Получение и исследование характеристик омического контакта на пластине SiC методом лазерного отжига +

PAM-XIAMEN может поставлять различные типы эпитаксиальных пластин 4H-SiC. Для получения подробной информации обращайтесь по адресу[email protected]

С развитием силовых устройств в направлении высокой степени интеграции и высокой плотности мощности толщина подложки устройств продолжает уменьшаться для уменьшения последовательного сопротивления, что предъявляет более высокие требования к процессу подготовки задних омических контактов. Традиционный процесс быстрого термического отжига (RTA) проводится при высоких температурах, что может легко привести к ухудшению характеристик структуры лицевой стороны устройства (например, контактов Шоттки), и имеет большой тепловой баланс. В последние годы технология лазерного отжига широко изучается и применяется при изготовлении омических контактов SiC благодаря ее преимуществам в виде локального нагрева, небольшой зоны термического влияния и гибкости процесса.

1. Механизм и оптимизация параметров процесса лазерного отжига SiC.

В процессе лазерного отжига решающее влияние на формирование омических контактов оказывают такие параметры, как длина волны лазера, плотность энергии, количество импульсов и базовая температура. Исследования показали, что ультрафиолетовые лазеры с длиной волны ниже 355 нм легче поглощаются металлическими электродами, что полезно для локального нагрева и способствует реакции между металлом и SiC. Например, Бергер и др. отожгли Ti/4H-SiC с использованием лазера с плоской вершиной длиной волны 355 нм и получили контактное сопротивление 1,4 × 10⁻⁴Ом·см² при плотности энергии 4,25 Дж/см².

Многоимпульсный лазерный отжиг (MPLA) еще больше снижает плотность энергии, необходимую для формирования контактов с низким сопротивлением. Оппрехт и др. обнаружили, что при базовой температуре 400°C с помощью одноимпульсного лазера можно достичь омического контакта с контактным сопротивлением всего 10⁻⁵Ом·см². Кроме того, с увеличением количества импульсов силицидная реакция продвигается и перераспределение углерода становится более равномерным, что способствует снижению контактного сопротивления.

Рис. 1. Зависимость между Rs и плотностью энергии при различных числах импульсов

2. Реакция между электродами и силицидами.

Наиболее широко изученными металлами омического контакта в настоящее время являются никель (Ni) и титан (Ti). Ni реагирует с Si в SiC при высоких температурах с образованием никель-кремниевых соединений (таких как Ni₂Si, NiSi, NiSi₂), которые являются основой для формирования низкоомных омических контактов. Однако в процессе реакции Ni выделяются углеродные кластеры, влияющие на адгезию металла и стабильность интерфейса.

Напротив, Ti может реагировать с Si и C в SiC с образованием Ti.₅си₃ и TiC, эффективно подавляющие осаждение углерода и улучшающие качество интерфейса. Де Сильва и др. подготовил эпитаксиальные контакты Ti-Si-C на C-плоскости 4H-SiC с помощью импульсного лазерного отжига и получил контактное сопротивление 7,9 × 10⁻⁵Ом·см².

Рентгеноструктурный анализ и анализ ПЭМ показывают, что силицидная фаза, образующаяся при лазерном отжиге, тесно связана с контактным сопротивлением. Бадала и др. обнаружили, что по мере увеличения степени повреждения подложки силицидная реакция переходит от фазы, богатой никелем (такой как Ni₃₅Si), к фазе с низким содержанием никеля (такой как Ni₂₅Si), и контактное сопротивление соответственно уменьшается.

Рис. 2. Сравнение структур интерфейса XRD и TEM между Ni и Ti электродами.

3. Эффекты истончения подложки и повреждения кристаллов

Утончение подложки является ключевым шагом в снижении последовательного сопротивления устройств, но механическое шлифование может привести к шероховатости поверхности и повреждению подповерхностных кристаллов, что, в свою очередь, влияет на формирование омических контактов. Бадала и др. систематически изучал влияние трех процессов утонения, а именно грубого, тонкого и сверхтонкого шлифования, на свойства омического контакта Ni/4H-SiC.

Исследования показали, что по мере увеличения шероховатости поверхности и плотности дефектов реакция силицида становится более полной в тех же лазерных условиях, а контактное сопротивление значительно снижается. ПЭМ-анализ показывает, что толщина слоя силицида в грубо отшлифованном образце неравномерна, а на границе раздела кристаллов все еще имеются повреждения. Однако граница раздела реакции простирается вниз у дефекта, обеспечивая больше источников Si, доступных для реакции.

Рис. 3. Поперечное сечение силицидного слоя в ПЭМ при различных процессах утонения.

4. Точная характеристика электрических свойств омических контактов.

Рабочие характеристики омических контактов обычно оцениваются по удельному контактному сопротивлению (SCR), а широко используемым методом измерения является метод кольцевой линии передачи (c-TLM). Однако Бергер и др. отметил, что непосредственное изготовление TLM-структур на высоколегированных подложках SiC может привести к диффузии тока в подложке, что не может точно отражать истинное сопротивление контактного интерфейса.

С помощью моделирования TCAD они предложили вставить изолирующий слой с низким содержанием легирования (например, слой n⁻ толщиной 10 мкм с легирующей примесью 5 × 10¹³см⁻³) между подложкой и контактным слоем, который может эффективно ограничивать поток тока в верхнем слое n⁺ и точно измерять значения SCR вплоть до 10⁻⁶ Ом·см². Этот вывод обеспечивает важную основу для точной характеристики омических контактов, отожженных лазером.

Рис. 4. Схема моделирования распределения плотности тока в пластине 4H-SiC со структурой изолирующего слоя.

Рис. 5. ВАХ контакта Ti/4H-SiC и зависимость между сопротивлением и расстоянием, измеренная в эксперименте.

5. Проверка характеристик и перспектив применения омических контактов, подвергнутых лазерному отжигу.

Омические контакты, отожженные лазером, были проверены в таких устройствах, как SiC-диоды Шоттки с барьером (SBD) и диоды Шоттки с переходным барьером (JBS). Ким и др. сравнили устройства JBS, отожженные лазером и обработанные RTA, и обнаружили, что прямое напряжение включения образцов, отожженных лазером, было ниже, а напряжение обратного пробоя было выше.

Руш и др. сообщили о изготовлении SiC-диодов 6А/650 В с использованием процессов утонения подложки и лазерного отжига. Напряжение включения снизилось с 1,78 В в процессе RTA до 1,62 В, а ток утечки составил менее 1 мкА при номинальном напряжении. Эти результаты показывают, что технология лазерного отжига имеет значительные преимущества в улучшении производительности устройства.

Лазерный отжиг, как локализованный, низкотемпературный и эффективный метод отжига, показал большой потенциал при подготовке омических контактов для силовых устройств SiC. Путем оптимизации параметров лазера, материалов электродов и методов обработки подложек можно получить высококачественные омические контакты с контактным сопротивлением ниже 10⁻⁵Ом·см².

Если вам нужна пластина SiC для исследований или промышленного применения, свяжитесь с нами по электронной почте:[email protected] и [email protected].

 

Ссылки:

1. Ли, Г., Сюй, М., Цзоу, Д., Цуй, Ю., Чжун, Ю., Цуй, П.,… и Хан, Дж. (2023). Изготовление омического контакта на SiC N-типа методом лазерного отжига: обзор. Кристаллы, 13(7), 1106.

2. Оппрехт М., Кердилес С., Бискаррат Дж., Годиньон П., Масанте К., Лавьевиль Р.… и Табата Т. (2024). Формирование омических контактов Ni/4H-SiC с использованием многоимпульсного наносекундного лазерного отжига. Явления твердого тела, 359, 65-70.

3. Бадала, П., Бонджорно, К., Фиоренца, П., Беллокки, Г., Смекка, Э., Вивона, М.,… и Альберти, А. (2024). Электрические и структурные свойства омических контактов кремниевых диодов, изготовленных на тонких пластинах. Явления твердого тела, 359, 97-103.

4. Бергер К., Алькье Д. и Мишо Ж. Ф. (2024). Как точно определить свойства омического контакта на 4H-SiC n-типа. Электроника, 13(1), 217.