一种测量黑硅材料与金属电极之间欧姆接触电阻率的方法

摘要

本发明提供了一种测量黑硅材料与金属电极之间欧姆接触电阻率的方法，其方案为：针对在单晶硅表面通过刻蚀得到的黑硅材料，在其表面用欧姆接触制备工艺沉积至少6个圆点形金属电极；在单晶硅背面沉积金属对电极；使用热压焊工艺从每一个圆点形金属电极的内接触圆引出极细的金属线，然后分别将金属丝键合到面积较大的外引电极上；用可变电压源在每一圆点形金属电极与对电极之间持续提供恒定的反向电压偏置，确保黑硅/单晶硅异质结完全反偏；在确保黑硅/单晶硅异质结完全反偏的条件下，通过圆点形传输线模型法对金属/黑硅比接触电阻率进行测试。

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电子材料与器件技术领域，特别涉及一种黑硅材料与金属电极欧姆接触电阻率的测试方法。

背景技术

黑硅是由哈佛大学Mazur教授研究小组利用飞秒激光在一定气体环境下照射单晶硅片表面时得到的一种新的表面微结构材料。这种表面呈准规则排列的微米量级尖峰结构的硅材料具有良好的光电性质，例如：对可见至近红外波段（250-2500nm）的光几乎全部吸收，同时对入射光响应度高；具有良好的场致发射、光致发光和太赫兹辐射等特性。优异的光电性质使黑硅材料在高灵敏度光探测器、红外探测器以及太阳能电池领域具有巨大的潜在应用价值。

在半导体科学与技术研究中，无论是对半导体材料物理和性能的研究，还是对半导体器件的制造，总需要有金属与半导体的接触与连接。金属与半导体之间的接触区一般包括金属层、界面层和半导体结。金属和半导体功函数的不同以及半导体表面高的表面态，会在半导体表面形成一个耗尽层，这是产生界面电阻的主要原因。金属与半导体之间的界面层主要通过比接触电阻率ρ_c来表征，它是衡量欧姆接触质量的一个非常重要的参数。

比接触电阻率ρ_c的测量方法很多，人们一般按照材料的厚度把测量方法分为2种。一种是体材料上ρ_c的测量，包括曲线拟合法、四探针法、回归分析法、四点结构模型法等；另一种是薄膜材料ρ_c的测量，包括线形传输线模型法、圆环传输线模型法、圆点形传输线模型法、界面接触电阻直接测定法等。其中，圆点形传输线模型法无需台面刻蚀，制备工艺简单，测试重复性好、准确度高；数据处理采用作图法，计算方便。因而，圆点形传输线模型法在国内外得到广泛应用。

对于黑硅材料与金属电极的接触来说，由于具有独特的金属/黑硅/单晶硅三明治结构（一般的薄膜测试结构只有金属/薄膜两层结构），其中存在黑硅/单晶硅异质结，使得通过电极两边的部分测试电流会从单晶硅中通过，因而无法直接用“常规传输线模型法”测试黑硅材料和金属电极之间的比接触电阻率ρ_c。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量黑硅材料与金属电极之间欧姆接触电阻率的方法。

本发明为了实现上述目的采用以下技术方案：

一种测量黑硅材料与金属电极之间欧姆接触电阻率的方法，包括以下步骤：

步骤1：在黑硅材料表面制备圆点形欧姆接触电极。

a）针对单晶硅表面刻蚀得到的黑硅材料，在其表面用欧姆接触制备工艺沉积至少6个圆点形金属电极；

b）每个圆点形电极由一个半径为r₀的内接触圆和一个内径逐渐增加的外接触圆组成，其中，外接触圆内径为r_n，且每个外接触圆内径分别为r₁、r₂、r₃、r₄、r₅、r₆，(r_n-r₀)是没有任何金属的空心圆环，r_n对应的空心圆环以外则仍是欧姆接触。

步骤2：搭建反向偏置电路。

a）在单晶硅背面沉积金属对电极；

b）使用热压焊工艺从每一个圆点形金属电极的内接触圆引出极细的金属丝，然后分别将金属丝键合到面积较大的外引电极上。

步骤3：用可变电压源在每个圆点形金属电极的内接触圆与对电极之间持续提供恒定的反向电压偏置，让黑硅/单晶硅异质结完全反偏。

步骤4：在确保黑硅/单晶硅异质结完全反偏的条件下，通过圆点形传输线模型法对金属/黑硅比接触电阻率进行测试。

上述方案中，步骤1中所述的6个圆点形金属电极所需满足的尺寸要求为： r₀/(r₁-r₀)≥8，r₆/(r₆-r₀)≥3。

上述方案中，步骤3所述让黑硅/单晶硅异质结完全反偏包括以下步骤：

a）用可变电压源在黑硅材料表面的任意一个圆点形电极的内接触圆与金属对电极之间施加一个反向电压偏置U_-，同时用半导体参数测试仪，在此圆点形电极中的空心圆环两边施加一个恒定的正向电压偏置U₊；

b）随着反向电压偏置U_-的增大，正向电压偏置U₊对应的黑硅材料表面圆点形电极圆环之间的电流逐渐减小，并最终达到一个稳定值，此时黑硅/单晶硅异质结完全反偏，反向电压值为完全反偏电压值。

上述方案中，所述圆点形传输线模型法为：

式中，r₀、r_n分别表示内接触圆和外接触圆半径，L_T为传输线长度，R_sh为薄膜材料的方阻；对R_T和ln(r_n/r₀)利用最小二乘法做线性拟合，可得到L_T和R_sh；再根据比接触电阻率的计算公式：

可以得出欧姆接触的黑硅材料与金属电极之间的比接触电阻率ρ_c。

本发明的有益效果为：

1、本发明搭建了反向偏置电路，确保黑硅/单晶硅异质结的完全反偏，使测试电流只在金属电极和黑硅材料之间流通，这样就能直接对黑硅材料和金属电极之间的比接触电阻率进行测试。

2、由于黑硅材料内部高低不平和复杂的形状，形成欧姆接触的金属层难以被刻蚀干净，因而采用环形图案结构能够有利于金属电极图案的刻蚀。

3、本发明使用圆点形传输线模型法，避免了台面刻蚀和台面间隙引起的寄生电阻。

4、由于空心圆环宽度（r_n-r₀）一般为几到几十个微米，待测样品在表面上裸露出来的面积很小，与其它传输线模型相比能明显减小扩展电阻带来的误差。

5、测试重复性好、准确度高。基于此传输线模型，能够准确、方便地计算出金属/黑硅的比接触电阻率。

附图说明

图1是使用圆点形传输线模型法测试薄膜样品的平面示意图。图中1，2，3，4，5，6是圆点形金属电极，7是待测薄膜样品。

图2是使用本发明测试黑硅材料样品的平面结构示意图。图中1至6是圆点形金属电极，7是黑硅材料，10是测试电路基板，1＇至6＇是与圆点形金属电极内接触圆对应的外引电极。

图3是使用本发明测试黑硅材料样品的剖面结构示意图。图中1是圆点形金属电极，7是黑硅材料，8是单晶硅，9是金属对电极，10是电路基板，11是可变电压源，12是半导体参数测试仪，1＇是外引电极。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步进行详细说明。

由于本发明需要引用圆点形传输线模型法对黑硅材料与金属电极之间的比接触电阻率进行测试，下面结合本发明提供的测试电路结构，对圆点形传输线模型法的工作原理作必要的说明。

如图1所示，首先，在待测薄膜7表面用欧姆接触制备工艺沉积至少6个圆点形接触电极（如图1、2、3、4、5、6所示），每个圆点形电极由一个半径为r₀的内接触圆和一个内径逐渐增加的外接触圆组成，其中，外接触圆内径为r_n，且每个外接触圆内径分别为r₁、r₂、r₃、r₄、r₅、r₆，(r_n-r₀)是没有任何金属的空心圆环，r_n对应的空心圆环以外则仍是欧姆接触。

然后，在所有圆点形电极中的空心圆环两边施加恒定电压或电流，并测得每个圆点形电极中不同间隔d_n（d_n=r_n-r₀）圆环之间的总电阻R_T，由下式表示：

                       （1）

式中L_T为传输线长度，R_sh为薄膜材料的方阻，I₀，I₁和K₀，K₁分别为零级和一级修正的贝塞尔函数，其表达式为：

                     （2）

                （3）

                  （4）

           （5）

若r₀和r_n均大于4L_T，则I₀/I₁和K₀/K₁都趋近于1，（1）式可简化为：

                                 （6）

可见，R_T与薄层电阻R_sh及圆点形金属电极的几何尺寸有关，当（r_n-r₀）很小时，可近似认为r_n=r₀，因此理论上R_T-ln(r_n/r₀)曲线是一直线。对R_T和ln(r_n/r₀)利用最小二乘法做线性拟合，可以得到L_T和R_sh。

根据比接触电阻率计算公式：

                                              (7)

可以得出欧姆接触的薄膜材料与金属电极之间的比接触电阻率ρ_c。

一种欧姆接触的黑硅材料与金属电极之间的比接触电阻率的测试方法，包括以下步骤：

步骤1：如图2、3所示，在黑硅材料7的表面按照传输线模型图案制备6个圆点形NiCr电极1至6，其中，黑硅材料的尺寸为2.5mm×2.0mm，圆点形电极的内接触圆半径r₀为150μm，空心圆环间距d=r_n-r₀分别为：15μm，25μm，35μm，45μm，55μm和65μm。

步骤2：在单晶硅背面沉积金属对电极9，对电极尺寸为2.0mm×1.5mm；将上述黑硅材料样品嵌入电路基板10，使用热压焊工艺从每一个圆点形金属电极的内接触圆引出极细的金属线，分别将金属丝焊接到电路板上面积较大的与内接触圆对应的外引电极1＇至6＇上，外引电极的尺寸为5.0mm×5.0mm。

步骤3：用可变电压源11，在电路基板10上的任意一个外引电极（此电极与圆点形电极的内接触圆r₀相对应）与金属对电极9之间，施加一个反向电压偏置U_-；同时，用半导体参数测试仪12在此圆点形电极中的空心圆环两边施加一个恒定的正向电压偏置U₊。

步骤4：随着反向电压偏置U_-的增大，正向电压偏置U₊对应的黑硅材料表面圆点形电极圆环之间电流逐渐减小，并最终达到一个稳定值；此时，黑硅/单晶硅异质结完全反偏，反向电压值为完全反偏电压值。

步骤5：当步骤3中所述反向电压偏置U_-不低于步骤4中所述完全反偏电压值时，即在保证黑硅/单晶硅异质结完全反偏的条件下，用半导体参数测试仪在黑硅材料表面任意一个圆点形电极的圆环两边施加恒定的正向电压偏置U₊，并测出电流强度，从而求得每个圆点形电极中不同空心圆环间隔d（d=r_n-r₀）内的总电阻R_T。

步骤6：通过圆点形传输线模型法中的计算公式：

进行计算。式中,r₀、r_n分别表示内接触圆和外接触圆半径, L_T为传输线长度，R_sh为黑硅材料的方阻。

对R_T和ln(r_n/r₀)利用最小二乘法做线性拟合，求出L_T和R_sh。再根据比接触电阻率的计算公式：

计算得出欧姆接触的黑硅材料与金属电极之间的比接触电阻率ρ_c。

以上仅是本发明众多具体应用范围中的代表性实施例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。