Preparação e estudo de desempenho de contato ôhmico em wafer de SiC por recozimento a laser +
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Com o desenvolvimento de dispositivos de potência em direção a alta integração e alta densidade de potência, a espessura do substrato dos dispositivos continua a diminuir para reduzir a resistência em série, o que impõe requisitos mais elevados para o processo de preparação de contatos ôhmicos traseiros. O processo tradicional de recozimento térmico rápido (RTA) é realizado em altas temperaturas, o que pode facilmente levar à degradação do desempenho da estrutura frontal do dispositivo (como contatos Schottky), e possui um grande orçamento térmico. Nos últimos anos, a tecnologia de recozimento a laser tem sido amplamente estudada e aplicada na preparação de contatos ôhmicos de SiC devido às suas vantagens de aquecimento local, pequena zona afetada pelo calor e processo flexível.
1. Mecanismo e otimização de parâmetros do processo de recozimento a laser SiC
Durante o processo de recozimento a laser, parâmetros como comprimento de onda do laser, densidade de energia, número de pulsos e temperatura base têm um impacto decisivo na formação de contatos ôhmicos. A pesquisa mostrou que os lasers ultravioleta com comprimentos de onda abaixo de 355 nm são mais facilmente absorvidos pelos eletrodos metálicos, o que é benéfico para o aquecimento local e promove a reação entre o metal e o SiC. Por exemplo, Berger et al. recoziu Ti / 4H-SiC usando um laser de topo plano de 355 nm e obteve uma resistividade de contato de 1,4 × 10⁻⁴Ω· cm² a uma densidade de energia de 4,25 J/cm².
Multi pulse laser annealing (MPLA) further reduces the energy density required to form low resistance contacts. Opprecht et al. found that at a base temperature of 400°C, a single pulse laser can achieve ohmic contact with a contact resistivity as low as 10⁻⁵Ω· cm². In addition, as the number of pulses increases, the silicide reaction advances and carbon redistribution becomes more uniform, which is beneficial for reducing contact resistance.
Fig. 1 Relationship between Rs and energy density under different pulse numbers
2. Reaction Between Electrodes and Silicides
The most widely studied ohmic contact metals at present are nickel (Ni) and titanium (Ti). Ni reacts with Si in SiC at high temperatures to form nickel silicon compounds (such as Ni₂Si, NiSi, NiSi₂), which are the basis for forming low resistance ohmic contacts. However, carbon clusters will precipitate during the Ni reaction process, affecting the metal adhesion and interface stability.
In contrast, Ti can react with Si and C in SiC to form Ti5Si3 and TiC, effectively suppressing carbon precipitation and improving interface quality. De Silva et al. prepared Ti-Si-C epitaxial contacts on C-plane 4H-SiC by pulsed laser annealing, and obtained a contact resistivity of 7.9 × 10⁻⁵Ω·cm².
As análises de XRD e TEM indicam que a fase de siliceto formada durante o recozimento a laser está intimamente relacionada à resistência de contato. Badala et al. descobriram que à medida que o grau de dano ao substrato aumenta, a reação do siliceto transita de uma fase rica em níquel (como Ni₃₅Si) para uma fase pobre em níquel (como Ni₂₅Si), e a resistência de contato diminui de acordo.
Fig. 2 Comparação das estruturas de interface XRD e TEM entre eletrodos de Ni e Ti
3. Efeitos do afinamento do substrato e danos aos cristais
O desbaste do substrato é um passo fundamental na redução da resistência em série dos dispositivos, mas a retificação mecânica pode introduzir rugosidade superficial e danos ao cristal subsuperficial, o que por sua vez afeta a formação de contatos ôhmicos. Badala et al. estudaram sistematicamente os efeitos de três processos de desbaste, nomeadamente retificação grossa, retificação fina e retificação ultrafina, nas propriedades de contato ôhmico do Ni / 4H-SiC.
A pesquisa descobriu que à medida que a rugosidade da superfície e a densidade do defeito aumentam, a reação do silicieto se torna mais completa sob as mesmas condições do laser e a resistência de contato diminui significativamente. A análise TEM mostra que a espessura da camada de siliceto na amostra de solo áspero é irregular e ainda há danos no cristal na interface. Contudo, a interface da reação se estende para baixo no defeito, fornecendo mais fontes de Si disponíveis para a reação.
Fig. 3 Seção transversal TEM da camada de siliceto sob diferentes processos de desbaste
4. Caracterização precisa das propriedades elétricas dos contatos ôhmicos
O desempenho dos contatos ôhmicos é geralmente avaliado pela Resistência de Contato Específica (SCR), e o Método da Linha de Transmissão Circular (c-TLM) é um método de medição comumente usado. No entanto, Berger et al. apontaram que a fabricação direta de estruturas TLM em substratos de SiC altamente dopados pode levar à difusão de corrente no substrato, o que não pode refletir com precisão a verdadeira resistência da interface de contato.
Por meio da simulação TCAD, eles propuseram a inserção de uma camada de isolamento de baixa dopagem (como uma camada n⁻ de 10 μm de espessura com dopante 5 × 10¹³cm⁻³) entre o substrato e a camada de contato, que pode efetivamente limitar o fluxo de corrente na camada n⁺ superior e medir com precisão valores de SCR tão baixos quanto 10⁻⁶ Ω· cm². Esta conclusão fornece uma base importante para a caracterização precisa de contatos ôhmicos recozidos a laser.
Fig. 4 Diagrama de simulação da distribuição de densidade de corrente em wafer 4H-SiC com estrutura de camada de isolamento
Fig. 5 IV características do contato Ti/4H-SiC e relação entre a resistência e o espaçamento medidos no experimento
5. Verificação do desempenho do contato ôhmico recozido a laser e perspectivas de aplicação
Contatos ôhmicos recozidos a laser foram validados em dispositivos como diodos de barreira Schottky SiC (SBDs) e diodos Schottky de barreira de junção (JBS). Kim et al. compararam dispositivos JBS recozidos a laser e tratados com RTA e descobriram que a tensão de ativação direta das amostras recozidas a laser era menor e a tensão de ruptura reversa era maior.
Rusch et al. relataram a preparação de diodos SiC 6A / 650V usando processos de desbaste de substrato e recozimento a laser. A tensão de ativação diminuiu de 1,78 V no processo RTA para 1,62 V, e a corrente de fuga foi inferior a 1 μA na tensão nominal. Estes resultados indicam que a tecnologia de recozimento a laser tem vantagens significativas na melhoria do desempenho do dispositivo.
O recozimento a laser, como técnica de recozimento localizada, de baixa temperatura e eficiente, tem mostrado grande potencial na preparação de contatos ôhmicos para dispositivos de potência de SiC. Ao otimizar os parâmetros do laser, os materiais do eletrodo e as técnicas de processamento do substrato, podem ser alcançados contatos ôhmicos de alta qualidade com resistividade de contato abaixo de 10⁻⁵Ω· cm².
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Referências:
1. Li, G., Xu, M., Zou, D., Cui, Y., Zhong, Y., Cui, P.,… e Han, J. (2023). Fabricação de contato ôhmico em SiC tipo N por processo recozido a laser: uma revisão. Cristais, 13(7), 1106.
2. Opprecht, M., Kerdilès, S., Biscarrat, J., Godignon, P., Masante, C., Laviéville, R.,… & Tabata, T. (2024). Formação de contato ôhmico Ni/4H-SiC usando recozimento a laser multipulso de nanossegundos. Fenômenos do Estado Sólido, 359, 65-70.
3. Badalà, P., Bongiorno, C., Fiorenza, P., Bellocchi, G., Smecca, E., Vivona, M.,… & Alberti, A. (2024). Propriedades elétricas e estruturais de contatos ôhmicos de diodos sic fabricados em wafers finos. Fenômenos do Estado Sólido, 359, 97-103.
4. Berger, C., Alquier, D., & Michaud, JF (2024). Como determinar com precisão as propriedades de contato ôhmico no 4H-SiC tipo n. Eletrônica, 13(1), 217.