Омические контакты контакт металл полупроводник

Омические контакты в полупроводниковой технике применяются для соединения полупроводниковых приборов с металлическими выводами. Они должны обладать линейной вольтамперной характеристикой, т. е. сопротивление омических контактов не должно зависеть от величины и направления электрического тока.

К этим контактам предъявляются дополнительные требования. Они должны иметь малое сопротивление и не допускать инжекции носителей заряда из металла контакта в полупроводник. Кроме того, омические контакты должны обеспечивать достаточную прочность соединения полупроводникового кристалла и металла контакта.

Наибольший интерес представляет омический контакт между кремнием (Si) и алюминием (Al). Этот вид омического контакта получил наибольшее распространение и только в последнее время вытесняется более сложными видами омических контактов. Алюминий обладает прекрасной адгезией к монокристаллу кремния. Кроме того, алюминий связывает кислород, тем самым повышая прочность соединения.

Рассмотрим контакт между алюминием и кремнием. Алюминиевые проводники позволяют соединять между собой различные элементы выполненные на кристалле кремния. В монокристалле кремния изготавливаются различные виды транзисторов, диодов, сопротивлений. Наиболее просто выполняется контакт между n-областью полупроводника (Si) и металлом (Al).

Омический контакт между алюминием и n-областью кремния

В алюминии работа выхода электрона из металла меньше работы выхода электрона из кремния с электронной проводимостью (n-полупроводник).

В этой паре материалов энергия электронов в металле больше, чем в полупроводнике, и при установлении термодинамического равновесия часть электронов из алюминия переходит в кремний. В результате уровень Ферми WF в них выравнивается.

Схематическое расположение зонных диаграмм при омическом контакте n-кремния с алюминием приведено на рисунке 1.

Омические контакты контакт металл полупроводник Рисунок 1. Расположение зонных диаграмм при омическом контакте n-кремния с алюминием

Как видно из этого рисунка, электроны свободно протекают через переход между материалами в любом направлении. В состоянии равновесия дрейфовый ток InE и диффузионный ток InD, протекающие через контакт материалов, компенсируют друг друга. Высокая концентрация электронов в области контакта обеспечивает его высокую проводимость при любой полярности внешнего напряжения.

При изготовлении омических контактов возникают проблемы, связанные с тем, что концентрация дефектов и примесей на поверхности полупроводниковых кристаллов значительно выше, чем в глубине.

На поверхности образуются области, обедненные основными носителями и зоны с инверсным типом проводимости, что значительно ухудшает свойства омических контактов.

Для устранения этих недостатков в области контакта кремния с металлом формируется участок с повышенным содержанием примесей, который обозначается как n+ полупроводник. Зонная диаграмма контакта Al—n+—n в состоянии термодинамического равновесия приведена на рисунке 2.

Омические контакты контакт металл полупроводник Рисунок 2. Расположение зонных диаграмм при введении в омический контакт с алюминием зоны n+ кремния

Так как металл наносится на вырожденный n+ полупроводник, то поверхностные дефекты кристалла практически не оказывают влияния на электрические параметры омического контакта. При этом граница раздела вырожденный полупроводник n+ — низколегированный полупроводник n-типа находится в глубине монокристалла, где концентрация нежелательных примесей и дефектов меньше, чем на его поверхности.

Упрощённая структура подключения n-области кремния к проводникам, выполненным из алюминия показана на рисунке 3.

Омические контакты контакт металл полупроводник Рисунок 3. Омический контакт между n-областью кремния и алюминием

Омический контакт между алюминием и p-областью кремния

Как уже упоминалось выше, работа выхода электронов в алюминии меньше работы выхода электронов в кремнии, поэтому по умолчанию при выполнении контакта между этими материалами получается выпрямительный переход (такой, как в диоде Шоттки). Иными словами непосредственный контакт между этими материалами невозможен. Расположение зонных диаграмм в области омического контакта p-области кремния с алюминием показано на рисунке 4.

Омические контакты контакт металл полупроводник Рисунок 4. Расположение зонных диаграмм при контакте p-кремния с алюминием

Для того, чтобы преодолеть данную проблему используется решение, подобное решению для n области кремния. В зоне контакта с алюминиевым проводником создаётся зона кремния с повышенной концентрацией дырок (p+область). Расположение зонных диаграмм при введении p+области между p кремнием и алюминием показано на рисунке 5.

Омические контакты контакт металл полупроводник Рисунок 5. Расположение зонных диаграмм при введении p+области между p-кремнием и алюминием

В результате основной контакт происходит в глубине полупроводника между p+ и p областями.

Это нормальный омический контакт, а в зоне контакта между алюминием Al и высоколегированным полупроводником толщина перехода металл – вырожденный полупроводник d получается настолько мала, что возникают условия для туннельного перехода электронов.

В результате сопротивление контакта будет мало в любом направлении протекания электрического тока. Упрощённая структура омического контакта с p-областью кремния приведена на рисунке 6.

Омические контакты контакт металл полупроводник Рисунок 6. Структура омического контакта с p-областью кремния

Таким образом получается, что формирование омического контакта является сложнейшей задачей. Ещё более сложной она становится при формировании омического контакта к другим, относительно новым видам полупроводниковых соединений. Наиболее распространённые виды материалов, применяющихся при создании омических контактов приведены в табл. 1.

Табл. 1. Материалы используемые для создания контактов

Полупроводник Контактообразующий материал
Si Al, Al-Si, TiSi2, TiN, W, MoSi2, PtSi, CoSi2, WSi2
Ge In, AuGa, AuSb
GaAs AuGe, Au/Ge/Ni, PdGe, PdSi, Ti/Pt/Au, Al/Ge/Ni, Ni/Au/Ge/Ni/Au
GaN Pd/Au, Ti/Al/Ni/Au, Ti/Al/Mo/Au, Ti/Al/Ti/Au, Si/Ti/Al/Ni/Au, Ta/Ti/Al/Mo/Au
SiC Ni
InSb In
ZnO InSnO2, Al
CuIn1—xGaxSe2 Mo, InSnO2
HgCdTe In
C (алмаз) Ti/Au, Mo/Au

Рассмотрим для чего используется многослойная структура материалов на примере контакта для нитрида галлия GaN. В последовательности материалов Ti/Al/Ni/Au алюминий образует омический контакт. Золото не допускает окисления контакта. Никель препятствует смешиванию алюминия и золота.

Титан в свою очередь улучшает адгезию, а также при температурах более 800°С при отжиге омического контакта образует соединение TiN, для которого работа выхода составляет всего 3,74 эВ, что обеспечивает формирование качественного омического контакта к n–GaN за счет создания высоколегированной области под контактом.

Типовая структура чередования металлов при создании омического контакта в GaN кристаллах приведена на рисунке 7.

Омические контакты контакт металл полупроводник Рисунок 7. Структура омического контакта с p-областью кремния

Выводы:

  • Создание омического контакта является нетривиальной задачей.
  • Металл должен обладать хорошей адгезией к полупроводниковому материалу.
  • Материал должен или иметь меньшую работу выхода электронов или формировать туннельный переход.
  • Материал не должен вносить в полупроводниковый материал вредные примеси.

Дата последнего обновления файла 11.06.2022

§ 21. Выпрямляющие свойства контакта "металл — полупроводник" [1981 Поляков А.М. — Разгаданный полупроводник]

Омические контакты контакт металл полупроводник

Новости    Библиотека    Энциклопедия    Биографии    Ссылки    Карта сайта    О сайте

Из рассмотренных видов контактов наибольший интерес представляют контакты, при создании которых образуются запорные слои. Объясняется это тем, что именно такие контакты обладают ярко выраженной односторонней проводимостью.

Если в замкнутой цепи имеется контакт с запорным слоем, то при одной полярности включения источника сила тока велика (прямое направление), а в случае противоположной полярности включения источника сила тока оказывается во много раз меньшей (запорное направление).

Рассмотрим проявление этого эффекта на примере уже знакомого нам контакта полупроводника n-типа с металлом. Зонная схема такого контакта, находящегося в равновесном состоянии, приведена на рисунке 59, а.

Омические контакты контакт металл полупроводникРис. 59

Прежде всего обратим внимание на то, что в отличие от рисунка 57 на этой схеме не указаны энергетические уровни, соответствующие энергии электронов в вакууме (нет уровней Вм и Вп).

Такое упрощение связано с тем, что при рассмотрении контактных явлений выход электронов в вакуум уже не представляет интереса, и, следовательно, нет необходимости указывать на схеме абсолютные значения термодинамической работы выхода Ам и Ап для металла и полупроводника.

Разность же работ выхода контактирующих тел, определяющая условия установления равновесия и характеризующая свойства границы раздела, отражена на схеме высотой потенциального барьера Омические контакты контакт металл полупроводник

Потенциальный барьер, возникающий на границе раздела, является регулятором потока электронов, идущих из полупроводника в металл. В начальный момент после образования контакта число электронов, проходящих за 1 с из полупроводника в металл, намного превосходит встречный поток, то есть число электронов, проходящих за 1 с из металла в полупроводник.

Это происходит потому, что работа выхода из рассматриваемого полупроводника меньше работы выхода из металла. Но затем по мере возрастания разности потенциалов и, следовательно, напряженности электрического поля, препятствующего переходу электронов из полупроводника в металл, происходит выравнивание обоих противоположно направленных потоков.

При этом ток через контакт не течет.

Включение внешней разности потенциалов равновесия и к появлению тока через поверхность раздела. Сила тока зависит от полярности подключения источника и значения приложенной разности потенциалов.

Читайте также:  Как проверить полевой транзистор: проверка мультиметром, не выпаивая

Действие внешней разности потенциалов в прямом направлении. Рассмотрим сначала случай, когда приложенная к контакту «металл — полупроводник» внешняя разность потенциалов действует навстречу контактной разности потенциалов.

Это означает, что на полупроводник относительно металла подается отрицательный потенциал, благодаря чему все энергетические уровни полупроводника, в том числе и уровень Ферми, поднимаются на величину eU (где U — приложенная разность потенциалов). Такое смещение уровней (рис.

59, б) приводит к уменьшению потенциального барьера, который должны преодолеть электроны, идущие из полупроводника в металл. Он теперь становится равным

Омические контакты контакт металл полупроводник

Уменьшение потенциального барьера φ приводит к резкому возрастанию числа электронов, переходящих из полупроводника в металл. В то же время потенциальный барьер на пути электронов, идущих из металла в полупроводник, сохраняет свою величину неизменной. Поэтому поток электронов из металла остается таким же, каким он был в отсутствие внешнего поля.

Таким образом, баланс токов, текущих через контакт, оказывается нарушенным: поток электронов из полупроводника в металл во много раз превышает встречный поток электронов из металла.

Нарушение баланса потоков приводит к появлению тока через контакт, направленного из металла в полупроводник, причем сила тока тем больше, чем больше разность потенциалов U, приложенная к контакту.

Благодаря тому что сопротивление объема полупроводника, и тем более металла, во много раз меньше сопротивления запорного слоя, приложенная разность потенциалов практически полностью падает на приконтактной области полупроводника.

Это приводит к уменьшению в приконтактной области разности потенциалов и напряженности поля, выталкивающего электроны из этой области в объем полупроводника.

Изгиб энергетических зон при этом, естественно, уменьшается, так же как уменьшается и протяженность области, обедненной основными носителями.

Говоря иными словами, приложение внешней разности потенциалов в рассматриваемом случае приводит не только к снижению потенциального барьера φ, но и к уменьшению толщины запорного слоя d0 и, следовательно, к уменьшению сопротивления контакта. Оба эти фактора способствуют увеличению силы тока, текущего через контакт.

В этом случае о внешней разности потенциалов говорят, что она приложена в прямом, или пропускном, направлении.

Действие внешней разности потенциалов в обратном направлении. Диаметрально противоположная картина наблюдается в исследуемом контакте, когда действия приложенной к нему внешней разности потенциалов и контактной разности потенциалов происходят в одном направлении. В этом случае говорят, что внешняя разность потенциалов приложена в обратном, или запорном, направлении.

Подведение такой разности потенциалов приводит к тому, что все энергетические уровни полупроводника, в том числе и уровень Ферми, теперь опускаются на величину eU (рис. 59, в) относительно положения, которое они имели в условиях равновесия. Высота потенциального барьера, препятствующего переходу электронов из полупроводника в металл, при этом увеличивается и становится равной

Омические контакты контакт металл полупроводник

а интенсивность потока электронов, идущих из полупроводника в металл, уменьшается.

Поскольку потенциальный барьер на пути электронов, идущих из металла в полупроводник, при этом сохраняет свое значение неизменным, то баланс встречных потоков электронов через плоскость контакта нарушается: поток электронов, идущих из металла, будет больше встречного потока, благодаря чему через контакт начинает протекать ток, направленный от полупроводника к металлу.

Отметим, что нарушение равновесия встречных потоков электронов через контакт «металл — полупроводник» в случаях действия внешнего напряжения в прямом и запорном направлениях происходит по различным схемам. В первом случае равновесие нарушается из-за возрастания потока электронов, идущих из полупроводника в металл.

Ток, возникающий при этом в цепи, обусловлен преобладанием этого потока над встречным потоком электронов, остающимся таким же, как в отсутствие внешнего напряжения. Преобладание это тем больше, чем больше приложенная разность потенциалов.

Поэтому с повышением внешней разности потенциалов в определенных пределах возрастание тока оказывается практически неограниченным.

В случае же, когда внешнее напряжение действует в запорном направлении, равновесие электронных потоков нарушается из-за уменьшения потока электронов, идущих из полупроводника в металл.

Поэтому возникновение тока связано с тем, что поток электронов, идущих из металла в полупроводник, не компенсируется встречным потоком. При этом чем больше запорное напряжение, тем меньше компенсация.

Когда же высота потенциального барьера на пути электронов, идущих из полупроводника в металл, станет настолько большой, что переход электронов в металл практически прекращается, сила тока через контакт достигнет максимального значения.

Дальнейший рост запорного напряжения уже не вызывает увеличения силы тока. Это объясняется тем, что высота потенциального барьера на пути электронов, идущих из металла в полупроводник, не зависит от приложенного запорного напряжения.

Максимальный ток, проходящий через контакт в запорном направлении, называется током насыщения. Плотность тока насыщения обозначается через Is.

Нарастанию запорного тока препятствует еще то, что внешняя разность потенциалов, распределяясь в основном в припограничной области полупроводника, складывается с контактной разностью потенциалов, благодаря чему усиливается электрическое поле, выталкивающее основные носители — электроны — в глубь полупроводника. Это приводит к обеднению электронами более широкой приконтактной области полупроводника и, следовательно, к увеличению толщины запорного слоя и росту его сопротивления.

Вольт-амперная характеристика контакта «металл — полупроводник».

Несимметричность поведения контакта «металл — полупроводник» в отношении зависимости силы тока от внешнего напряжения иллюстрирует вольт-амперная характеристика такого контакта, ход которой приведен на рисунке 60.

Из рисунка видно, что рассматриваемый контакт обладает четко выраженной односторонней проводимостью: он неограниченно пропускает ток в прямом направлении и почти не пропускает в обратном.

Омические контакты контакт металл полупроводникРис. 60

Омический контакт. Односторонней проводимостью обладают далеко не всякие контакты металла с полупроводником, а только те, при создании которых возникает запорный слой. Контакты, характеризующиеся образованием антизапорного слоя, лишены этого свойства.

Контакты, при образовании которых создаются антизапорные слои, нашли в радиотехнике и электронике не менее широкое использование для соединения различных устройств и приборов. Главное требование, предъявляемое к подсоединяющим контактам, заключается в том, чтобы они не искажали форму и характер сигнала.

Для этого необходимо, чтобы их вольт-амперная характеристика была линейной. Как раз этому требованию и удовлетворяют контакты с антизапорным слоем. Для них выполняется закон Ома, и они поэтому получили название омических. Типичная вольт-амперная характеристика омического контакта приведена на рисунке 61.

Омические контакты контакт металл полупроводникРис. 61

Переход металл-полупроводник

В современных полупроводнико­вых приборах кроме электронно-дырочных переходов применяют так­же контакт между металлом и полу­проводником.

Процессы в таких переходах за­висят от работы выхода электронов, т.е. от той энергии, которую должен затратить электрон, чтобы выйти из металла или полупроводника. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов может выйти из данного тела. В различных металлополупроводниковых переходах может возни­кать как выпрямляющий, так и невы­прямляющий переход.

Невыпрямляющий (омический) переход

Если в контакте металла с полупроводником n-типа (рис. 8) работа выхо­да электронов из металла Ам меньше, чем работа выхода из полупроводника Аn, то будет преобладать выход электронов из металла в полупроводник.

В слое полупроводника около границы накапливаются основные носители (электроны), и этот слой становится обогащенным, т.е. в нем увеличивается концентрация электронов. Сопротивление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напряжения.

Такой переход не обладает выпрямляющим свойством. Его называют невыпрямляющим (омическим) контактом.

Омические контакты контакт металл полупроводник

Рис. 8. Омический переход

Подобный же невыпрямляющий переход получается в контакте металла с полупроводником p-типа (рис. 8), если работа выхода электронов из полупро­водника меньше, чем работа выхода из металла (АрАn, (рис. 9,а).

Электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл, и в приграничном слое полупроводника образуется область, обеднен­ная основными носителями и имеющая большое сопротивление.

Кроме того, переход электронов приводит к появлению контактной разности потенциалов.

Если к переходу подключить внешнее напряжение, причем «минус» к по­лупроводнику, а «плюс» к металлу, то внешнее электрическое поле компенси­рует внутреннее.

Потенциальный барьер уменьшается, а ток основных носите­лей (электронов) из n-области увеличивается — переход открыт.

При смене по­лярности («минус» к металлу, «плюс» к полупроводнику) внешнее электрическое поле суммируется с внутренним, потенциальный барьер увеличивается, и переход не пропускает ток — закрыт.

Таким образом, переход между металлом и полупроводником обладает вентильными свойствами. Его называют барьером Шоттки.

Аналогичные процессы имеют место при контакте металла с полупровод­ником p-типа, когда Ам0 кривые сдвигаются влево и вверх в связи с нарастанием собираемого компонента эмиттерного тока.

Читайте также:  Обшивка салона автомобиля металлом

Омические контакты контакт металл полупроводник

Рис. 14. Идеальные статические характеристики транзистора: а — входные; б — выходные

Выходные характеристики — это обратные ветви ВАХ диода, ток насыщения которого зависит от тока базы. Входной ток Iб в принципе может иметь не только положительную, но и небольшую отрицательную величину. Зависимость выходного тока коллектора от Iб обычно описывается следующим образом:

Омические контакты контакт металл полупроводник

Коэффициент при токе Iб называется коэффициентом передачи базового тока. Довольно часто его называют также просто коэффициентом усиления транзистора. Обычно β>>1. Ток — нулевой ток коллектора в схеме, т. е.

ток при оборванной базе. Следует отметить, что режим работы транзистора с оборванной базой очень опасен из-за возможности пробоя, поэтому непосредственно ток не измеряют.

Минимально возможный ток коллектора будет получаться при отрицательном токе базы.

Омический контакт | это… Что такое Омический контакт?

Омический контакт — контакт между металлом и полупроводником или двумя полупроводниками, характеризующийся линейной симметричной вольт-амперной характеристикой (ВАХ).

Если ВАХ является асимметричной и нелинейной, контакт является не омическим а выпрямляющим, например контактом с барьером Шоттки, на основе которого создан диод Шоттки. В модели барьера Шоттки, выпрямление зависит от разницы между работой выхода металла и электронного сродства полупроводника.

Однако на практике, контакты металл-полупроводник точно не следуют модели Шоттки, так как наличие внешних поверхностных состояний на границе раздела фаз (например, оксиды и дефекты) может сделать поведение перехода практически не зависящим от разницы между работой выхода металла и электронного сродства.

В производстве полупроводниковых приборов и устройств (интегральных схем), для создания омического контакта, подконтактый регион дополнительно легируют (например n+ легирование для для пластин кремния n-типа и алюминиевых контактных площадок).

При этом толщина области пространственного заряда барьера становится настолько малой, что через нее возможно туннелирование носителей заряда (полевая эмиссия). Такие сильно легированные области структуры обычно обозначают p+ или n+.

Теория

Уровни Ферми (или, строго говоря, электрохимический потенциал) любых двух твёрдых тел при их контакте в тепловом равновесии должны быть равны. Разница между энергией Ферми и уровнем вакуума, называется работой выхода. Металл и полупроводник могут иметь различные работы выхода, которые обозначаются и соответственно. В таком случае, когда два материала приводятся в контакт, электроны будут перетекать из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода до достижения равновесия уровней Ферми. В результате, материал с более низкой работой выхода приобретёт небольшой положительный заряд, в то время как материал с более высокой работой выхода станет немного отрицательным. Образовавшийся электростатический потенциал называется встроенным потенциалом и обозначается . Этот контактный потенциал образуется между любыми двумя твёрдыми веществами и является основной причиной таких явлений, как выпрямление в диодах. Встроенное поле является причиной изгиба зон в полупроводнике вблизи перехода. В большинстве металлов не происходит изгиба зон, так как у металлов очень короткая длина экранирования, а это означает, что любое электрическое поле распространяется только на небольшое расстояние за пределы границы раздела.

В классической картине физики, для того, чтобы преодолеть барьер, носители в полупроводнике должны получить достаточно энергии для прыжка от уровня Ферми до верхней части изгиба зоны проводимости. Необходимая для преодоления барьера энергия равна сумме встроенного потенциала и смещения между уровнем Ферми и зоной проводимости. Иными словами для полупроводников n-типа, где сродство к электрону полупроводника, определяется как разница между уровнем вакуума и дном зоны проводимости (CB). Для полупроводников р-типа , где ширина запрещённой зоны. Процесс, когда носитель получает энергию для преодоления барьера за счёт тепловой энергии, называется термоэлектронной эмиссией. Не менее важным процессом в реальных контактах является квантово-механическое туннелирование. Квазиклассическим приближением описывается простейший случай туннелирования в котором вероятность проникновения барьер экспоненциально зависит от произведения высоты барьера и его толщины. В случае контактов, толщина задаётся шириной области пространственного заряда (ОПЗ), которое соразмерно глубине проникновения в полупроводник встроенного в поля. Ширина ОПЗ может быть вычислена путём решения уравнения Пуассона и с учётом наличия примесей в полупроводнике:


abla ^2 V = frac{
ho}{epsilon}

Постоянная интегрирования по аналогии с определением шириной ОПЗ, может быть определена как длина, на которой граница раздела полностью экранирована. затем

где то, что было использовано для определения оставшейся постоянной интегрирования. Это уравнение описывает пунктирные синие кривые в правой части рисунка. Ширину ОПЗ можно определить, установив , что приводит к

Для 0

Original text

Омический контакт является не — ректификационным электрическим переходом : а соединение между двумя проводниками , который имеет линейный ток-напряжение (IV) как кривой с законом Ома .

Омические контакты с низким сопротивлением используются для обеспечения беспрепятственного протекания заряда в обоих направлениях между двумя проводниками без блокировки из-за выпрямления или избыточного рассеивания мощности из-за пороговых значений напряжения.

Напротив, переход или контакт, который не демонстрирует линейной ВАХ, называется неомическим. Неомические контакты бывают разных форм, таких как p – n-переход , барьер Шоттки , выпрямительный гетеропереход или пробойный переход.

Обычно термин «омический контакт» неявно относится к омическому контакту металла с полупроводником, где достижение омического контактного сопротивления возможно, но требует осторожной техники.

Омические контакты металл-металл относительно проще создать, поскольку они обеспечивают прямой контакт между металлами без промежуточных слоев изоляционных загрязнений, чрезмерной шероховатости или окисления ; Для создания омических переходов металл-металл используются различные методы ( пайка , сварка , опрессовка , напыление , гальваника и т. д.). Данная статья посвящена омическим контактам металл – полупроводник.

Стабильные контакты на границах раздела полупроводников с низким контактным сопротивлением и линейными характеристиками ВАХ имеют решающее значение для рабочих характеристик и надежности полупроводниковых устройств , и их подготовка и определение характеристик являются основными усилиями при изготовлении схем.

Плохо подготовленные переходы к полупроводникам могут легко показать выпрямляющее действие, вызывая истощение полупроводника около перехода, делая устройство бесполезным, блокируя поток заряда между этими устройствами и внешней схемой.

Омические контакты к полупроводникам обычно создаются путем осаждения тонких металлических пленок тщательно подобранного состава, возможно, с последующим отжигом для изменения связи полупроводник-металл.

Физика образования омических контактов металл – полупроводник

Как омические контакты, так и барьеры Шоттки зависят от высоты барьера Шоттки, который устанавливает порог избыточной энергии, необходимой электрону для перехода от полупроводника к металлу.

Чтобы переход мог легко пропускать электроны в обоих направлениях (омический контакт), высота барьера должна быть небольшой по крайней мере на некоторых участках поверхности перехода.

Чтобы образовался отличный омический контакт (низкое сопротивление), высота барьера должна быть везде небольшой и, кроме того, граница раздела не должна отражать электроны.

Высота барьера Шоттки между металлом и полупроводником наивно предсказывается правилом Шоттки-Мотта пропорциональна разности металл-вакуум функции работы и полупроводник-вакуумного электронного сродства . На практике большинство интерфейсов металл-полупроводник не следуют этому правилу в предсказуемой степени.

Вместо этого химическое прекращение контакта полупроводникового кристалла с металлом создает электронные состояния в его запрещенной зоне . Природа этих индуцированных металлом запрещенных состояний и их заполнение электронами имеет тенденцию закреплять центр запрещенной зоны на уровне Ферми — эффект, известный как закрепление уровня Ферми..

Таким образом, высота барьеров Шоттки в контактах металл-полупроводник часто слабо зависит от значения работы выхода полупроводника или металла, что резко контрастирует с правилом Шоттки-Мотта.

[1] В различных полупроводниках наблюдается пиннинг уровня Ферми в разной степени, но технологическим последствием является то, что омические контакты высокого качества (с низким сопротивлением) обычно трудно сформировать в таких важных полупроводниках, как кремний и арсенид галлия .

Правило Шоттки-Мотта не совсем неверно, поскольку на практике металлы с высокой работой выхода образуют лучшие контакты с полупроводниками p-типа, в то время как металлы с низкой работой выхода образуют лучшие контакты с полупроводниками n-типа.

К сожалению, эксперименты показали, что предсказательная сила модели не выходит далеко за рамки этого утверждения. В реальных условиях контактные металлы могут реагировать с поверхностями полупроводников с образованием соединения с новыми электронными свойствами.

Слой загрязнения на границе раздела может эффективно расширять барьер. Поверхность полупроводника может восстанавливаться, что приводит к новому электронному состоянию.

Читайте также:  Перспективы развития международного рынка драгоценных металлов

Зависимость контактного сопротивления от деталей межфазной химии — вот что делает воспроизводимое изготовление омических контактов такой производственной проблемой.

Подготовка и определение характеристик омических контактов

Изготовление омических контактов — это хорошо изученная часть материаловедения, которая, тем не менее, остается своего рода искусством. Воспроизводимое и надежное изготовление контактов зависит от исключительной чистоты поверхности полупроводника.

Так как естественный оксид быстро образуется , например, на поверхности кремния , эффективность контакта может сильно зависеть от деталей приготовления. Часто область контакта сильно легирована, чтобы обеспечить нужный тип контакта.

Как правило, омические контакты на полупроводниках образуются легче, когда полупроводник сильно легирован вблизи перехода; высокое легирование сужает область обедненияна границе раздела и позволяют электронам легко течь в обоих направлениях при любом смещении, туннелируя через барьер.

Основными этапами изготовления контактов являются очистка поверхности полупроводников, нанесение контактного металла, формирование рисунка и отжиг. Очистка поверхности может выполняться травлением распылением, химическим травлением, травлением реактивным газом или ионным измельчением.

Например, природный оксид кремния может быть удален погружением в фтористоводородную кислоту , тогда как GaAs более типично очищается погружением бром-метанол. После очистки металлы осаждаются путем напыления , испарения или химического осаждения из паровой фазы.(CVD).

Распыление — более быстрый и удобный метод осаждения металла, чем испарение, но ионная бомбардировка из плазмы может вызвать поверхностные состояния или даже изменить тип носителя заряда на поверхности.

По этой причине все более предпочтительны более мягкие, но все же быстрые сердечно-сосудистые заболевания. Создание рисунка контактов выполняется стандартными методами фотолитографии, такими как отрыв , когда контактный металл осаждается через отверстия в слое фоторезиста, который позже растворяется.

Отжиг контактов после осаждения полезен для снятия напряжения, а также для индукции любых желаемых реакций между металлом и полупроводником.

Поскольку осажденные металлы сами могут окисляться в условиях окружающей среды в ущерб электрическим свойствам контактов, обычно образуются омические контакты со слоистыми структурами.

Нижний слой, контактирующий с полупроводником, выбран из-за его способности вызывать омическое поведение. Верхний слой выбран из-за его низкой реакционной способности. По желанию может использоваться трехслойная структура.

В этом случае средний слой служит диффузионным барьером, предотвращающим смешение металлов во время любого процесса отжига.

Измерение контактного сопротивления проще всего выполнить с помощью четырехточечного щупа, хотя для более точного определения типичным является использование метода линии передачи .

Технологически важные виды контактов

Современные омические контакты к кремнию, такие как дисилицид титана и вольфрама, обычно представляют собой силициды, полученные методом химического осаждения из паровой фазы.

Контакты часто создаются путем осаждения переходного металла и образования силицида путем отжига, в результате чего силицид может быть нестехиометрическим . Силицидные контакты также могут быть нанесены прямым распылением соединения или ионной имплантацией переходного металла с последующим отжигом.

Алюминий — еще один важный контактный металл для кремния, который можно использовать с полупроводниками n-типа или p-типа. Как и другие химически активные металлы, Al способствует образованию контактов, потребляя кислород.в родном оксиде.

Силициды в значительной степени заменили Al отчасти потому, что более тугоплавкие материалы менее склонны к диффузии в непредусмотренные области, особенно во время последующей высокотемпературной обработки.

Создание контактов с составными полупроводниками значительно труднее, чем с кремнием. Например, поверхности GaAs имеют тенденцию терять мышьяк, и тенденция к потере мышьяка может быть значительно усилена осаждением металла. Кроме того, летучесть As ограничивает количество отжигов после осаждения, которые допускают устройства на основе GaAs.

Одним из решений для GaAs и других полупроводниковых соединений является нанесение контактного слоя сплава с малой шириной запрещенной зоны, а не сильнолегированного слоя. Например, сам GaAs имеет меньшую ширину запрещенной зоны, чем AlGaAs, и поэтому слой GaAs вблизи его поверхности может способствовать омическому поведению.

В целом технология омических контактов для III-V и II-VI полупроводники гораздо менее развиты, чем для Si.

Материал

Контактные материалы

Si Al , Al-Si, TiSi 2 , TiN , W , MoSi 2 , PtSi, CoSi 2 , WSi 2
Ge In , AuGa, AuSb
GaAs AuGe , PdGe, PdSi, Ti / Pt / Au
GaN Ti / Al / Ni / Au, Pd / Au
InSb В
ZnO InSnO 2 , Al
CuIn 1 − x Ga x Se 2 Mo , InSnO 2
HgCdTe В
C (ромб) Ti / Au , Mo / Au

Прозрачные или полупрозрачные контакты необходимы для ЖК-дисплеев с активной матрицей , оптоэлектронных устройств, таких как лазерные диоды и фотоэлектрические устройства . Наиболее популярным выбором является оксид индия и олова , металл, который образуется в результате реактивного распыления мишени In-Sn в атмосфере оксида.

Значение

Постоянная времени RC, связанная с контактным сопротивлением, может ограничивать частотную характеристику устройств. Зарядка и разрядка сопротивления выводов является основной причиной рассеивания мощности в цифровой электронике с высокой тактовой частотой .

Контактное сопротивление вызывает рассеяние мощности за счет джоулева нагрева в низкочастотных и аналоговых схемах (например, солнечных элементах ), изготовленных из менее распространенных полупроводников. Разработка методологии изготовления контактов является важной частью технологического развития любого нового полупроводника.

Электромиграция и расслоение у контактов также есть ограничение на срок службы электронных устройств.

использованная литература

  1. ^ «Корреляции высоты барьера и систематика» .

Смотрите также

Омические контакты

Page 2

Свойства контакта металла с полупроводником зависят от работы выхода электронов из металла ((W_{0м})) и из полупроводника ((W_{0n}), (W_{0p})). Электроны переходят из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода.

При контакте металла с электронным полупроводником при выполнении условия (W_{0n} < W_{0м}) электроны переходят из полупроводника в металл. Если осуществлен контакт металла с дырочным полупроводником и выполняется условие (W_{0м} < W_{0p}) , будет происходить переход электронов в полупроводник.

И в том, и в другом случае произойдет обеднение свободными носителями заряда приконтактной области полупроводника и в зоне контакта возникнет, как и в случае обычного p-n-перехода, слой объемных зарядов (запирающий слой) и контактная разность потенциалов.

Такой потенциальный барьер на границе контакта металла с полупроводником принято называть барьером Шоттки — по имени знаменитого физика Вальтера Германа Шоттки, который впервые теоретически описал этот эффект в 1938 году.

Обедненный слой обладает повышенным сопротивлением, которое может изменяться под воздействием внешнего напряжения.

Следовательно, такой контакт имеет нелинейную характеристику и является выпрямляющим (его также принято называть переходом Шоттки).

Перенос зарядов в этих контактах осуществляется основными носителями, и в них отсутствуют явления инжекции, накопления и рассасывания зарядов.

Таким образом, выпрямляющие контакты металл–полупроводник малоинерционны. Они служат основой создания диодов с барьером Шоттки, обладающих высоким быстродействием и малым временем переключения, а также полевых транзисторов Шоттки, находящих широкое применение в диапазоне СВЧ.

Дополнительной важной особенностью перехода металл-полупроводник является меньшее прямое падение напряжения (примерно на 0,2 В) по сравнению с обычным p-n-переходом. Это востребовано в силовой электронике, где широкое распространение получили также выпрямительные диоды с барьером Шоттки.

В оптоэлектронике получили широкое распространение СВЧ-фотодиоды с барьерами Шоттки, которые отличаются высокой чувствительностью и широким динамическим диапазоном.

Учитывая их низкую инерционность, переходы Шоттки часто используют в составе сложных полупроводниковых структур разных электронных приборов (биполярных и полевых транзисторов, тиристоров и т.д.) для улучшения их импульсных и частотных характеристик.

Например, в цифровой интегральной схемотехнике очень популярны так называемые транзисторы Шоттки, в которых переход Шоттки формируется между базой и коллектором на интегральном уровне, путем раширения контакта базы на коллекторную область.

Такие транзисторы являются основой для микросхем логики ТТЛШ (S-TTL, LS-TTL, ALS-TTL, F-TTL).

Если при контакте металла с полупроводником выполняется условие (W_{0м} < W_{0n}) или (W_{0м} > W_{0p}) , то приконтактный слой полупроводника обогащается основными носителями заряда и его сопротивление становится низким при любой полярности внешнего напряжения. Такой контакт имеет практически линейную характеристику и является невыпрямляющим.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector