Kelvin Probe Force Microscopy-Messungen an Hochleistungsmaterialien der Leistungselektronik

Abstract

Die gezielte Beeinflussung der Eigenschaften von Metall-Halbleiter-Kontakten spielt eine zentrale Rolle in der Realisierung von effizienten Bauelementen der Leistungselektronik. So erlauben etwa die Vorbehandlung der Halbleitersubstrate und die geeignete Wahl der Metallisierung die Einstellung der effektiven Höhe der Energiebarriere am Metall-Halbleiter-Übergang. Der genaue Wirkungsmechanismus dieser Maßnahmen ist jedoch trotz intensiver Forschung nicht eindeutig geklärt. Eine geeignete Methode, die Eigenschaften der Metallisierung und die Auswirkungen der Vorbehandlung zu untersuchen, ist die Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM). Hierbei handelt es sich um eine Variante der Rasterkraftmikroskopie, die es unter anderem erlaubt, die Austrittsarbeit von Metallen und die Bandverbiegung an Halbleiteroberflächen zu bestimmen. Für Schottky-Dioden im Bereich der Leistungselektronik ist aufgrund der ausgezeichneten Materialeigenschaften eine Kombination aus Siliziumkarbid (SiC) und Molybdännitrid (MoN) vielversprechend. Durch die Vorbehandlung von SiC-Substraten mittels Sputterätzen wird eine signifikante Veränderung der Barrierenhöhe erzielt, sodass im Rahmen dieser Arbeit die Auswirkungen dieses Prozessschrittes auf die elektronische Struktur der Oberflächen mittels KPFM untersucht wurden. Da die strukturellen und elektrischen Eigenschaften von Molybdännitrid eine deutliche Abhängigkeit vom Stickstoffpartialdruck während der Sputterabscheidung zeigen, wurde die Austrittsarbeit dieser Schichten mittels KPFM untersucht. Die Messergebnisse an 4H-SiC-Substraten deuten auf die gezielte Generierung von Defekten infolge des Sputterätzens hin, die eine Bandverbiegung im oberflächennahen Bereich bewirken. Die dadurch zu erwartende Verringerung der effektiven Barrierenhöhe von SiC-Schottky-Dioden wird durch elektrische Messungen bestätigt. Für MoN zeigte sich eine Zunahme der Austrittsarbeit mit steigendem Stickstoffpartialdruck. Zur Interpretation dieser Abhängigkeit von den Abscheideparametern wurden die Ergebnisse von Röntgendiffraktometrie-Messungen (XRD) verwendet. Ferner wurde der Zusammenhang zwischen der Austrittsarbeit der MoNSchichten und der Barrierenhöhe von MoN-SiC-Schottky-Dioden untersucht.

In order to realise efficient high-power metal-semiconductor devices, it is necessary to tailor specifically the properties of the metal-semiconductor junction. Although it was shown that the preprocessing of the semiconductor substrates and the choice of the metallisation allows to control the Schottky barrier height, the underlying mechanisms still have to be investigated. Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) is a modified atomic-force microscopy (AFM) technique, which is capable of probing the electronic properties of solid surfaces. Hence this technique can be used to measure the work function of metals and to investigate band-bending phenomena on semiconductor surfaces. In the field of high-power Schottky diodes a material combination of silicon carbide (SiC) and molybdenum nitride (MoN) is of great interest due to promising high power properties. Former works have shown a significant modification of the barrier height of SiC-Schottky diodes by sputter etching the substrates prior to the deposition of the metallisation. In this work KPFM was therefore used to study the impact of this pre-treatment. The properties of molybdenum nitride thin films vary in dependence of the relative amount of Nitrogen gas during deposition resulting in different stoichiometric compositions. KPFM was used to determine the work function of these thin films. The KPFM measurements of sputter pre-etched 4H-SiC substrates reveal the generation of traps close to the semiconductor surface which cause a notable band-bending in the surface region. The expected impact of this band-bending on the barrier height of SiC-Schottky diodes is experimentally verified. Molybdenum nitride shows an increase of the work function with increasing nitrogen amount. X-ray diffraction (XRD) was applied to characterise the microstructure of molybdenum nitride films as a function of deposition parameters. The results were taken into account when evaluating the dependence of the work function on the relative nitrogen amount during deposition. In addition, the relation between the work function of the MoN-films and the barrier height of MoN-SiC-Schottky diodes was investigated.