Омический контакт

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Омический контактконтакт между металлом и полупроводником или двумя полупроводниками, характеризующийся линейной симметричной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Если ВАХ асимметрична и нелинейна, то контакт является выпрямляющим (например, является 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 интегральных схем для создания омического контакта, подконтактную область дополнительно легируют (например, n+ легирование для пластин кремния n-типа и для алюминиевых контактных площадок). При этом толщина области пространственного заряда барьера становится настолько малой, что через неё возможно туннелирование носителей заряда (полевая эмиссия). Такие сильно легированные области структуры обычно обозначают p+ или n+.

При контакте металла и полупроводника p-типа высота барьера Шоттки может формироваться, как показано на зонной диаграмме.

Теория[править | править вики-текст]

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. 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 отрицательно заряженным. Образовавшийся электростатический потенциал называется встроенным потенциалом и обозначается . Этот контактный потенциал образуется между любыми двумя твёрдыми веществами и является основной причиной выпрямления в диодах. Встроенное поле является причиной изгиба зон в полупроводнике вблизи перехода. В большинстве металлов не происходит столько-нибудь заметного изгиба зон из-за малой длины экранирования такой, что электрическое поле распространяется только на небольшое расстояние за пределы границы раздела.

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

где сродство к электрону полупроводника, определяется как разница между уровнем вакуума и дном зоны проводимости (CB). Для полупроводников р-типа сходным образом

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, при котором вероятность проникновения через барьер обратно пропорциональна экспоненте произведения высоты барьера и его толщины[1]. 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:

где в единицах МКС это плотность заряда и диэлектрическая проницаемость. Геометрия одномерна, 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 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 , — концентрация заряда ионизованных доноров и акцепторов в полностью истощённом полупроводнике. 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.

Из чего, казалось бы следует вывод, что высота барьера (зависящая от сродства к электрону и встроенного 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 закрепляется примерно при той же энергии в запрещённой зоне и для n и р-типа Si (то есть сумма и примерно ). Предположительно на уровень Ферми воздействуют состояние границы раздела и структурные факторы из-за очень высокой плотности поверхностных состояний. Отметим, что для омических контактов, не нужно беспокоиться о незначительном изменении характеристик омического контакта, потому что в большинстве случаев на контакте происходит очень небольшое падение потенциала.

В общем случае металл для контакта выбирается с учетом свойств проводимости, неактивности, термической стабильности, электрической стабильности и низкого уровня термических напряжений, а затем будет увеличивать плотность легирования под контактом, чтобы сузить ширину области барьера. К полупроводникам с более низкими эффективными массами легче создать омический контакт, так как коэффициент туннелирования экспоненциально зависит от массы частицы. Кроме того, полупроводники с шириной запрещённой зоны меньше легче образуют омические контакты, потому что их сродство к электрону (и, следовательно, высота 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 контакты с полупроводниками р-типа, в то время как металлы с низкими работами выхода лучше образуют контакты к полупроводникам n-типа. К сожалению, эксперименты показали, что предсказательная сила модели не распространяется далеко за пределы этого заявления. В реальных условиях, металл контакта может реагировать с поверхностью полупроводников с образованием соединений с новыми 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[править | править вики-текст]

Примеры омических контактов для измерения контактного сопротивления методом длинной линии (TLM). Металл - светлые части рисунка, тёмные - полупроводник.

Несмотря на то, что процесс изготовления омических контактов является одним из базовых и хорошо изученных (по крайней мере на кремнии), в нем, тем не менее остаётся что-то от искусства. Воспроизводимость, надёжность изготовленных контактов опирается на крайнюю чистоту поверхности полупроводника. С родным оксидом SiO2, быстро образующимся на поверхности кремния, свойства производимых контактов могут быть очень чувствительны от деталей процесса формирования.

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, родной оксид кремния может быть удалён с помощью травления в HF, в то время как GaAs чаще очищают бромин-метанольным травлением. После очистки металлы осаждаются путём напыления, испарения или химического осаждения из паровой фазы (CVD). Распыление является более быстрым и удобным методом осаждения металла, чем испарение, однако ионная бомбардировка из плазмы может вызвать поверхностные состояния или даже инвертировать тип носителей заряда на поверхности. В связи с этим мягкий, но все ещё сравнительно быстрый CVD наиболее предпочтителен. Структурирование контактов осуществляется по стандартному фотолитографическому процессу, в частности по методу срывной фотолитографии, где металл наносится через отверстия в слое фоторезиста, который затем растворяется. После осаждения в большинстве случаев производят отжига контактов для снятия внутренних механических напряжений, а также для стимулирования запланированной твердофазной реакции между металлом и полупроводником.

Измерение сопротивления контактов чаще всего осуществляется на специальных тестовых структурах по одной из модификаций метода длинной линии (TLM)[5], четырёхточечным методом[6] либо методом Кельвина, выбор которых зависит от соотношения контактного сопротивления и удельного сопротивления плёнки полупроводника и от деталей фотолитографического процесса.

Технологически важные виды контактов[править | править вики-текст]

Современные омические контакты к кремнию, такие как титан-вольфрамовый дисилицид, либо другие, как правило, силициды создаются методом химического осаждения из газовой фазы (CVD). Контакты часто делаются путём осаждения переходного металла и формирования силицидов путём отжига, в результате чего силицид может быть нестехиометрическим. Силицидные контакты также могут быть сформированы методом прямого распыления соединения или методом ионной имплантации переходного металла с последующим отжигом. Алюминий является ещё одним важным металлом для кремниевой технологии, который можно использовать с любым (n- и p-) типом полупроводника. Как и у других активных металлов, Al способствует формированию контакта, связывая кислород в оксид и тем самым «раскисляя» границу раздела, что способствует хорошей адгезии. Силициды, в значительной степени заменили Al отчасти потому, что более огнеупорные материалы в меньшей степени подвержены непреднамеренной диффузии (что приводит к деградации структуры), особенно в течение последующей высокотемпературной обработки.

Формирование контактов к полупроводниковым соединениям значительно сложнее, чем к кремнию. Например, поверхности GaAs имеют тенденцию к потере мышьяка, что может значительно усугубляется осаждением металла. Кроме того, неустойчивость As ограничивает параметры пост-отжига, от чего страдают 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 способствовать созданию омического контакта. В целом технология омических контактов на III-V и II-VI полупроводниках гораздо менее развита, чем на кремнии.

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

Прозрачный или полупрозрачный контакты необходимые для активной матрицы ЖК-дисплеев, оптоэлектронных устройств, таких как лазерные диоды и солнечные батареи. Самый популярный выбор - оксид индия и олова (ITO, indium tin oxide), образующегося реактивным распылением In-Sn мишени в кислородной атмосфере.

Практическое значение[править | править вики-текст]

Постоянная времени RC-цепи, которую образует контактное сопротивление и паразитная ёмкость, может ограничить частотные характеристики устройств. В процессе зарядки-разрядки паразитной ёмкости проводников и p-n переходов контактное сопротивление является одной из основных причин рассеяния мощности в цифровой электронике высокой тактовой частоты. Контактное сопротивление вызывает рассеяние мощности через выделение джоулева тепла в низкочастотных и аналоговых схемах (например, солнечных батареях) из менее распространенных полупроводников. Создание методики изготовления контактов является важной частью технологической разработки новых полупроводников. Электромиграция и расслоение в контактах также являются факторами, ограничивающими срок службы электронных устройств.

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. Теоретическая физика. Том 3. Квантовая механика (нерелятивистская теория). — 4-е изд., испр. М.: Наука. 1989. - стр. 223
  2. Родерик Э. X. Контакты металл — полупроводник.М.: Радио и связь. 1982. 208 с
  3. Бонч-Бруевич В.Л.,Калашников С.Г.-Физика полупроводников(1977), 672 с
  4. Т. В. Бланк, Ю. А. Гольдберг Механизмы протекания тока в омических контактах металл-полупроводник Физика и техника полупроводников 41, 1281, (2007) [1]
  5. Андреев А.Н., Растегаева М.Г., Растегаев В.П., Решанов С.А. К вопросу об учете растекания тока в полупроводнике при определении переходного сопротивления омических контактов ФТП, 1998, т32, #7 [2]
  6. 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

Ссылки[править | править вики-текст]

  • Sze S.M. Physics of Semiconductor Devices. — John Wiley & Sons, 1981. — ISBN 0-471-05661-8.
  • Zangwill Andrew. Physics at Surfaces. — Cambridge University Press, 1988. — ISBN 0-521-34752-1.