基于改进传输线法（TLM）的金属 - 氧化锌半导体界面电阻分析

传输线方法（TLM）作为常见的电阻测量技术，广泛应用于半导体器件中沟道电阻与接触电阻的提取。传统的TLM模型基于理想欧姆接触假设，忽略了界面缺陷、势垒等非理想因素引入的界面电阻，尤其在氧化物半导体如氧化锌中，这一简化可能导致关键参数的显著偏差。ZnO因其宽禁带、高激子结合能等特性，在薄膜晶体管、传感器和存储器等器件中具有重要应用价值，其界面特性的准确表征尤为关键。

Xfilm 埃利的 TLM 接触电阻测试仪，凭借高精度与智能化特性，为半导体界面电阻研究提供了可靠的测量支持，以下结合实验深入分析TLM 在金属 - 氧化锌（ZnO）界面电阻中的应用与改进。

 

 

(a) 基本矩形 TLM 图案的俯视图和 (b) 制造的 TLM 图案设备的显微镜视图

器件制备：在Si 衬底上 1000℃氧气氛围下热氧化60 min 生成 SiO₂层；旋涂负性光刻胶并图形化后，采用原子层沉积（ALD）制备 ZnO 薄膜，经剥离工艺形成ZnO 有源图形。
 

变量控制：一组器件进行O₂预退火（250℃、60 min）以调控氧空位；采用射频等离子体溅射沉积Ti 或 TiN 作为金属电极，TLM 电极间距 10~100 μm，ZnO 与金属接触宽度 200 μm。

测试条件：用半导体参数分析仪测量I-V 特性，所有测试在室温、无光照的屏蔽箱中进行，通过恒温卡盘控制温度。

改进传输线法TLM

/Xfilm

 

1. I-V 特性与等效电路

I-V测试结果显示，制备的ZnO TLM器件在低电压区间（0–1.5 V）呈现良好线性关系，随电压升高出现电流饱和现象。通过构建包含两个背对背肖特基二极管的等效电路模型，研究者指出在低偏压范围内，电流主要由接触电阻和沟道电阻主导，而非热电子发射机制。这一发现明确了TLM参数提取应在低电压线性区进行，以规避肖特基势垒的非线性影响。

2. 传统TLM的局限与界面电阻的引入

理想欧姆接触条件下具有金属电极的ZnO 半导体中电流密度的 TCAD 模拟（COMSOL）结果。（a）显示器件结构，（b）是显示电流传输长度 L 的示意图，其中电流减小到 (1-e)I，（c）是通过界面的电流与界面长度 x 的关系。

基于传统TLM模型提取的电流传输长度达16.9 μm，而通过COMSOL进行的理想欧姆接触模拟显示，实际传输长度应在亚微米级别。这一显著差异源于传统模型将接触电阻简单视为沟道电阻的延伸，未考虑界面非理想性。研究团队据此提出修正改进TLM模型，将接触电阻明确拆分为由传输长度贡献的部分和独立的界面电阻部分，从而更真实地反映界面物理。

3. 金属电极与O₂预退火对界面电阻的影响

为验证界面电阻的物理来源，研究比较了Ti与TiN电极器件的接触电阻。结果显示，TiN器件的接触电阻是Ti器件的3.3倍。除功函数差异外，Ti的高氧亲和性可能导致ZnO-Ti界面处产生更多氧空位，这些氧空位形成的带隙中间陷阱可充当隧穿路径，从而降低界面电阻。O₂预退火实验进一步支持该观点：退火后接触电阻的激活能降低27%，说明热处理通过调节界面氧空位浓度影响了接触特性。

4. 改进TLM模型下的参数提取与重要性

不同温度下的TLM测量结果

基于改进后的TLM模型，研究者成功分离了界面电阻并提取了ZnO沟道的本征电学参数。结果显示，在10 μm沟道长度下，沟道电阻仅占总电阻的23%。若忽略界面电阻，载流子迁移率将被低估约四个数量级，电阻温度系数的评估也会出现显著偏差。这突显了在氧化物半导体器件中准确去嵌界面贡献的必要性。

本研究针对 ZnO 器件改进 TLM，提出二极管- 二极管模型，明确低电压区测量的必要性，修正公式纳入界面电阻，解决传统 TLM 高估电流传输长度的问题；通过Ti/TiN 电极对比与 O₂预退火实验，证实氧空位对界面电阻的影响，成功提取ZnO 迁移率与 TCR。Xfilm 埃利的 TLM 接触电阻测试仪，凭借高精度测量能力，可有效支持金属- 半导体界面电阻的精准表征，为类似ZnO 器件的性能优化与工艺改进提供可靠工具，助力半导体检测技术在材料研发中的深度应用。

Xfilm埃利TLM电阻测试仪

/Xfilm

 

Xfilm埃利TLM接触电阻测试仪用于测量材料表面接触电阻或电阻率的专用设备，广泛应用于电子元器件、导电材料、半导体、金属镀层、光伏电池等领域。

 

 

 

静态测试重复性≤1%，动态测试重复性≤3%

线电阻测量精度可达5%或0.1Ω/cm

接触电阻率测试与线电阻测试随意切换

定制多种探测头进行测量和分析

通过使用Xfilm埃利TLM接触电阻测试仪进行定量测量的实验手段，可精确表征和验证理论预测的超低接触电阻特性。

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原文参考：《Analysis of metal and zinc oxide semiconductor interface resistance using transmission line method》

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