CN103117298A

CN103117298A - 一种碳化硅的欧姆电极结构及其制备方法

Info

Publication number: CN103117298A
Application number: CN2011103664693A
Authority: CN
Inventors: 陈小龙; 郭丽伟; 刘春俊
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2013-05-22

Abstract

本发明公开了一种碳化硅欧姆电极结构及其制备方法。该碳化硅的欧姆电极结构包括碳化硅基底和金属层，以及位于所述碳化硅基底和金属层之间的石墨烯层。本发明的碳化硅欧姆电极结构的接触电阻低且稳定性好。

Description

一种碳化硅的欧姆电极结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种在碳化硅上形成的半导体结构，具体涉及在宽禁带碳化硅衬底上的欧姆电极结构及其制备方法。

背景技术

以碳化硅(SiC)及氮化镓(GaN)为代表的宽禁带材料，是继硅(Si)和砷化镓(GaAs)之后的新一代半导体材料。与Si和GaAs为代表的传统半导体材料相比，SiC在工作温度、抗辐射、耐高击穿电压性能等方面具有更多的优势[1]。SiC作为目前发展最成熟的宽带隙半导体材料，具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点，其优异的性能可以满足现代电子技术对高温、高频、高功率、高压以及抗辐射的新要求，因而被看作是半导体材料领域最有前景的材料之一。

为了实现电子系统中的相互连接，对于任何半导体器件，欧姆接触都是制备过程中必不可少的基本工艺之一，其质量的优劣对半导体器件的性能会产生至关重要的影响。近年来，碳化硅器件发展极其迅速，欧姆接触是SiC器件制备的重要工艺之一，欧姆接触质量的稳定性、接触电阻的大小直接影响着半导体器件的效率、增益和开关等性能指标。

在SiC材料生长过程中不容易得到足够高浓度的载流子浓度，并且SiC的离子注入困难使得实现高掺杂浓度的SiC材料较难。因而在SiC上制作高性能和低电阻的欧姆接触比其他半导体要困难。如何在低掺杂衬底上制备性能良好的欧姆接触成为SiC材料应用的一个重要制约因素。

目前国内外对碳化硅材料欧姆接触工艺的研究比较多地着眼于Ni、Cr、W、Mo、Al和Ti等耐高温材料或Ni2Si等硅化物材料；欧姆接触的形成需要借助于一定的退火工艺，其厚度及电学性能依赖于退火的条件，快速热退火是降低欧姆接触的比接触电阻的有效方法。但目前上述方法仍存在种种问题：例如，由于形成欧姆接触的合金化退火工艺受退火温度、退火时间和退火氛围等工艺参数的影响，得到的欧姆接触的比接触电阻率参差不齐，可重复性差。

发明内容

因此，为了克服上述现有技术的问题，本发明提供一种碳化硅(SiC)的欧姆电极结构及其制作方法，通过引入石墨烯作为降低SiC材料欧姆接触的媒介材料，从而实现低接触电阻，并提高SiC欧姆接触的稳定性。

根据本发明的一个方面，提供一种碳化硅欧姆电极结构，包括：碳化硅基底和金属层，以及位于所述碳化硅基底和金属层之间的石墨烯层。

在上述欧姆电极结构中，碳化硅基底可以是碳化硅体单晶或碳化硅外延层。进一步地，碳化硅单晶的晶型可以为4H-SiC、6H-SiC、3C-SiC或15R-SiC。

在上述欧姆电极结构中，碳化硅基底的导电类型可以是n型、p型或半绝缘。

在上述欧姆电极结构中，石墨烯层可为单层或多层。

在上述欧姆电极结构中，金属层可为由一种金属构成的单一金属层，或由两种或两种以上金属构成的复合金属层。进一步地，该金属可为Ti、Ni、Al、Au、Pt、Ta、W或Cr。

在上述欧姆电极结构中，复合金属层可为双层金属层，例如Ti/Au、Pt/Au、Ta/Ni、Ti/Pt、Ti/Al等。

根据本发明的另一个方面，提供一种碳化硅欧姆电极结构的制备方法，包括以下步骤：

1)选取碳化硅单晶基底或形成碳化硅外延层；

2)在所述碳化硅单晶基底或碳化硅外延层上形成石墨烯层；以及

3)在所述石墨烯层上形成金属层。

在上述制备方法中，所述步骤2)中通过直接热分解碳化硅单晶基底或碳化硅外延层形成石墨烯层。

在上述制备方法中，所述步骤2)中通过将已制备好的石墨烯直接转移到碳化硅单晶基底或碳化硅外延层上形成石墨烯层。

在上述制备方法中，所述石墨烯层为单层或多层。

在上述制备方法中，所述金属层为由一种金属构成的单一金属层，厚度为50nm到300nm。

在上述制备方法中，金属层可为由两种金属构成的复合金属层，第一层厚度为10nm-50nm，第二层厚度为40nm到300nm。

与现有技术相比，本发明的SiC欧姆电极结构优点在于接触电阻低，稳定性好。

附图说明

图1是根据本发明的欧姆电极结构的剖面图；

图2是本发明示例1中石墨烯的拉曼谱图；

图3是本发明示例1中制备的欧姆电极的I-V特性曲线；

图4是本发明示例2中石墨烯的拉曼谱图；

图5是本发明示例2中制备的欧姆电极的I-V特性曲线；和

图6是本发明示例3中制备的欧姆电极的I-V特性曲线。

具体实施方式

总地来说，本发明提供了一种碳化硅(SiC)的欧姆电极结构，该电极结构不同于以往以金属作为欧姆接触材料，通过引入石墨烯作为SiC欧姆接触的媒介材料，从而实现了低的接触电阻，提高了欧姆接触的稳定性。

根据本发明的一个实施例，提供一种SiC的欧姆电极结构。如图1所示，SiC的欧姆电极结构包括SiC单晶基底或SiC外延层1，位于该单晶基底或外延层1上的石墨烯层2和金属层3。

其中，碳化硅基底可以是体单晶或外延层，碳化硅的晶型可为4H、6H、3C或15R，如本领域已知的，C表示立方体(cubic)结构，H表示六角型(hexagonal)结构，R表示菱形六面体(rhombohedron)，数字表示堆叠的周期排列个数。碳化硅基底的类型可以是n型或p型半导体，或是半绝缘型半导体。碳化硅衬底的电阻率可以在10^-2到10⁶Ω·cm之间。

在上述欧姆电极结构中，石墨烯可以为单层或多层，优选为2到10层的多层石墨烯，因为如果石墨烯的层数太多，石墨烯层间载流子传导会引入额外的电阻，不利于最大限度降低半导体接触电阻。位于石墨烯层上面的金属层可以是由一种金属构成的金属单层，优选厚度为50nm到300nm。金属层也可以是由两种或两种以上金属构成的双层或多层金属层(简称复合金属层)，其中双层金属层为优选，例如Ti/Au、Pt/Au、Ta/Ni、Ti/Pt、Ti/Al等；更优选地，第一层(即与石墨烯层最接近的金属层)厚度为10nm-50nm，第二层厚度为40nm到300nm。其中，构成金属层的金属可以是Ti、Ni、Al、Au、Pt、Ta、W或Cr等金属。

根据本发明的另一个实施例，提供一种制备上述碳化硅的欧姆电极结构的方法，包括以下步骤：

1)选取SiC单晶基底或形成SiC外延层；

2)在所述SiC单晶基底或SiC外延层上形成石墨烯层；以及

3)在所述石墨烯层上形成金属层。

在上述步骤2)中，石墨烯层可以直接在SiC单晶基底或SiC外延层上形成，也可以通过预先形成石墨烯，然后转移到SiC基底或外延层上来实现。前者例如有热分解法(下面示例1、2中所使用)或化学气相沉积法；后者例如通过先采用物理或化学方法在另一基底上形成石墨烯，再利用微加工手段转移至SiC衬底或外延层上(例如下面示例3所使用的方法)来实现。

在上述步骤3)中，金属层可以采用本领域已知的常规制膜工艺来制备，包括但不限于分子束外延法、磁控溅射法、电子束蒸发法等。

以下结合附图通过对具体示例的描述，进一步详细说明本发明的结构、优点和性能。

示例1

将表面加工、清洗好的6H-SiC晶片放入超高真空炉中，控制炉内压力小于1×10^-3Pa，将晶片加热到1500℃，保持5分钟后自然冷却到室温，从而在6H-SiC晶片上获得石墨烯层。通过拉曼光谱对获得石墨烯进行表征，如图2所示，石墨烯的层数由拉曼光谱的G/2D的比值确定，该石墨烯为单层。然后利用直流磁控溅射技术蒸镀金属薄膜，用高纯金属单晶Ti(99.9wt％)、Au(99.9wt％)做溅射靶，在石墨烯上制备Ti(10nm)/Au(60nm)复合金属层，得到的电极结构为SiC/单层石墨烯/Ti(10nm)/Au(60nm)多层，经测试，SiC基底的载流子浓度为3×10¹⁸cm^-3。

采用离子束刻蚀技术，利用计算机控制离子束轰击电极表面，将不需要的金属层和石墨烯层去除，制备测试用的圆形传输线模板(TLM)电极形状。

利用半导体测量系统测量该电极室温下的电流-电压(I-V)特性，结果如图3所示，很明显该接触显示出良好的线性关系，证明得到了很好的欧姆接触电极。通过TLM模型得到该电极的比接触电阻率为2×10^-6Ω·cm²。

示例2

将4H-SiC外延层放入超高真空炉中，控制炉里压力小于1×10^-4pa，将晶片加热到1400℃，保持10分钟后自然冷却到室温，从而在4H-SiC外延层上获得石墨烯层。通过拉曼光谱对获得石墨烯进行表征，如图4所示，石墨烯的层数由拉曼光谱的G/2D的比值确定，该石墨烯为5层左右。然后利用直流磁控溅射技术蒸镀金属薄膜，用高纯金属单晶Ti(99.9wt％)、Au(99.9wt％)做溅射靶，在石墨烯上制备Ti(10nm)/Au(60nm)复合金属层，得到的电极结构为4H-SiC/多层石墨烯/Ti(10nm)/Au(60nm)多层，经测试，SiC基底的载流子浓度为4×10¹⁷cm^-3。

采用离子束刻蚀技术，利用计算机控制离子束轰击电极表面，将不需要的金属层和石墨烯层去除，制备成预期的圆形TLM电极形状。

利用半导体测量系统测量该电极室温下的电流-电压(I-V)特性，结果如图5所示，很明显该接触显示出良好的线性关系，证明得到了很好的欧姆接触电极。通过TLM模型得到该电极的比接触电阻率为8×10^-5Ω·cm²。

示例3

分别用10％(体积比)HF，10％HCl和丙酮超声清洗4H-SiC晶片，清洗时间10分钟，然后用去离子水清洗，N₂吹干。在金属铜表面通过化学气相生长得到大面积高质量石墨烯，通过微加工手段将制备的石墨烯转移在SiC晶片表面。通过拉曼光谱对获得石墨烯进行表征，石墨烯的层数由拉曼光谱的G/2D的比值确定，本示例的拉曼谱与示例1相似，所以本示例的石墨烯为单层。然后利用直流磁控溅射技术蒸镀金属薄膜，用高纯金属单晶Pt(99.9wt％)做溅射靶，在石墨烯上制备Pt(200nm)单一金属层，得到的电极结构为SiC/单层石墨烯/Pt(200nm)，经测试，SiC基底的载流子浓度为5×10¹⁶cm^-3。

为了在SiC晶片表面制备预期的圆形TLM电极形状，采用离子束刻蚀技术，利用计算机控制离子束轰击电极表面，将不需要的金属层和石墨烯层去除，制备预期的圆形TLM电极形状。

利用半导体测量系统测量该电极室温下的电流-电压(I-V)特性，结果如图6所示，很明显该接触显示出良好的线性关系，证明得到了很好的欧姆接触电极。通过TLM模型得到该电极的比接触电阻率为6×10^-4Ω·cm²。

以上示例仅为示意性的，在本发明的其他示例中，在SiC基底上直接热分解形成石墨烯时，真空度可以小于1×10^-1Pa，优选小于10^-3Pa，因为在较高的真空环境下石墨烯的质量较高，载流子的迁移快，有利于形成低电阻的欧姆接触。加热的温度可以在1200℃-1600℃之间，保持5-20分钟，因为此工艺条件下制备的石墨烯的厚度在10层以下且石墨烯质量高。对于本领域普通技术人员应理解，金属层的厚度并不限于以上示例中的范围，技术人员可以根据实际应用的经验和器件的尺寸来确定。

综上所述，具有本发明结构的欧姆电极的比接触电阻率在10^-8至10²Ω·cm²之间，优选在10^-7至10^-3Ω·cm²之间；由于石墨烯中的C与SiC表面是完美的原子层接触，实现了良好的稳定性。

尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims

1.一种碳化硅的欧姆电极结构，包括碳化硅基底和金属层，以及位于所述碳化硅基底和金属层之间的石墨烯层。

2.如权利要求1所述的欧姆电极结构，其中所述碳化硅基底是碳化硅体单晶或碳化硅外延层。

3.如权利要求2所述的欧姆电极结构，其中所述碳化硅单晶的晶型为4H-SiC、6H-SiC、3C-SiC或15R-SiC。

4.如权利要求1所述的欧姆电极结构，其中所述碳化硅基底的导电类型包括n型、p型或半绝缘。

5.如权利要求1所述的欧姆电极结构，其中所述碳化硅基底的电阻率在10^-2到10⁶Ω·cm。

6.如权利要求1所述的欧姆电极结构，其中所述石墨烯层为单层或多层。

7.如权利要求1所述的欧姆电极结构，其中所述金属层为由一种金属构成的单一金属层，或由两种或两种以上金属构成的复合金属层。

8.如权利要求7所述的欧姆电极结构，其中所述金属为Ti、Ni、Al、Au、Pt、Ta、W或Cr。

9.如权利要求7所述的欧姆电极结构，其中，所述复合金属层为双层金属层。

10.一种碳化硅欧姆电极结构的制备方法，包括以下步骤：

1)选取碳化硅单晶基底或形成碳化硅外延层；

3)在所述石墨烯层上形成金属层。

11.如权利要求10所述的制备方法，其中所述步骤2)中通过直接热分解碳化硅单晶基底或碳化硅外延层形成石墨烯层。

12.如权利要求10所述的制备方法，其中所述步骤2)中通过将已制备好的石墨烯直接转移到碳化硅单晶基底或碳化硅外延层上形成石墨烯层。

13.如权利要求10所述的制备方法，其中所述石墨烯层为单层或多层。

14.如权利要求10所述的制备方法，其中所述金属层为由一种金属构成的单一金属层，厚度为50nm到300nm。

15.如权利要求10所述的制备方法，其中金属层为由两种金属构成的复合金属层，第一层厚度为10nm-50nm，第二层厚度为40nm到300nm。