Ohmos érintkező

Ohmos érintkezés - egy fém és egy félvezető vagy két különböző félvezető közötti érintkezés , amelyet lineáris és szimmetrikus áram-feszültség karakterisztika (CVC) jellemez. Ha az I–V karakterisztika aszimmetrikus és nemlineáris, akkor az érintkező többé-kevésbé egyenirányító (például egy Schottky-gáttal való érintkezés, amely alapján a Schottky-dióda jön létre ). A Schottky-gát modellben az egyenirányítás a fém munkafunkciója és a félvezető elektronikus affinitása közötti különbségtől függ .

A gyakorlatban azonban a legtöbb esetben a fém-félvezető érintkezők nem követik pontosan a Schottky-modellt, mivel a külső felületi állapotok jelenléte a fém-félvezető határfelületen (például oxidfilmek és részecskék, valamint kristályszerkezeti hibák ) Az érintkezés viselkedése gyakorlatilag független a fém munkafunkciója és a félvezető elektronaffinitása közötti különbségtől . A félvezető eszközök és integrált áramkörök gyártása során az ohmos érintkezés létrehozásához a félvezető részérintkező tartományát ezenkívül erősen adalékolják (például az n-típusú szilícium lapkák megnövelt adalékolása donor szennyeződéssel, ha alumíniumot használnak fém érintkezik; egy erősen adalékolt szilíciumréteget n + jelöléssel ). Ebben az esetben a Schottky-gát tértöltés-tartományának vastagsága olyan kicsivé válik, hogy a töltéshordozók alagútvezetése lehetséges rajta keresztül ( mezőkibocsátás ). A szerkezet ilyen erősen adalékolt tartományait általában p + - jelöléssel jelölik a lyuk típusú vezetőképességű félvezetőknél és n + - jelöléssel az elektronikus vezetőképességű félvezetőket .

Elmélet

Bármely két szilárd anyag Fermi-szintjének (vagy szigorúan véve az elektrokémiai potenciálnak ) egyenlőnek kell lennie, amikor termikus egyensúlyban érintkeznek. A Fermi-energia és a vákuumszint közötti különbséget munkafüggvénynek nevezzük . Egy fémnek és egy félvezetőnek különböző munkafunkciói lehetnek , amelyeket rendre jelölünk . Ha két anyag érintkezik, az elektronok áramlanak az alacsonyabb munkafunkciójú anyagból a magasabb munkafunkciójú anyagba, amíg a Fermi-szintek egyensúlya el nem éri. Ennek eredményeként az alacsonyabb munkafunkciójú anyag kis pozitív töltést kap, míg a magasabb munkafunkciójú anyag negatív töltésűvé válik. Az így létrejövő elektrosztatikus potenciált érintkezési potenciál különbségnek nevezzük és jelöljük . Ez az érintkezési potenciál bármely két szilárd anyag között képződik, és ez a fő oka a diódák egyenirányításának . A beépített mező az oka a sávhatárok elhajlásának a félvezetőben a csomópont közelében. A legtöbb fémnél a kis árnyékolási hossz miatt nincs észrevehető elhajlás a sávhatárokon, így az elektromos tér csak kis távolságra terjed ki a határfelületen túl. $\phi _{\text{M))$ $\phi _{\text{S))$ $V_{\text{bi))$

A klasszikus nézet szerint a potenciálgát leküzdése érdekében a félvezető hordozóinak elegendő energiát kell szerezniük ahhoz, hogy a Fermi-szintről a vezetési sáv megtörésének tetejére ugorjanak. A gát leküzdéséhez szükséges energia egyenlő a beépített potenciál és a Fermi-szint és a vezetési sáv közötti torzítás összegével. Más szóval, az n-típusú félvezetők esetében ez az energia $\phi _{\text{B))$

\phi _{\text{B}}=\phi _{\text{M}}-\chi _{\text{S)),

ahol a félvezető elektronaffinitása , a vákuumszint és a vezetési sáv (CB) alja közötti különbségként definiálva. p-típusú félvezetőknél, hasonló módon $\chi _{\text{S))$

\phi _{\text{B}}=E_{\text{g}}-(\phi _{\text{M}}-\chi _{\text{S}}),

hol van a sávköz. $E_{\text{g))$

Termionikus emissziónak nevezzük azt a folyamatot, amikor a hordozó energiát kap a hőenergia miatti akadály leküzdésére. A valós érintkezésekben ugyanilyen fontos folyamat a kvantummechanikai alagút . A félklasszikus közelítés az alagútépítés legegyszerűbb esetét írja le, amelyben a korláton való áthatolás valószínűsége fordítottan arányos a gát magassága és vastagsága szorzatának kitevőjével [1] . Érintkezők esetén a vastagságot a tértöltési régió (SCR) szélessége adja meg, amely arányos a beépített mező félvezetőbe való behatolási mélységével. Az SCR szélességét a Poisson-egyenlet megoldásával és a félvezetőben lévő szennyeződések figyelembevételével számíthatjuk ki:

\nabla ^{2}V={\frac {\rho }{\epsilon )),

hol van a töltéssűrűség ISS egységekben ? és a permittivitás. A geometria egydimenziós, mivel a felületet síknak kell tekinteni. Az egyenletet egyszer integrálva, és megközelítőleg feltételezve, hogy az SCR szélességénél nagyobb mélységben a töltéssűrűség állandó, megkapjuk $\rho$ $\epsilon$

{\frac {dV}{dx}}={\frac {\rho x}{\epsilon }}+C_{0}.

Az integrációs állandó, az SCR szélesség meghatározásával analóg módon, úgy definiálható, mint az a hossz, amelynél az interfész teljesen árnyékolt. Akkor $C_{0}=-\rho W/\epsilon$

V(x)={\frac {\rho }{2\epsilon }}x^{2}-{\frac {\rho W}{\epsilon }}x+V_{bi},

ahol , amelyet az integráció fennmaradó állandójának meghatározására használtunk. Ez az egyenlet az ábra jobb oldalán található pontozott kék görbéket írja le. Az SCR szélessége a beállítással határozható meg , ami ehhez vezet $V(0)=V_{\text{bi))$ $V(x)$ $V(W)=0$

W={\sqrt {\frac {2\epsilon V_{\text{bi}}}{\rho }}}.

Ionizált donorok és akceptorok töltéskoncentrációjához teljesen kimerült félvezetőben . Ebben az esetben , és pozitív előjelűek az n-típusú félvezetők, és negatív előjelek a p-típusúaknál, ami pozitív hajlítást ad n-típusra, negatív hajlítást p-típusra, amint az az ábrákon látható. $0<x<W$ $\rho =eN_{\text{dopant}}$ $\rho$ $V_{\text{bi))$ $V''(x)$

Ebből úgy tűnik, az a következtetés következik, hogy a gát magassága (az elektronaffinitástól és a felszínközeli mezőtől függően) és a gát vastagsága (a beépített tértől, a félvezető permittivitásától és az adalékanyag koncentrációjától függően) csak változtatható. a fém cseréjével vagy az adalékanyag koncentrációjának megváltoztatásával . Megfigyelték azonban, hogy a Fermi-szint megközelítőleg azonos energiával áll fenn a sávközön belül mind az n-, mind a p-típusú Si esetében (azaz az összeg és körülbelül ). A Fermi-szint helyzetét feltehetően a határfelület állapota és a szerkezeti tényezők befolyásolják a felületi állapotok igen nagy sűrűsége miatt. Ne feledje, hogy ohmos érintkezők esetén általában nem kell attól tartania, hogy az ohmos érintkező karakterisztikája idővel kissé megváltozik, mivel a legtöbb esetben nagyon kevés feszültség esik az érintkezőn. $\phi _{\text{bn))$ $\phi _{\text{bp))$ $E_{\text{g))$

Általában az érintkező fémet a vezetőképesség, a kémiai tehetetlenség, a hőstabilitás, az elektromos stabilitás és az alacsony hőfeszültség tulajdonságai alapján választják ki, majd az érintkezés alatti adalékolási sűrűséget növelik, hogy szűkítsék a gátterület szélességét. Kisebb effektív töltéshordozó tömegű félvezetőkkel könnyebb ohmos érintkezést létrehozni, mivel az alagútképződési együttható exponenciálisan függ a töltéshordozó tömegétől. Ezenkívül a kisebb sávközökkel rendelkező félvezetők könnyebben alakítanak ki ohmos érintkezést, mivel elektronaffinitásuk (és ezáltal a potenciálgát magassága) általában alacsonyabb.

Bár a fent vázolt egyszerű elmélet azt jósolja, hogy azok a fémek, amelyek működési funkciója közel van a félvezető elektronaffinitásához, képezhetnek ohmos érintkezést a legkönnyebben, valójában a nagy munkafunkciójú fémek jobb, nem egyenirányító érintkezést alkotnak a p-típusú félvezetőkkel. míg az alacsony munkafunkciójú fémek jobb, nem egyenirányító érintkezést képeznek az n-típusú félvezetőkkel. Sajnos a kísérletek kimutatták, hogy az egyszerűsített modell prediktív ereje nem terjed túl messze ezen a jelenségen. Valós körülmények között az érintkező fém reakcióba léphet a félvezetők felületével, és különböző elektronikus tulajdonságokkal rendelkező vegyületeket képezhet. A határfelületen lévő szennyezőanyag-réteg hatékonyan kiterjesztheti az akadályt. A félvezető felülete rekonstruálható , ami új elektronikus tulajdonságokat eredményez. Az érintkezési ellenállás a határfelületi reakciók jellemzőitől függ, ami jelentős technológiai problémává teszi az ohmos érintkezők reprodukálható gyártását [2] [3] [4] .

Ohmos érintkezők paramétereinek előállítása és szabályozása

Annak ellenére, hogy az ohmos érintkezők létrehozásának folyamata az egyik alapvető és jól tanulmányozott folyamat (legalábbis a szilícium esetében), mégis van benne valami művészet. A gyártott érintkezők reprodukálhatósága és megbízhatósága a félvezető felület rendkívüli tisztaságán alapul. A szilícium felületén gyorsan képződő natív SiO 2 oxid miatt a keletkező érintkezők tulajdonságai nagyon érzékenyek lehetnek a kontaktusképzési folyamat részleteire.

Az érintkezés létrehozásának fő lépései a félvezető felület tisztítása, az érintkező fémezése, a mintázás és a lágyítás. A felület tisztítása végezhető porlasztásos maratással, vegyi maratással, reaktív gázmaratással vagy ionmaratással. Például a természetes szilícium-oxid hidrogén-fluoridos (HF) maratással távolítható el, míg a gallium-arzenid (GaAs) felületét gyakrabban tisztítják bróm-metanol maratással. A felület tisztítása után a fémeket porlasztással, párologtatással vagy kémiai gőzleválasztással ( CVD ) választják le. A porlasztás gyorsabb és kényelmesebb módszer a fémleválasztásra, mint a bepárlás, de a plazmaionos bombázás felületi állapotokat válthat ki, vagy akár megfordíthatja a vezetés típusát a felületen. Ebben a tekintetben az enyhe, de még mindig viszonylag gyors CVD a legelőnyösebb. Az érintkezők kívánt formájának kialakítása szabványos fotolitográfiai eljárással, különösen leválasztható fotolitográfia módszerével történik, ahol a fémet a fotoreziszt rétegen lévő lyukakon keresztül visszük fel, majd lemossuk. A leválasztás után a legtöbb esetben az érintkezőket lágyítják a belső mechanikai feszültségek enyhítésére, valamint a fém és a félvezető közötti kívánt szilárdtest reakció megvalósítására.

Az érintkezési ellenállás mérését leggyakrabban speciális tesztszerkezeteken végzik a hosszú vonalas módszer (TLM) [5] , a négypontos módszer [6] vagy a Kelvin módszer valamelyik módosításával, az adott módszer megválasztásától függ a félvezető film érintkezési ellenállásának és fajlagos ellenállásának arányáról és a fotolitográfiai eljárás részleteiről.

Technológiailag fontos kapcsolattípusok

A szilíciummal, például titán-volfrám-disziliciddel vagy más vegyületekkel való modern ohmos érintkezéseket rendszerint kémiai gőzleválasztással ( CVD ) hozzák létre. Az érintkezéseket gyakran átmeneti fém lerakódásával és szilicidek képződésével hozzák létre az izzítási folyamat során, miáltal a szilicid készítmény nem sztöchiometrikus lehet. A szilicid érintkezők közvetlen vegyületporlasztással vagy átmenetifém-ion-beültetéssel, majd lágyítással is kialakíthatók. Az alumínium a szilíciumtechnológia másik fontos féme, amely bármilyen (n- és p-) típusú félvezetővel használható. Más aktív fémekhez hasonlóan az Al elősegíti a kontaktus kialakulását azáltal, hogy oxigént köt az oxidhoz, és ezáltal "deoxidálja" a határfelületet, ami hozzájárul a fém szilíciumhoz való jó tapadásához . A szilicidek részben kiszorítják az alumíniumot, mivel tűzállóbb vegyületek, és kevésbé érzékenyek a parazita diffúzióra (amely szerkezeti degradációt eredményez), különösen az ezt követő magas hőmérsékletű feldolgozási ciklusok során.

A félvezető vegyületekkel való érintkezés kialakítása sokkal nehezebb, mint a szilíciummal. Például a GaAs felületek hajlamosak az arzén (As) elvesztésére, amit nagymértékben fokozhat a fémlerakódás. Ezenkívül az As instabilitása korlátozza a későbbi lágyítás paramétereit, ami rontja a GaAs eszközöket. A GaAs és más félvezető vegyületek egyik megoldása egy szűk sávrésű ötvözet bevonása érintkező rétegként, ellentétben a szilíciumra erősen adalékolt réteggel. Például magának a GaAs-nak kisebb a sávszélessége, mint az AlGaAs-nak, így a felületén lévő GaAs réteg megkönnyítheti az ohmos érintkezés létrehozását. Általánosságban elmondható, hogy a III-V és II-VI félvezetők ohmos érintkezőinek technológiája sokkal kevésbé fejlett, mint a szilíciumon.

Félvezető	érintkezésképző anyag
Si	Al , Al-Si , TiSi 2 , TiN , W , MoSi 2 , PtSi , CoSi 2 , WSi 2
Ge	In , Auga, AuSb
GaAs	Auge [7] , PdGe, PdSi, Ti/Pt/Au
GaN	Ti/Al/Ti/Au [8] , Pd/Au [9]
Sic	Ni
InSb	Ban ben
ZnO	InSnO 2 , Al
CuIn 1 – x Ga x Se 2	Mo , InSnO2_ _
HgCdTe	Ban ben

Az átlátszó vagy áttetsző ohmos érintkezők elengedhetetlenek az aktív mátrixos LCD-k, optoelektronikai eszközök, például lézerdiódák és napelemek gyártásához. Az ilyen érintkezők legelterjedtebb anyaga az indium -ón-oxid (ITO, indium-ón-oxid), amely egy In-Sn céltárgy oxigénatmoszférában történő reaktív porlasztásával jön létre.

Gyakorlati érték

Az RC áramkör időállandója , amely egy félvezető szerkezet érintkezési ellenállását és parazita kapacitását képezi, korlátozhatja az eszközök frekvenciaválaszát . A vezetők és pn átmenetek parazita kapacitásának töltése és kisütése során az érintkezési ellenállás az egyik fő oka a teljesítménydisszipációnak a nagy üzemi órajel-frekvenciájú digitális elektronikában . Az érintkezési ellenállás az alacsony frekvenciájú és analóg áramkörökben (például napelemekben ) is áramveszteséget okoz a Joule-hő felszabadulása miatt a kevésbé gyakori félvezetőkből. Az új félvezetők technológiai fejlesztésének fontos része az érintkezők gyártására szolgáló technika megalkotása. Az elektromigráció és az érintkezők szétválása szintén életkorlátozó tényező az elektronikus eszközök számára.

Jegyzetek

↑ Landau L. D., Lifshitz E. M. Elméleti fizika. 3. kötet Kvantummechanika (nem relativisztikus elmélet). - 4. kiadás, Rev. - M . : Tudomány. 1989. - S. 223.
↑ Roderick E. X. Fém-félvezető érintkezők. - M . : Rádió és kommunikáció. 1982. - 208 p.
↑ Bonch-Bruevich V. L., Kalasnyikov S. G. Félvezetők fizikája (hozzáférhetetlen link) . - 1977. - 672 p.
↑ T. V. Blank, Yu. A. Goldberg . Áramáramlás mechanizmusai ohmos fém-félvezető érintkezőkben // Physics and Technology of Semiconductors, 41. kötet, 1. o. 1281, (2007). Archiválva : 2014. október 6. a Wayback Machine -nél .
↑ Andreev A. N., Rastegaeva M. G., Rastegaev V. P., Reshanov S. A. A félvezetőben lévő áram terjedésének figyelembevételéről az ohmos érintkezők tranziens ellenállásának meghatározásakor FTP, 1998, v32, # 7 [1]
↑ Fizikai diagnosztikai módszerek a mikro- és nanoelektronikában / szerk. A. E. Beljajeva, R. V. Konakova. Harkov: ISMA. 2011. - 284 p. (5,7 Mb) ISBN 978-966-02-5859-4 (nem elérhető link)
↑ [2] (lefelé irányuló kapcsolat) .
↑ [3] (lefelé irányuló kapcsolat) .
↑ [4] (lefelé irányuló kapcsolat) .

Linkek

Sze, SM Félvezető eszközök fizikája (határozatlan) . - John Wiley & Sons , 1981. - ISBN 0-471-05661-8 .
Zangwill, Andrew. Fizika a felületeken (neopr.) . - Cambridge University Press , 1988. - ISBN 0-521-34752-1 .

Szótárak és enciklopédiák	nagy kínai Britannica (online)
Bibliográfiai katalógusokban	GND : 4172515-3 J9U : 987007543521305171 LCCN : sh85094301