Ohmisk kontakt

Ohmisk kontakt - en kontakt mellem et metal og en halvleder eller to forskellige halvledere, kendetegnet ved en lineær og symmetrisk strøm-spændingskarakteristik (CVC). Hvis I–V-karakteristikken er asymmetrisk og ikke-lineær, så er kontakten mere eller mindre ensretter (det er for eksempel en kontakt med en Schottky-barriere , på grundlag af hvilken Schottky-dioden skabes ). I Schottky-barrieremodellen afhænger ensretning af forskellen mellem metallets arbejdsfunktion og halvlederens elektroniske affinitet .

Men i praksis følger metal-halvleder-kontakter i de fleste tilfælde ikke nøjagtig Schottky-modellen, da tilstedeværelsen af ydre overfladetilstande ved metal-halvleder-grænsefladen (f.eks. oxidfilm og partikler og krystalstrukturdefekter ) kan forårsage kontaktens opførsel praktisk talt uafhængig af forskellen mellem et metals arbejdsfunktion og den elektroniske affinitet af en halvleder til en elektron. Ved produktion af halvlederenheder og integrerede kredsløb, for at skabe en ohmsk kontakt, er underkontaktområdet af halvlederen yderligere stærkt doteret (for eksempel anvendes øget doping af n-type siliciumskiver med en donorurenhed, når aluminium anvendes som en metal i kontakt; et stærkt doteret siliciumlag er betegnet n + ). I dette tilfælde bliver tykkelsen af Schottky-barrierens rumladningsregion så lille, at tunnelering af ladningsbærere er mulig gennem den ( feltemission ). Sådanne stærkt doterede områder af strukturen betegnes sædvanligvis p + - for en halvleder med en hultype af ledningsevne og n + - for en halvleder med elektronisk ledningsevne .

Teori

Fermi-niveauerne (eller strengt taget det elektrokemiske potentiale ) af to faste stoffer, når de kommer i kontakt i termisk ligevægt, skal være ens. Forskellen mellem Fermi-energien og vakuumniveauet kaldes arbejdsfunktionen . Et metal og en halvleder kan have forskellige arbejdsfunktioner , som er betegnet hhv . Når to materialer bringes i kontakt, strømmer elektroner fra materialet med den lavere arbejdsfunktion til materialet med den højere arbejdsfunktion, indtil en ligevægt mellem Fermi-niveauerne er nået. Som følge heraf får et materiale med en lavere arbejdsfunktion en lille positiv ladning, mens et materiale med en højere arbejdsfunktion bliver negativt ladet. Det resulterende elektrostatiske potentiale kaldes kontaktpotentialforskellen og betegnes . Dette kontaktpotentiale dannes mellem to faste stoffer og er hovedårsagen til ensretning i dioder. Det indbyggede felt er årsagen til bøjningen af båndgrænserne i halvlederen nær krydset. I de fleste metaller er der ingen mærkbar bøjning af båndgrænserne på grund af den lille skærmlængde, således at det elektriske felt kun strækker sig et kort stykke ud over grænsefladen. $\phi _{\text{M))$ $\phi _{\text{S))$ $V_{\text{bi))$

I den klassiske opfattelse, for at overvinde den potentielle barriere, skal bærere i en halvleder erhverve nok energi til at hoppe fra Fermi-niveauet til toppen af ledningsbåndets kink. Den energi, der kræves for at overvinde barrieren, er lig med summen af det indbyggede potentiale og bias mellem Fermi-niveauet og ledningsbåndet. Med andre ord, for n-type halvledere, denne energi $\phi _{\text{B))$

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

hvor er halvlederens elektronaffinitet , defineret som forskellen mellem vakuumniveauet og bunden af ledningsbåndet (CB). For p-type halvledere på lignende måde $\chi _{\text{S))$

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

hvor er båndgabet. $E_{\text{g))$

Processen, hvor bæreren modtager energi for at overvinde barrieren på grund af termisk energi, kaldes termionisk emission. En lige så vigtig proces i rigtige kontakter er kvantemekanisk tunneling . Den semiklassiske tilnærmelse beskriver det simpleste tilfælde af tunnelering, hvor sandsynligheden for gennemtrængning gennem barrieren er omvendt proportional med eksponenten for produktet af barrierehøjden og dens tykkelse [1] . Ved kontakter er tykkelsen givet af bredden af rumladningsområdet (SCR), som står mål med indtrængningsdybden af det indbyggede felt i halvlederen. SCR-bredden kan beregnes ved at løse Poisson-ligningen og tage højde for tilstedeværelsen af urenheder i halvlederen:

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

hvor i ISS enheder er ladningstætheden? og er permittiviteten. Geometrien er endimensionel, da grænsefladen antages at være flad. Ved at integrere ligningen én gang og antage, at ved en dybde større end SCR-bredden, er ladningstætheden konstant, får vi $\rho$ $\epsilon$

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

Integrationskonstanten, analogt med definitionen af SCR-bredden, kan defineres som den længde, hvor grænsefladen er fuldstændig afskærmet. Derefter $C_{0}=-\rho W/\epsilon$

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

hvor , som blev brugt til at bestemme den resterende konstant for integration. Denne ligning beskriver de stiplede blå kurver på højre side af figuren. SCR'ens bredde kan bestemmes ved at indstille , hvilket fører til $V(0)=V_{\text{bi))$ $V(x)$ $V(W)=0$

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

Til ladningskoncentrationen af ioniserede donorer og acceptorer i en fuldstændig udtømt halvleder . I dette tilfælde og har positive fortegn for n-type halvledere og negative fortegn for p-type, hvilket giver en positiv bøjning for n- og en negativ bøjning for p-type, som vist på figurerne. $0<x<W$ $\rho =eN_{\text{dopant}}$ $\rho$ $V_{\text{bi))$ $V''(x)$

Heraf ser det ud til, at konklusionen følger, at barrierehøjden (afhængig af elektronaffiniteten og overfladenærfeltet) og barrieretykkelsen (afhængig af det indbyggede felt, halvlederpermittivitet og doteringsmiddelkoncentration) kun kan ændres ved at udskifte metallet eller ændre dopingkoncentrationen. Det er imidlertid blevet observeret, at Fermi-niveauet er etableret ved omtrent den samme energi inde i båndgabet for både n- og p-typer af Si (det vil sige summen og cirka ). Formentlig er positionen af Fermi-niveauet påvirket af grænsefladens tilstand og strukturelle faktorer på grund af den meget høje tæthed af overfladetilstande. Bemærk, at for ohmske kontakter behøver du normalt ikke bekymre dig om, at den ohmske kontakts karakteristika ændrer sig lidt over tid, fordi der i de fleste tilfælde falder meget lidt spænding over kontakten. $\phi _{\text{bn))$ $\phi _{\text{bp))$ $E_{\text{g))$

Generelt vælges kontaktmetallet ud fra egenskaberne ledningsevne, kemisk inertitet, termisk stabilitet, elektrisk stabilitet og lav termisk stress, og derefter øges dopingtætheden under kontakten for at indsnævre bredden af barriereområdet. Det er lettere at skabe en ohmsk kontakt med halvledere med lavere effektive masser af ladningsbærere, da tunnelkoefficienten afhænger eksponentielt af ladningsbærerens masse. Derudover danner halvledere med mindre båndgab lettere ohmske kontakter, fordi deres elektronaffinitet (og dermed potentielle barrierehøjde) generelt er lavere.

Selvom den enkle teori, der er skitseret ovenfor, forudsiger, at metaller, hvis arbejdsfunktion er tæt på elektronaffiniteten af en halvleder, lettest bør danne ohmske kontakter, i virkeligheden danner metaller med en høj arbejdsfunktion bedre ikke-ensretter kontakter med p-type halvledere. mens metaller med lav arbejdsfunktion danner bedre ikke-ensretterende kontakter med n-type halvledere. Desværre har eksperimenter vist, at den forenklede models forudsigelseskraft ikke rækker langt ud over dette fænomen. Under virkelige forhold kan kontaktmetallet reagere med overfladen af halvledere og danne forbindelser med forskellige elektroniske egenskaber. Et lag af forurenende stoffer ved grænsefladen kan effektivt udvide barrieren. Overfladen af en halvleder kan rekonstrueres , hvilket resulterer i nye elektroniske egenskaber. Kontaktmodstand afhænger af træk ved grænsefladereaktioner, hvilket gør den reproducerbare fremstilling af ohmske kontakter til et betydeligt teknologisk problem [2] [3] [4] .

Produktion og kontrol af parametre for ohmske kontakter

På trods af at processen med at lave ohmske kontakter er en af de grundlæggende og velundersøgte (i hvert fald på silicium ), er der stadig noget af kunst i det. Reproducerbarheden og pålideligheden af de fremstillede kontakter er baseret på den ekstreme renhed af halvlederoverfladen. Med naturligt SiO 2 -oxid, der hurtigt dannes på siliciumoverfladen, kan egenskaberne af de resulterende kontakter være meget følsomme over for detaljerne i kontaktdannelsesprocessen.

De vigtigste trin i at skabe en kontakt er rengøring af halvlederoverfladen, kontaktmetallisering, mønsterdannelse og udglødning. Overfladerensning kan udføres ved sprayætsning, kemisk ætsning, reaktiv gasætsning eller ionætsning. For eksempel kan naturligt siliciumoxid fjernes ved flussyre (HF) ætsning, mens galliumarsenid (GaAs) overflade oftere renses ved brom-methanol ætsning. Efter rengøring af overfladen aflejres metallerne ved sputtering, fordampning eller kemisk dampaflejring ( CVD ). Sputtering er en hurtigere og mere bekvem metode til metalaflejring end fordampning, men plasmaionbombardement kan inducere overfladetilstande eller endda invertere typen af ledning på overfladen. I denne henseende er mild, men stadig relativt hurtig CVD mest foretrukket. Formning af kontakternes krævede form udføres ved en standard fotolitografisk proces, især ved metoden med aftagelig fotolitografi, hvor metallet påføres gennem huller i fotoresistlaget, som derefter vaskes af. Efter afsætning udglødes kontakterne i de fleste tilfælde for at aflaste interne mekaniske spændinger samt for at implementere den ønskede faststofreaktion mellem metallet og halvlederen.

Målingen af kontaktmodstand udføres oftest på specielle teststrukturer ved hjælp af en af modifikationerne af langlinjemetoden (TLM) [5] , firepunktsmetoden [6] eller Kelvin-metoden , valget af en bestemt metode afhænger af på forholdet mellem kontaktmodstand og resistivitet af halvlederfilmen og på detaljerne i den fotolitografiske proces.

Teknologisk vigtige typer af kontakter

Moderne ohmske kontakter til silicium, såsom titanium-wolfram disilicid, eller andre forbindelser, som regel dannes silicider ved kemisk dampaflejring ( CVD ). Kontakter skabes ofte ved aflejring af et overgangsmetal og dannelse af silicider under udglødningsprocessen, hvorved silicidsammensætningen kan være ikke-støkiometrisk. Silicidkontakter kan også dannes ved direkte sammensatte sputtering eller overgangsmetalionimplantation efterfulgt af udglødning. Aluminium er et andet vigtigt metal til siliciumteknologi, der kan bruges med enhver (n- og p-) type halvleder. Som med andre aktive metaller fremmer Al kontaktdannelse ved at binde oxygen til oxidet og derved "deoxidere" grænsefladen, hvilket bidrager til en god vedhæftning af metallet til silicium. Silicider fortrænger i høj grad aluminium delvist, fordi de er mere ildfaste forbindelser og er mindre modtagelige for parasitisk diffusion (hvilket resulterer i strukturel nedbrydning), især under efterfølgende højtemperaturbehandlingscyklusser.

Dannelsen af kontakter til halvlederforbindelser er meget vanskeligere end til silicium. For eksempel har GaAs-overflader en tendens til at miste arsen (As), som i høj grad kan forstærkes af metalaflejring. Derudover begrænser As-ustabilitet parametrene for efterfølgende annealing, hvilket nedbryder GaAs-enheder. En løsning for GaAs og andre halvlederforbindelser er aflejring af en legering med et smalbåndsgab som et kontaktlag, i modsætning til det stærkt dopede lag på silicium. For eksempel har GaAs i sig selv et mindre båndgab end AlGaAs, så et GaAs-lag på overfladen kan lette skabelsen af en ohmsk kontakt. Generelt er teknologien for ohmske kontakter på III-V og II-VI halvledere meget mindre udviklet end på silicium.

Halvleder	kontaktdannende materiale
Si	Al , Al - Si, TiSi2 , TiN , W , MoSi2 , PtSi , CoSi2 , WSi2
Ge	I , AuGa, AuSb
GaAs	AugGe [7] , PdGe, PdSi, Ti/Pt/Au
GaN	Ti/Al/Ti/Au [8] , Pd/Au [9]
SiC	Ni
InSb	I
ZnO	InSnO2 , Al _
CuIn 1 - x Ga x Se 2	Mo , InSnO2 _
HgCdTe	I

Transparente eller gennemskinnelige ohmske kontakter er afgørende for produktionen af aktive matrix LCD'er, optoelektroniske enheder såsom laserdioder og solceller. Det mest almindelige materiale til sådanne kontakter er indiumtinoxid (ITO, indiumtinoxid), som dannes ved reaktiv sputtering af et In-Sn-mål i en oxygenatmosfære.

Praktisk værdi

Tidskonstanten for et RC-kredsløb , som danner kontaktmodstanden og parasitkapacitansen af en halvlederstruktur, kan begrænse enheders frekvensrespons . I processen med opladning og afladning af den parasitære kapacitans af ledere og pn-forbindelser er kontaktmodstand en af hovedårsagerne til effekttab i digital elektronik med en høj driftsklokfrekvens . Kontaktmodstand forårsager strømtab på grund af frigivelse af Joule-varme også i lavfrekvente og analoge kredsløb (for eksempel solceller ) fra mindre almindelige halvledere. Skabelsen af en teknik til fremstilling af kontakter er en vigtig del af den teknologiske udvikling af nye halvledere. Elektromigrering og adskillelse i kontakter er også livsbegrænsende faktorer for elektroniske enheder.

Noter

↑ Landau L. D., Lifshitz E. M. Theoretical Physics. Bind 3. Kvantemekanik (ikke-relativistisk teori). - 4. udg., Rev. - M . : Videnskab. 1989. - S. 223.
↑ Roderick E. X. Metal-halvlederkontakter. - M . : Radio og kommunikation. 1982. - 208 s.
↑ Bonch-Bruevich V. L., Kalashnikov S. G. Halvlederes fysik (utilgængeligt link) . - 1977. - 672 s.
↑ T. V. Blank, Yu. A. Goldberg . Mekanismer for strømflow i ohmske metal-halvlederkontakter // Physics and Technology of Semiconductors, bind 41, s. 1281, (2007). Arkiveret 6. oktober 2014 på Wayback Machine .
↑ Andreev A. N., Rastegaeva M. G., Rastegaev V. P., Reshanov S. A. Om spørgsmålet om at tage højde for spredning af strøm i en halvleder ved bestemmelse af den transiente modstand af ohmske kontakter FTP, 1998, v32, # 7 [1]
↑ Fysiske diagnostiske metoder i mikro- og nanoelektronik / red. A.E. Belyaeva, R.V. Konakova. Kharkov: ISMA. 2011. - 284 s. (5,7 Mb) ISBN 978-966-02-5859-4 (utilgængeligt link)
↑ [2] (downlink) .
↑ [3] (downlink) .
↑ [4] (downlink) .

Links

Sze, SM Fysik af halvlederenheder (ubestemt) . - John Wiley & Sons , 1981. - ISBN 0-471-05661-8 .
Zangwill, Andrew. Fysik ved overflader (neopr.) . - Cambridge University Press , 1988. - ISBN 0-521-34752-1 .

Ordbøger og encyklopædier	stor kinesisk Britannica (online)
I bibliografiske kataloger	GND : 4172515-3 J9U : 987007543521305171 LCCN : sh85094301