基于传输线法TLM与隔离层优化的4H-SiC特定接触电阻SCR精准表征

4H-碳化硅（4H-SiC）因其宽禁带（3.26 eV）、高热导率（4.9 W·cm⁻¹·K⁻¹）和高击穿场强（2.5 MV·cm⁻¹），成为高温、高功率电子器件的核心材料。然而，其欧姆接触的精准表征面临关键挑战：商用衬底的高掺杂特性导致电流扩散至衬底深层，使得传统传输线法（TLM）测得的特定接触电阻（SCR）显著偏离真实值。本研究结合Xfilm埃利TLM接触电阻测试仪，通过TCAD模拟与实验验证，提出一种基于隔离层的优化结构，为SCR的准确测定提供了新方案。

TLM测量原理 

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(a) 圆形c-TLM方法示意图(b) 欧姆接触电阻随电极间距变化的典型曲线

 

TLM模型：通过测量不同间距s电极的电阻R，结合修正因子Cₛ（R₀为内电极半径）可提取转移长度 LT 与SCR，Rₛₕ为薄层电阻。  

商用衬底的测量瓶颈

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 激光退火Ti/4H-SiC接触的I-V特性曲线(b) 校正后电阻随间距的变化

金属-半导体结构中的电阻组成示意图实验采用

 

激光退火制备Ti/4H-SiC接触，I-V曲线虽呈线性，但修正电阻-间距曲线线性度差（相关系数0.46），且电阻值极低（150-180 mΩ）。仿真重现该结构发现，350μm厚衬底中电流深入扩散，导致总电阻Rtotal=Rm+RC+Rsh中Rsh占比过小，间距变化对电阻影响微弱，难以准确提取SCR。

高掺杂衬底对SCR测定的影响

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直接制备于350 µm厚4H-SiC衬底上的c-TLM结构图(b) 1 V偏压下电流密度分布(c) 横截面视图(d) 不同间距的模拟I-V曲线(e) 电阻随间距的变化

 

厚衬底（350μm）仿真

• 电流分布：电子主要沿电极间流动，但显著向衬底深处扩散。
• 电阻特性：不同间距下电阻集中分布在150-180 mΩ，间距依赖性弱，与实验结果一致。
• 问题根源：高掺杂（1×10¹⁸ cm⁻³）衬底电阻率低，电流无法局域化。

(a) 2 µm薄衬底上c-TLM结构的模拟I-V曲线(b) 电阻随间距显著变化薄衬底（2μm）仿真

• 电流局域化：超薄衬底强制电流集中在接触附近，I-V曲线间距依赖性显著，电阻随间距线性增加（1.3-3.5Ω）。
• 局限性：实际工艺难以实现2μm厚SiC衬底加工。

 

(a) 含隔离层的结构示意图(b)-(c) 1 V偏压下电流密度的3D与横截面分布(d) 不同间距的I-V曲线(e) 电阻随间距变化

 

结构设计：在衬底与n⁺层间插入低掺杂隔离层，通过调节其厚度（1‒40 μm）与掺杂浓度（5×10¹³‒1×10¹⁶ cm⁻³）优化电流限制效果。  关键结论：  

(a) 隔离层掺杂为1×10¹⁶ at⋅cm⁻³时，SCR计算值随厚度的变化；(b) 隔离层掺杂为5×10¹³ at⋅cm⁻³时的变化；虚线：2 µm厚理想隔离层的参考SCR值

• 掺杂浓度：隔离层需≤5×10¹³ cm⁻³。若掺杂为1×10¹⁶ cm⁻³，SCR测定误差可达5.5倍（如SCR真实值1×10⁻⁶ Ω·cm²时，测得值5.5×10⁻⁶ Ω·cm²）。
• 厚度：厚度≥5 μm时，SCR误差<7%。例如，5 μm/5×10¹³ cm⁻³隔离层可将SCR=1×10⁻⁶ Ω·cm²的误差降至1.07倍。
• 物理机制：低掺杂隔离层显著提升电阻率，迫使电流集中于顶部n⁺层。  

 

实验验证与性能对比

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(a) 激光退火Ti/4H-SiC接触的I-V特性；(b) 校正后电阻随间距的变化

 

钛（Ti）接触实验：  

• 结构参数：5.6 μm厚隔离层（5×10¹³ cm⁻³） + 2.6 μm n⁺层（1.9×10¹⁸ cm⁻³）。
• 工艺：100 nm Ti溅射 + 激光退火（5.0 J·cm⁻²） + 离子束刻蚀c-TLM图案。  
• 结果：I-V曲线线性，SCR=1×10⁻⁴ Ω·cm²，电阻-间距曲线相关性显著提升（R² ≈ 1)。  

镍（Ni）接触对比：相同结构下，SCR进一步降至2.4×10⁻⁵ Ω·cm²，验证了方案的普适性。  本研究通过系统模拟与实验，揭示了高掺杂衬底对特定接触电阻（SCR）测定的干扰机制，并提出了一种基于传输线法（TLM）-隔离层的优化方案。掺杂的隔离层可有效限制电流分布，将特定接触电阻（SCR）测定误差降至7%以内，为4H-SiC功率器件的欧姆接触优化提供了可靠表征方法。  

Xfilm埃利TLM电阻测试仪

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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本文提出的隔离层-传输线法（TLM）联合方案，结合Xfilm埃利TLM接触电阻测试仪的高精度测量能力，为4H-SiC功率器件的欧姆接触工艺优化提供了标准化测试流程。

原文参考：《How to Accurately Determine the Ohmic Contact Properties on n-Type 4H-SiC》

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