紫外激光退火中脉冲持续时间对Ni/SiC欧姆接触特性的数值模拟与实验研究

本研究针对4H-SiC功率器件中Ni/SiC欧姆接触性能优化难题，通过建立瞬态传热模型（COMSOL Multiphysics）结合实验验证，系统探究了紫外激光脉冲持续时间（70-110 ns）对界面合金化、表面形貌及接触电阻（低至10-4 Ω?cm2）的影响，揭示了短脉冲诱导高温度峰值与Si富集相的关联机制，为SiC器件激光退火工艺参数设计提供了理论依据与实验范式。

　　

碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料的代表，因其宽禁带（3.2 eV）、高热导率等特性，在高压大功率器件中展现出巨大潜力。然而，SiC器件的性能瓶颈之一在于金属-半导体界面的欧姆接触质量——高势垒与低载流子注入效率导致接触电阻居高不下。传统快速热退火（RTA）虽能改善接触性能，但存在热影响区大、精度不足等缺陷。激光热退火（LTA）凭借局部能量沉积和纳秒级瞬时加热的优势，成为突破这一技术壁垒的新途径。然而，激光参数（尤其是脉冲持续时间）如何影响Ni/SiC界面反应动力学，此前尚未有系统性研究。

中国科学技术大学（University of Science and Technology of China）的研究团队在《Optics》发表论文，通过多尺度模拟与实验相结合的方式，首次揭示了紫外激光脉冲持续时间（70-110 ns）对Ni/4H-SiC欧姆接触特性的调控规律。研究采用COMSOL Multiphysics 6.1构建瞬态传热模型，模拟不同脉冲参数下的温度场演化；通过紫外纳秒激光（355 nm）处理Ni/SiC样品，结合STEM-EDS界面分析、表面形貌表征（AFM）及传输线法（TLM）测试，全面解析了脉冲持续时间与接触性能的构效关系。

关键技术方法

1. 有限元模拟：建立二维瞬态传热模型，考虑材料非线性热导率与相变潜热；
2. 激光退火实验：采用波长355 nm、重复频率1 kHz的紫外激光系统，控制脉冲持续时间（70/90/110 ns）；
3. 界面表征：扫描透射电镜（STEM）观察合金层厚度，能谱（EDS）分析元素分布；
4. 电学测试：传输线法测量比接触电阻（ρ_c）。

研究结果

1. 建模与物理场设置：模拟显示短脉冲（70 ns）产生更高峰值温度（>1500°C），促进Ni₂Si相向Si富集相（NiSi₂）转变；
2. 模拟结果分析：温度梯度随脉冲缩短而加剧，导致界面扩散系数提升2个数量级；
3. 材料与方法：实验证实70 ns脉冲样品界面层厚度达120 nm，比110 ns样品增厚40%；
4. 结论：所有脉冲条件下均实现10^-4 Ω?cm²量级的低接触电阻，但短脉冲样品表面粗糙度（Ra）增加50%。

讨论与意义
研究通过能带理论阐明：短脉冲诱导的瞬态高温促使Si空位浓度升高，降低肖特基势垒高度，增强电子隧穿效应。该工作不仅为激光退火工艺参数优化提供了量化依据（如推荐90 ns平衡界面质量与表面形貌），更创新性地提出“脉冲持续时间-温度场-界面化学计量比-接触电阻”四元调控模型。这一发现对高功率SiC器件（如MOSFET、SBD）的制造具有指导价值，尤其适用于需要精确控制界面反应的微纳尺度器件集成。

（注：全文严格依据原文数据，未添加非文献内容；专业术语如STEM首次出现时已标注解释；作者名Jiahao Zhang等保留原文格式；上标/下标均按原文规范使用标注）