WikiSort.ru - Не сортированное

Омический контакт — контакт 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⁺.

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 ${\displaystyle \phi _{M}}$ и ${\displaystyle \phi _{S}}$ 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 ${\displaystyle V_{\text{bi}}}$ . 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 ${\displaystyle \phi _{B}}$ равна сумме встроенного потенциала и смещения между уровнем Ферми и зоной проводимости. Иными словами, для полупроводников n-типа, эта энергия

${\displaystyle \phi _{B}=\phi _{M}-\chi _{S},}$

где ${\displaystyle \chi _{S}}$ — сродство к электрону полупроводника, определяется как разница между уровнем вакуума и дном зоны проводимости (CB). Для полупроводников р-типа сходным образом

${\displaystyle \phi _{B}=E_{g}-(\phi _{M}-\chi _{S}),}$

где ${\displaystyle E_{g}}$ 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:

${\displaystyle \nabla ^{2}V={\frac {\rho }{\epsilon }},}$

где в единицах МКС ${\displaystyle \rho }$ это плотность заряда и ${\displaystyle \epsilon }$ 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

${\displaystyle {\frac {dV}{dx}}={\frac {\rho x}{\epsilon }}+C_{0}}$

Постоянная интегрирования ${\displaystyle C_{0}=-{\frac {\rho W}{\epsilon }}}$ по аналогии с определением шириной ОПЗ, может быть определена как длина, на которой граница раздела полностью экранирована. затем

${\displaystyle V(x)={\frac {\rho }{2\epsilon }}x^{2}-{\frac {\rho W}{\epsilon }}x+V_{bi}}$

где то, что ${\displaystyle V(0)=V_{bi}}$ было использовано для определения оставшейся постоянной интегрирования. Это уравнение ${\displaystyle V(x)}$ описывает пунктирные синие кривые в правой части рисунка. Ширину ОПЗ можно определить, установив ${\displaystyle V(W)=0}$ , что приводит к

${\displaystyle W={\sqrt {\frac {2\epsilon V_{bi}}{\rho }}}}$

Для ${\displaystyle 0<x<W}$ , ${\displaystyle \rho =eN_{dopant}}$ — концентрация заряда ионизованных доноров и акцепторов в полностью истощённом полупроводнике. ${\displaystyle \rho }$ и ${\displaystyle V_{bi}}$ имеют положительные знаки для полупроводников n-типа и отрицательные знаки для р-типа, что даёт положительный изгиб ${\displaystyle V''(x)}$ 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 ${\displaystyle \phi _{bn}}$ и ${\displaystyle \phi _{bp}}$ примерно ${\displaystyle E_{g}}$ ). 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

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

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.

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

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

Ссылки

• 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.