Ohmický kontakt

Ohmický kontakt - kontakt mezi kovem a polovodičem nebo dvěma nepodobnými polovodiči, vyznačující se lineární a symetrickou charakteristikou proudového napětí (CVC). Pokud je I–V charakteristika asymetrická a nelineární, pak je kontakt víceméně usměrňovací (např. kontakt se Schottkyho bariérou , na jehož základě je vytvořena Schottkyho dioda ). V modelu Schottkyho bariéry závisí usměrnění na rozdílu mezi pracovní funkcí kovu a elektronovou afinitou polovodiče.

V praxi však ve většině případů kontakty kov-polovodič nesledují přesně Schottkyho model, protože přítomnost vnějších povrchových stavů na rozhraní kov-polovodič (například oxidové filmy a částice a defekty krystalové struktury ) může způsobit chování kontaktu prakticky nezávislé na rozdílu mezi pracovní funkcí kovu a elektronovou afinitou polovodiče k elektronu. Při výrobě polovodičových součástek a integrovaných obvodů se pro vytvoření ohmického kontaktu subkontaktní oblast polovodiče navíc silně dotuje (např. zvýšené dotování křemíkových destiček typu n donorovou příměsí se používá jako hliník kov v kontaktu, silně dotovaná vrstva křemíku je označena n + ). V tomto případě se tloušťka oblasti prostorového náboje Schottkyho bariéry stane tak malou, že je přes ni možné tunelování nosičů náboje ( emise pole ). Takto silně dotované oblasti struktury se obvykle označují p + - pro polovodič s vodivostí typu díry a n + - pro polovodič s elektronovou vodivostí .

Teorie

Fermiho hladiny (nebo, přísně vzato, elektrochemický potenciál ) jakýchkoliv dvou pevných látek, když se dostanou do kontaktu v tepelné rovnováze, musí být stejné. Rozdíl mezi Fermiho energií a úrovní vakua se nazývá pracovní funkce . Kov a polovodič mohou mít různé pracovní funkce , které jsou označeny a resp. Když se dva materiály uvedou do kontaktu, elektrony proudí z materiálu s nižší pracovní funkcí do materiálu s vyšší pracovní funkcí, dokud není dosaženo rovnováhy hladin Fermi. Výsledkem je, že materiál s nižší pracovní funkcí získá malý kladný náboj, zatímco materiál s vyšší pracovní funkcí se nabije záporně. Výsledný elektrostatický potenciál se nazývá rozdíl kontaktních potenciálů a označuje se . Tento kontaktní potenciál se tvoří mezi libovolnými dvěma pevnými látkami a je hlavní příčinou usměrnění diod. Vestavěné pole je důvodem ohýbání hranic pásem v polovodiči v blízkosti přechodu. U většiny kovů nedochází k žádnému znatelnému ohybu hranic pásem kvůli malé délce stínění, takže elektrické pole přesahuje jen krátkou vzdálenost za rozhraní. $\phi _{\text{M))$ $\phi _{\text{S))$ $V_{\text{bi))$

V klasickém pohledu, aby překonaly potenciální bariéru, musí nosiče v polovodiči získat dostatek energie, aby skočily z Fermiho hladiny na vrchol zalomení vodivostního pásu. Energie potřebná k překonání bariéry se rovná součtu vestavěného potenciálu a předpětí mezi Fermiho hladinou a vodivostním pásmem. Jinými slovy, pro polovodiče typu n tato energie $\phi _{\text{B))$

\phi _{\text{B}}=\phi _{\text{M}}-\chi _{\text{S)),

kde je elektronová afinita polovodiče, definovaná jako rozdíl mezi úrovní vakua a spodní částí vodivostního pásu (CB). Pro polovodiče typu p podobným způsobem $\chi _{\text{S))$

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

kde je pásmová mezera. $E_{\text{g))$

Proces, kdy nosič přijímá energii k překonání bariéry v důsledku tepelné energie, se nazývá termionická emise. Neméně důležitým procesem v reálných kontaktech je kvantově mechanické tunelování . Poloklasická aproximace popisuje nejjednodušší případ tunelování, ve kterém je pravděpodobnost průniku bariérou nepřímo úměrná exponentu součinu výšky bariéry a její tloušťky [1] . V případě kontaktů je tloušťka dána šířkou oblasti prostorového náboje (SCR), která je úměrná hloubce průniku zabudovaného pole do polovodiče. Šířku SCR lze vypočítat řešením Poissonovy rovnice a zohledněním přítomnosti nečistot v polovodiči:

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

kde v jednotkách ISS je hustota náboje? a je permitivita. Geometrie je jednorozměrná, protože se předpokládá, že rozhraní je ploché. Jednou integrací rovnice a přibližně za předpokladu, že v hloubce větší než šířka SCR je hustota náboje konstantní, získáme $\rho$ $\epsilon$

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

Integrační konstantu, analogicky s definicí šířky SCR, lze definovat jako délku, při které je rozhraní zcela stíněno. Pak $C_{0}=-\rho W/\epsilon$

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

kde , který byl použit k určení zbývající konstanty integrace. Tato rovnice popisuje tečkované modré křivky na pravé straně obrázku. Šířku SCR lze určit nastavením , což vede k $V(0)=V_{\text{bi))$ $V(x)$ $V(W)=0$

W={\sqrt {\frac {2\epsilon V_{\text{bi}}}{\rho }}}.

Pro koncentraci náboje ionizovaných donorů a akceptorů ve zcela vyčerpaném polovodiči . V tomto případě a mají kladná znaménka pro polovodiče typu n a záporná znaménka pro typ p, což dává kladný ohyb pro n- a záporný ohyb pro typ p, jak je znázorněno na obrázcích. $0<x<W$ $\rho =eN_{\text{dopant}}$ $\rho$ $V_{\text{bi))$ $V''(x)$

Z toho by se zdálo, že vyplývá závěr, že výšku bariéry (v závislosti na elektronové afinitě a blízkém poli povrchu) a tloušťku bariéry (v závislosti na vestavěném poli, permitivitě polovodičů a koncentraci dopantu) lze měnit pouze výměnou kovu nebo změnou koncentrace dopantu . Bylo však pozorováno, že Fermiho hladina je ustavena na přibližně stejné energii uvnitř zakázaného pásu pro n- i p-typy Si (tj. součet a přibližně ). Pozice Fermiho hladiny je pravděpodobně ovlivněna stavem rozhraní a strukturálními faktory v důsledku velmi vysoké hustoty povrchových stavů. Všimněte si, že u ohmických kontaktů se obvykle nemusíte starat o to, že se charakteristiky ohmického kontaktu v průběhu času mírně mění, protože ve většině případů na kontaktu klesá velmi malé napětí. $\phi _{\text{bn))$ $\phi _{\text{bp))$ $E_{\text{g))$

Obecně se kontaktní kov vybírá na základě vlastností vodivosti, chemické inertnosti, tepelné stability, elektrické stability a nízkého tepelného namáhání, a poté se hustota dotování pod kontaktem zvýší, aby se zúžila šířka oblasti bariéry. Je snazší vytvořit ohmický kontakt s polovodiči s nižší efektivní hmotností nosičů náboje, protože koeficient tunelování závisí exponenciálně na hmotnosti nosiče náboje. Kromě toho polovodiče s menšími mezerami v pásmu tvoří ohmické kontakty snadněji, protože jejich elektronová afinita (a tedy výška potenciálové bariéry) je obecně nižší.

Ačkoli jednoduchá teorie nastíněná výše předpovídá, že kovy, jejichž pracovní funkce je blízká elektronové afinitě polovodiče, by měly nejsnáze tvořit ohmické kontakty, ve skutečnosti kovy s vysokou pracovní funkcí tvoří lepší nerektifikační kontakty s polovodiči typu p. zatímco kovy s nízkou pracovní funkcí tvoří s polovodiči typu n lepší nerektifikační kontakty. Experimenty bohužel ukázaly, že prediktivní síla zjednodušeného modelu tento jev daleko nepřesahuje. V reálných podmínkách může kontaktní kov reagovat s povrchem polovodičů za vzniku sloučenin s různými elektronickými vlastnostmi. Vrstva kontaminantů na rozhraní může účinně rozšířit bariéru. Povrch polovodiče lze rekonstruovat , což vede k novým elektronickým vlastnostem. Kontaktní odpor závisí na vlastnostech mezifázových reakcí, což činí z reprodukovatelné výroby ohmických kontaktů významný technologický problém [2] [3] [4] .

Výroba a kontrola parametrů ohmických kontaktů

Navzdory tomu, že proces vytváření ohmických kontaktů je jedním ze základních a dobře prozkoumaných (alespoň na křemíku ), je v něm stále něco z umění. Reprodukovatelnost a spolehlivost vyrobených kontaktů je založena na extrémní čistotě povrchu polovodiče. S nativním oxidem Si02 , který se rychle tvoří na povrchu křemíku, mohou být vlastnosti výsledných kontaktů velmi citlivé na detaily procesu vytváření kontaktu.

Hlavními kroky při vytváření kontaktu jsou čištění povrchu polovodiče, nanášení kontaktní metalizace, vzorování a žíhání. Povrchové čištění lze provádět rozprašovacím leptáním, chemickým leptáním, leptáním reaktivním plynem nebo iontovým leptáním. Například přírodní oxid křemíku lze odstranit leptáním kyselinou fluorovodíkovou (HF), zatímco povrch arsenidu galia (GaAs) se častěji čistí brom-methanolovým leptáním. Po očištění povrchu se kovy deponují naprašováním, odpařováním nebo chemickým napařováním ( CVD ). Naprašování je rychlejší a pohodlnější způsob depozice kovu než odpařování, ale ostřelování plazmovými ionty může vyvolat stavy povrchu nebo dokonce invertovat typ vedení na povrchu. V tomto ohledu je nejvýhodnější mírná, ale stále relativně rychlá KVO. Tvarování požadovaného tvaru kontaktů se provádí standardním fotolitografickým procesem, zejména metodou snímatelné fotolitografie, kdy se kov nanáší otvory ve vrstvě fotorezistu, který se následně smyje. Po nanesení jsou ve většině případů kontakty žíhány, aby se uvolnilo vnitřní mechanické pnutí a také se realizovala požadovaná reakce v pevné fázi mezi kovem a polovodičem.

Měření přechodového odporu se nejčastěji provádí na speciálních zkušebních konstrukcích pomocí jedné z modifikací metody dlouhé čáry (TLM) [5] , čtyřbodové metody [6] nebo Kelvinovy metody , volba konkrétní metody závisí na na poměru přechodového odporu a rezistivity polovodičového filmu a na detailech fotolitografického procesu.

Technologicky důležité typy kontaktů

Moderní ohmické kontakty s křemíkem, jako je titan-wolfram disilicid, nebo jiné sloučeniny, jsou zpravidla silicidy vytvářeny chemickou depozicí z plynné fáze ( CVD ). Kontakty jsou často vytvářeny nanášením přechodného kovu a tvorbou silicidů během procesu žíhání, přičemž složení silicidu může být nestechiometrická. Silicidové kontakty mohou být také vytvořeny přímým naprašováním sloučenin nebo implantací iontů přechodného kovu s následným žíháním. Hliník je další důležitý kov pro technologii křemíku, který lze použít s jakýmkoli (n- a p-) typem polovodiče. Stejně jako u jiných aktivních kovů, Al podporuje tvorbu kontaktů tím, že váže kyslík na oxid a tím „deoxiduje“ rozhraní, což přispívá k dobré adhezi kovu ke křemíku. Silicidy z velké části vytlačují hliník, protože jsou žáruvzdornějšími sloučeninami a jsou méně náchylné k parazitní difúzi (což má za následek strukturální degradaci), zejména během následných vysokoteplotních zpracovatelských cyklů.

Vytvoření kontaktů s polovodičovými sloučeninami je mnohem obtížnější než s křemíkem. Například povrchy GaAs mají tendenci ztrácet arsen (As), který může být výrazně zvýšen depozicí kovu. Nestabilita As navíc omezuje parametry následného žíhání, což degraduje zařízení GaAs. Jedním z řešení pro GaAs a další polovodičové sloučeniny je depozice slitiny s úzkým zakázaným pásem jako kontaktní vrstva, na rozdíl od silně dotované vrstvy na křemíku. Například samotný GaAs má menší zakázané pásmo než AlGaAs, takže vrstva GaAs na jeho povrchu může usnadnit vytvoření ohmického kontaktu. Obecně je technologie ohmických kontaktů na III-V a II-VI polovodičích mnohem méně rozvinutá než na křemíku.

Polovodič	kontaktní formovací materiál
Si	Al , Al-Si, TiSi 2 , TiN , W , MoSi 2 , PtSi, CoSi 2 , WSi 2
Ge	V , AuGa, AuSb
GaAs	AuGe [7] , PdGe, PdSi, Ti/Pt/Au
GaN	Ti/Al/Ti/Au [8] , Pd/Au [9]
SiC	Ni
InSb	v
ZnO	InSn02 , Al _
CuIn 1 - x Ga x Se 2	Po , InSnO2 _
HgCdTe	v

Transparentní nebo průsvitné ohmické kontakty jsou nezbytné pro výrobu aktivních matric LCD, optoelektronických zařízení, jako jsou laserové diody a solární články. Nejběžnějším materiálem pro takové kontakty je indium cín oxid (ITO, indium tin oxide), který vzniká reaktivním naprašováním In-Sn terče v kyslíkové atmosféře.

Praktická hodnota

Časová konstanta RC obvodu , který tvoří přechodový odpor a parazitní kapacitu polovodičové struktury, může omezit frekvenční odezvu zařízení. V procesu nabíjení a vybíjení parazitní kapacity vodičů a pn přechodů je přechodový odpor jednou z hlavních příčin ztrátového výkonu v digitální elektronice s vysokou pracovní frekvencí hodin . Kontaktní odpor způsobuje ztrátu výkonu v důsledku uvolňování Jouleova tepla také v nízkofrekvenčních a analogových obvodech (například solární články ) z méně běžných polovodičů. Vytvoření techniky pro výrobu kontaktů je důležitou součástí technologického vývoje nových polovodičů. Elektromigrace a oddělení kontaktů jsou také faktory omezující životnost elektronických zařízení.

Poznámky

↑ Landau L. D., Lifshitz E. M. Teoretická fyzika. Svazek 3. Kvantová mechanika (nerelativistická teorie). - 4. vydání, Rev. - M .: Věda. 1989. - S. 223.
↑ Roderick E. X. Kov-polovodičové kontakty. - M . : Rádio a komunikace. 1982. - 208 s.
↑ Bonch-Bruevich V. L., Kalašnikov S. G. Fyzika polovodičů (nepřístupný odkaz) . - 1977. - 672 s.
↑ T. V. Blank, Yu. A. Goldberg . Mechanismy toku proudu v ohmických kontaktech kov-polovodič // Physics and Technology of Semiconductors, vol. 41, str. 1281, (2007). Archivováno 6. října 2014 na Wayback Machine .
↑ Andreev A. N., Rastegaeva M. G., Rastegaev V. P., Reshanov S. A. K problematice zohlednění šíření proudu v polovodiči při určování přechodového odporu ohmických kontaktů FTP, 1998, v32, # 7 [1]
↑ Fyzikální diagnostické metody v mikro- a nanoelektronice / ed. A. E. Belyaeva, R. V. Konakova. Charkov: ISMA. 2011. - 284 s. (5,7 Mb) ISBN 978-966-02-5859-4 (nedostupný odkaz)
↑ [2] (downlink) .
↑ [3] (downlink) .
↑ [4] (downlink) .

Odkazy

Sze, SM Fyzika polovodičových součástek (neurčeno) . - John Wiley & Sons , 1981. - ISBN 0-471-05661-8 .
Zangwill, Andrew. Fyzika na plochách (neopr.) . - Cambridge University Press , 1988. - ISBN 0-521-34752-1 .

Slovníky a encyklopedie	velká čínština Britannica (online)
V bibliografických katalozích	GND : 4172515-3 J9U : 987007543521305171 LCCN : sh85094301