Документ Microsoft Word. Омический контакт
 Скачать 77.45 Kb.
|
|
Омический контакт — это контакт металл–полупроводник, в котором не проявляется потенциальный барьер на границе раздела; он является неотъемлемой частью любого полупроводникового прибора. Исследования омических контактов начались ∼ 60 лет назад, когда было замечено, что на границе Ni−CdS существует потенциальный барьер, а на границе Al−CdS его нет, и Шоттки [1] предположил, что барьер не образуется, когда работа выхода электрона из металла 8m меньше энергии сродства к электрону полупроводника Xs. В 40−50-x годах XX века, когда получили развитие полупроводники AIIIBV, Бардин [2] указал, что наличие барьера часто обусловлено не работой выхода электрона из металла, а плотностью и энергетическим распределением поверхностных состояний полупроводника, которые, по мнению Спайсера, образуются из-за наличия на поверхности полупроводника посторонних атомов, например, атомов кислорода. Ранний этап исследования омических контактов рассмотрен в обзоре. Дальнейшие исследования проводились в трех направлениях. Во-первых, проводились технологические работы с целью снижения сопротивления омических контактов до такой степени, чтобы они не проявлялись в свойствах полупроводниковых приборов. Величины сопротивления омических контактов, приведенные к единице площади, достигли Rc = 10−6−10−8 Ом · см2. Это осуществлялось либо за счет изменения химического состава приконтактной области полупроводника, либо за счет дополнительного легирования. Во-вторых, изучался состав фаз, образующихся на границе металл–полупроводник, методом рентгеноспектрального анализа, химического анализа, ожеспектроскопии, туннельной микроскопии. На основании этих исследований был определен оптимальный химический состав приконтактной области полупроводника, обеспечивающий минимальное сопротивление контакта. В-третьих, были разработаны методы определения сопротивления омического контакта, которое часто составляет малую часть общего сопротивления структуры. Сопротивление омических контактов определялось из зависимости разности потенциалов между несколькими контактами от расстояния между ними [5]; из зависимости сопротивления структуры металл–полупроводник– металл с двумя омическими контактами от толщины структуры [6]; из анализа характеристик контактов различного диаметра [7], а также методом линии передачи [8]. Этот этап развития омических контактов отражен в общих обзорах [6,9–13], а также в обзорах по конкретным полупроводникам: ZnO [14], ZnS [15], GaAs, GaN, ZnSe [16], SiC [17], C (алмаз) [18]. С середины 90-х годов ХХ века начинаются исследования зависимости сопротивления омических контактов от температуры, концентрации носителей заряда, ширины запрещенной зоны полупроводника и так далее с целью установить механизм протекания тока через омический контакт. Теоретически рассматривались как традиционные для барьеров Шоттки механизмы протекания тока (термоэлектронная эмиссия, термополевая эмиссия, полевая эмиссия), так и другие механизмы (рекомбинация, металлические шунты). Механизм протекания тока определялся из сравнения экспериментальных результатов с этими теориями. Эти исследования выполнялись как для полупроводников AIIBVI, AIIIBV, AIVBIV, так и для твердых растворов на их основе. Систематизации этих исследований посвящен обзор. Образование омического контакта Как известно, контакт металл–полупроводник может быть либо выпрямляющим (барьерным), если потенциальный барьер между металлом и полупроводником туннельно-непрозрачный; либо омическим, если потенциальный барьер отсутствует или он туннельнопрозрачен для электронов. Омический контакт обычно образуется в случаях, когда: — потенциальный барьер между металлом и полупроводником отсутствует; например, если для полупроводника n-типа с низкой плотностью поверхностныхи состояний в запрещенной зоне выбран металл с работой выхода электронов, меньшей, чем сродство к электрону полупроводника (рис. 1, a); — потенциальный барьер присутствует, но он узкий (туннельно-прозрачный), что достигается сильным легированием приповерхностной области полупроводника (рис. 1, b и 2, c); при этом электроны переходят границу раздела сквозь барьер по всей его высоте (полевая эмиссия); — потенциальный барьер присутствует, но он низкий, в результате чего он легко преодолевается носителями заряда. Такая ситуация что обычно достигается изменением химического состава полупроводника вблизи контакта, например, созданием узкозонного приконтактного слоя; в этом случае электроны переходят границу раздела над барьером (термоэлектронная эмиссия) (рис. 2, a). Возможна также комбинация двух последних механизмов, когда электроны переходят сквозь вершину барьера (рис. 2, b) — термополевая эмиссия. В последнее время были рассмотрены механизмы, при которых потенциальный барьер металл–полупроводник присутствует, но — слой объемного заряда закорочен металлическими шунтами, образовавшимися, например, за счет осаждения атомов металлов на дислокациях и других несовершенствах полупроводника (этот механизм характерен для сплавных омических контактов); — из-за большого количества дефектов кристаллической решетки вблизи контакта время жизни носителей заряда исключительно мало, и омический контакт образуется за счет рекомбинации носителей заряда (этот механизм проявляется редко).  Рис. 1. Энергетические диаграммы омических контактов к полупроводникам n-типа: a — полупроводник не имеет поверхностных состояний и 8m < Xs (на примере Mg–n-GaN); b — полупроводник содержит поверхностные состояния большой плотности в запрещенной зоне (на примере Au–n-GaP), но приповерхностная область сильно легирована. Evac — уровень вакуума, χ — уровень Ферми.  Рис. 2. Механизмы протекания тока в омическом контакте металл–полупроводник: a — термоэлектронная эмиссия электронов над барьером; b — термополевая эмиссия электронов сквозь вершину барьера; c — туннелирование (полевая эмиссия) электронов сквозь баерьер Сопротивление омического контакта Основной характеристикой омического контакта является его сопротивление, приведенное к единице площади. Оно состоит из последовательно соединенных сопротивлений: — сопротивления приконтактной области полупроводника, — сопротивления, связанного с прохождением электронами потенциального барьера. Омические контакты к полупроводникам AIIBVI В полупроводниках AIIBVI, а также в нитридах (GaN, AlN) плотность поверхностных состояний мала, и омический контакт образуется с такими металлами, для которых работа выхода электронов 8m меньше cродства к электрону полупроводника Xs(n-типа) либо работа выхода электронов из металла 8m больше суммы сродства к электрону полупроводника Xs и ширины запрещенной зоны Eg (p-тип): 8m < Xs в случае n-типа 8m > Eg + Xs в случае p-типа В последние годы ZnSe и твердые растворы на его основе начинают использоваться для фотоприемников синего и ультрафиолетового света в основном для регистрации лазерного излучения; эти материалы легко выращиваются на GaAs-подложках. Омический контакт к n-ZnSe дает, например, In или сплав Ti–Pt–Au (8m = 4.3 эВ), и при создании контакта требуется только удалять возможный промежуточный слой, что достигается термообработкой при T > 200 K. В то же время в случае p-ZnSe не существует металлов с работой выхода 8m, большей, чем сумма сродства к электрону Xs и ширины запрещенной зоны Eg , и потенциальный барьер всегда существует. Поэтому для создания омического контакта обычно изменяют состав приповерхностной области, например, наращивают на поверхность варизонный слой p-ZnSexTe1−x либо используют в качестве металлической пленки HgSe (Xs = 6.1 эВ); в результате высота барьера уменьшается до 0.4 эВ. Механизм протекания тока в омических контактах к ZnSe и ZnO подробно не изучался, но на основании того, что сопротивление контакта к сильно легированным n-ZnSe и n-ZnO обычно не зависит от температуры, предполагается туннельный механизм протекания тока. В работе для случая p-ZnSe (p = 1017−1019 см−3) предполагается туннелирование вместе с термоэлектронной эмиссией, причем высота барьера, преодолеваемая электронами, была оценена величиной 1ϕb = 0.3 эВ (в структурах с p = 1017 см−3) |