【正文】 觸金屬與半導(dǎo)體形成歐姆接觸是指在接觸處是一個(gè)純電阻，而且該電阻越小越好。因此，其IV特性是線性關(guān)系。歐姆接觸質(zhì)量的好壞、接觸電阻的大小直接影響器件的性能指標(biāo)，是高溫、大功率和高頻半導(dǎo)體器件應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵工藝。在眾多的金屬和合金中，Ni, AI/Ni/AI, Cr, A1, AuTa, TaSi2, W, Ta, Ti, Ti/Au,TiSi2, Co, WSi等金屬或合金都可以被用來(lái)做n型SiC的歐姆接觸，Ni被認(rèn)為是較好的歐姆接觸電極材料，一方面電阻率較低，另一方面符合工業(yè)的要求。采用Ni作為形成n型歐姆接觸材料時(shí)，能較好地滿足條件。其和SiC形成歐姆接觸的機(jī)理為勢(shì)壘模型：勢(shì)壘模型是指當(dāng)n型半導(dǎo)體與功函數(shù)比其小的金屬接觸時(shí)，金屬與半導(dǎo)體之間將形成反阻擋層，其IV特性將是線性關(guān)系。圖432 樣品不同偏壓下表現(xiàn)出線性的IV特性 圖432給出了使用Ni電極和SiC接觸后，不同偏壓下測(cè)量的漏電流?？梢?jiàn)此電壓電流曲線表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，Ni和SiC形成了較好的歐姆接觸，因此在不同的偏壓下得到薄膜的電阻和電導(dǎo)率一致。 不同摻雜比例的SiC薄膜的電導(dǎo)率 采用第2章所述的方法我們對(duì)不同摻雜比例的薄膜電阻進(jìn)行了測(cè)量，通過(guò)公式（）得到了薄膜的電導(dǎo)率，表431給出了不同摻雜比例薄膜的電導(dǎo)率數(shù)值。可以看出摻雜以后薄膜的電導(dǎo)率相對(duì)于未摻雜的薄膜明顯上升，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)。對(duì)于不同摻雜比例的薄膜電導(dǎo)率的差別并不很大，基本在同一數(shù)量級(jí)，但是也有些區(qū)別電導(dǎo)率隨摻雜比例的增加先增加后減小，以上結(jié)果可由薄膜的紅外譜分析結(jié)果進(jìn)行分析。電導(dǎo)率的最初增加是由于摻雜效率的增加引起的，當(dāng)摻雜比例大于1％以后，電導(dǎo)率又稍微減小，是由于較高比例的P摻雜時(shí)，P替換其中的C原子形成的施主能級(jí)較深，常溫下這些施主能級(jí)的激活率很低，因此電導(dǎo)率略有降低[48]。表431 不同摻雜比例的薄膜的電導(dǎo)率摻雜比例(PH3/SiH4)％電阻率(Ωcm)電導(dǎo)率Scm10106106696113251224560對(duì)于晶態(tài)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理主要是擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)，在我們的樣品中由于納米粒子的邊界和許多較小的納米粒子的存在，因此存在無(wú)序結(jié)構(gòu)。這些都將影響薄膜的能帶結(jié)構(gòu)，由于無(wú)序而使導(dǎo)帶邊和價(jià)帶邊拖尾，因而有帶尾態(tài)存在。對(duì)于無(wú)序的非晶態(tài)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理和晶態(tài)半導(dǎo)體的根本區(qū)別在于除了擴(kuò)展態(tài)的電導(dǎo)以外還有局域態(tài)的電導(dǎo)，即在不同的溫度范圍，電子有不同的輸運(yùn)通道。溫度較高時(shí)，電子可以吸收足夠的能量由費(fèi)米能級(jí)EF躍遷到遷移率邊EC以上的能量狀態(tài)形成擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)，即通過(guò)擴(kuò)展態(tài)電子的輸運(yùn)通道。在低溫下，電子只能從 EF以下的能量狀態(tài)通過(guò)聲子的幫助躍遷到 EF以上的近鄰空態(tài)，形成局域態(tài)的近程跳躍電導(dǎo)，即電流通道僅限于距 EF幾個(gè)kT的局域態(tài)附近。處于局域態(tài)中的電子，通過(guò)熱激活才能從一個(gè)態(tài)跳躍到另一個(gè)態(tài)，這種跳躍過(guò)程亦對(duì)電導(dǎo)率有貢獻(xiàn)。由于費(fèi)米能級(jí)被釘扎在能隙中，其附近都是局域態(tài)，故只有在溫度較高時(shí)，才會(huì)有熱激發(fā)到遷移率邊之上的擴(kuò)展態(tài)中的電子導(dǎo)電，而在溫度較低時(shí)，局域態(tài)中的電子可以通過(guò)熱激活從一個(gè)局域態(tài)跳躍到另一個(gè)局域態(tài)。根據(jù) Mott的理論，在不同的溫度范圍內(nèi)，有不同的電子輸運(yùn)過(guò)程。（1） 擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)電導(dǎo)率的公式為： （）對(duì)擴(kuò)展態(tài)，式中μ是擴(kuò)展態(tài)電子的遷移率，n 是擴(kuò)展態(tài)電子濃度，k為玻耳茲曼常數(shù)。 （）當(dāng)溫度足夠高時(shí)，熱能有可能將電子激發(fā)到遷移率邊以上的狀態(tài)，在擴(kuò)展態(tài)內(nèi)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)電導(dǎo)率可表示為： （）式中 EC是遷移率邊對(duì)應(yīng)的能量，σ0是當(dāng) EF＝EC時(shí)的電導(dǎo)率，也就是擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)率的最低限，也可以說(shuō)是局域化開(kāi)始時(shí)的電導(dǎo)率。并且其中的ECEF可以用電導(dǎo)激活能Ea表示，因此上面的表達(dá)式也可以寫(xiě)成： （）（2） 費(fèi)米能級(jí)附近，缺陷局域態(tài)間的近程跳躍電導(dǎo)率（缺陷態(tài)電導(dǎo)）無(wú)序的半導(dǎo)體的 EF處在缺陷態(tài)之中，電子跳躍只能在最近鄰的空間內(nèi)發(fā)生。在費(fèi)米能級(jí)附近約kT 的能量范圍內(nèi)，電子有相當(dāng)?shù)能S遷幾率。這時(shí)電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系可表示為： （）式中 W為費(fèi)米能級(jí)附近電子跳躍所需的平均激活能。因此完整的電導(dǎo)率的表達(dá)式可以寫(xiě)成：（）圖433 ％和1%的納米SiC薄膜的電導(dǎo)率曲線：（a）％ (b) 摻雜比例1％%和1%摻雜的納米SiC薄膜的電導(dǎo)率隨溫度的變化曲線，其中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果由lnσ1000/T 曲線給出?？梢?jiàn)電導(dǎo)曲線分為兩個(gè)不同的線性區(qū)域。在高溫段（圖a300K，圖b180K）符合擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)的理論公式，考慮到薄膜的微觀結(jié)構(gòu)是包含納米粒子和非晶介質(zhì)的復(fù)合材料。因此，此時(shí)的導(dǎo)電過(guò)程為擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)，更具體的應(yīng)表述為熱輔助的納米粒子之間的單電子隧穿過(guò)程[49]。首先，電子通過(guò)熱激發(fā)的方式到達(dá)納米碳化硅的導(dǎo)帶底部，然后以隧穿的方式傳導(dǎo)。通過(guò)對(duì)lnσ1000/T的斜率的擬合，，為典型的n型半導(dǎo)體，并且隨摻雜比例的增高費(fèi)米能級(jí)向?qū)б苿?dòng)。但當(dāng)溫度低于（圖a 300 K，圖b 200K）時(shí)實(shí)驗(yàn)值與擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)的理論值發(fā)生了明顯偏離, 這說(shuō)明納米碳化硅硅薄膜在較低的溫度下存在其他的輸運(yùn)機(jī)制。較低的溫度下ln(σ)與1/T呈很好的線性關(guān)系,即在低溫段納米碳化硅的電導(dǎo)呈現(xiàn)單一激活能W,并且與kT 值相當(dāng)。這很好地符合費(fèi)米能級(jí)附近定域態(tài)之間的近程跳躍（Hopping）電導(dǎo)率。這說(shuō)明,在低溫下納米碳化硅帶隙中定域態(tài)之間的Hopping電導(dǎo)有可能成為電輸運(yùn)的主要機(jī)制。在上面的擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)中我們沒(méi)有考慮其中的定域態(tài)的影響，我們僅將界面區(qū)域的非晶介質(zhì)層視作勢(shì)壘層,沒(méi)有計(jì)入非晶層中大量的定域態(tài)。此外,納米碳化硅晶粒所具有的大量的表面,以及碳化硅晶粒中的應(yīng)力和晶粒內(nèi)部的各種缺陷都會(huì)在納米碳化硅帶隙中產(chǎn)生定域態(tài)。類似于非晶碳化硅的情形,納米碳化硅中所有這些定域態(tài)也會(huì)在導(dǎo)帶邊以下形成帶尾. ，因此費(fèi)米能級(jí)靠近帶尾。低溫下納米碳化硅薄膜的電輸運(yùn)可能轉(zhuǎn)變成費(fèi)米能級(jí)附近定域態(tài)之間的Hopping電導(dǎo)。根據(jù)上面的Hopping電導(dǎo)的理論公式我們對(duì)這段線性區(qū)進(jìn)行了擬合。由此可見(jiàn)對(duì)于摻雜的納米碳化硅主要存在兩種不同的導(dǎo)電機(jī)制，在高溫段納米碳化硅的輸運(yùn)機(jī)制是以擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)，即異質(zhì)結(jié)的單電子隧穿模型所描述的熱輔助的晶粒間電子隧穿為主；而低溫段電導(dǎo)主要由納米碳化硅帶隙中費(fèi)米能級(jí)附近定域態(tài)之間Hopping傳導(dǎo)決定。納米碳化硅薄膜中的定域態(tài)來(lái)自非晶層、碳化硅晶粒表面以及碳化硅硅晶粒內(nèi)部的缺陷和應(yīng)變等因素造成的大量缺陷態(tài)。 摻雜納米碳化硅/硅異質(zhì)結(jié)的電學(xué)特性 碳化硅和單晶硅的有機(jī)結(jié)合（SiC/Si異質(zhì)結(jié)）開(kāi)辟了硅基器件的一個(gè)新領(lǐng)域，為了對(duì)摻雜的納米碳化硅薄膜的電學(xué)特性進(jìn)行進(jìn)一步的表征，我們測(cè)量了p型硅襯底（111cm）上n型摻雜的納米碳化硅形成的異質(zhì)結(jié)的pn結(jié)特性。圖441給出了ncSiC/Si構(gòu)成的pn結(jié)二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。p type cSin type ncSiCNiNi圖441 ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)的示意圖圖442 不同摻雜比例的n型SiC和P型襯底形成的pn結(jié)的IV特性：(a)未摻雜(b)%摻雜(c)1%摻雜 np ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)的IV特性用Ni作為pn異質(zhì)結(jié)的接觸電極,厚度分別為500nm左右, ～2mm2。圖442給出了不同摻雜比例的n型納米碳化硅薄膜和p型單晶硅襯底形成的pn結(jié)的IV特性曲線。從圖中可見(jiàn)未摻雜的納米碳化硅和硅所形成的異質(zhì)結(jié)沒(méi)有表現(xiàn)出整流特性，而隨著薄膜摻雜比例的增高，納米SiC薄膜中的載流子濃度增加，pn結(jié)的整流特性逐漸明顯。從正反方向電流的比值(177。20V)％和1％摻雜的納米碳化硅和單晶硅形成的異質(zhì)結(jié)二極管（HJD）的整流比分別為45和350，并且在負(fù)偏壓下沒(méi)有發(fā)現(xiàn)pn結(jié)的擊穿現(xiàn)象，因此反向擊穿電壓高于20V，對(duì)于SiC/Si異質(zhì)結(jié)反向擊穿電壓一般高于100V[50],但是本實(shí)驗(yàn)中由于實(shí)驗(yàn)儀器的限制，沒(méi)有觀察到這一現(xiàn)象。從圖中還可發(fā)現(xiàn)，在較小正偏壓(0V2V)的低電流區(qū)域，電流與電壓的依賴關(guān)系滿足指數(shù)關(guān)系I=I0exp(qV/nkT),通過(guò)對(duì)低電流區(qū)域的擬合,，表明正向電流主要是ncSiC/Si界面缺陷的復(fù)合電流起主要作用[51][52],并且可見(jiàn)對(duì)于這種二極管的正向開(kāi)啟電壓約為5V。而在更高的正偏壓下由于串連阻抗的影響，電流與電壓偏離了指數(shù)的依賴關(guān)系。由于SiC和Si具有不同的能帶結(jié)構(gòu)和載流子濃度，所以當(dāng)n型的SiC和p型的硅襯底接觸時(shí)，在兩者的界面將形成由nSiC指向pSi通過(guò)兩者界面的電場(chǎng)，對(duì)于n型SiC和p型硅襯底形成的異質(zhì)結(jié)一般為突變異質(zhì)結(jié)，兩者的過(guò)渡很快僅僅發(fā)生在幾個(gè)原子的距離之內(nèi)。根據(jù)兩者的能帶結(jié)構(gòu)和電子親和能，得到的np SiC/Si異質(zhì)結(jié)平衡時(shí)的能帶圖可以由圖443表示，因此導(dǎo)帶的不連續(xù)小于價(jià)帶。pSinSiC圖443 np ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)平衡時(shí)的能帶圖 ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)的電輸運(yùn)特性圖444 np ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)不同溫度的IV曲線 異質(zhì)結(jié)的電流輸運(yùn)機(jī)制比同質(zhì)結(jié)要復(fù)雜得多，不僅僅是因?yàn)楫愘|(zhì)結(jié)的勢(shì)壘中往往存在尖峰，而且因?yàn)榇嬖跀?shù)量較多的界面態(tài)。電流輸運(yùn)機(jī)制既可以存在同質(zhì)結(jié)那樣的擴(kuò)散電流，也可能存在像肖特基勢(shì)壘中的熱發(fā)射電流，還可以產(chǎn)生和界面態(tài)相聯(lián)系的產(chǎn)生復(fù)合電流和隧穿電流。為了了解ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)的電流輸運(yùn)機(jī)制，我們測(cè)量了低溫下的IV特性，圖444給了半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的電流電壓在低溫下的關(guān)系曲線，從圖中可見(jiàn)，異質(zhì)結(jié)二極管在低溫下也表現(xiàn)出了比較明顯的整流特性，漏電流表現(xiàn)出比較明顯的溫度依賴關(guān)系。并且正向的漏電流在不同的偏壓區(qū)顯示出不同的斜率，這顯示了不同偏壓下具有不同的電流傳輸機(jī)制。較低的正偏壓下顯示logIV有較大的斜率，而較高的正偏壓下此斜率減小。我們可以這樣理解，較低的正偏壓下的漏電流，主要是ncSiC/Si界面缺陷的復(fù)合電流，此時(shí)的電流傳導(dǎo)機(jī)制主要是越過(guò)勢(shì)壘的電子和空穴到達(dá)了界面，同時(shí)到達(dá)界面的缺陷態(tài)電子和空穴發(fā)生了復(fù)合，這種電流和電壓有指數(shù)的依賴關(guān)系，并且主要在小偏壓下起主導(dǎo)作用[53]。較高的偏壓下我們發(fā)現(xiàn)logIV的斜率隨溫度變化有比較明顯的依賴關(guān)系，隨著溫度的變化此斜率減小，結(jié)合擴(kuò)散和發(fā)射電流的特征，我們發(fā)現(xiàn)此時(shí)的電流特征非常符合此模型，此時(shí)擴(kuò)散和發(fā)射電流分別在不同的偏壓下起主導(dǎo)作用，當(dāng)p區(qū)的導(dǎo)帶底低于n區(qū)的尖峰時(shí)擴(kuò)散電流起主導(dǎo)作用，隨著外加偏壓的增大，p區(qū)的導(dǎo)帶底低于n區(qū)的尖峰一定值時(shí)發(fā)射電流將起主導(dǎo)作用。同時(shí)我們還發(fā)現(xiàn)，在較高的偏壓區(qū)對(duì)于相同的偏壓下的漏電流隨溫度的增加而增大，表明異質(zhì)結(jié)二極管上的電壓降隨溫度的增加而減小，可見(jiàn)此時(shí)異質(zhì)結(jié)二極管的內(nèi)建電場(chǎng)隨溫度的增加而減小。而較小的正偏壓下發(fā)現(xiàn)這種規(guī)律發(fā)生了相反的變化。同樣的電流下，較高的溫度下對(duì)應(yīng)二極管上對(duì)應(yīng)較高電壓降，這種現(xiàn)象被稱為“inversion”，形成反型點(diǎn)的電壓降為5V，這種反型現(xiàn)象在硅和碳化硅的同質(zhì)結(jié)二極管中都曾經(jīng)被觀察到[54],并且電子空穴的散射模型來(lái)解釋這種現(xiàn)象。這種模型提出對(duì)于一定的電流I，通過(guò)異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)的所有電壓降可以用下面的公式來(lái)表示：（）其中KB和T分別為玻耳茲曼常數(shù)和絕對(duì)溫度，I0為正比于異質(zhì)結(jié)的飽和電流的常數(shù)。式中的第一項(xiàng)表示ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)上的電壓降，第二項(xiàng)表示由于聲子、雜質(zhì)、位錯(cuò)的散射引起的歐姆電壓，而第三項(xiàng)包含電子空穴散射造成的歐姆電壓降和所有的接觸阻抗和串連阻抗造成的電壓降。在一定的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出了這種反型效應(yīng)，主要是因?yàn)榇藴囟确秶鷥?nèi)摻雜劑處于完全離子化狀態(tài)。因此，此時(shí)聲子和雜質(zhì)的散射起主導(dǎo)作用，并且其電阻隨溫度的增加而增大，因此會(huì)導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)上的電壓降增大，所以會(huì)產(chǎn)生反型現(xiàn)象。但是這種效應(yīng)往往會(huì)在更高的溫度消失，因?yàn)檩^高的溫度下本征激發(fā)的載流子濃度明顯增加，可以和其中的受主濃度相比，此時(shí)本征激發(fā)的載流子起主導(dǎo)作用，電阻率隨溫度的增加會(huì)降低。圖445給出了較高溫度下的IV曲線和低溫下對(duì)比，我們確實(shí)發(fā)現(xiàn)反型現(xiàn)象沒(méi)有發(fā)生。圖445 室溫下np ncSiC/Si異質(zhì)結(jié)IV曲線與低溫下的對(duì)比圖446 不同偏壓下反向電流的溫度依賴關(guān)系當(dāng)pn結(jié)處于反向偏壓時(shí)，在p區(qū)n區(qū)分別處于形成耗盡的狀態(tài)，此時(shí)pn上的電壓降很大，但是導(dǎo)通電流卻很小。從上面的圖中可見(jiàn)反向電流表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的溫度依賴關(guān)系，圖446給出了不同偏壓下反向電流的溫度依賴關(guān)系?？梢?jiàn)在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，不同偏壓下均表現(xiàn)為和溫度的指數(shù)依賴關(guān)系。 （）其中的I0和T0均為常數(shù)。因此表明此時(shí)的傳導(dǎo)機(jī)制主要是通過(guò)界面的缺陷態(tài)的多步隧穿過(guò)程[55]。此時(shí)主要是SiC中的電子通過(guò)界面的缺陷的多步隧穿然后和p型硅中的空穴復(fù)合的復(fù)合電流起主導(dǎo)作用。 本章小結(jié) （1） 我們通過(guò)改變摻雜劑氣體和源氣體的比例得到了不同的摻雜和結(jié)構(gòu)的納米碳化硅薄膜。通過(guò)分析紅外和吸收譜，我們認(rèn)為主要的摻雜機(jī)理是替位摻雜，即P原子對(duì)Si和C的替換作用，較低的摻雜情況下主要是替換其中的Si，而隨著摻雜比例提高會(huì)替換其中的C原子。并且隨著摻雜比例的提高薄膜的晶化度提高。界面勢(shì)壘的高度和寬度降低，表現(xiàn)為薄膜的光致發(fā)光強(qiáng)度隨摻雜比例增加而提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。（2） 摻雜的納米SiC薄膜的電導(dǎo)率在摻雜比例為1％時(shí)，得到最大值接近102 Scm1，納米碳化硅的電導(dǎo)率隨溫度變化關(guān)系表明，納米碳化硅主要存在兩種導(dǎo)電機(jī)制：較高溫度下電子可以激發(fā)到導(dǎo)帶，所以主要是擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)；較低溫度下則主要是費(fèi)米能級(jí)附近，缺陷局域態(tài)間的近程跳躍電導(dǎo)。通過(guò)對(duì)電導(dǎo)