Омический контакт - Ohmic contact

An омический контакт не-исправление электрическое соединение: соединение между двумя проводниками, имеющее линейный ток – напряжение (I-V) кривая как с Закон Ома. Омические контакты с низким сопротивлением используются для обеспечения беспрепятственного протекания заряда в обоих направлениях между двумя проводниками без блокировки из-за выпрямления или избыточного рассеивания мощности из-за пороговых значений напряжения.

Напротив, соединение или контакт, не имеющий линейной кривой ВАХ, называется неомическим. Неомические контакты бывают разных форм, например: p – n переход, Барьер Шоттки, исправляя гетеропереход, или же авария соединение.

Обычно термин «омический контакт» неявно относится к омическому контакту металла с полупроводником, где достигается омический контакт. Контактное сопротивление возможно, но требует осторожной техники. Омические контакты металл-металл относительно проще создать, поскольку они обеспечивают прямой контакт между металлами без промежуточных слоев изоляционных загрязнений, чрезмерной шероховатости или окисление; Для создания омических переходов металл-металл используются различные методы (пайка, сварка, опрессовка, отложение, гальваника, так далее.). Эта статья посвящена омическим контактам металл – полупроводник.

Стабильные контакты на границах раздела полупроводников, с низким Контактное сопротивление и линейное поведение ВАХ, имеют решающее значение для производительности и надежности полупроводниковые приборы, их подготовка и определение характеристик - основные усилия при изготовлении схем. Плохо подготовленные переходы к полупроводникам могут легко показать выпрямительное поведение, вызывая истощение полупроводника рядом с переходом, делая устройство бесполезным, блокируя поток заряда между этими устройствами и внешней схемой. Омические контакты к полупроводникам обычно создаются путем нанесения тонких металлических пленок тщательно подобранного состава с возможным последующим нанесением отжиг для изменения связи полупроводник – металл.

Физика образования омических контактов металл – полупроводник.

Оба омических контакта и Барьеры Шоттки зависят от высоты барьера Шоттки, который устанавливает порог избыточной энергии, необходимой электрону для перехода от полупроводника к металлу. Чтобы переход мог легко пропускать электроны в обоих направлениях (омический контакт), высота барьера должна быть небольшой по крайней мере в некоторых частях поверхности перехода. Чтобы образовался отличный омический контакт (низкое сопротивление), высота барьера должна быть везде небольшой и, кроме того, поверхность раздела не должна отражать электроны.

Высота барьера Шоттки между металлом и полупроводником наивно предсказывается Правило Шоттки-Мотта быть пропорциональным разности металл-вакуум рабочая функция и полупроводник-вакуум электронное сродство На практике большинство интерфейсов металл-полупроводник не следуют этому правилу в предсказуемой степени. Вместо этого химическое прекращение контакта полупроводникового кристалла с металлом создает электронные состояния в его запрещенная зона. Природа этих щелочные состояния, индуцированные металлом и их заполнение электронами стремится закрепить центр запрещенной зоны на уровне Ферми - эффект, известный как Пиннинг уровня Ферми. Таким образом, высота барьеров Шоттки в контактах металл-полупроводник часто мало зависит от значения работы выхода полупроводника или металла, что резко контрастирует с правилом Шоттки-Мотта.^[1] Это демонстрируют разные полупроводники. Пиннинг уровня Ферми в разной степени, но технологическим последствием является то, что омические контакты высокого качества (с низким сопротивлением) обычно трудно сформировать в важных полупроводниках, таких как кремний и арсенид галлия.

Правило Шоттки-Мотта не совсем неверно, поскольку на практике металлы с высокой работой выхода образуют лучшие контакты с полупроводниками p-типа, в то время как металлы с низкой работой выхода образуют лучшие контакты с полупроводниками n-типа. К сожалению, эксперименты показали, что предсказательная сила модели не выходит далеко за рамки этого утверждения. В реальных условиях контактные металлы могут реагировать с поверхностями полупроводников с образованием соединения с новыми электронными свойствами. Слой загрязнения на границе раздела может эффективно расширить барьер. Поверхность полупроводника может реконструировать приводя к новому электронному состоянию. Зависимость контактного сопротивления от деталей межфазной химии - вот что делает воспроизводимое изготовление омических контактов такой производственной проблемой.

Подготовка и определение характеристик омических контактов

Изготовление омических контактов - это хорошо изученная часть материаловедение это, тем не менее, остается чем-то вроде искусства. Воспроизводимое и надежное изготовление контактов зависит от исключительной чистоты поверхности полупроводника. Поскольку родные окись быстро образуется на поверхности кремний, например, эффективность контакта может сильно зависеть от деталей подготовки. Часто область контакта сильно допированный для обеспечения желаемого типа контакта. Как правило, омические контакты на полупроводниках образуются легче, когда полупроводник сильно нагружен. допированный рядом с перекрестком; высокий уровень допирования сужает область истощения на границе раздела и позволяют электронам легко течь в обоих направлениях при любом смещении туннелирование через барьер.

Основными этапами изготовления контактов являются очистка поверхности полупроводников, нанесение контактного металла, формирование рисунка и отжиг. Очистка поверхности может выполняться травлением распылением, химическим травлением, травлением реактивным газом или ионным измельчением. Например, природный оксид кремния может быть удален с помощью плавиковая кислота окунуться, пока GaAs чаще всего очищают окунанием в бром-метанол. После очистки металл откладывается через напыление, испарение или же химическое осаждение из паровой фазы (CVD). Распыление - более быстрый и более удобный метод осаждения металла, чем испарение, но ионная бомбардировка из плазмы может вызвать поверхностные состояния или даже изменить тип носителя заряда на поверхности. По этой причине все более предпочтительны более мягкие, но все же быстрые ССЗ. Рисунок контактов выполняется стандартными методами фотолитографии, такими как отрыв, где контактный металл осаждается через отверстия в слое фоторезиста, который затем растворяется. Отжиг контактов после осаждения полезен для снятия напряжения, а также для инициирования любых желаемых реакций между металлом и полупроводником.

Поскольку осажденные металлы сами могут окисляться в условиях окружающей среды в ущерб электрическим свойствам контактов, обычно образуются омические контакты со слоистыми структурами. Нижний слой, контактирующий с полупроводником, выбран из-за его способности вызывать омическое поведение. Верхний слой выбран из-за его низкой реакционной способности. По желанию может использоваться трехслойная структура. В этом случае средний слой служит диффузионным барьером, предотвращающим смешение металлов во время любого процесса отжига.

Измерение Контактное сопротивление проще всего выполнить с помощью четырехточечный зонд хотя для более точного определения используйте метод линии передачи типично.

Технологически важные виды контактов

Современные омические контакты к кремнию, такие как дисилицид титана-вольфрама, обычно силициды сделано CVD. Контакты часто создаются путем нанесения переходного металла и образования силицида путем отжиг в результате силицид может быть нестехиометрический. Силицидные контакты также могут быть нанесены прямым распылением соединения или ионной имплантацией переходного металла с последующим отжигом. Алюминий является еще одним важным контактным металлом для кремния, который можно использовать с полупроводниками n-типа или p-типа. Как и другие химически активные металлы, Al способствует образованию контактов, потребляя кислород в родном оксиде. Силициды в значительной степени заменили Al отчасти потому, что более тугоплавкие материалы менее склонны к диффузии в непредусмотренные области, особенно во время последующей высокотемпературной обработки.

Создание контактов с составными полупроводниками значительно труднее, чем с кремнием. Например, поверхности GaAs имеют тенденцию терять мышьяк и тенденция к потере As может быть значительно усилена осаждением металла. Кроме того, летучесть As ограничивает количество отжигов после осаждения, которые допускают устройства на основе GaAs. Одним из решений для GaAs и других сложных полупроводников является нанесение малозонной сплав контактный слой в отличие от сильно легированного слоя. Например, сам GaAs имеет меньшую ширину запрещенной зоны, чем AlGaAs, и поэтому слой GaAs вблизи его поверхности может способствовать омическому поведению. В целом технология омических контактов для III-V и II-VI полупроводники гораздо менее развиты, чем для Si.

Прозрачные или полупрозрачные контакты необходимы для ЖК-дисплеи с активной матрицей, оптоэлектронный такие устройства, как лазерные диоды и фотогальваника. Самый популярный выбор - оксид индия и олова, металл, образованный реактивное распыление мишени In-Sn в оксидной атмосфере.

Значимость

В Постоянная времени RC связана с Контактное сопротивление может ограничить частотный отклик устройств. Зарядка и разрядка сопротивления проводов является основной причиной рассеивания мощности в тактовая частота цифровая электроника. Контактное сопротивление вызывает рассеяние мощности через Джоулевое нагревание в низкочастотных и аналоговых цепях (например, солнечные батареи ) из менее распространенных полупроводников. Разработка методологии изготовления контактов является важной частью технологического развития любого нового полупроводника. Электромиграция и расслоение у контактов также есть ограничение на срок службы электронных устройств.

Рекомендации

• Зе, С. (1981). Физика полупроводниковых приборов. Джон Вили и сыновья. ISBN  978-0-471-05661-4. Обсуждение теории плюс применение устройства.
• Зангвилл, Эндрю (1988). Физика на поверхности. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-34752-5. Подходит к контактам с точки зрения состояния поверхности и реконструкции.

Смотрите также

• Журнал Американского вакуумного общества, Тонкие твердые пленки и Журнал Электрохимического общества - журналы, в которых публикуются текущие исследования омических контактов.