Жартылай өткізгіштермен электрлік байланыстар түрлері

Кіріспе

Жартылай өткізгіштерге электрлік байланыс түрі

Омдық контакті – түзетуші емес электрлік түйісу: екі өткізгіш арасындағы түйісу, Ом заңына сәйкес сызықты ток-кернеу (ТК) қисығына ие. Төмен кедергілі омдық контактілер екі өткізгіш арасында екі бағытта да зарядтың оңай ағызуын қамтамасыз ету үшін қолданылады, түзету немесе кернеу шегіне байланысты артық қуаттың ысырабынан туындайтын бұғаттаусыз. Керісінше, сызықты ТК қисығын көрсетпейтін түйісу немесе контакті омдық емес деп аталады. Омдық емес контактілер түрлі формаларда келеді, мысалы, p-n түйісуі, Шоттки кедергісі, түзетуші гетерожүйін немесе бұзылу түйісуі. Әдетте, "омдық контакті" термині металл мен жартылай өткізгіш арасындағы омдық контактіні білдіреді, онда омдық контактінің кедергісіне қол жеткізу мүмкін, бірақ мұқият техника талап етіледі. Металл-металл омдық контактілерін жасау салыстырмалы түрде оңай, себебі металдар арасында оқшаулағыш ластану, шамадан тыс тегіссіздік немесе тотығудың араласу қабаттары болмай, тікелей контакті қамтамасыз етіледі; омдық металл-металл түйісуін жасау үшін әртүрлі техникалар қолданылады (жұптастыру, дәнекерлеу, қысу, жабынды жасау, электролық қаптау және т.б.). Бұл мақала металл-жартылай өткізгіш омдық контактілеріне арналған. Жартылай өткізгіш интерфейстеріндегі тұрақты контактілер, төмен контактілік кедергісі және сызықты ТК мінез-құлқы жартылай өткізгіш құрылғыларының жұмыс істеуі мен сенімділігі үшін маңызды, ал оларды дайындау және сипаттау схема жасаудағы маңызды жұмыстардың бірі болып табылады. Жарымөткізгіштерге нашар дайындалған түйісулер жартылай өткізгіштің түйісу маңындағы аймағының тозуын тудыру арқылы түзетуші мінез-құлқына ие болуы мүмкін, бұл құрылғыны және сыртқы тізбектер арасындағы заряд ағынын тоқтату арқылы пайдасыз етеді. Жартылай өткізгіштерге арналған омдық контактілер әдетте мұқият таңдалған құрамы бар жұқа металл қабаттарын жабу арқылы жасалады, содан кейін жартылай өткізгіш-металл байланысын өзгерту үшін отқа салу жүргізілуі мүмкін.

Металл жартылай өткізгіштердің оммалық байланыстарының физикасы

Омдық контактілер де, Шотки кедергілері де Шотки кедергісінің биіктігіне байланысты, ол электронның жартылай өткізгіштен металға өтуі үшін қажетті артық энергияның шегін анықтайды. Торапқа екі бағытта да электрондарды оңай өткізу үшін (омдық контакті), кедергі биіктігі тораптың кем дегенде бір бөлігінде кішкентай болуы керек. Төмен кедергілі, жақсы омдық контактіні қалыптастыру үшін кедергі биіктігі барлық жерде кішкентай болуы керек, сондай-ақ интерфейс электрондарды кері шағылыстырмауы керек. Металл мен жартылай өткізгіш арасындағы Шотки кедергісінің биіктігі Шотки-Мотт ережесі бойынша металдың вакуумдық жұмыс функциясы мен жартылай өткізгіштің вакуумдық электрондық жақындығының айырмасына пропорционалды деп есептеледі. Бірақ практикада көптеген металл-жартылай өткізгіш интерфейстері бұл ережеге күтілген дәрежеде сәйкес келмейді. Керісінше, металлға қарсы жартылай өткізгіш кристаллының химиялық тоқтауы оның энергиялық спектрінде электрондық күйлерді тудырады. Осы металлдан туындаған энергиялық аралық күйлердің сипаты және олардың электрондармен толтылуы энергиялық спектрдің ортасын Ферми деңгейіне «түйреуге» бейім, бұл құбылыс Ферми деңгейінің түйрелуі деп аталады. Осылайша, металл-жартылай өткізгіш контактілеріндегі Шотки кедергісінің биіктігі жартылай өткізгіштің немесе металдың жұмыс функциясының мәніне аз тәуелді болады, бұл Шотки-Мотт ережесімен қарама-қайшы. Әртүрлі жартылай өткізгіштерде Ферми деңгейінің түйрелуі әртүрлі дәрежеде байқалады, бірақ технологиялық тұрғыдан алғанда, кремний және галлий арсениді сияқты маңызды жартылай өткізгіштерде жоғары сапалы (төмен кедергілі) омдық контактілерді жасау қиын. Шотки-Мотт ережесі толығымен дұрыс емес, себебі практикада жоғары жұмыс функциясы бар металдар p-типті жартылай өткізгіштермен, ал төмен жұмыс функциясы бар металдар n-типті жартылай өткізгіштермен жақсырақ контактілер құрайды. Алайда, тәжірибелер көрсеткендей, модельдің болжамдық қабілеті осы тұжырымнан аспайды. Нақты жағдайларда контактілік металдар жартылай өткізгіш бетімен реакцияласып, жаңа электрондық қасиеттері бар қосылыс түзе алады. Интерфейстегі ластану қабаты кедергіні тиімді түрде кеңейте алады. Жартылай өткізгіш бетінің қайта құрылуы жаңа электрондық күйге әкелуі мүмкін. Контактілік кедергінің интерфейстік химияның егжей-тегжейлеріне тәуелділігі омдық контактілерді қайталанатын түрде жасауды өндірістік қиындыққа айналдырады.

Both ohmic contacts and Schottky barriers are dependent on the Schottky barrier height, which sets the threshold for the excess energy an electron requires to pass from the semiconductor to the metal. For the junction to admit electrons easily in both directions (ohmic contact), the barrier height must be small in at least some parts of the junction surface. To form an excellent ohmic contact (low resistance), the barrier height should be small everywhere and furthermore the interface should not reflect electrons. The Schottky barrier height between a metal and semiconductor is naively predicted by the Schottky–Mott rule to be proportional to the difference of the metal vacuum work function and the semiconductor vacuum electron affinity. In practice, most metal–semiconductor interfaces do not follow this rule to the predicted degree. Instead, the chemical termination of the semiconductor crystal against a metal creates electron states within its band gap. The nature of these metal induced gap states and their occupation by electrons tends to pin the center of the band gap to the Fermi level, an effect known as Fermi level pinning. Thus, the heights of the Schottky barriers in metal–semiconductor contacts often show little dependence on the value of the semiconductor or metal work functions, in stark contrast to the Schottky–Mott rule. Different semiconductors exhibit this Fermi level pinning to different degrees, but a technological consequence is that high quality (low resistance) ohmic contacts are usually difficult to form in important semiconductors such as silicon and gallium arsenide. The Schottky–Mott rule is not entirely incorrect since, in practice, metals with high work functions form the best contacts to p type semiconductors, while those with low work functions form the best contacts to n type semiconductors. Unfortunately experiments have shown that the predictive power of the model doesn't extend much beyond this statement. Under realistic conditions, contact metals may react with semiconductor surfaces to form a compound with new electronic properties. A contamination layer at the interface may effectively widen the barrier. The surface of the semiconductor may reconstruct leading to a new electronic state. The dependence of contact resistance on the details of the interfacial chemistry is what makes the reproducible fabrication of ohmic contacts such a manufacturing challenge.

Оммдық контактілерді дайындау және сипаттау

Омдық контактілерді жасау – материалдарды жасаудың көп зерттелген саласы, бірақ ол өнерге жақын қалады. Контактілерді қайталанатын және сенімді түрде жасау жартылай өткізгіш бетінің жоғары тазалығына байланысты. Мысалы, кремний бетінде табиғи оксид тез қалыптасқандықтан, контактінің жұмыс істеу қабілеті дайындалу ерекшеліктеріне сезімтал болуы мүмкін. Көбінесе, қажетті контакт түрін қамтамасыз ету үшін контакт аймағы жоғары допингпен жасалады. Жалпы ереже бойынша, жартылай өткізгіштегі омдық контактілер, жартылай өткізгіш торапқа жақын жерде жоғары допингке ие болғанда оңай түзіледі; жоғары допинг интерфейстегі азайту аймағын тарылтады және электрондардың кез келген кернеуде кедергі арқылы туннельдеу арқылы екі бағытта да оңай ағуына мүмкіндік береді. Контакті жасаудың негізгі қадамдары: жартылай өткізгіш бетін тазалау, контакт металлын жағу, қалыптау және отқа салу. Бет тазалауды шашырату (sputter etching), химиялық тазалау, реактивті газ тазалау немесе иондық ұнтақтау арқылы жүргізуге болады. Мысалы, кремнийдің табиғи оксидін фторсутек қышқылына батыру арқылы жоюға болады, ал GaAs көбінесе бром-метанол ерітіндісіне батыру арқылы тазаланады. Тазалаудан кейін металдар шашырату, булану немесе химиялық бу фазалық осаздану (CVD) арқылы жағылады. Шашырату, булануға қарағанда металл жағудың жылдам және ыңғайлы әдісі, бірақ плазмадан иондық бомбалау беттік күйлерді тудыруы немесе тіпті беттегі заряд тасымалдаушының түрін өзгертуі мүмкін. Осы себепті, жұмсақ, бірақ жылдам CVD әдісі қолданылуы мүмкін. Контактілерді отқа салғаннан кейін отқа салу, кернеуді азайтуға, сондай-ақ металл мен жартылай өткізгіш арасындағы қажетті реакцияларды тудыруға көмектеседі. Жағылған металдар амбиенттік жағдайларда реакцияға түсіп, контактінің электрлік қасиеттерін нашарлатуы мүмкін болғандықтан, омдық контактілерді қабатты құрылымдармен жасау жиі кездеседі, мұнда жартылай өткізгішпен жанасатын төменгі қабат омдық мінез-құлқына ие болу қабілетіне байланысты таңдалады. Диффузиялық кедергі қабаты, кез келген отқа салу процесінде қабаттардың араласуын болдырмау үшін қолданылуы мүмкін. Контактінің кедергісін өлшеу ең қарапайым жолы – төрт ұшты зондты пайдалану, бірақ дәлірек анықтау үшін беріліс желісі әдісін қолдану әдеттегідей.

The fabrication of the ohmic contacts is a much studied part of materials engineering that nonetheless remains something of an art. The reproducible, reliable fabrication of contacts relies on extreme cleanliness of the semiconductor surface. Since a native oxide rapidly forms on the surface of silicon, for example, the performance of a contact can depend sensitively on the details of preparation. Often the contact region is heavily doped to ensure the type of contact wanted. As a rule, ohmic contacts on semiconductors form more easily when the semiconductor is highly doped near the junction; a high doping narrows the depletion region at the interface and allow electrons to flow in both directions easily at any bias by tunneling through the barrier. The fundamental steps in contact fabrication are semiconductor surface cleaning, contact metal deposition, patterning and annealing. Surface cleaning may be performed by sputter etching, chemical etching, reactive gas etching or ion milling. For example, the native oxide of silicon may be removed with a hydrofluoric acid dip, while GaAs is more typically cleaned by a bromine methanol dip. After cleaning, metals are deposited via sputter deposition, evaporation or chemical vapor deposition (CVD). Sputtering is a faster and more convenient method of metal deposition than evaporation but the ion bombardment from the plasma may induce surface states or even invert the charge carrier type at the surface. For this reason the gentler but still rapid CVD may be used. Post deposition annealing of contacts is useful for relieving stress as well as for inducing any desirable reactions between the metal and the semiconductor. Because deposited metals can themselves react in ambient conditions, to the detriment of the contacts' electrical properties, it is common to form ohmic contacts with layered structures, with the bottom layer, in contact with the semiconductor, chosen for its ability to induce ohmic behaviour. A diffusion barrier layer may be used to prevent the layers from mixing during any annealing process. The measurement of contact resistance is most simply performed using a four point probe although for more accurate determination, use of the transmission line method is typical.

Маңыздылығы

Контактілік кедергіге байланысты RC уақыт тұрақтысы құрылғылардың жиілік жауабын шектеуі мүмкін. Сымдардың кедергісін зарядтау және разрядтау жоғары тактолық жиілікті цифрлық электроникада қуатты ысыратудың басты себебі болып табылады. Контактілік кедергі, аз қолданылатын жартылай өткізгіштерден жасалған төмен жиілікті және аналогтық тізбектерде (мысалы, күн батареялары) Джоуль қыздыру арқылы қуатты ысыратуға себеп болады. Контактіні жасау әдістемесін әзірлеу – кез келген жаңа жартылай өткізгіштің технологиялық дамуының маңызды бөлігі. Электромиграция және контактілердегі қабаттасу электрондық құрылғылардың қызмет ету мерзімін шектейді.