4H-SiC欧姆接触的高温电学特性研究

摘要

航空航天、石油钻探、火力发电和核能等行业都需要在高温环境下工作的电子器件，而当前基于硅半导体的电子元件最高工作温度只有200oC。由于SiC宽禁带（3.26eV）、高热导率、高电场强度等优良特性，使SiC器件可轻松突破Si器件的物理极限，被广泛应用于高温、高频、大功率等场合。但是SiC材料本身工作温度可达1000oC，500oC或更高温度下工作的SiC器件的热可靠性并不受限于材料本身，最大的挑战在于制备热稳定的欧姆接触。对于高温极限工况下应用的SiC器件，要求欧姆接触能在破坏性氛围中（比如空气中，潮湿、酸性氛围等）生存并具有稳定性。相比致力于获得低比接触电阻欧姆接触的研究，欧姆接触的热稳定性和高温电学特性研究相对较少。特别是，可稳定工作于450oC以上空气环境中且同时形成n型和p型的耐高温欧姆接触方案并未见诸报道。
　　本研究主要内容包括：⑴通过离子注入外延层实现重掺杂，对传统的n型和p型Pt/Ti/SiC欧姆接触进行了老化分析：Pt/Ti/SiC欧姆接触虽然在长达300小时的500 oC N2氛围热存储过程中表现出良好的热稳定性，但在500 oC空气环境下迅速退化，n型和p型欧姆接触分别经100小时和200小时退化为整流特性。俄歇电子能谱分析（AES）表明老化过程中金属/SiC界面处的Ti原子几乎全部被氧化，导致最终欧姆接触的失效。⑵为避免Ti氧化所带来的稳定性问题，提出了Pt/TaSi2/Ni/Ti/Ni/SiC结构，该结构可实现同时制备n型和p型欧姆接触。经500 oC空气下长达300小时的老化实验后仍保持良好的欧姆特性。最初的50小时里有一定的退化，n型和p型比接触电阻分别由3.7×10-4?·cm2和2.9×10-3?·cm2增大至6.5×10-4?·cm2和8.3×10-3?·cm2，之后的250小时里比接触电阻保持稳定。高温电学特性测试表明老化后的欧姆接触在500 oC下电学特性仍表现为欧姆特性。扫描电镜（SEM）和AES分析表明快速退火后表面产生大量的纳米级的“空洞”，这些“空洞”区域在最初50小时老化实验过程中迅速氧化，导致电学特性的退化。之后的250小时里，以牺牲TaSi2层被氧化为代价来有效减缓O原子朝SiC方向的扩散速率，延缓了欧姆接触界面层处的Ti金属被严重氧化所需的时间，使得没有“空洞”的区域下的金属/SiC界面层质量不被氧化问题影响，从而提升欧姆接触在500 oC空气环境下的寿命。⑶针对Pt/TaSi2/Ni/Ti/Ni/SiC欧姆接触的退化机理，提出Pt/TaSi2/W/Ni/SiC金属组合作为优化方案。该结构提供了一种同时制备n型和p型耐高温欧姆接触的解决方案，退火后取得的比接触电阻分别为4.0×10-4?·cm2和1.3×10-3?·cm2。老化实验后500 oC电学特性测试提取的n型和p型欧姆接触比接触电阻分别为1.2×10-4?·cm2和6.5×10-5?·cm2。SEM分析表明欧姆接触表面在老化实验过程中保持稳定且平滑。AES分析表明Pt/TaSi2/W/Ni/SiC欧姆接触经退火后，表面生成的二元化合物Pt2Si可有效阻挡O原子进一步扩散进入金属层，使得欧姆接触金属/SiC界面层的质量在老化实验过程中不被影响，这是该欧姆接触在500 oC空气下保持极好热稳定性的原因所在。

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1 SiC材料和器件高温应用的优势

1.2 SiC欧姆接触的高温特性及热可靠性的研究

1.3本论文的主要工作

第二章 SiC欧姆接触理论

2.1金属-半导体接触理论

2.2比接触电阻的测试

2.3本章小结

第三章 欧姆接触制备与表征

3.1欧姆接触样品制备

3.2欧姆接触样品表征

3.3本章小结

第四章 SiC欧姆接触的高温电学特性及热可靠性研究

4.1欧姆接触金属的选择

4.2 Pt/Ti/SiC欧姆接触研究

4.3 Pt/TaSi2/Ni/Ti/Ni/SiC欧姆接触研究

4.4 Pt/TaSi2/W/Ni/SiC欧姆接触研究

4.5本章小结

第五章 结论和展望

参考文献

致谢

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