Омический контакт
Оми́ческий конта́кт —
Однако на практике, в большинстве случаев, контакты металл — полупроводник не следуют точно модели Шоттки, так как наличие внешних
Теория
В рамках классического представления для того, чтобы преодолеть потенциальный 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 эта энергия будет:
- где — сродство к электронуполупроводника, определяемое как разница между уровнем вакуума и дном зоны проводимости (CB).
Для полупроводников р-типа энергия определяется сходным образом:
- где ширина запрещённой зоны.
Процесс в котором носитель заряда получает энергию для преодоления энергетического 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, при котором вероятность проникновения через барьер обратно пропорциональна экспоненте произведения высоты барьера и его толщины[1]. В случае контактов толщина задаётся шириной области объёмного пространственного заряда (ОПЗ), которая соразмерна глубине проникновения в полупроводник присоединённого поля. Ширина ОПЗ может быть вычислена путём решения уравнения Пуассона и с учётом наличия примесей в полупроводнике:
- где (в единицах МКС) — это плотность заряда,
- — диэлектрическая проницаемость.
Рассматривается одномерный случай, так как граница раздела считается плоской. Интегрируя уравнение один раз, и, считая приближённо, что на глубине больше ширины ОПЗ плотность заряда постоянна, получаем:
Постоянная интегрирования по аналогии с определением ширины 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 концентрация заряда ионизованных доноров и акцепторов в полностью истощённом полупроводнике . При этом и имеют положительные знаки для полупроводников n-типа и отрицательные знаки для р-типа, что даёт положительный изгиб для n- и отрицательной изгиб для р-типа, как показано на рисунках.
Отсюда, казалось бы, следует вывод, что высота барьера (зависящая от сродства к электрону и приповерхностного поля) и толщина барьера (зависящая от встроенного поля, диэлектрической проницаемости полупроводника и концентрации легирующей примеси) могут быть изменены только путём замены металла или изменения концентрации легирующей примеси. Однако замечено, что уровень Ферми устанавливается примерно при той же энергии внутри запрещённой зоне и для n- и р-типов Si (то есть сумма и примерно ). Предположительно на положение уровня Ферми влияет состояние границы раздела и структурные факторы из-за очень высокой плотности поверхностных состояний. Отметим, что для омических контактов обычно не нужно беспокоиться о незначительном изменении характеристик омического контакта со временем, потому что в большинстве случаев на контакте падает очень небольшое напряжение.
В общем случае металл для контакта выбирается с учётом свойств проводимости, химической инертности, термической стабильности, электрической стабильности и низкого уровня термических напряжений, а затем увеличивают плотность легирования под контактом, чтобы сузить ширину области барьера. К полупроводникам с более низкими эффективными массами носителей заряда легче создать омический контакт, так как коэффициент туннелирования экспоненциально зависит от массы носителя заряда. Кроме того, полупроводники с меньшей шириной запрещённой зоны легче образуют омические контакты, потому что их сродство к электрону (и, следовательно, высота потенциального барьера), как правило, ниже.
Несмотря на то, что простая теория, изложенная выше, предсказывает, что металлы, чья работа выхода близка к сродству к электрону полупроводника, должны наиболее легко образовывать омические контакты, на самом деле металлы с высокой работой выхода лучше образуют невыпрямляющие контакты с полупроводниками р-типа, в то время как металлы с низкими работами выхода лучше образуют невыпрямляющие контакты с полупроводниками n-типа. К сожалению, эксперименты показали, что предсказательная сила упрощённой модели не распространяется далеко за пределы этого явления. В реальных условиях металл контакта может реагировать с поверхностью полупроводников с образованием соединений с иными электронными свойствами. Слой загрязнений на границе раздела может эффективно расширить барьер. Поверхность полупроводника может реконструироваться, что приводит к новым электронным свойствам. Сопротивление контакта зависит от особенностей межфазных реакций, что делает воспроизводимое изготовление омических контактов существенной технологической проблемой[2][3][4].
Изготовление и контроль параметров омических контактов
Несмотря на то, что процесс изготовления омических контактов является одним из базовых и хорошо изученных (по крайней мере на кремнии), в нём, тем не менее остаётся что-то от искусства. Воспроизводимость, надёжность изготовленных контактов опирается на крайнюю чистоту поверхности полупроводника. С естественным оксидом кремния SiO2, быстро образующимся на поверхности кремния, свойства полученных контактов могут быть очень чувствительны к деталям процесса формирования контактов.
Основными шагами в изготовлении контакта являются очистка поверхности полупроводника, осаждение контактной металлизации, структурирование и отжиг. Очистка поверхности может быть выполнена травлением-распылением, химическим травлением, реактивным газовым травлением или ионным травлением. Например, естественный оксид кремния может быть удалён с помощью травления в плавиковой кислоте (HF), в то время как поверхность арсенида галлия (GaAs) чаще очищают бром-метанольным травлением. После очистки поверхности металлы осаждаются путём напыления, испарения или химического осаждения из паровой фазы (
Измерение сопротивления контактов чаще всего осуществляется на специальных
Технологически важные виды контактов
Современные омические контакты к кремнию, такие как дисилицид титана-вольфрама, либо другие соединения, как правило,
Полупроводник | Контактообразующий материал |
---|---|
Si | Al, Al-Si, TiSi2, TiN, W, MoSi2, PtSi, CoSi2, WSi2 |
Ge | In, AuGa, AuSb |
GaAs | AuGe[7], PdGe, PdSi, Ti/Pt/Au |
GaN | Ti/Al/Ti/Au[8], Pd/Au[9] |
SiC | Ni |
InSb
|
In |
ZnO
|
InSnO2, Al
|
CuIn1−xGaxSe2
|
InSnO2
|
HgCdTe | In |
Формирование контактов к полупроводниковым соединениям значительно сложнее, чем к кремнию. Например, поверхности GaAs имеют тенденцию к потере мышьяка (As), что может значительно усиливаться при осаждении металла. Кроме того, неустойчивость As ограничивает параметры последующего отжига, от чего деградируют GaAs приборы. Одно из решений для GaAs и других полупроводниковых соединений — нанесение в качестве контактного слоя сплава с узкой шириной запрещённой зоны, в отличие от сильнолегированного слоя на кремнии. Например, GaAs сам по себе имеет меньшую, чем у AlGaAs ширину запрещённой зоны, таким образом слой GaAs на его поверхности может облегчить создание омического контакта. В целом технология омических контактов на III—V и II—VI полупроводниках гораздо менее развита, чем на кремнии.
Прозрачные или полупрозрачные омические контакты необходимы для производства активной матрицы ЖК-дисплеев, оптоэлектронных устройств, таких как лазерные диоды и солнечные батареи. Самый обычный материал таких контактов —
Практическое значение
Примечания
- ↑ Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Том 3. Квантовая механика (нерелятивистская теория). — 4-е изд., испр. — М.: Наука. 1989. — С. 223.
- ↑ Родерик Э. X. Контакты металл — полупроводник. — М.: Радио и связь, 1982. — 208 с.
- ↑ Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников (недоступная ссылка). — 1977. — 672 с.
- ↑ Бланк Т. В., Гольдберг Ю. А.. Механизмы протекания тока в омических контактах металл — полупроводник // Физика и техника полупроводников, т. 41, с. 1281, (2007). Архивная копия от 6 октября 2014 на Wayback Machine.
- ↑ Андреев А. Н., Растегаева М. Г., Растегаев В. П., Решанов С. А. К вопросу об учёте растекания тока в полупроводнике при определении переходного сопротивления омических контактов ФТП, 1998, т32, #7 [1]
- ↑ Физические методы диагностики в микро- и наноэлектронике / под ред. А. Е. Беляева, Р. В. Конаковой. Харьков: ИСМА. 2011. — 284 с. (5,7 Mb) ISBN 978-966-02-5859-4 (недоступная ссылка)
- ↑ [2] Архивная копия от 24 сентября 2015 на Wayback Machine.
- ↑ [3] (недоступная ссылка).
- ↑ [4] (недоступная ссылка).
Ссылки
- Sze, S.M. Physics of Semiconductor Devices (неопр.). — John Wiley & Sons, 1981. — ISBN 0-471-05661-8.
- Zangwill, Andrew. Physics at Surfaces (неопр.). — Cambridge University Press, 1988. — ISBN 0-521-34752-1.