐姆接觸電阻及熱穩(wěn)定性的影響, 并明晰相關(guān)機(jī)理以獲得更佳的制備工藝. 目前, 對(duì)n 型SiC 歐姆接觸的研究較為集中,自1970 年Addamiano 等[16]在n 型6H-SiC 上獲得了Cr 基歐姆接觸以來(lái), 科研人員對(duì)接觸金屬體系、制備工藝、歐姆接觸形成機(jī)理等進(jìn)行了廣泛的研究, 比接觸電阻率最低可降至10–7Ω·cm2量級(jí)[8,14]. p 型SiC 歐姆接觸的研究相對(duì)較少, 主要是由于p 型SiC 的摻雜劑電離能高、活性化率低,難以實(shí)現(xiàn)重?fù)诫s. 目前, 最成熟的TiAl 基金屬體系, 比接觸電阻率最低可達(dá)10–6Ω·cm2量級(jí), 但退火溫度普遍在1000 ℃以上[10,14.15,17]. 為了促進(jìn)器件小型化并精簡(jiǎn)制造過(guò)程, 在n 型和p 型SiC 上同時(shí)制備歐姆接觸引起了關(guān)注[6,15,18-23]. He 等[6]和Zhang 等[18]近期提出的Pt/TaSi2/Ni/Ti/Ni/ SiC和Ni/Ti/Al/W/SiC 接觸給出了同時(shí)制備n 型和p 型SiC 歐姆接觸的解決方案, 其中Ni/Ti/Al/W金屬體系經(jīng)750 ℃退火后可獲得比接觸電阻率分別為n 型8 × 10–4Ω·cm2和p 型4.1 × 10–5Ω·cm2的4H-SiC 歐姆接觸.

高溫退火時(shí), 金屬/SiC 接觸界面會(huì)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng), 形成新的界面相、界面缺陷以及粗糙的表面形貌, 這些因素都可能是SiC 歐姆接觸形成的原因, 因此, SiC 歐姆接觸形成機(jī)理較為復(fù)雜[14,15]. 近年來(lái), 研究人員開(kāi)始探索低溫下制備SiC 歐姆接觸的方法[11,14,15,24-27], Huang 等[11]利用低溫電子回旋共振氫等離子體對(duì)較高摻雜(Nd≈1 × 1018cm–3)的n 型4H-SiC 表面進(jìn)行預(yù)處理, 在低溫(400 ℃)退火條件下, 獲得了比接觸電阻率為2.07 × 10–4Ω·cm2的Ti 基歐姆接觸.

2.2 SiC 肖特基接觸制備研究現(xiàn)狀與分析

SiC 肖特基接觸研究最早可追溯到1974 年[28],肖特基二極管是最早商用化的SiC 電力電子器件,因其具有反向恢復(fù)速度快、開(kāi)關(guān)損耗低、開(kāi)關(guān)頻率高等優(yōu)勢(shì), 在開(kāi)關(guān)電源、光伏逆變器、新能源汽車充電器、探測(cè)器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1,2,4].

近年來(lái), 金屬/SiC 肖特基接觸的勢(shì)壘特性、反向漏電流、擊穿電壓、正向壓降、工作溫度等得到了系統(tǒng)的研究, 大部分研究同樣集中在n 型SiC肖特基接觸上[4,5,9,12,28-36]. 一般情況下, 勢(shì)壘越高越有利于形成肖特基接觸, 因?yàn)镾iC 禁帶寬度大,理論上金屬與SiC 直接接觸就能形成較高的勢(shì)壘,并可通過(guò)選擇不同接觸金屬使勢(shì)壘高度在一定范圍內(nèi)得到準(zhǔn)確控制, 以滿足實(shí)際器件對(duì)開(kāi)啟電壓大小的需求. 然而, 由于金屬/SiC 接觸界面特性復(fù)雜, 金屬/SiC 接觸界面存在費(fèi)米能級(jí)釘扎現(xiàn)象, 勢(shì)壘高度不完全受接觸金屬控制, 其值在0.3—2.0 eV范圍內(nèi)均有報(bào)道[28]. 另外, 肖特基二極管的反向漏電流、反向擊穿電壓、工作溫度等性能受金屬/SiC界面缺陷的影響很大[1,4,29,30]. Li 等[30]發(fā)現(xiàn)界面存在的Ti(c)rma缺陷會(huì)導(dǎo)致SiC 肖特基二極管勢(shì)壘降低、反向漏電流增大.

因此, 目前SiC 肖特基接觸制備也采用適當(dāng)?shù)臏囟冗M(jìn)行退火以減少界面缺陷, 解除費(fèi)米能級(jí)釘扎. 退火后整流特性可以得到一定改善, 例如, Pt/SiC接觸經(jīng)900 °C 退火后, 勢(shì)壘高度由 0.45 eV 增加至 1.35 eV[31], 但退火過(guò)程中界面固相反應(yīng)往往又引入新的缺陷, 存在接觸界面勢(shì)壘分布不均勻、反向漏電流偏大等現(xiàn)象[5,12,32-36]. 通過(guò)采用結(jié)終端技術(shù)、結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管(JBS)結(jié)構(gòu)等可使反向特性得到一定改善[23].

2.3 存在的問(wèn)題

SiC 歐姆接觸和肖特基接觸制備存在的主要問(wèn)題有: 金屬/SiC 接觸界面特性復(fù)雜, 決定接觸性能的肖特基勢(shì)壘可控性有待提高; 另外, 經(jīng)傳統(tǒng)高溫退火工藝形成的SiC 歐姆接觸和肖特基接觸性能不穩(wěn)定, 形成機(jī)理仍需進(jìn)一步研究論證. 因此,明晰金屬/SiC 接觸界面態(tài)本質(zhì), 揭示界面調(diào)控機(jī)理, 避免采用高溫退火工藝, 開(kāi)發(fā)低溫界面調(diào)控新技術(shù), 有效控制肖特基勢(shì)壘高度, 是解決SiC 電力電子器件金屬接觸問(wèn)題的研究要點(diǎn).

3 金屬/SiC 接觸勢(shì)壘及界面態(tài)研究現(xiàn)狀與分析

3.1 金屬/SiC 接觸勢(shì)壘研究現(xiàn)狀與分析

根據(jù)Cowley 和Sze[32]經(jīng)典勢(shì)壘理論, 金屬半導(dǎo)體接觸界面的肖特基勢(shì)壘高度主要由金屬功函數(shù)和界面態(tài)密度兩者共同決定. 大量文獻(xiàn)表明, 金屬/SiC 接觸的勢(shì)壘高度缺乏有效控制的主要原因是金屬/SiC 接觸界面存在費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)[1,4,9,28,33,34].金屬接觸前, SiC 表面吸附的雜質(zhì)、未飽和的懸掛鍵、缺陷、重構(gòu), 以及金屬沉積工藝、金屬/SiC 相互作用、界面化學(xué)反應(yīng)等因素都會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜的界面態(tài), 將費(fèi)米能級(jí)釘扎在某一能級(jí)上, 從而引起費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)[1,4,33,34].

近年來(lái), 研究人員也把金屬/SiC 接觸勢(shì)壘不可控問(wèn)題歸因于勢(shì)壘高度在空間納米尺寸上的分布不均勻, 認(rèn)為勢(shì)壘不均勻分布對(duì)金屬/SiC 界面電流輸運(yùn)特性產(chǎn)生了影響[12,35-38], 并利用高斯分布、雙勢(shì)壘等模型成功解釋了金屬/SiC 接觸呈現(xiàn)的一些非理想電學(xué)特性, 例如理想度因子大于1、用電流-電壓(I-V)法測(cè)試得到的勢(shì)壘高度小于用電容-電壓(C-V)法測(cè)得的值、勢(shì)壘高度和理想度因子隨測(cè)試溫度變化而變化等. 關(guān)于勢(shì)壘不均勻分布的機(jī)理, Huang 等[12]研究發(fā)現(xiàn)金屬/SiC 接觸勢(shì)壘不均勻分布可能與高界面態(tài)引起的費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)有關(guān).

因此, 明晰界面態(tài)本質(zhì)、費(fèi)米能級(jí)釘扎原因,發(fā)掘勢(shì)壘分布規(guī)律及其與電流輸運(yùn)特性的關(guān)系是解決金屬/SiC 接觸勢(shì)壘不可控問(wèn)題的關(guān)鍵, 這對(duì)完善金屬半導(dǎo)體接觸勢(shì)壘理論以及提高金屬/SiC接觸性能具有積極的指導(dǎo)意義.

3.2 金屬/SiC 界面態(tài)及其對(duì)金屬接觸性能的影響研究現(xiàn)狀與分析

金屬/SiC 接觸界面態(tài)問(wèn)題主要由SiC 表面缺陷[11,33,39-41]、金屬誘導(dǎo)能隙態(tài)(MIGS)[42,43]、界面化學(xué)鍵[44,45]、界面反應(yīng)引起的缺陷[4,5,14,15,46,47]等因素造成, 界面態(tài)會(huì)對(duì)金屬接觸性能產(chǎn)生多種影響.

1) SiC 表面缺陷及其對(duì)接觸性能的影響: SiC表面最外層原子未飽和的懸掛鍵會(huì)吸附外來(lái)的原子, 并與之形成化學(xué)鍵, 引起表面態(tài). 利用H 原子可以飽和Si 表面的懸掛鍵, 降低表面態(tài)密度. 然而, Dhar 等[39]研究發(fā)現(xiàn), SiC 表面與Si 表面不同,經(jīng)HF 刻蝕的SiC 表面仍存在單層氧原子, 表面Si 懸掛鍵被羥基鈍化, 而不是被H 飽和.

除了懸掛鍵引起的本征表面態(tài)以外, SiC 表面存在的如晶格排列不整齊、表面重構(gòu)、表面C, O殘留物等引起的非本征表面態(tài), 均影響金屬接觸性能[1]. Hashimoto 等[40]研究發(fā)現(xiàn)SiC 表面形成的超薄SiCxOy層會(huì)造成金屬/SiC 界面費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng), 影響金屬接觸勢(shì)壘特性. 此外, SiC 表面存在C 空位型深能級(jí)缺陷, 也可能是金屬/SiC 界面態(tài)的來(lái)源[28,41].

2) 金屬誘導(dǎo)能隙態(tài)(MIGS)及其對(duì)接觸性能的影響: 1965 年Heine[42]對(duì)Bardeen 模型研究時(shí)提出了MIGS 理論, 認(rèn)為金屬與半導(dǎo)體形成理想突變界面時(shí), 金屬電子波函數(shù)將滲透到半導(dǎo)體內(nèi)形成一個(gè)波函數(shù)尾巴, 誘生出半導(dǎo)體帶隙中的局域態(tài). 因此, 按照MIGS 理論推斷, 金屬/半導(dǎo)體接觸界面可能會(huì)產(chǎn)生費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng). M?nch[43]提出金屬/SiC 接觸界面費(fèi)米能級(jí)釘扎也可能與MIGS有關(guān). 后續(xù)研究表明, 通過(guò)SiC 表面預(yù)處理, 界面插層等方法可以緩解MIGS 對(duì)金屬/SiC 接觸性能的影響[11,48].

3) 界面化學(xué)鍵及其對(duì)接觸性能的影響: Tung[44]認(rèn)為金屬/半導(dǎo)體接觸的費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)主要?dú)w因于接觸界面形成的化學(xué)鍵. Aboelfotoh 等[45]具體研究了Ti, Ni, Cu 和Au 分別與n 和p 型SiC接觸的勢(shì)壘特性, 結(jié)果表明, 金屬/SiC 接觸費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)主要取決于接觸界面金屬與SiC 形成的化學(xué)鍵, 而與界面缺陷和MIGS 無(wú)關(guān), 界面化學(xué)鍵在決定金屬/SiC 接觸勢(shì)壘高度方面起重要作用.

4) 界面反應(yīng)缺陷及其對(duì)接觸性能的影響: 界面缺陷態(tài)主要由金屬電極沉積、接觸的相互作用,特別是退火過(guò)程中界面發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)引起. 例如金屬與SiC 表面的Si 或C 反應(yīng)不均勻可能導(dǎo)致Si 或C 的團(tuán)簇/空位, 并且這些界面缺陷受金屬體系和退火溫度影響很大. 研究表明, 界面局域缺陷態(tài)可引起費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng), 導(dǎo)致金屬/SiC 接觸勢(shì)壘分布不均勻, 影響電流輸運(yùn)[4,5,12,14,15,17,18,46,47].Vivona 等[10]認(rèn)為界面反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷也可能具有積極作用, 其可作為捕獲中心有助于載流子隧穿和跳躍, 促進(jìn)SiC 歐姆接觸的形成.

3.3 存在的問(wèn)題

目前, 表界面缺陷對(duì)接觸勢(shì)壘的影響機(jī)理仍處于探索階段, 肖特基勢(shì)壘無(wú)法得到有效控制, 金屬接觸性能的改進(jìn)亟需理論支撐. 這主要是由于金屬/SiC 接觸界面態(tài)復(fù)雜, 另外, 退火工藝中界面缺陷隨金屬體系和退火溫度會(huì)發(fā)生復(fù)雜變化. 因此,金屬/SiC 接觸界面態(tài)本質(zhì)及其對(duì)金屬/SiC 接觸性能的影響仍有待進(jìn)一步研究.

4 金屬/SiC 接觸表界面調(diào)控技術(shù)研究進(jìn)展與分析

4.1 金屬/SiC 界面調(diào)控技術(shù)研究進(jìn)展與分析

SiC 禁帶寬度大, 表面特性復(fù)雜, 僅通過(guò)金屬選擇和表面預(yù)處理無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬/SiC 接觸特性的有效調(diào)控. 目前, 對(duì)金屬/SiC 接觸界面調(diào)控的方法主要有熱退火調(diào)控技術(shù)、離子/激光輻射調(diào)控技術(shù)、納米嵌入調(diào)控技術(shù)等.

1) 熱退火調(diào)控技術(shù). 目前, SiC 歐姆接觸和肖特基接觸制備均需在金屬沉積后再置于N2, Ar 等氣氛中進(jìn)行快速熱退火處理[4-15,17-26], 高溫下界面發(fā)生固相反應(yīng)形成新的相, 同時(shí)消耗了近表面SiC,使接觸性能不再?gòu)?qiáng)烈依賴于SiC 表面預(yù)處理. 并且隨著退火溫度的升高, 整流特性將得到優(yōu)化并逐漸過(guò)渡到歐姆特性. 然而, 由于界面反應(yīng)非常復(fù)雜,熱退火處理會(huì)導(dǎo)致新的界面相和界面缺陷, 使接觸性能不穩(wěn)定, 變化機(jī)理也有待進(jìn)一步研究[4,49].

2) 離子/激光輻射調(diào)控技術(shù). Roccaforte 等[50]發(fā)現(xiàn)經(jīng)Si4+離子輻射后, Ti/4H-SiC 接觸的肖特基勢(shì)壘高度增大, 漏電流減小, 勢(shì)壘不均勻分布程度得到改善. 其機(jī)理, 認(rèn)為是離子輻射使得Ti 在SiC表面的生長(zhǎng)取向結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變, 促使勢(shì)壘高度增加, 同時(shí)離子輻射使界面形成新的缺陷, 這些缺陷有利于摻雜劑鈍化, 勢(shì)壘厚度增加, 反向漏電流降低[51]. 然而, Kozlovski 等[52]發(fā)現(xiàn)經(jīng)高能電子輻射后Ni/4H-SiC 肖特基二極管開(kāi)態(tài)電阻升高, 理想度因子增大. Wang 等[53]也發(fā)現(xiàn)高能離子輻射產(chǎn)生的界面缺陷造成SiC 肖特基二極管反向漏電流增大、勢(shì)壘降低、勢(shì)壘分布不均勻等現(xiàn)象. 另外, 激光輻射調(diào)控技術(shù)取得了一定進(jìn)展, Adelmann 等[54]利用激光輻射取代傳統(tǒng)退火工藝獲得了Ni 基SiC歐姆接觸. Lin 等[55]也發(fā)現(xiàn)采用193 nm 激光輻射可降低金屬/SiC 接觸勢(shì)壘高度, 如圖1 所示, 通過(guò)改變輻射參數(shù)可實(shí)現(xiàn)勢(shì)壘高度在0.38—1.82 eV 范圍內(nèi)得到調(diào)控. Zhou 等[56]用脈沖激光輻射在4HSiC C 面上形成了良好的Ni 基歐姆接觸, 比接觸電阻率為5.1 × 10–5Ω·cm2, 歐姆特性比經(jīng)1030 ℃高溫退火更佳.

圖1 (a) 經(jīng)激光輻射的Au/4H-SiC 接觸I-V 特性曲線;(b) 相應(yīng)的肖特基勢(shì)壘高度值柱狀圖[55]Fig. 1. (a) I-V curve of Au/4H-SiC contacts with laser irradiation; (b) histograms of corresponding Schottky barrier height values[55].

3) 納米嵌入調(diào)控技術(shù). 隨著納米技術(shù)的發(fā)展,有研究提出利用納米嵌入技術(shù), 通過(guò)局部電場(chǎng)的改性來(lái)調(diào)整金屬半導(dǎo)體接觸勢(shì)壘高度, 可避免退火工藝所帶來(lái)的弊端[57]. Kang 等[58]將Ag 納米粒子嵌入Ni/SiC 界面, 降低了肖特基勢(shì)壘高度, 形成了歐姆接觸, 分析其機(jī)理, 認(rèn)為是納米粒子的嵌入使空間納米尺寸上的勢(shì)壘不均勻分布程度得到了調(diào)控, 隧穿電流增強(qiáng)[59], 但Ag 納米粒子的形成過(guò)程,也需要在沉積薄層Ag 后經(jīng)過(guò)500 ℃以上的退火處理. Gorji 和Cheong[60]在n 型和p 型Al/4H-SiC界面嵌入直徑為5 nm 和10 nm Au 納米粒子, 研究了納米粒子嵌入對(duì)Al/4H-SiC 接觸電流密度-電壓特性的影響, 結(jié)果顯示當(dāng)Au 納米粒子直徑為5 nm 時(shí), 正向偏壓下電流密度明顯增加, 分析其原因, 認(rèn)為是納米粒子的嵌入使局部電場(chǎng)增強(qiáng), 從而使得界面勢(shì)壘降低. 此外, 研究表明超薄 (< 5 nm)high-k介質(zhì)層嵌入對(duì)金屬/SiC 接觸肖特基勢(shì)壘高度也具有調(diào)節(jié)作用[44,61]. Huang 等[62]研究發(fā)現(xiàn)Ni/p型4H-SiC 界面嵌入3 nm 的TiO2層后, 勢(shì)壘高度大幅度升高甚至超過(guò)肖特基極限, 分析其原因, 可能是4H-SiC 自然極化所致, 其結(jié)構(gòu)和能帶圖如圖2所示. 由于極化作用, p 型SiC 表面的極化正電荷形成偶極層, 使金屬Ni 表面積累等量的負(fù)電荷,產(chǎn)生的靜電勢(shì)能促使勢(shì)壘升高. 類似地, Shi 等[63]采用薄層Al2O3作為中間介質(zhì)層改善了Al/Ti/4HSiC 接觸勢(shì)壘的不均勻分布特性, 其機(jī)理認(rèn)為是Al2O3介質(zhì)層阻礙了Ti 向SiC 擴(kuò)散并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成新的界面相. 最近, Triendl 等[64]在Ti/4HSiC 界面嵌入超薄(0.7 —4.0 nm)α-SiC:H 層, 實(shí)現(xiàn)了勢(shì)壘高度在0.78—1.16 eV 范圍內(nèi)的有效調(diào)控.

圖2 Ni/TiO2/p-type 4H-SiC 接觸 (a) 結(jié)構(gòu)及 (b) 能帶圖[61]Fig. 2. Schematic illustration of the contact (a) structure and (b) energy band diagram of Ni/TiO2/p-type 4H-SiC[61].

4.2 SiC 表面鈍化技術(shù)及其對(duì)金屬接觸性能的影響研究進(jìn)展與分析

SiC 表面特性非常復(fù)雜, 金屬/SiC 接觸性能經(jīng)高溫退火工藝后不再受控于表面特性, 但退火工藝會(huì)帶來(lái)多種弊端, 例如存在接觸性能不穩(wěn)定、機(jī)理不清晰等問(wèn)題. 因此, 低溫退火甚至常溫下獲得高性能的SiC 歐姆接觸和肖特基接觸成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn). 在低溫條件下, 金屬/SiC 接觸界面不發(fā)生固相反應(yīng), 界面態(tài)主要受控于SiC 復(fù)雜的表面態(tài), 因此, SiC 表面鈍化技術(shù)及其對(duì)金屬接觸特性的影響研究非常重要.

1) SiC 表面鈍化技術(shù). 表面鈍化方法主要包括傳統(tǒng)濕法處理、犧牲氧化(SO)、高溫退火處理、等離子體處理等. 大量研究表明, 傳統(tǒng)的HF、RCA等清洗方法結(jié)合SO 均無(wú)法徹底清除SiC 表面C 和O 等污染物[38]; 通過(guò)熱處理方法可以去除C和O 等污染物, 但在高溫下, SiC 表面容易石墨化;高溫氫退火是目前最有效的高溫鈍化方法, SiC 表面C 和O 等污染物得以去除, 并且Si 懸掛鍵會(huì)被氫飽和, 表面抗氧化性也得到增強(qiáng). 然而, 退火溫度在1000 ℃以上, 使其與器件后續(xù)工藝的相容性較差[65]. 為了解決高溫不兼容性問(wèn)題, 低溫等離子體得以應(yīng)用, Losurdo 等[66]利用射頻氫、氮等離子處理SiC 表面, 發(fā)現(xiàn)在200 ℃下就可獲得干凈平整的SiC 表面, 但是表面氧去除效果較差, 表面發(fā)生重構(gòu)且存在離子損傷等問(wèn)題. Huang 等[67,68]研究了SO 和氫等離子體(HPT)對(duì)p 型4H-SiC表面特性的改善效果, 發(fā)現(xiàn)通過(guò)SO 和HPT 兩者相結(jié)合, 可完全去除SiC 表面C 和O 等污染物,SiC 表面特性得到了有效改善, 如圖3 中的X 射線光電子能譜(XPS)所示.

圖3 經(jīng)不同表面處理后的XPS (a) Si 2p; (b) C 1s 譜[67]Fig. 3. XPS spectra of p-type 4H-SiC surfaces with different pretreatments: (a) Si 2p spectra; (b) C 1s spectra[67].

2) 表面鈍化對(duì)接觸性能的主要影響. Cichoň等[69]對(duì)比了濕法處理、等離子體刻蝕、SO、氫氣退火等對(duì)Ni/SiC 接觸特性的影響, 發(fā)現(xiàn)經(jīng)高溫(> 850 °C)退火后金屬/SiC 接觸性能幾乎不受表面鈍化方法的影響. 而在低溫或不退火條件下, 通過(guò)表面預(yù)處理工藝, 金屬/SiC 接觸特性可以得到改善[8,11,12,26,69,70]. Cheng 和Tsui[8]采用電感耦合(ICP) Ar 等離子體對(duì)SiC 表面進(jìn)行預(yù)處理后, 經(jīng)低溫600 ℃退火獲得了比接觸電阻率低達(dá)8.3 ×10–7Ω·cm2的Ti/6H-SiC 歐姆接觸. Huang 等[12]發(fā)現(xiàn)用氫等離子體表面預(yù)處理可以對(duì)金屬/SiC 接觸的勢(shì)壘高度及勢(shì)壘不均勻分布特性進(jìn)行調(diào)控. Wu等[26]采用KrF 激光輻射6H-SiC 表面, 不用退火就形成了Ti 和Au 基歐姆接觸.

5 結(jié)論與展望

綜上所述, 要提高SiC 電力電子器件性能及穩(wěn)定性, 制備高性能的SiC 歐姆接觸和肖特基接觸非常關(guān)鍵. 目前, 金屬/SiC 接觸研究取得了一定的進(jìn)展, 但經(jīng)傳統(tǒng)工藝制備的SiC 歐姆接觸和肖特基接觸界面特性十分復(fù)雜, 接觸穩(wěn)定性仍需提高, 界面態(tài)本質(zhì)需進(jìn)一步明晰. 因此, 對(duì)金屬/SiC 界面特性的有效調(diào)控亟需理論和技術(shù)支撐.

SiC 器件金屬接觸性能的提高, 更需加強(qiáng)表界面的物理基礎(chǔ)研究, 以增強(qiáng)對(duì)金屬/SiC 接觸界面更深層次認(rèn)知, 明晰界面態(tài)起源, 挖掘其對(duì)SiC 歐姆接觸和肖特基接觸特性影響的本質(zhì)規(guī)律, 獲得SiC 表面及金屬/SiC 接觸界面調(diào)控策略及關(guān)鍵技術(shù), 實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬/SiC 接觸性能的有效控制.

綜合已有的界面調(diào)控技術(shù), 納米嵌入方式主要是通過(guò)改變局部電場(chǎng)特性實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸勢(shì)壘特性的調(diào)控, 以獲得良好的SiC 歐姆接觸以及肖特基接觸. 然而, 該方向相關(guān)研究還較少, 且納米粒子嵌入仍需在高溫下實(shí)現(xiàn). 同時(shí), 低溫下金屬/SiC 接觸性能受SiC 表面特性的影響很大, 已有的表面處理工藝還不能從根本上解決SiC 表面態(tài)問(wèn)題, 因此,界面低溫納米粒子嵌入、更加有效的SiC 表面低溫鈍化工藝需進(jìn)一步探索研究.