Омический контакт металл полупроводник

Обновлено: 18.05.2024

Они используются в полупроводниковой электронике либо в качестве омических (невыпрямляющих) контактов с областями полупроводниковых приборов, либо в качестве выпрямляющих контактов. Структура и свойства таких контактов зависят от взаимного расположения уровня Ферми в металле и полупроводнике. Потенциальный барьер в приконтактном слое, равный разности работ выхода металла и полупроводника (jк = jМ – jn на рис. 3.30), называют барьером Шотки, а диоды, использующие эти барьеры, – диодами Шотки или диодами с барьером Шотки (ДБШ).

Важной особенностью барьеров Шотки по сравнению с р-n-переходом является отсутствие инжекции неосновных носителей. Эти переходы «работают» на основных носителях, поэтому у них отсут­ствует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасы­ванием неосновных носителей, и выше быстродействие.

Особенностью переходов с барьером Шотки является то, что их ВАХ ближе всего к экспоненциальной ВАХ идеализированного р-n-перехода, а прямое напряжение значительно меньше (примерно на 0,2 В), чем в р-n-переходах.

В отличие от р-n-перехода, образованного изменением концентрации примеси в одном полупроводниковом материале (гомопереход) гетеропереходом называют переход, образованный полупроводниками различной физико-химической природы, т.е. полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны. Примерами гетеропереходов могут быть переходы германий – кремний, германий – арсенид галлия, арсенид галлия – фосфид галлия и др.

Для получения гетеропереходов с минимальным числом дефектов на границе раздела кристаллическая решетка одного полупроводника должна с минимальными нарушениями переходить в кристаллическую решетку другого. В связи с этим полупроводники, используемые для создания гетеропереходов, должны иметь идентичные кристаллические структуры и близкие значения постоянной решетки. Гетеропереходы, образованные полу­проводниками с различной шириной запрещенной зоны, возможны не только как переходы между полупроводниками р- и n-типа, но также и между полупроводниками с одним типом электропро­водности: р + -р или п + -п.

Рассмотрим энергетическую (зонную) диаграмму гетероперехода между полупроводником n-типа с широкой запрещенной зоной и полупроводником р-типа с узкой запрещенной зоной (рис. 3.31). На рис. 3.31,а показаны энергетические диаграммы исходных полу­проводников. За начало отсчета энергии (нуль) принята энергия электрона, находящегося в вакууме. Величины А1 и A2 обозначают термодинамические работы выхода электрона (от уровня Ферми), a и – истинные работы выхода из полупроводника в вакуум, на­зываемые электронным сродством полупроводников (от границы зоны проводимости).

При создании контакта между двумя полупроводниками уровни Ферми совмещаются (выравниваются). Это должно (в отличие от энергетической диаграммы гомоперехода) привести к появлению разрывов в зоне проводимости и в валентной зоне , как пока­зано на рис. 3.31,б. В зоне проводимости величина разрыва обу­словлена разностью истинных работ выхода электронов из р- и n-полупроводников:

а в валентной зоне кроме этого – еще и неравенством значений энергии . Поэтому потенциальные барьеры для электронов и дырок будут различными: потенциальный барьер для электронов в зо­не проводимости меньше, чем для дырок в валентной зоне.

При подаче прямого напряжения потенциальный барьер для электронов уменьшится и электроны из n-полупроводника инжектируются в р-полупроводник. Потенциальный барьер для дырок в р-области также уменьшится, но все же остается достаточно большим, так что инжекция дырок из р-области в n-область практически отсутствует.

В гомопереходах отношение токов инжекции дырок и электронов можно изменить, только делая различными концентрации основных носителей в областях, т.е. различными концентрации примесей. Если концентрация акцепторов в р-области много больше концентрации доноров в n-области (Nа>>Nд), то и ток инжекции дырок Iр будет много больше тока инжекции электронов In (Ip>>In). Во многих при­борах, использующих р-n-переходы, например в биполярных тран­зисторах, требуется сильная асимметрия токов. Однако увеличению концентрации примесей (в нашем случае акцепторов) есть технологический предел, связанный с наличием предельной концентрации примесей, которую можно ввести в полупроводник («предельная растворимость»). Кроме того, с увеличением концентрации приме­сей одновременно появляется большое число дефектов, ухудшаю­щих параметры р-n-перехода.

Гетеропереходы позволяют исключить эти недостатки гомоперехода и получить практически одностороннюю инжекцию носителей заряда даже при одинаковых концентрациях примесей в областях.

Контакт металл - полупроводник и гетеропереходы

Невыпрямляющие (омические) контакты металл-полупроводник

С помощью омических невыпрямляющих контактов происходит электрическое соединение полупроводников с металлическими проводниками. От качества этих контактов в значительной степени зависят параметры и характеристики приборов, а также их надежность и срок службы. Основные требования комическим контактам: 1) при прямом смещении они должны обеспечивать инжекцию основных носителей в полупроводник; 2) при обратном смещении препятствовать инжекции неосновных носителей в полупроводник; 3) иметь минимальное электрическое сопротивление; 4) иметь линейную вольт-амперную характеристику (ВАХ).

Эти условия выполняются при правильном подборе пары металл – полупроводник. Зонная диаграмма контакта металл - полупроводник n-типа приведена на рис. 6. Для этой пары должно выполняться соотношение РмРn, где Рм – термодинамическая (внешняя) работа выхода электрона из металла, а Рn – из полупроводника n-типа. В такой паре энергия электронов в металле больше, чем в полупроводнике, и при установлении термодинамического равновесия часть электронов из металла перетекает в полупроводник. Уровень Ферми WF в металле и полупроводнике выравнивается. Вблизи металлургической гра
ницы со стороны металла возникает тонкий слой dм, обедненный электронами (т.е. заряженный положительно), а со стороны полупроводника – слой dn, обогащенный электронами. Контактное электрическое поле Ек направлено из металла в полупроводник. Оно приводит к изгибу уровней энергии дна зоны проводимости Wc и верха валентной зоны Wc в области dn. Однако напряженность контактного поля на несколько порядков меньше внутриатомной, поэтому ширина запрещенной зоны DW и внешняя работа выхода Рс остаются постоянными. Поле Ек способствует электрическому дрейфу основных носителей элек
тронов из полупроводника в металл и препятствует дрейфу неосновных носителей дырок. В состоянии термодинамического равновесия дрейфовая InE и диффузионная InD, составляющие электронного тока через металлургическую границу, уравновешивают друг друга.

Большая концентрация электронов в области контакта обеспечивает его высокую проводимость при любой полярности внешнего смещения. Потенциальный барьер j = qy препятствует инжекции неосновных носителей – дырок.Зонная диаграмма полупроводника n - типа с двумя омическими контактами при внешнем смещении приведена на рис.7. Проводимость металлов на несколько порядков больше проводимости полупроводников, поэтому практически все напряжение U будет приложено к полупроводнику n - типа, потенциал вдоль него изменяется линейно, также изменяется энергия электронов, и уровень Ферми имеет наклон. Левый омический контакт оказывается прямосмещенным, его толщина dпр становится меньше dn, и через небольшой горбик электроны из металла инжектируются в полупроводник n-типа, затем они скатываются вниз по наклону дна зоны проводимости, достигают обогащенной электронами зоны правого обратносмещенного контакта и через металлургическую границу попадают (стекают) в правый металлический контакт, откуда уходят во внешнюю цепь. Дырки из правого контакта не могут преодолеть потенциальный барьер и инжектироваться в полупроводник. Неосновные носители практически не участвуют в проводимости полупроводника.

Зонная диаграмма контакта металл – полупроводник р-типа в состоянии термодинамического равновесия приведена на рис.8. Для этой пары должно соблюдаться условие Рм >Рр, тогда при установлении термодинамического равновесия Eк направлено из полупроводника в металл, вблизи металлургической границы возникает обогащенная дырками область, а неосновные носители – электроны находятся в потенциальной яме глубиной j = qy и не могут инжектироваться в металл.

Вольтамперная характеристика омического контакта металл-полупроводник приведена на рис.9. Характеристика является линейной, небольшие нелинейности возникают при больших прямых и обратных напряжениях.

Изготовление омических контактов связано с большими трудностями. Концентрация дефектов и примесей на поверхности полупроводников существенно выше, чем в глубине монокристалла. На поверхности образуются обедненные основными носителями области и слои с инверсным типом проводимости, что существенно ухудшает свойства омических контактов. Для устранения этих недостатков создаются омические М–n + –n или М–р + –р контакты. Зонная диаграмма контакта М–n + –n в состоянии термодинамического равновесия приведена на рис.10. В связи с тем что металл контактирует с вырожденным полупроводником n + -типа, поверхностные дефекты не оказывают существенного влияния на качество контакта, а граница раздела вырожденный полупроводник n+ – низколегированный полупроводник n-типа находится в глубине монокристалла, где концентрация примесей и дефектов меньше, чем на поверхности. Аналогично изготавливают контакт М–р + –р.

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 АП меньше работы выхода электрона из металла АМ (рис. 2,30, а).


Рис. 2.30. Схема энергетических уровней в области контакта металл – полупроводник п – типа (АМ>Аn): 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 АМ и АП – соответственно работа выхода электрона из металла и полупроводника;

е – заряд электрона.

Величина φК выражается через АМ и АП, потому что обмен электронами возможен не только при непосредственном контакте металла и полупроводника, но и благодаря термоэлектронной эмиссии, обуславливающей разность потенциалов φК. 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 АП < АМ 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 UК и потенциальный барьер еUК 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 dn 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 АМ меньше работы выхода из полупроводника Аp (рис. 2.31, б), в обогащенный слой – когда работа выхода А больше работы выхода из полупроводника Аp (рис. 2.31, в).

Рис. 2.31. Схема энергетических уровней в области контакта металл – полупроводник: а – n-тип (АМ Аn); б – p-тип (АМ Аp); в – p-тип (АМ > Аp)

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 Ам и полупроводника An (Ар).

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»Nд) 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=еUк±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) Js=1/4nVТ диффузионной (б) Js=еnVд теорий заключается в следующем:

I. Так как дрейфовая скорость электрона Vд всегда меньше тепловой скорости VТ, 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 Uoбр. 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.

Читайте также: