重金属(Ta,W)对Ni/4H-SiC欧姆接触性能的影响

摘要

当人们开始探索碳化硅器件在高温领域的应用时，发现金属-半导体欧姆接触的高温稳定性降低了器件的可靠性，增加了器件的生产成本并减少了器件在高温环境下的工作时间。因此，关于金属-SiC欧姆接触高温性能的研究得到了重视。目前，虽然人们已通过选择合适的金属体系和退火工艺参数制备了室温下良好性能的欧姆接触，但对于高温欧姆接触体系的选择仍在探索之中。本论文以Ni/SiC欧姆接触体系所存在的问题为核心，提出双金属层（A, Ni）/SiC的解决方案，主要研究成果如下: 实验研究表明，Ni/SiC体系存在的主要问题为：表面形貌粗糙；欧姆接触层分布不均匀；游离碳富集在界面区域内；界面粗糙并存在大量的空洞。针对这些问题，A层金属应满足的条件为：一是降低固相反应的反应速度；二是可以与游离C结合生成稳定的碳化物，抑制C团簇的富集；三是界面化合物的热膨胀系数与SiC相匹配。最后通过文献调研和实验探究，确定了可进一步研究的双金属层体系是(Ta, Ni)/SiC和(W, Ni)/SiC。 从表面形貌和电学性能两方面探究（Ta, Ni）/SiC体系的欧姆接触性能。研究发现Ni/Ta/SiC体系存在的问题是Ta无法吸收游离C；Ta/Ni/SiC体系退火后样品表面出现大晶粒，样品无法满足引线要求。所以，Ta无法改善 Ni/4H-SiC欧姆接触的接触性能。按照相同的方法研究（W, Ni）/SiC体系的欧姆接触性能，确定最终的金属层为W（30 nm）/Ni（56 nm）/SiC。在相同的工艺条件下，W将Ni/SiC样品的表面粗糙度（31 nm）降低到8 nm。W/Ni/SiC欧姆接触的比接触电阻率是3.2×10-5Ω·cm2，小于Ni/SiC的比接触电阻率（4.2×10-4Ω·cm2）。通过原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（TEM）、拉曼光谱仪（Raman Spectra）和X射线光电子谱分析（XPS）分析W在W/Ni/SiC体系中的作用：W可以减小Ni与SiC的反应速度，减少样品表面粗糙度；W可以与游离C结合生成WC，减少游离C含量；分布在界面的WC的热膨胀系数与衬底相匹配，减少了界面空洞的存在。此外，我们对Au/Pt/W/Ni/SiC进行引线焊接，样品第一焊点的尺寸和引线所承受的拉力均达到标准值。Au/Pt/W/Ni/SiC在300℃大气环境下老化1000 h后，比接触电阻率仅从1.3×10-4Ω·cm2增加到1.3×10-3Ω·cm2，而Au/Pt/Ni/SiC在相同的环境下老化400 h后，比接触电阻率从10-4Ω·cm2增加到10-3Ω·cm2。因此，W/Ni/SiC体系解决了Ni/4H-SiC欧姆接触存在的问题，具有重要的应用价值。

目录

第一章 文献综述

1.1 碳化硅器件

1.2 碳化硅欧姆接触

1.3 碳化硅高温欧姆接触

1.4 本论文主要研究的内容

第二章 欧姆接触的制备与表征

2.1 制备工艺

2.2 表征手段

2.3 本章小结

第三章 Ta对Ni/SiC欧姆接触性能的影响

3.1 Ni/SiC高温欧姆接触性能的研究

3.2 Ni基高温欧姆接触体系的选择原则

3.3 Ni-Ta高温欧姆接触体系研究

3.4 本章小结

第四章 W对Ni/SiC欧姆接触性能的影响

4.1 Ni-W高温欧姆接触体系的研究

4.2 W对Ni/SiC接触性能的影响

4.3 高温欧姆接触体系

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

硕士期间主要研究成果

致谢

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