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氮化镓SBD欧姆接触的测试及分析方法

  1. 传输线模型
  在氮化镓SBD中,高质量的欧姆接触是影响器件性能的关键之一。比接触电阻率ρc(Specific Contact Resistivity)是衡量欧姆接触质量的重要参数,它是指单位面积的金属和半导体材料之间的接触电阻,能够直观的反应与几何尺寸无关的金属半导体接触特性。由于半导体器件接触电阻很小,不能采用直接测量的方法得到准确的比接触电阻率,通常采用传输线模型(Transmission Line Method,TLM),即在通过恒定电流的情况下,通过测量各接触点之间的电压求出各自电阻,再按照不同模型相应的方法进行数据拟合计算和处理,最后求得比接触电阻率。比较常用的模型包括矩形传输线模型、圆环传输线模型和圆点传输线模型。不同模型在电极制作工艺、测量、数据拟合方法和结果精度上都存在很大差异,综合考虑以上因素,本文采用矩形传输线模型。其原理图如1所示。
矩形传输线模型原理图 
图1 矩形传输线模型原理图
 
  在宽为W’的矩形半导体上制作若干个间距不等的矩形欧姆接触电极,电极长为W,宽为d。为了将此矩形半导体与周围环境隔离,采用感应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma,ICP)刻蚀出矩形台面。理论上,为尽可能的减小寄生电阻,W应与W’尽量接近,本实验中W与W’分别为200µm和196µm。测量时,依次在间隔l不同的矩形电极之间通恒定电流,并测出两端电压值,即可求得两电极间的总电阻R(l)。根据图1,此测量电阻由两个欧姆接触电阻和两电极之前的半导体体电阻串联构成,电阻R(l)的表达式如下:
计算公式1 
式1中,RC为欧姆接触电阻,RS为半导体材料的方块电阻。实验中,l分别取2,3,5,8,11,15,20µm,所测得的实验数据经过拟合得到如图1(b)中的直线,根据曲线求得RC与RS。将其代入比接触电阻率ρc的表达式:
计算公式2 
即可得到ρc。
 
  2. X射线光电子能谱
  X射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)又称为化学分析用的电子能谱(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis,ESCA),是目前最广泛应用的表面分析方法之一,是一种简明、无损地用于固体表面原子成分和化学状态分析的技术。
 
  XPS测量原理建立在爱因斯坦光电效应基础之上,其基本原理为:能量为hω的X射线入射到样品表面,入射光子将全部能量给样品表面原子的束缚电子,一部分能量用于挣脱与周围原子形成的化学键,即电子的结合能EB,另一部分能量转化为出射电子的动能Ek,相关的能量守恒方程为:
EB=hω−Ek      (3)
其中hω已知,Ek可以通过能量分析器测出,于是就可以得到电子的结合能EB,由此来判定元素,进行表面成分分析。
 
  XPS除了用于确定表面原子的百分含量(探测器所能收集到电子子的数量),还用于确定样品表面原子的化学价态。电子在给定原子中结合能的准确数值与该元素所处的化学环境有关,原子周围化学环境的任何变化都会引起该原子的价电子电荷在空间的重新分布,从而使内层电子感觉到势的差异。这种重新分布影响到内层电子的势能,从而导致结合能的变化。反映在谱图上的谱峰产生一定的位移,这种现象叫做化学位移(Chemical Shift,CS)。

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