1 Контакты полупроводник—металл

Структура и свойства контактов металл-полупроводник зависят в первую очередь от взаимного расположения уровней Ферми в том и другом слое.

На рис. 3.5 вверху показаны зонные диаграммы разделенных слоев, а внизу — зонные диаграммы соответствующих контактов (после «соприкосновения» слоев и установления равновесия).

Рис.3.5. Зонные диаграммы выпрямляющих контактов металла с полупроводником: а – контакт с полупроводником р-типа; б - контакт с полупроводником n- типа

Выпрямляющие контакты. На рис. 3.5.а показаны зонные диаграммы для случая, когда φ_Fm>φ_Fp. Такое соотношение означает, что заполненность зоны проводимости в полупроводнике меньше, чем заполненность такого же энергетического участка в металле. Поэтому после «соприкосновения» слоев часть электронов перейдет из металла в полупроводник p-типа. Появление дополнительных электронов в приповерхностном слое полупроводника приводит к усиленной рекомбинации. В результате уменьшается количество основных носителей — дырок, и вблизи границы с металлом «обнажаются» некомпенсированные отрицательные ионы акцепторов. Появляется электрическое поле, которое препятствует дальнейшему притоку электронов и обеспечивает больцмановское равновесие в области контакта. Энергетические уровни оказываются искривленными «вниз».

На рис. 3.5,б показаны зонные диаграммы для случая φ_Fm<φ_Fp, когда после соприкосновения слоев электроны переходят из полупроводника n-типа в металл. Соответственно вблизи границы с металлом «обнажаются» положительные некомпенсированные ионы доноров, а зоны искривляются «вверх».

Область искривления зон (т.е. область объемных зарядов) в обоих случаях имеет протяженность обычно 0,1-0,2 мкм.

Контакты такого рода в настоящее время создаются напылением металла на полупроводник в вакууме.

Обмен электронами между металлом и полупроводником обычно характеризуют не разностью «исходных» уровней Ферми, а разностью работ выхода.

Работой выхода электрона из твердого тела называют энергию, необходимую для вылета за пределы кристалла (т.е. для термоэмиссии).

На зонных диаграммах работа выхода есть энергетическое «расстояние» между уровнем свободного электрона вне твердого тела и уровнем Ферми.

На рис. 3.5 работы выхода из металла и из полупроводника обозначены соответственно через φ_M и φ_S.

Разность работ выхода φ_MS = φ_M – φ_S, (3.13)

выраженную в вольтах, называют контактной разностью потенциалов.

В зависимости от соотношения работ выхода φ_M и φ_S электроны переходят в тот или иной слой. Если φ_M < φ_S (т.е. φ_MS <0), то электроны переходят из металла в полупроводник (рис. 3.5, а), если же φ_M > φ_S (т.е. φ_MS >0), то электроны переходят из полупроводника в металл (рис. 3.5,б).

Степень искривления энергетических зон вблизи поверхности (рис. 3.5) характеризуется величиной равновесного поверхностного потенциала φ_S0. Если пренебречь ролью поверхностных состояний, то величина φ_S0 будет равна контактной разности потенциалов φ_MS.

Оба контакта, показанные на рис. 3.5, характерны наличием обедненных слоев в приконтактном слое полупроводника. Здесь концентрация основных носителей меньше по сравнению с равновесной, сохранившейся вдали от контакта. Следовательно, такой приконтактный слой обладает повышенным удельным сопротивлением и поэтому определяет сопротивление всей системы.

Потенциальный барьер в приконтактном слое называют барьером Шоттки. Его высота φ_S0 является аналогом величины в Δφ₀ р-n-переходе.

В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения потенциал φ_S и соответственно сопротивление приконтактного слоя будут меняться.

Так, если напряжение приложено плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, то потенциальный барьер в контакте на рис 3.5, а повышается. Тогда приконтактный слой еще больше обедняется основными носителями — дырками и, следовательно, будет иметь повышенное сопротивление по сравнению с равновесным. Значит, напряжение с этой полярностью является для данного контакта обратным. В контакте на рис. 3.5,б при той же полярности напряжения потенциальный барьер понижается, приконтактный слой обогащается основными носителями — электронами и его сопротивление будет меньше равновесного. Значит, напряжение с этой полярностью является для данного контакта прямым.

Таким образом, контакты, показанные на рис. 3.5, обладают выпрямляющими свойствами.

Зонная диаграмма контакта, содержащего инверсионный р-слой, показана на рис. 3.6.

Этот случай характерен для сильного искривления зон, т.е. для больших контактных разностей потенциалов φ_MS, когда вблизи границы уровень электростатического потенциала пересекает уровень Ферми. Толщина инверсионного

слоя не превышает 1-2 нм. Невыпрямляющие контакты. Пусть для контакта металла с полупроводником p-типа имеет место неравенство φMS > 0, а для контакта с полупроводником n-типа — неравенство φMS < 0 (рис. 3.7). Как уже известно, в первом случае электроны будут переходить из полупроводника в металл и зоны искривятся «вверх», а во втором случае электроны будут переходить из металла в полупроводник и зоны искривятся «вниз».

Рис.3.6. Зонная диаграмма контакта с инверсионным слоем

Рис.3.7. Зонные диаграммы невыпрямляющих контактов металла

с полупроводником:

а – контакт с полупроводником р-типа; б – контакт с полупроводником n-типа

В таких контактах вблизи границы в полупроводнике накапливаются основные носители, т.е. получаются обогащенные слои. Их протяженность составляет сотые доли микрометра.

Наличие обогащенного слоя означает, что сопротивление системы в целом определяется нейтральным слоем полупроводника и, следовательно, не зависит ни от величины, ни от полярности приложенного напряжения. Такие невыпрямляющие комбинации металла с полупроводником называют омическими контактами.

Омические контакты осуществляются в местах присоединения выводов к полупроводниковым слоям.

В микроэлектронике в настоящее время наиболее распространенным металлом для омических контактов является алюминий. Получение омических контактов — задача не менее важная, чем получение выпрямляющих контактов.

Помимо двусторонней проводимости, важным свойством омического контакта является ничтожное время жизни избыточных носителей в обогащенном слое. Поэтому при анализе полупроводниковых приборов обычно считают, что концентрации избыточных носителей на омическом контакте равны нулю.

Невыпрямляющий контакт меньше влияет на свойства и параметры полупроводникового прибора при следующих условиях:

1) если отсутствует инжекция неосновных носителей заряда через невыпрямляющий контакт в полупроводник;

2) при минимально возможном падении напряжения на невыпрямляющем контакте, т. е. при минимальном сопротивлении;

3) если вольт-амперная характеристика невыпрямляющего контакта линейна.

Структура реального невыпрямляющего контакта.

Невыпрямляющий контакт, удовлетворяющий перечисленным требованиям, имеет сравнительно сложную структуру. Он состоит из нескольких последовательно соединенных контактов, рис.3.8.

Для меньшей вероятности накопления неосновных носителей заряда около контакта металл — полупроводник потенциальный барьер здесь должен быть по возможности меньшим. Поэтому металл желательно подобрать с работой выхода, которая мало бы отличалась от работы выхода электронов, в полупроводнике. Так как это обеспечить

Рис.3.8. Структура реального невыпрямляющего контакта

трудно, то поверхностный слой полупроводника должен быть сильно легирован для обеспечения возможности туннелирования носителей заряда сквозь потенциальный барьер.

На контакте двух полупроводников с разной степенью легирования также может происходить накопление неосновных носителей заряда. Для меньшего влияния этого явления на характеристики и параметры полупроводникового прибора целесообразно в поверхностный слой полупроводника вводить примеси рекомбинационных ловушек (например, золото), что уменьшит время жизни носителей заряда в этой части структуры. При малом времени жизни накопленные носители заряда будут быстро рекомбинировать, т.е. процесс их рассасывания меньше будет сказываться на параметрах прибора.

Однако в реальных невыпрямляющих контактах часто образуются различные промежуточные слои, ухудшающие свойства контактов. Поэтому окончательную доработку технологии невыпрямляющих контактов проводят экспериментально.