Контакт металл диэлектрик металл

Обновлено: 18.05.2024

Ранее мы изучали свойства контактов металл-металл, металл-полупроводник, полупроводник-полупроводник (пп. 7.2 – 7.4). Теперь рассмотрим свойства контакта металл-диэлектрик, причем, подход к анализу процессов в контакте останется прежним. Диэлектрик– это материал, концентрация носителей в котором крайне низка, и во многих материалах составляет менее 1 см -3 , вследствие чего он фактически не обладает проводимостью.

Прохождение тока через тонкопленочные материла, которые мы будем рассматривать, не определяется собственными параметрами диэлектриков. Зачастую эти токи определяются другими причинами, такими как процессы в контакте металл-диэлектрик. В зависимости от характера зонных структур, контакт металл-диэлектрик относится к одному из трех типов: омический, нейтральный или блокирующий контакт. На рис. 9.2 показаны исходные зонные диаграммы металла и диэлектрика, а также зонные диаграммы контактов этих материалов.

Е_СД

Е_ФД

Рис. 9.2. Зонные диаграммы металла (М), диэлектрика (Д) и контактов (М-Д): а – омический;б– нейтральный;в– блокирующий контакт

Омический контакт. Для формирования такого контакта необходимо условиеχ_мχ_д(рис. 9.2). Здесь, в отличие от контакта металл-полупроводник, термин “омический контакт” говорит о том, что электрод может легко поставлять электроны в диэлектрик. В условиях термодинамического равновесия электроны инжектируются в диэлектрик, создавая в его зоне проводимости область пространственного заряда (ОПЗ). ОПЗ в этом случае называется областью обогащения. При слабом обогащении толщина ОПЗ равняется дебаевской длине экранированияL_Д

. (9.3)

При сильном обогащении, когда концентрация носителей заряда у контакта n_кзначительно превышает равновесную, в (9.3) следует заменитьn₀наn_к. Сама концентрацияn_к зависит от величиныχ_м-А_д, гдеА– энергия электронного сродстваА_д=Е₀-Е_СД.

В табл. 9.2 приводятся расчетные значения dдля различных величинχ_м-А_д. Видно, что при комнатной температурехороший омический контактполучается тогда, когда величинаχ_м-А_дне превышает 0,3.

Глубина обогащенного слоя [20]

Общий заряд ОПЗ диэлектрика может быть определен из выражения

, (9.4)

где N_С– эффективная плотность состояний в зоне проводимости полупроводника.

Нейтральный контакт (рис. 9.2,б). Если в области контакта ОПЗ отсутствует, контакт такого типа называют нейтральным. В этом случае зоны проводимости являются плоскими.

При включении разности потенциалов катод способен снабжать диэлектрик электронами в количестве, достаточном для компенсации уходящих оттуда электронов. Ток, который может поступать из катода (металла) ограничен величиной тока насыщения электронной эмиссии(Ричардсона) через барьер. Как только этот предел достигается, процесс проводимости перестает быть омическим. Напряженность поля в диэлектрике, которая приводит к насыщению тока, можно получить, приравняв ток сквозь диэлектрик к току насыщения термоэлектронной эмиссии.

, (9.5)

где  – тепловая скорость носителей.

Выражение (9.5) является характерным для нейтрального контакта.

Блокирующий контакт (рис. 9.2, в). При χ_м>χ_д в диэлектрике образуется обедненная ОПЗ. Поскольку концентрация носителей в диэлектрике крайне мала, заряд формируется только в случае достаточной толщины диэлектрика и степень искривления зон в ОПЗ незначительна. Толщина обедненного слоя может быть определена по известной формуле

. (9.6)

Если диэлектрик легирован донорной примесью концентрации N_д, то блокирующий контакт ведет себя аналогично барьеру Шоттки (п. 7.2).

Решая уравнение Пуассона, можно определить толщину обедненной области

. (9.7)

В табл. 9.3 приведен ряд значений d, рассчитанных приχ_м-χ_д=3 эВ,ε=5. Очевидно, что для создания достаточно тонкой зоны обеднения плотность доноров должна быть более 10 22 м -3 .

Контакт металл-диэлектрик. M-Д-M – структура

Ранее мы изучали свойства контактов металл-металл, металл-полупроводник, полупроводник-полупроводник (пп. 7.2 – 7.4). Теперь рассмотрим свойства контакта металл-диэлектрик, причем, подход к анализу процессов в контакте останется прежним. Диэлектрик – это материал, концентрация носителей в котором крайне низка, и во многих материалах составляет менее 1 см -3 , вследствие чего он фактически не обладает проводимостью.

Рис. 9.2. Зонные диаграммы металла (М), диэлектрика (Д) и контактов (М-Д):
а – омический; б – нейтральный; в – блокирующий контакт

Омический контакт. Для формирования такого контакта необходимо условие χ_мχ_д (рис. 9.2). Здесь, в отличие от контакта металл-полупроводник, термин “омический контакт” говорит о том, что электрод может легко поставлять электроны в диэлектрик. В условиях термодинамического равновесия электроны инжектируются в диэлектрик, создавая в его зоне проводимости область пространственного заряда (ОПЗ). ОПЗ в этом случае называется областью обогащения. При слабом обогащении толщина ОПЗ равняется дебаевской длине экранирования L_Д

При сильном обогащении, когда концентрация носителей заряда у контакта n_к значительно превышает равновесную, в (9.3) следует заменить n₀ на n_к. Сама концентрация n_к зависит от величины χ_м-А_д, где А – энергия электронного сродства А_д = Е₀-Е_СД.

В табл. 9.2 приводятся расчетные значения d для различных величин χ_м-А_д. Видно, что при комнатной температуре хороший омический контакт получается тогда, когда величина χ_м-А_д не превышает 0,3.

Глубина обогащенного слоя [20]

χ_м-А_д	0,1	0,2	0,3	0,4
d, мкм	1,6∙10 -3	0,12	0,72	7,2

где N_С – эффективная плотность состояний в зоне проводимости полупроводника.

Нейтральный контакт(рис. 9.2, б). Если в области контакта ОПЗ отсутствует, контакт такого типа называют нейтральным. В этом случае зоны проводимости являются плоскими.

При включении разности потенциалов катод способен снабжать диэлектрик электронами в количестве, достаточном для компенсации уходящих оттуда электронов. Ток, который может поступать из катода (металла) ограничен величиной тока насыщения электронной эмиссии (Ричардсона) через барьер. Как только этот предел достигается, процесс проводимости перестает быть омическим. Напряженность поля в диэлектрике, которая приводит к насыщению тока, можно получить, приравняв ток сквозь диэлектрик к току насыщения термоэлектронной эмиссии.

где J – тепловая скорость носителей.

Блокирующий контакт(рис. 9.2, в). При χ_м>χ_д в диэлектрике образуется обедненная ОПЗ. Поскольку концентрация носителей в диэлектрике крайне мала, заряд формируется только в случае достаточной толщины диэлектрика и степень искривления зон в ОПЗ незначительна. Толщина обедненного слоя может быть определена по известной формуле

Если диэлектрик легирован донорной примесью концентрации N_д, то блокирующий контакт ведет себя аналогично барьеру Шоттки (п. 7.2).

В табл. 9.3 приведен ряд значений d, рассчитанных при χ_м-χ_д=3 эВ, ε=5. Очевидно, что для создания достаточно тонкой зоны обеднения плотность доноров должна быть более 10 22 м -3 .

Глубина области обеднения

N_д, м -3	10 21	10 23	10 25	10 27
d, мкм	0,1	10 -2	10 -3

Если к такому контакту приложить разность потенциалов, то толщина ОПЗ будет увеличиваться

С учетом (9.8) можно определить напряженность электрического поля на границе раздела контакта

Свойства структуры металл-диэлектрик-металл (МДМ) будут зависеть от свойств контактов металл-диэлектрик.

1. Два омических контакта. На рис. 9.3, а изображены зонные диаграммы в случае двух одинаковых контактов и в отсутствие внешней разности потенциалов. Обогащенные области простираются вглубь диэлектрика. В результате этого дно зоны проводимости диэлектрика искривлено по всей его толщине. Максимальное значение Е_С больше χ_д-А_д – равновесного значения. Причиной низкого качества контактов может быть либо малая толщина диэлектрика, либо большие потенциальные барьеры. Заряд, содержащийся в плохом контакте,недостаточен для эффективного экранирования внутренней области диэлектрика от его границ.

Рис. 9.3, б иллюстрирует случай хороших и плохих омических контактов. Дно зоны проводимости диэлектрика тонкое и ограничено экранирующими ОПЗ.

Рис. 9.3. Энергетические диаграммы МДМ-структур: а, б – плохой и хороший омические контакты; в, г – плохой и хороший блокирующие контакты; д, е – одинаковые и разные нейтральные контакты

2. Два блокирующих контакта.На рис. 9.3, в, г изображены случаи блокирующих контактов к диэлектрику. В плохих контактах (рис. 9.3, в) обедненные области простираются в диэлектрик глубоко, так, что электрическое поле существует по всей толщине диэлектрика. Внутренняя область его недостаточно экранирована приконтактными зарядами. Причина плохого качества заключается либо в малой толщине диэлектрика, либо в недостаточной степени его легирования. В противоположность этому на рис. 9.3, г показан случай МДМ-структуры с хорошими блокирующими контактами. В них, как и в хороших омических контактах, внутренняя часть диэлектрика свободна от электрического поля и дно зоны проводимости является плоским.

3. Другие типы контактов. На рис. 9.3, д, е показаны случаи блокирующих контактов к собственному или очень тонкому легированному диэлектрику. Здесь никакого искривления зон не происходит, как и в нейтральных контактах. Причина этого – неспособность диэлектрика поставить сколько-нибудь значительный заряд из своего объема. Если электроды одинаковые, то дно зоны проводимости становится плоским (рис. 9.3, д).

В случае различных электродов граничные потенциальные барьеры отличаются на величину χ_М₁-χ_М₂ (рис. 9.3, е). Наличие этого внутреннего поля в отсутствие внешнего напряжения является следствием перераспределения заряда между электродами. Величина этого заряда зависит от контактной разности потенциалов U_к, площади электродов S и емкости структуры С

где d – толщина диэлектрика.

В МДМ-структуре с параметрами d=20Å, (χ_м₁-χ_м₂)/e=10 -2 В внутреннее поле составляет Е=(χ_м₁-χ_м₂)/(ed)=5∙10 6 В/м.

Ранее мы не учитывали влияния поверхностных состояний на контакты и считали, что высота граничного барьера равна χ_м-А, но если такие состояния существуют на поверхности диэлектрика, их влияние на процессы в контактах и структурах может стать значительным. Поверхностный заряд создает дополнительное электрическое поле в приконтактной зоне диэлектрика, усиливающее или ослабляющее контактное поле [п. 8.2].

Основные сведения из теории. Явления, возникающие в контактах, представляются важными для изучения в силу распространенности контактов при производстве РЭС и ЭВС

Явления, возникающие в контактах, представляются важными для изучения в силу распространенности контактов при производстве РЭС и ЭВС. Особенно важными являются контактные явления в микроэлектронике, т.к. контактные разности потенциалов становятся сравнимыми с рабочими напряжениями» В зависимости от материалов контакты могут быть различными: контакт металл-металл, металл-полупроводник, металл-диэлектрик, полупроводник-полупроводник и т.д.

Все эти контакты делятся на 3 группы:

1.Омические контакты. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) линейна, т.к. выполняется закон Ома. Эти контакты должны иметь малое сопротивление, не искажать форму передаваемого сигнала не создавать в цепи электрических шумов.

2.Нелинейные контакты, осуществляющие нелинейное преобразование сигнала (выпрямление, детектирование, модуляцию, генерирование и т.д.), наоборот должны иметь резко нелинейную характеристику.

3. Инжектирующие контакты должны обладать способностью инжектировать неосновные носители только в одном направлении. Для этого инжектирующий контакт должен быть резко асимметричным. Кроме того, ширина базовой области должна быть мала, а диффузионная длина достаточно велика, чтобы неосновные носители проходили через базовую область, не успев рекомбинировать.

Контакт металл-полупроводник может быть как омическим, так и выпрямляющим. Омические контакты металла с полупроводником широко применяются в диодах, транзисторах и пассивных элементах интегральных схем. Выпрямляющие контакты типа металл-полупроводник используются в тонкопленочных структурах для построения диодов и транзисторов с металлической базой на основе барьеров Шоттки.

Рассмотрим явления в контакте металл-полупроводник при отсутствии поверхностных состояний. Возьмем контакт электронного полупроводника и металла и предположим, что работа выхода электрона из полупроводника А_П меньше работы выхода электрона из металла А_М (рис. 2,30, а).

Рис. 2.30. Схема энергетических уровней в области контакта металл – полупроводник п – типа (А_М>А_n): а – до соприкосновения; б – после соприкосновения и установления термодинамического равновесия

Если металл и полупроводник привести в непосредственный контакт, то электроны будут переходить преимущественно из полупроводника в металл, так как уровень Ферми в полупроводнике перед соединением с металлом лежал выше, чем в металле. При этом металл заряжается отрицательно, а полупроводник – положительно. Направленный поток электронов будет иметь место до тех пор, пока уровни Ферми не выравняются, после чего установится динамическое равновесие (рис. 2.30, б), а между металлом и полупроводником возникнет контактная разность потенциалов

где А_М и А_П – соответственно работа выхода электрона из металла и полупроводника;

е – заряд электрона.

Величина φ_К выражается через А_М и А_П, потому что обмен электронами возможен не только при непосредственном контакте металла и полупроводника, но и благодаря термоэлектронной эмиссии, обуславливающей разность потенциалов φ_К. Контактная разность потенциалов между металлом и полупроводником имеет значение порядка нескольких десятых долей или единиц вольта. Для получения такой величины необходимо, чтобы из полупроводника в металл перешло примерно 10 электронов. Если параметр решетки полупроводника a₀=5·10 10 м (германий), а концентрация электронов n = 10 21 м -3 , то на 1 м его поверхности находится приблизительно 2·10 13 электронов. Поэтому протекание примерно 10 17 электронов связано с "оголением" примерно 5·10 3 атомных слоев полупроводника.

В металле, где поверхностная плотность электронов составляет 10 18 м -2 , лишь часть электронов поверхностного слоя обеспечит требуемую плотность заряда для возникновения контактной разности потенциалов. Из-за большой концентрации электронов область объемного заряда в металле очень тонка, а падение напряжения на ней невелико.

Можно сказать, что практически вся контактная разность потенциалов падает на области объемного заряда в полупроводнике (см, рис. 2.30, б). Распределение потенциала в приповерхностном слое полупроводника аналогично распределению при наличии поверхностных состояний, только вместо поверхностного потенциала следует брать разность потенциалов.

Контактная разность потенциалов практически полностью падает в приконтактном слое полупроводника и искривляет в нем зоны энергии. Если А_П < А_М для полупроводника n-типа, то зоны энергии будут искривлены в приконтактной области кверху.

Если работа выхода электрона из полупроводника n-типа больше работы выхода из металла, то электроны в большей мере переходят из металла в полупроводник и образуют в его контактном слое отрицательный объемный заряд (рис. 2.31, a), а на поверхности металла возникает положительный заряд. Между металлом и полупроводником возникает контактная разность потенциалов U_К и потенциальный барьер еU_К Возникающее контактное поле проникает вглубь полупроводника и уменьшает энергию электронов, вследствие чего происходит искривление энергетических уровней электронов полупроводника книзу. При этом область объемного заряда в полупроводнике толщиной d_n оказывается обогащенной свободными носителями. При контакте металла с полупроводником р-типа обедненный слой в полупроводнике образуется в том случае, когда работа выхода электронов из металла А_М меньше работы выхода из полупроводника А_p (рис. 2.31, б), в обогащенный слой – когда работа выхода А больше работы выхода из полупроводника А_p (рис. 2.31, в).

Рис. 2.31. Схема энергетических уровней в области контакта металл – полупроводник: а – n-тип (А_М А_n); б – p-тип (А_М А_p); в – p-тип (А_М > А_p)

При сильном искривлении зон в результате большого контактного поля в приповерхностном слое полупроводника может возникнуть инверсный слой, как и в случае поверхностных состояний. Концентрация электронов у границы полупроводника при контакте металл-полупроводник определяется из уравнения. Слой, обогащенный основными носителями заряда, называется антизапирающим (повышенная проводимость). Слой, обогащенный неосновными носителями, называется запирающим (пониженная проводимость). Слой у поверхности полупроводника, в котором в результате сильного искривления зон меняется тип проводимости по сравнению с объемом полупроводника, называется инверсным. Однако полученные соотношения между разностью работ выхода металла и полупроводника и свойствами контакта металл-полупроводник в ряде случаев не выполняются, т.е. выбор материала металла не влияет на свойства контактов. Это явление объясняется поверхностными состояниями. Как уже говорилось, наличие поверхностных состояний приводит к образованию слоя пространственного заряда (поверхностного потенциального барьера) и искривлению зон энергии в приповерхностном слое полупроводника.

Запирающие слои, которые образуются на границе однородного полупроводника контактным полем металла или поверхностным зарядом, называются физическими запирающими слоями.

Запирающие слои, полученные нанесением на полупроводник тонкого слоя другого вещества с большим удельным сопротивлением, называются химическими запирающими слоями. В этом случае в области контакта металл-полупроводник возникает потенциальный барьер или вследствие несоответствия между величинами работ выхода у металла и пленки, или вследствие наличия поверхностных состояний пленки.

При исследовании полупроводников применяются прижимные, припаянные, сплавные, электролитические, напыленные, пастовые, сварные контакты полупроводника с внешней цепью. Обычно контакты металл-полупроводник получают путем электрохимического осаждения, напыления в вакууме или механическим способом (прижатием). В любом из перечисленных случаев получения контакта металл-полупроводник имеет место зазор из-за загрязнения или поверхностных дефектов. При этом образуется потенциальный барьер между поверхностными состояниями и объемом полупроводника. Истинный контакт металл-полупроводник получается вплавлением металла в полупроводник. В этом случае высота потенциального барьера должна определяться разностью работ выхода металла А_м и полупроводника A_n (А_р).

Механизм прохождения тока через контакт металл-полупроводник

Приложим внешнее напряжение к цепи, состоящей из металла и полупроводника. В ней возникает направленное движение носителей зарядов (электронов и дырок), создающих ток плотностью

В связи с тем, что концентрация электронов и дырок различна в разных точках полупроводника (из-за поверхностных и контактных явлений), состав тока меняется, а величина его остается неизменной.

Введение носителей заряда через контакт металл-полупроводник или электронно-дырочный переход при понижении высоты потенциального барьера в область полупроводника, где эти носители заряда являются неосновными, называется инжекцией носителей заряда. Выведение носителей заряда из области полупроводника, где они являются неосновными, через контакт металл-полупроводник или электронно-дырочный переход ускоряющим электрическим полем, созданным действием внешнего напряжения, называется экстракцией носителей заряда.

Если j(x)/j₀=1, т.е. контакт не меняет концентрацию неосновных носителей заряда, то он называется омическим.

Рассмотрим механизм прохождения тока через омический контакт. В электронном полупроводнике ток обусловлен в основном электронами. Электроны выходят из полупроводника на положительный электрод с той же скоростью, с какой они входят в полупроводник с отрицательного электрода; Следовательно, в полупроводнике плотность электронов остается той же самой, какая была и при отсутствии тока. Это необходимое условие электронейтральности.

В полупроводнике р-типа ток обусловлен в основном дырками, а в металлических выводах, соединяющих полупроводник с батареей,- электронами.

Каким же образом меняется способ переноса тока в переходе металл-полупроводник?

Если подвижные дырки под действием приложенного поля перемещаются в направлении к переходу полупроводник-металл, то они сначала накапливаются на переходе, увеличивая на нем местное поле, которое притягивает электроны из металла в полупроводник. Электроны, входя в полупроводник из металла, рекомбинируют с избыточными дырками.

Если подвижные дырки перемещаются в направлении поля от перехода металл-полупроводник, то на переходе сначала уменьшается число дырок и некоторые ионизированные атомы акцептора уже не могут нейтрализоваться. Эти атомы акцептора ведут к увеличению на переходе электрического поля, которое выталкивает электроны от ионизированных атомов акцептора в металл. Электроны входят в металлический электрод.

Если полупроводник собственный, то механизм прохождения тока через контакт металл-полупроводник аналогичен прохождению электронов и дырок в случае n-типа и р-типа.

Таким образом, в случае омического контакта электроны в состоянии легко проходить между металлом каждого электрода и полупроводником в любом направлении, состав тока одинаков как на самом контакте, так и в объеме. При этом для любого приложенного электрического поля скорость прохождения электронов через металлический вывод равна скорости прохождения дырок через полупроводник в случае дырочного полупроводника и скорости прохождения электронов через полупроводник в случае электронного полупроводника. Токи, проходящие через омический контакт, подчиняются закону Ома в большой области значений приложенного напряжения.

Для получения омического контакта металла с данным полупроводником надо выполнятьследующие требования:

использовать металл с работой выхода меньшей, чем у полупроводника, для n-типа, и большей – для р-типа;

металл должен диффундировать немного в полупроводник и создавать примесные центры, соответствующие данному типу проводимости;

иногда необходимо механическое повреждение поверхности полупроводника, на которую наносится контакт.

Вольт-амперная характеристика выпрямляющего контакта металл-полупроводник

Если привести металл и полупроводник в контакт друг с другом (пайка, напыление, прижатие и т.д.), то в области контакта металл-полупроводник может возникнуть потенциальный барьер, причинами которого могут быть:

● несоответствие между величинами работ выхода у металла и полупроводника;

● наличие поверхностных состояний у полупроводника;

● наличие посторонних плохо проводящих слоев (пленки, окислы, лак и др.) между металлом и полупроводником.

Рассмотрим изменение потенциального барьера на выпрямляющем контакте металл-полупроводник, к которому приложено внешнее напряжение (рис. 2.32, а, б, в).

Если к выпрямляющему контакту (рис. 2.32, б) электронного полупроводника с металлом приложить внешнее напряжение U в направлении, совпадающем с контактной разностью потенциалов (плюс источника подан на полупроводник), то потенциальный барьер со стороны полупроводника увеличится на величину еU (если пренебречь падением напряжения в объеме полупроводника), а энергетические уровни электронов и уровень Ферми в полупроводнике сместятся на величину еU. Толщина запирающего слоя при этом увеличится:

где n – концентрация носителей заряда в полупроводнике (n»N_д) при условии, что все доноры ионизированы, а концентрация собственных носителей мала.

Рис. 2.32. Влияние внешнего поля, приложенного к выпрямляющему контакту металл – полупроводник, на энергетические уровни полупроводника п-типа: а – равновесное состояние; б – напряжение приложено в запорном направлении; в – напряжение приложено в обратном направлении

Высота потенциального барьера со стороны металла при этом не измениться. Такое направление называется запорным.

Если к выпрямляющемуся контакту приложить внешнее напряжение U в направлении, противоположном контактной разности потенциалов (минус источника подан на полупроводник), то потенциальный барьер со стороны полупроводника уменьшиться на величину еU (рис. 2.32, в). Толщина запирающего слоя при этом уменьшиться:

Высота же потенциального барьера со стороны металла остается неизменной. Такое направление называется прямым.

Для описания процесса происхождения носителей заряда через потенциальные барьеры, возникающие на контакте металл-полупроводник, можно привлечь два простых механизма: квантовомеханический туннельный эффект и надбарьерное прохождение носителей заряда с достаточной для этого перехода энергией.

Если приложить внешнее поле к контакту металл-полупроводник, то величина потенциального барьера со стороны полупроводника изменяется в зависимости от знака приложенного напряжения:

еU=еU_к±еU, (2.77)

где знак минус при еU соответствует прямому направлению внешнего поля, знак плюс – запорному. При этом величина тока, обусловленного эмиссией электронов,

Ток J₁ имеет направление от металла к полупроводнику. Так как величина барьера со стороны металла при этом не изменяется, то величина тока, обусловленного эмиссией электронов из металла в полупроводник:

Ток J₂ имеет направление от полупроводника к металлу.

Используя выражение (2.78) и (2.79), найдем величину результирующего тока J:

Уравнение (2.80), выражающее зависимость тока от величины и знака приложенного напряжения, есть уравнение вольт-амперной характеристики выпрямляющего контакта металл-полупроводник. Знак "+" при соответствует прямому (пропускному) направлению внешнего поля, знак "-" – запорному (обратному).

Как в диодной, так и в диффузионной теории получается одинаковое выражение для вольт-амперной характеристики выпрямляющего контакта металл-полупроводник. Однако существенное и количественное различие для тока насыщения в диодной (а) J_s=1/4nV_Т диффузионной (б) J_s=еnV_д теорий заключается в следующем:

I. Так как дрейфовая скорость электрона V_д всегда меньше тепловой скорости V_Т, то ток насыщения (б) много меньше, чем (а),

2. Ток насыщения (а) не зависит от приложенного напряжения, в то время как в (б) он растет для запорного направления с ростом приложенного напряжения.

Обе эти стороны являются достоинствами тонкого запирающего слоя, для которого применима диодная теория. Недостаток его в том, что он не выдерживает высоких обратных напряжений из-за электростатической ионизации.

При большей величине обратного напряжения U_o_бр. начинают играть роль дополнительные процессы: увеличение числа носителей за счет сильного поля (электростатическая и ударная ионизация), разогревание контакта и др., которые приводят к очень быстрому нарастанию обратного тока и пробою запирающего слоя. При этом ток резко возрастает, а напряжение на контакте падает (см. рис. 2.33).

Рис. 2.33. Вольт – амперная характеристика выпрямляющего контакта полупроводника с металлов. 1 – туннельный пробой; 2 – лавинный пробой; 3 – тепловой пробой

Диодная и диффузионная теории в равной мере применимы и к дырочному полупроводнику, если в нем на границе с металлом имеется запирающий слой. При этом в уравнениях вместо n надо писать р, а плюс U заменить на минус U. Пропускным направлением в этом случае будет такое, когда на р-полупроводник подан плюс.

Проводимость тонких оксидных пленок.

Диэлектрик -это материал, концентрация носителей в котором крайне низка, во многих веществах значительно меньше 1 см-3, вследствие чего он фактически не обладает проводимостью при комнатной температуре.

Как будет показано ниже, прохождение тока через тонкопленочные материалы вовсе не определяется собственными свойствами диэлектриков. Электрические свойства систем МДМ могут резко отличаться от свойств, ожидаемых при учете лишь объёмной проводимости примененных диэлектриков, ширина запрещенной зоны которых обычно более 2 эВ. Зачастую электрические характеристики таких систем определяются другими свойствами, такими как природа контакта электрод - диэлектрик. Омический контакт (см. ниже) способствует инжекции дополнительных носителей в диэлектрик, концентрация которых гораздо больше концентрации собственных носителей. Кроме того, напряжение в несколько вольт способно создать необычно сильное электрическое поле в пленке диэлектрика вблизи границы электрод-диэлектрик, что способствует инжекции носителей из электрода в диэлектрик.

Другим важным фактором, который нужно учитывать при рассмотрении тонкопленочного диэлектрика, является наличие в нем ловушек, так как диэлектрические пленки в большинстве случаев являются некристаллическими (аморфными). В самое последнее время показано, что в аморфных веществах существует много таких ловушек, связанных с обрывом связей или с перестройкой этих связей (так называемые валентно-альтернативные дефекты, когда одновременно возникают в равной концентрации дефекты донорного и акцепторного типов). Донорные центры приводят к электропроводности Пула - Френкеля, а по акцепторным ловушкам может осуществляться прыжковая проводимость.

Зонная структура.

Следует отметить, что на энергетических диаграммах запрещенная зона, разделяющая валентную зону и зону проводимости, изображается всегда с четко выраженными границами. Строго говоря, запрещенная зона с четко выраженными границами является свойством лишь кристаллических тел, а мы в большинстве случаев имеем дело с аморфными диэлектриками в виде тонких пленок.

Однако можно показать, что большинство особенностей зонной структуры твердого тела определяется ближним порядком, поэтому основные свойства зонной структуры кристаллического состояния можно перенести на аморфное состояние. Отсутствие дальнего порядка в некристаллических материалах вызывает развитие краев зоны проводимости и валентной зоны, так что энергетические зоны не являются четко выраженными. Но в первом приближении можно считать, что в диэлектрических пленках ширина запрещенной зоны строго определена и соответствует некоторой средней величине реальной размытой энергетической зоны. В пределах ограничений, налагаемых такой моделью, рассмотрим ряд особенностей структуры пленочных диэлектриков.

Виды контактов

Пленочные оксиды переходных металлов, таких как тантал, ниобий, вольфрам, гафний, иттрий и др., при получении их анодным окислением являются неупорядоченными по своей структуре материалами. Заметную проводимость они проявляют в полях свыше В/см. при этом в связи с особенностью структуры в них могут проявляться различные механизмы проводимости зонного и не зонного характера, а также нелинейная проводимость с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

При рассмотрении проводимости структуры металл - пленочный диэлектрик - металл важно знать, что представляет собой контакт металл - диэлектрик. По типам контакты могут быть нейтральными, омическими и выпрямляющими. В литературе [1,2] рассмотрены контакты полупроводников и диэлектриков с металлами и электролитами. Диэлектрики, к которым относятся многие окислы переходных металлов, можно рассматривать как широкозонные полупроводники с учетом низкой концентрации электронов при нормальных условиях. При этом подход к рассмотрению контактов металл-полупроводник, металл-диэлектрик будет одинаковым.

На рис.1 представлены схемы энергетических уровней для нейтрального контакта между металлом и диэлектриком. Электрически нейтральный контакт предполагает, что в диэлектрике нет объемных зарядов и изгиба зон, так что края зоны проводимости и валентной зоны остаются плоскими до поверхности металла. Условиями плоских контактов являются соотношения работ выхода металла и изолятора или полупроводника.

При φ = φm( 1а) равновероятен переход электрона из металла и изолятора, в результате чего суммарный ток равен нулю и вблизи поверхности объемный заряд возникать не будет. При φ = φm (рис.1б и в) в области низких температур или когда уровень захвата электронов расположен высоко над уровнем Ферми Е, объемный заряд, захваченный ловушками, будет слишком мал, чтобы вызвать изгиб зон. Нейтральный контакт определяется как контакт, при котором концентрация носителей в приконтактном слое равна их концентрации в объеме изолятора. Ток, инжектированный из металлического контакта в изолятор, в соответствии с законом Ома достигает анода.

и внутреннее поле будет равно:

где χ - электронное сродство, d - толщина диэлектрика. В тонких пленках, где d мало, это поле может достигать больших значений. При омическом контакте плотность свободных носителей заряда на контакте и в непосредственной близости от него намного выше, чем плотность носителей в объеме диэлектрика (полупроводника). Такой контакт может функционировать как резервуар носителей зарядов. Вольт-амперная характеристика омического контакта зависит от многих факторов и зачастую нелинейна, поэтому сам термин «омический» не вполне удачен. В слабых полях проводимость такого контакта подчиняется закону Ома, если металл не инжектирует избыточных носителей, и становится нелинейной, когда преобладают инжекция носителей из электродов или ограничения, связанные с наличием объемного заряда.

Рисунок 1. Схемы энергетических уровней для нейтрального контакта между металлом и собственным полупроводником (или изолятором)[1]

Рисунок 2. Схема энергетических уровней для омического контакта металл-диэлектрик. Напряжения V4 > V3 > V2 > V1 > 0 [1]

Рисунок 3. Схема энергетических уровней для запирающего контакта металл-диэлектрик [1]

Запирающий контакт возникает при условии φm > φ. При этом в приконтактной области создается обедненный слой шириной W, который обеспечивает условие запирания. При таком контакте термоэлектронная эмиссия из металла с ростом обратного смещения проявляет тенденцию к насыщению. Проводимость при обратном смещении лимитируется электродным процессом. Другим путем преодоления электронами границы металл-изолятор при обратном смещении может быть туннельный переход в сильном поле сквозь потенциальный барьер на границе. Схема энергетических уровней для запирающего контакта приведена на рис. 3.

Эффект Шоттки

Снижение высоты потенциального барьера по мере увеличения напряженности электрического поля называется эффектом Шоттки. На рис. 4 приведена схема энергетических уровней, показывающая уменьшение высоты потенциального барьера при совместном воздействии сил зеркального отображения и приложенного внешнего однородного поля F для нейтрального контакта.

Высота барьера ψ(х) на расстоянии х от поверхности, отсчитываемая от уровня Ферми металла, определяется формулой

Будем считать, что выражение для потенциальной энергии электрона справедливо для всех значений х, начиная с х = хо, для которого

Полное понижение высоты потенциального барьера равно

где

Из (6) видно, что высота барьера с ростом напряженности поля понижается.

Рисунок 4. Потенциальный барьер металл-диэлектрик при воздействии сил зеркального изображения (1); потенциальной энергии внешнего поля F (2); дно зоны проводимости при внешнем поле F = 0 (3)

Ток термоэлектронной эмиссии определяется выражением Ричардсона - Дэшмэна

где А* - постоянная Ричардсона.

Для большинства структур типа металл-изолятор контакт можно рассматривать как нейтральный. Для нейтральных контактов, подставляя (6) в (7), получим выражение для тока, который будет определяться проводимостью объема диэлектрика или полупроводника:

В координатах шоттковский ток надбарьерной эмиссии будет линеаризоваться с наклоном, соответствующим постоянной Шоттки:

При малых напряжениях экспоненту в выражении (8) можно разложить в ряд. Ограничиваясь первым членом разложения, получим, что j ~ E, то есть в области малых токов зависимость тока надбарьерной эмиссии от напряжения линейна.

При измерении проводимости диэлектрика необходимо иметь электроды для обеспечения инжекции электронов во внутрь диэлектрика и их выхода из диэлектрика с другой стороны, только в этом случае образуется замкнутая цепь для прохождения тока. Проводимость системы будет определяться проводимостью диэлектрика, т.к. она много ниже проводимости металлического (или полупроводникового) электрода. Наличие диэлектрика между электродами приводит к появлению потенциального барьера высотой от уровня Ферми электрода до дна зоны проводимости диэлектрика (рис.2) . Этот барьер на границе электрод - диэлектрик препятствует прохождению электронов из электрода в диэлектрик в случаи не омического контакта.

Очевидно, высота потенциального барьера является важным параметром в изучении проводимости системы металл - диэлектрик; она определяется взаимным расположением энергетических зон электрода и диэлектрика. Чем же оно обусловлено? Это ясно из рассмотрения условия термодинамического равновесия, согласно которому уровень вакуума и уровень Ферми должны быть непрерывны по всей системе.

Уровень вакуума представляет собой энергию покоящегося электрона, находящегося за пределами металла или другого материала, а разность энергий уровня вакуума и уровня Ферми называется работой выхода материала.

Может показаться, что условия равновесия удовлетворяются только тогда, когда работа выхода металла φm и работа выхода диэлектрика φ равны (рис.1, «в» и «г»). Однако условия равновесия выполняется и при ψ ≠ ψm, благодаря тому, что заряд переходит из электрода в диэлектрик или наоборот.

При определенной величине напряжения может реализоваться ситуация, когда из катода в диэлектрик будут вводиться электроны в кол-ве достаточном, чтобы восполнить уход носителей заряда из диэлектрика в анод. При таких условиях ВАХ образца будет определяться объемными свойствами диэлектрика; в этом случае говорят, что проводимость ограничена объемом. При блокирующем контакте плотность тока , инжектированного из катода, может оказаться меньше той плотности тока, которую способен пропустить диэлектрик. В этом случае говорят, что ток ограничен эмиссей из контакта или просто контактом.

9.1. Структура и свойства тонких пленок

Свойства тонких пленок существенно отличаются от аналогичных параметров объемных образцов, что объясняется различием в структуре тонкопленочных и объемных материалов.

Для структуры поликристаллических тонких пленок характерна большая концентрация дефектов. Если в исходных материалах присутствуют загрязняющие компоненты, то в пленке возможно образование диэлектрических или полупроводниковых слоев, покрывающих проводниковые зерна. В таком случае, кроме проводимости свободных электронов, в пленке работают и термоактивационные механизмы. К ним относятся туннелирование через тонкий потенциальный барьер, тер-

моэлектронная эмиссия , прыжковая проводимость и др. С другой стороны, тонкая пленка обладает большей удельной поверхностью S пл / V пл , чем удельная поверхность объемных тел S об / V об .

S пл / V пл >> S об / V об .

Если вспомнить, что сама поверхность является протяженным дефектом, то выражение (9.1) говорит о различии свойств тонкой пленки и объемного тела. Так, например, удельное сопротивление пленочного проводника больше, чем удельное сопротивление объемного.

При уменьшении толщины пленки ее удельное сопротивление рас-

Рис. 9.1. Зависимость сопротивления тонкой пленки от толщины, ρ 0 – объемное сопротивление

Такой эффект можно объяснить ростом отношения (9.1), то есть увеличением вклада поверхностей (верхней и нижней) пленки в меха-

низм электропроводности. Данный эффект носит пороговый характер и называется классическим размерным эффектом . Он возникает, если длина свободного пробега электрона λ соизмерима с толщиной пленки d ≤ λ . В этом случае основным типом рассеяния электронов становится рассеяние на поверхностях. Знакомое нам правило Матиссена (5.64) приобретает третье слагаемое ρ ( d ) и может быть записано в виде

ρ = ρ о + ρ т + ρ ( d ).

Слагаемое ρ ( d ) зависит от геометрии проводника.

В тонких металлических и полупроводниковых пленках работают также квантовые размерные эффекты . Условие возникновения таких эффектов заключается в соизмеримости толщины пленки и эффективной длины волны носителей заряда. Тогда формируются дискретные энергетические уровни в пленке, в направлении ее толщины. Для простейшей модели пленки без учета рассеяния в объеме и взаимодействия электронов проводимости, спектр энергии электрона выражается формулой

где n – натуральный ряд чисел.

Одним из возможных проявлений квантовых размерных эффектов является резонансное прохождение электронов сквозь два узких потенциальных барьера, разделенных потенциальной ямой, образованной диэлектрической пленкой в структуре МДМ или ПДП (п. 9.7).

Диэлектрические тонкие пленки обладают существенной проводимостью. Она обусловлена различными механизмами, которые характерны для различных толщин пленки (табл. 9.1).

Механизмы электропроводности в диэлектрических пленках

Зависимость I ( U )

I ~ U 2 exp(- k / U )

Эмиссия, механизм Шоттки

I ~ T 2 exp( a √ E / T )

Эмиссия, механизм Френкеля-Пула

I ~ T 2 exp(2 a √ E / T )

Ограничение объемным зарядом

В таблице Е – напряженность электрического поля, a – параметр решетки, b = E g / k .

Большинство механизмов электропроводности тонких диэлектрических пленок обусловлено наличием сильных полей (п. 6.4).

Магнитные, сверхпроводниковые, пьезоэлектрические тонкие пленки обладают интересными свойствами, которые лежат в основе работы микроэлектронных устройств. Данные вопросы здесь не рассматриваются, и мы отсылаем читателя к дополнительной литературе, например [10, 20].

9.2. Контакт металл-диэлектрик . M-Д-M–структура

Ранее мы изучали свойства контактов металл-металл, металлполупроводник, полупроводник-полупроводник (пп. 7.2–7.4). Теперь рассмотрим свойства контакта металл-диэлектрик, причем подход к анализу процессов в контакте останется прежним. Диэлектрик – это материал, концентрация носителей в котором крайне низка, и во многих материалах составляет менее 1 см -3 , вследствие чего он фактически не обладает проводимостью.

Прохождение тока через тонкопленочные материалы, которые мы будем рассматривать, не определяется собственными параметрами диэлектриков. Зачастую эти токи определяются другими причинами, такими как процессы в контакте металл-диэлектрик. В зависимости от характера зонных структур, контакт металл-диэлектрик относится к одному из трех типов: омический, нейтральный или блокирующий контакт. На рис. 9.2 показаны исходные зонные диаграммы металла и диэлектрика, а также зонные диаграммы контактов этих материалов.

Рис. 9.2. Зонные диаграммы металла (М), диэлектрика (Д) и контактов (М-Д): а – омический; б – нейтральный; в – блокирующий контакт

При сильном обогащении, когда концентрация носителей заряда у контакта n к значительно превышает равновесную, в (9.3) следует заменить n 0 на n к . Сама концентрация n к зависит от величины χ м - А д , где А – энергия электронного сродства А д = Е 0 - Е СД .

В табл. 9.2 приводятся расчетные значения d для различных величин χ м - А д . Видно, что при комнатной температуре хороший омический контакт получается тогда, когда величина χ м - А д не превышает 0,3.

где N С – эффективная плотность состояний в зоне проводимости полупроводника.

Нейтральный контакт (рис. 9.2, б ). Если в области контакта ОПЗ отсутствует, контакт такого типа называют нейтральным. В этом случае зоны проводимости являются плоскими.

талла) ограничен величиной тока насыщения электронной эмиссии

(Ричардсона) через барьер. Как только этот предел достигается, процесс проводимости перестает быть омическим. Напряженность поля в диэлектрике, которая приводит к насыщению тока, можно получить, приравняв ток сквозь диэлектрик к току насыщения термоэлектронной эмиссии.

где – тепловая скорость носителей.

Выражение (9.5) является характерным для нейтрального контакта. Блокирующий контакт (рис. 9.2, в ). При χ м > χ д в диэлектрике образу-

ется обедненная ОПЗ. Поскольку концентрация носителей в диэлектрике крайне мала, заряд формируется только в случае достаточной толщины диэлектрика и степень искривления зон в ОПЗ незначительна. Толщина обедненного слоя может быть определена по известной формуле

Если диэлектрик легирован донорной примесью концентрации N д , то блокирующий контакт ведет себя аналогично барьеру Шоттки (п. 7.2).

В табл. 9.3 приведен ряд значений d , рассчитанных при χ м - χ д = 3 эВ,

ε = 5. Очевидно, что для создания достаточно тонкой зоны обеднения плотность доноров должна быть более 10 22 м -3 .

Если к такому контакту приложить разность потенциалов, то тол-

щина ОПЗ будет увеличиваться

E к 2 N д 0 en / 0 12 .

– равновесного значения. Причиной низкого качества контактов может быть либо малая толщина диэлектрика, либо большие потенциальные барьеры. Заряд, содержащийся в плохом контакте, недостаточен для эффективного экранирования внутренней области диэлектрика от его границ.

Причина плохого качества заключается либо в малой толщине диэлектрика, либо в недостаточной степени его легирования. В противоположность этому на рис. 9.3, г показан случай МДМ-структуры с хорошими блокирующими контактами. В них, как и в хороших омических контактах, внутренняя часть диэлектрика свободна от электрического поля и дно зоны проводимости является плоским.

Читайте также: