热退火对Mo/4H-SiC肖特基接触电学与结构性能的影响及其机制研究

为解决4H-SiC肖特基势垒二极管（SBD）中势垒高度调控难题，研究人员通过高温退火（700-950°C）系统研究了Mo/4H-SiC界面的电学与结构演变。结果表明，950°C退火使势垒高度从1.45 eV降至1.29 eV，同时界面态密度（NSS）降低，XRD与S/TEM分析揭示Mo膜晶粒重组是性能改善的关键。该研究为宽禁带半导体器件优化提供了新思路。

　　

在功率电子和能源转换领域，宽禁带半导体（WBG）材料如4H-SiC因其优异的物理特性（如高击穿电场、高热导率）正逐步取代传统硅基器件。然而，4H-SiC肖特基势垒二极管（SBD）的性能优化仍面临挑战，尤其是金属/半导体界面势垒高度（Φ_B）的精确调控问题。现有研究表明，不同金属（如Ti、W、Mo）与4H-SiC接触时势垒高度差异显著，其中钼（Mo）因低功函数和热稳定性备受关注，但其界面行为与退火效应的关联机制尚不明确。

为探究这一问题，国外研究团队在《Materials Science in Semiconductor Processing》发表论文，系统研究了高温退火（700°C和950°C）对Mo/4H-SiC肖特基接触电学与结构性能的影响。研究采用脉冲直流磁控溅射制备80 nm厚Mo膜，通过电流-电压（I-V）、电容-频率-电压（C-f-V）测试分析电学参数，结合X射线衍射（XRD）和扫描透射电镜（S/TEM）揭示微观结构演变，并利用电子能量损失谱（EELS）进行界面化学表征。

3. 结果与讨论
电学性能演变
I-V测试显示，950°C退火后势垒高度从1.45 eV降至1.29 eV，理想因子n保持1.10左右。温度依赖性分析表明，退火未改变界面不均匀性程度（T₀异常值约50 K）。C-f-V测量发现退火显著降低了近导带底区域的界面态密度（N_SS）。

结构重组机制
XRD显示退火后Mo膜出现[110]晶向择优取向，S/TEM观察到950°C退火使晶粒尺寸增至75 nm并形成柱状结构，界面处出现低密度区（EELS证实为空洞）。这种晶粒重组导致金属表面/晶界密度变化，进而降低势垒高度。

4. 结论
该研究首次将Mo/4H-SiC的势垒高度降低归因于金属膜晶粒重组而非界面化学反应。950°C退火通过诱导Mo晶粒择优生长和尺寸增大，实现了势垒高度调控（1.29 eV）与界面态密度优化的平衡。这一发现为4H-SiC功率器件的金属接触工程提供了新策略：通过控制金属膜微观结构而非传统合金化方法，可在避免半导体消耗的同时优化电学性能。研究还证实Mo/4H-SiC界面在高温下的化学稳定性，这对器件长期可靠性评估具有重要参考价值。

技术方法概要
研究采用n型4H-SiC外延层（掺杂浓度1×10¹⁶ cm^?3），通过脉冲直流磁控溅射制备Mo膜，经光刻剥离形成200-250 μm直径的肖特基接触。电学表征包括室温/变温I-V测试和1 kHz-1 MHz C-f-V分析；结构表征采用XRD 2Θ/Θ扫描、S/TEM明暗场成像及EELS化学映射。

研究意义
该工作突破了传统界面改性思路，提出通过金属膜微观结构设计调控势垒高度的新途径，为WBG半导体器件性能优化提供了理论依据和技术方向。研究成果对高温、高功率应用的4H-SiC SBD开发具有直接指导意义。