退火温度对钼/4H-SiC接触特性的影响

退火温度对钼/4H-SiC接触特性的影响

宋歌

陕西地建土地勘测规划设计院陕西省西安市710075

摘要：采用快速热退火方法，研究了Mo-4H-SiC在不同退火温度（600℃-1200℃）条件下的接触特性。通过对样品的I-V特性进行分析，结果表明在经过退火之后，势垒呈现上升趋势，达到1200℃时出现双势垒。对样品进行变温处理之后，测试结果表明1000℃样品有着较高的势垒以及良好的热稳定性，在150℃环境温度下反向漏电流保持在10-8cm-2数量级，在升温过程中几乎不出现变化。通过对有效理查德森常数的计算，使用高斯分布函数对理查德森常数进行优化计算，可以看出虽然退火有助于形成高势垒，但是在一定程度上也导致了样品的横向不均匀的加重。但是这代表肖特基接触在高温情况下的应用仍存在一定改善空间，而S1000样品也为高温情况下肖特基接触的应用提供了一定参考价值

关键词：4H-SiC快速热退火；肖特基势垒；理查德森常数；不均匀性；高温

1、简介

碳化硅（SiC）作为新一代半导体材料，具有禁带宽度大，击穿电压高，热导率高，漂移速度大等优点，因此成为制作大功率高频，耐高温，抗辐照等器件的理想材料之一[1]。4H-SiC禁带宽度相比于6H-SiC更宽，4H—SiC的带隙比6H—SiC更宽（3．26eV），而电子迁移率接近3C—SiC，具有较好的各向同性[2]。因此被认为时大功率方面最有前途的碳化硅材料。

肖特基二极管作为一种单极器件，有着较低的开关损耗和反向漏电流，因此应用前景广阔[3]。良好的肖特基特性是提升SBD功率器件性能和稳定性的重要指标，而电学性能则主要取决于界面处的肖特基势垒，这些直接影响到器件的增益、效率和开关速度等性能指标[8]。

目前针对肖特基接触特性的研究已经有很多相关的报道。目前已经有很多金属用来研究制作肖特基接触金属，诸如镍（Ni）、钛（Ti）、钼（Mo）、金（Au）、钨（W）、钌（Ru）等[1~6]。

W作为所有非合金金属中熔点最高的金属，熔点高达3400℃，并且对熔融碱金属和蒸汽有良好的耐腐蚀特性，只有当温度高于1000℃时才会出现氧化物的挥发和液相氧化物。针对W的实验目前已有许多，而钼和钨性质十分相似，具有高温强度好、硬度高、密度大、抗腐蚀能力强、热膨胀系数小、良好的导电和导热等特性。S.Toumi等人制作了500℃N2退火下的W电极的肖特基二极管，并且使用高斯分布对势垒的横向不均匀性进行了分析，得到平均势垒高度为1.276±0.092eV[5]。WeijieLu等人使用金属/碳/SiC的结构进行研究，发现退火后由于催化石墨化的作用，会提升电极的热稳定性[11]。

KazuhiroIkeda等人使用Ru/diamond制作肖特基电极，制作出来的肖特基接触有着良好的热稳定性，以及低电阻，实验显示可以在400℃的温度下工作1500h[9]。HFujiwara报道了基于4H-SiC衬底叠层结构下肖特基二极管会因为叠层结构而导致势垒降低以及击穿电压的降低[7]。

2样品制备

样品为4H-SiC，正面有5μm厚的外延层，掺杂浓度为6×1015cm-3，使用2.5μm光刻正胶对表面进行光刻，随后进行淀积。如图1所示，在掺杂浓度为6×1015cm-3的SiC外延层上淀积200nm的Mo，电极半径150μm，在背面整面淀积Ni制作形成欧姆接触[12]。在样品淀积好之后在N2环境下分别进行不同退火温度和退火条件处理，见表1。然后使用Keysight1500和1505对样品进行I-V测试分析，并且对样品进行升温处理，从300K-425K，间隔25K进行重复测试。

表1.制备样品的条件与序号

3、实验结果及讨论

3.1正向I-V特性分析

如图2所示，在不同退火温度下样品的I-V特性曲线。由于材料并非重掺杂，因此根据热电子发射理论，I-V关系如下：

（1）

（2）

式中A为电极面积；A*=146A/（cm2•K2）为有效理查德森常数；T为300K；n为理想因子，表示实际势垒和理想势垒的偏差；φB为肖特基势垒；Js为反向饱和电流。Va为二极管两侧正电压。[11]

图2.

图2左图表示了不同退火条件下样品的常温正向电流特性，可以看出在退火温度达到1000℃时出现明显双势垒，在1000℃时曲线出现较明显的弯曲；右图为800℃条件下退火的样品在不同测试温度下的I-V特性。

通过对（1）式两侧求对数可以得到理想因子n的表达式：

（3）

可以看出在退火温度达到1200℃的时候，样品出现双势垒。通过对其余样品进行升温测试处理，根据式（1），（2），（3）可以计算得到4个样品的势垒和理想因子变化，图2右为800℃退火样品在不同退火条件下正向I-V特性。由图3可以看出各个样品随着测试温度的升高，势垒逐渐增加，而理想因子逐渐向1靠拢。说明了升温后电流传输时热电子发射占据主导地位，降低了由于缺陷而引起的复合电流。

图3

图3势垒和理想因子的变化关系，可以看出随着退火温度的升高，理想因子开始增大，势垒降低，接触逐渐向欧姆接触方向发生变化。

由于升温过程中势垒变化明显，因此判断接触界面存在势垒横向不均匀性。由于从热电子发射公式中可以根据I-V特性计算反向饱和电流，因此通过对式（2）进行变形，可以得到式（4）。

（4）

如图4左所示，各个样品的点进行拟合，计算有效理查德森常数，从式（1）中可以看出，A*与理论值146差距越大，则代表有效导电面积越小，从图中拟合出来的A*在表2中列了出来。

图4

图4左图为根据式（4）对点进行拟合，计算有效理查德森常数，右图为经过高斯分布拟合之后，重新得到的拟合线段，据此提取出来的理查德森常数也在表2中。

因此我们可以认为接触表面存在势垒横向不均匀性，Chen认为界面处形成的肖特基势垒高度不均匀性是由于半导体表面的不同结构引起的，针对这个问题，Werner提出了关于肖特基势垒高度在界面处呈现均值为φ，方差为σ2的高斯分布理论，基于此理论提出公式（5）、（6）[4]。

（5）

(7)

根据以上两个公式可以重新对理查德森常数进行拟合，最终结果由图4右图可见。通过拟合之后计算出来的理查德森常数在表2中可以看出，由于计算A*时使用指数计算，因此我们认为一定的偏差是可以接受的。通过对σ的值对平均势垒的比值可以定量的反映出势垒的不均匀程度。

表2通过对理查德森常数的分析定量的得出势垒横向不均匀性的程度

在表中可以看出来随着退火温度的增加势垒的不均匀性在逐渐增加，势垒则是先减小后增加，当退火温度达到1000℃时又开始变小，从图2左图可以看出样品出现双势垒，性能开始向欧姆接触方向变化。

3.2反向I-V特性分析

反向漏电流随着温度的升高而逐渐增大，图5左图中为测试温度300K时反向漏电流的变化情况，可以看出退火之后反向漏电流大幅度减小，随着退火温度的增加，反向漏电流基本保持在一个数量级上。图4（b）为S0、S600、S800、S1000样品在425K测试环境下的反向漏电流，对比可以看出在较高温度下，S800和S1000样品仍然保持着较低的反向漏电流。取偏置电压为-10V时的电流值作对比可以看出，在测试温度逐渐增加的过程中，样品的反向漏电流相较其余样品几乎不变，随着测试温度的升高，反向漏电流密度基本保持在10-8A/cm2数量级。

图5

图5左图为常温下样品反向漏电流，可以看出经过退火之后反向漏电流显著减小，右图为150℃情况下样品反向漏电流的变化，可以看到经过800℃和1000℃退火的样品仍然保持较低的反向漏电流。

根据R.F.Schmitsdorf等人[13]的研究，根据Tung’smodel计算可以发现，在一定测试温度下，肖特基势垒高度和对应的理想因子一定程度上呈线性关系，如图6所示为S1000样品的特性。对图中的点进行拟合，可以计算出理想因子为1时的肖特基势垒约为1.6eV。这逼实际测量值要高，说明经过退火处理后提高了肖特基势垒的高度，但是一定程度上导致了势垒横向不均匀性的出现。

图6势垒高度和理想因子的变化曲线。

4、结论

分别测量了Mo/4H-SiC在不同退火温度以及时间下的I-V特性，结果表明，退火温度后呈现良好的肖特基特性，反向漏电流大幅度下降，势垒逐渐升高，但是升高的同时会造成势垒横向不均性的加重。通过对反向漏电流的分析可以看出在高温情况下1000℃退火的样品虽然没有最好的不均匀性，但是拥有最小的反向漏电流。这可能与退火形成的高势垒有一定关系，造成这种抢矿的原因比较复杂，可能会受到例如材料缺陷，工艺污染，测试精度等条件的影响，但是S1000样品良好的高温特性将为未来研究方向提供一定参考价值。

参考文献：

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[2]张发生，李欣然.Mo/4H-SiC肖特基势垒二极管的研制[J].半导体学报，2007（03）：121-124.

[3]杨克勤，，陈厦平.不同退火温度下金属／4H-SiCSchottky势垒高度的研究[J].量子电子学报，2005，22（2）：251-255.

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作者简介：

姓名：宋歌（1993.04—）性别：男陕西省西安市人学历：本科专业：地理信息系统