Омические контакты в полупроводниковых приборах.

Введение

Тип электрического контакта с полупроводниками

Омический контакт – это невыпрямляющий электрический переход: соединение между двумя проводниками, которое характеризуется линейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ), как и в законе Ома. Омические контакты с низким сопротивлением используются для обеспечения легкого протекания заряда в обоих направлениях между двумя проводниками, без блокировки из-за выпрямления или избыточной диссипации мощности из-за пороговых напряжений. В отличие от этого, переход или контакт, не демонстрирующий линейную ВАХ, называется неомическим. Неомические контакты могут иметь различные формы, такие как p–n переход, барьер Шоттки, выпрямляющий гетеропереход или переход пробоя. Как правило, термин "омический контакт" подразумевает омический контакт металла с полупроводником, где достижение омического сопротивления контакта возможно, но требует аккуратной технологии. Металл-металл омические контакты относительно проще в изготовлении, при условии обеспечения прямого контакта между металлами без промежуточных слоев изоляционных загрязнений, чрезмерной шероховатости или окисления; для создания омических металл-металл соединений используются различные методы (пайка, сварка, обжим, осаждение, электроосаждение и т.д.). В данной статье основное внимание уделяется металл-полупроводниковым омическим контактам. Стабильные контакты на полупроводниковых интерфейсах с низким сопротивлением контакта и линейным поведением ВАХ имеют решающее значение для производительности и надежности полупроводниковых приборов, а их подготовка и характеризация являются важными задачами при производстве интегральных схем. Некачественно подготовленные соединения с полупроводниками могут легко проявлять выпрямляющее поведение, вызывая обеднение полупроводника вблизи перехода, что делает прибор бесполезным из-за блокировки потока заряда между прибором и внешней схемой. Омические контакты к полупроводникам обычно создаются путем нанесения тонких металлических пленок тщательно подобранного состава, возможно, с последующим отжигом для изменения связи полупроводник-металл.

Физика образования металло-полупроводниковых охмических контактов

Как охмические контакты, так и барьеры Шоттки зависят от высоты барьера Шоттки, которая определяет пороговое значение избыточной энергии, необходимой электрону для перехода из полупроводника в металл. Для того чтобы соединение легко проводило электроны в обоих направлениях (охмический контакт), высота барьера должна быть небольшой хотя бы в некоторых частях поверхности соединения. Для формирования превосходного охмического контакта (с низким сопротивлением) высота барьера должна быть мала повсеместно, и, кроме того, интерфейс не должен отражать электроны. Высота барьера Шоттки между металлом и полупроводником, согласно правилу Шотки-Мотта, наивно предсказывается пропорциональной разности между работой выхода металла и электронной аффинностью полупроводника. На практике большинство металл-полупроводниковых интерфейсов не соответствуют этому правилу в той степени, в какой это ожидалось. Вместо этого химическое завершение полупроводникового кристалла на границе с металлом создает электронные состояния внутри запрещенной зоны. Характер этих металл-индуцированных состояний в запрещенной зоне и их заполнение электронами приводит к закреплению середины запрещенной зоны на уровне Ферми – эффект, известный как закрепление уровня Ферми. Таким образом, высота барьеров Шоттки в металл-полупроводниковых контактах часто мало зависит от значений работы выхода металла или полупроводника, что резко контрастирует с правилом Шотки-Мотта. Различные полупроводники демонстрируют это закрепление уровня Ферми в разной степени, но технологическим следствием является то, что высококачественные (с низким сопротивлением) охмические контакты обычно трудно формировать в важных полупроводниках, таких как кремний и арсенид галлия. Правило Шотки-Мотта не является полностью ошибочным, поскольку на практике металлы с высокой работой выхода формируют лучшие контакты с полупроводниками p-типа, а металлы с низкой работой выхода – лучшие контакты с полупроводниками n-типа. К сожалению, эксперименты показали, что предсказательная сила модели выходит далеко за рамки этого утверждения. В реальных условиях контактные металлы могут реагировать с поверхностями полупроводников, образуя соединения с новыми электронными свойствами. Загрязняющий слой на интерфейсе может эффективно увеличивать высоту барьера. Поверхность полупроводника может реконструироваться, приводя к новому электронному состоянию. Зависимость контактного сопротивления от деталей межфазной химии делает воспроизводимое изготовление охмических контактов сложной производственной задачей.

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.

Подготовка и характеристика охмических контактов

Изготовление охмических контактов – хорошо изученная область материаловедения, которая, тем не менее, во многом остается искусством. Воспроизводимое и надежное изготовление контактов требует предельной чистоты поверхности полупроводника. Поскольку на поверхности кремния, например, быстро образуется природный оксид, характеристики контакта могут существенно зависеть от деталей подготовки. Часто область контакта сильно легируется для обеспечения требуемого типа контакта. Как правило, охмические контакты на полупроводниках легче формируются при высокой концентрации легирования вблизи перехода; высокая концентрация легирования сужает обедненную область на границе раздела и облегчает прохождение электронов в обоих направлениях при любом напряжении за счет туннельного эффекта через барьер. Основные этапы изготовления контактов включают очистку поверхности полупроводника, нанесение контактного металла, формирование рисунка и отжиг. Очистка поверхности может выполняться методом распыления, химического травления, реактивного травления газом или ионного травления. Например, природный оксид кремния можно удалить обработкой плавиковой кислотой, а арсенид галлия обычно очищают погружением в раствор бромистого метанола. После очистки металлы наносятся методом распыления, испарения или химического осаждения из газовой фазы (CVD). Распыление – более быстрый и удобный метод нанесения металла, чем испарение, но ионная бомбардировка плазмой может приводить к образованию поверхностных состояний или даже инвертировать тип носителей заряда на поверхности. Поэтому может использоваться более щадящий, но все же быстрый метод CVD. Последующий отжиг контактов полезен для снятия напряжений, а также для стимулирования желаемых реакций между металлом и полупроводником. Поскольку нанесенные металлы сами могут реагировать в окружающей среде, ухудшая электрические свойства контактов, охмические контакты часто изготавливаются в виде многослойных структур, где нижний слой, контактирующий с полупроводником, выбирается по его способности обеспечивать охмическое поведение. Для предотвращения диффузии слоев во время отжига может использоваться диффузионный барьерный слой. Измерение контактного сопротивления проще всего проводить с помощью четырехточечного зонда, хотя для более точного определения обычно используется метод измерительной линии.

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.

Значение

Временная константа RC, связанная с контактным сопротивлением, может ограничивать частотную характеристику устройств. Заряд и разряд сопротивления соединений является основной причиной потерь мощности в высокочастотной цифровой электронике. Контактное сопротивление вызывает потери мощности за счет нагрева Джоуля в низкочастотных и аналоговых схемах (например, в солнечных элементах), изготовленных из менее распространенных полупроводников. Разработка методологии изготовления контактов является критически важной частью технологического развития любого нового полупроводникового материала. Электромиграция и отслаивание контактов также ограничивают срок службы электронных устройств.