Contatti ohmici su semiconduttori ad ampia band gap

Power electronics is the key technology that controls the distribution and conversion of electrical energy. In this context, wide Band Gap (WBG) semiconductors are unanimously considered as excellent materials to improve the performance of modern power electronic devices and achieve a better energy efficiency. In particular, gallium nitride (GaN) and silicon carbide (SiC) are emerging in many applications, such as industry, transportation (i.e. power supply and power modules), renewable energies (power conversion) and aerospace (high temperature engines). The advantages offered by these semiconductors with respect to the traditional silicon reside in their intrinsic physical properties, such as a high breakdown field, a low intrinsic carrier concentration, a high saturation velocity and thermal conductivity. However, the physical differences with respect to silicon make the technology of WBG devices definitively more complex. Ohmic contacts are fundamental building blocks in many devices, as they are the connection from the device to the external circuitry. The performance of a device strongly depends on the good operation of such contacts. Hence, it is important to understand the physics that governs the charge transport at these metal/semiconductor interfaces. In this thesis work, some processes for Ohmic contacts on SiC and AlGaN/GaN heterostructures have been developed and studied by means of different characterization techniques. The aim of the work is to clarify some fundamental open questions on the carrier transport mechanisms at the metal/semiconductor interfaces, which are also useful for the device technology. This thesis starts with an introduction on the properties and the advantages of SiC and GaN, and follows with a description of some basic physical concepts useful for the comprehension of metal/semiconductor contacts and current transport mechanisms at these interfaces. After a synthetic description of the characterization techniques used in this work, the second part of the thesis reports the experimental results and their discussion. The first work reports on the study of Au-free Ohmic contacts, based on Ti and Ta metallization. In particular, the structural, morphological and electrical behaviour of Ti/Al/Ti and Ta/Al/Ta systems are compared, providing insights on the carrier transport mechanism at the different metal/semiconductor interfaces. Then, an investigation of Ti/Al-based Ohmic contacts on p-type implanted 4H-SiC is reported together with the study of the electrical activation of the p-type implanted dopant by means of Hall Effect measurements. Finally, an investigation on Ni- and Ti-based contacts on n-type and p-type cubic 3C-SiC is reported. The experiments carried out allowed to obtain some interesting results for a better comprehension of the investigated metal systems for Ohmic contacts on AlGaN/GaN heterostructures, 4H-SiC and 3C-SiC. The results on Ohmic contacts on AlGaN/GaN heterostructures have a clear importance from a materials science point of view and have a technological relevance for the possible applications in GaN-on-Si HEMTs technology. The information obtained on 4H-SiC can be particularly useful for JBS technology, where Ohmic contacts on highly doped p-type regions are present in the device structure. Finally, the first results on Ohmic contacts on the cubic polytype 3C-SiC revealed how the quality of the material strongly influences the contacts properties. However, this work revealed the existence of additional scientific open issues that deserve further investigations.

L'elettronica di potenza è la tecnologia che controlla la distribuzione e la conversione dell'energia elettrica. In questo contesto, i semiconduttori Wide Band Gap (WBG) sono considerati dei materiali eccellenti per migliorare le prestazioni dei dispositivi elettronici di potenza moderni e ottenere una migliore efficienza energetica. In particolare, il nitruro di gallio (GaN) e il carburo di silicio (SiC) sono i materiali emergenti per molte applicazioni, come l'industria, i trasporti (ad esempio per i moduli di alimentazione e di alimentazione), le energie rinnovabili (conversione di potenza) e l'aerospaziale (motori ad alta temperatura). I vantaggi offerti da questi semiconduttori rispetto al silicio tradizionale risiedono nelle loro proprietà fisiche intrinseche, come un elevato campo di rottura, una bassa concentrazione del vettore intrinseco, un'alta velocità di saturazione e conducibilità termica. Tuttavia, le differenze fisiche rispetto al silicio rendono la tecnologia dei dispositivi WBG decisamente più complessa. I contatti ohmici sono elementi fondamentali in molti dispositivi, in quanto sono la connessione dal dispositivo ai circuiti esterni. Le prestazioni di un dispositivo dipendono fortemente dal buon funzionamento di tali contatti. Pertanto, è importante comprendere la fisica che regola il trasporto di carica su queste interfacce metallo / semiconduttore. In questo lavoro di tesi, sono stati sviluppati e studiati alcuni processi per i contatti ohmici sulle eterostrutture SiC e AlGaN / GaN mediante diverse tecniche di caratterizzazione. Lo scopo del lavoro è chiarire alcune questioni aperte fondamentali sui meccanismi di trasporto alle interfacce metallo / semiconduttore, che sono anche utili per la tecnologia dei dispositivi. Questa tesi inizia con un'introduzione sulle proprietà e sui vantaggi di SiC e GaN, e continua con una descrizione di alcuni concetti fisici di base utili per la comprensione del funzionamento die contatti metallo / semiconduttori e degli attuali meccanismi di trasporto su queste interfacce. Dopo una descrizione sintetica delle tecniche di caratterizzazione utilizzate in questo lavoro, la seconda parte della tesi riporta i risultati sperimentali e la loro discussione. Il primo lavoro è focalizzato sullo studio di contatti ohmici senza oro, basati sul metallizzazioni con Ti e Ta. In particolare, vengono confrontati il comportamento strutturale, morfologico ed elettrico dei sistemi Ti / Al / Ti e Ta / Al / Ta, fornendo approfondimenti sul meccanismo di trasporto per le diverse interfacce metallo / semiconduttore. In seguito, viene riportata un'indagine sui contatti ohmici basati su Ti / Al su 4H-SiC impiantato di tipo p insieme allo studio dell'attivazione elettrica del drogante impiantato di tipo p mediante misurazioni di effetto Hall. Infine, viene riportato uno studio sui contatti basati su Ni e Ti su 3C-SiC di tipo n e p. Gli esperimenti effettuati hanno permesso di ottenere alcuni risultati interessanti per una migliore comprensione dei sistemi metallo / semiconduttore e in particolare riguardo i contatti ohmici sulle eterostrutture AlGaN / GaN, 4H-SiC e 3C-SiC. I risultati riguardo i contatti su AlGaN / GaN hanno una chiara importanza dal punto di vista della scienza dei materiali e hanno particolare rilevanza tecnologica per le possibili applicazioni nella tecnologia HEMT di GaN su Si. Le informazioni ottenute su 4H-SiC possono essere particolarmente utili per la tecnologia JBS, nella cui struttura sono presenti contatti ohmici su regioni di tipo p altamente drogate. Infine, i primi risultati sui contatti ohmici sul politipo cubico 3C-SiC hanno mostrato come la qualità del materiale influenzi fortemente le proprietà dei contatti. Tuttavia, questo lavoro ha rivelato l'esistenza di ulteriori questioni scientifiche aperte che meritano ulteriori indagini.