半导体的欧姆接触

半导体的欧姆接触(2012-03-30 15:06:47)转载▼

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1、欧姆接触

欧姆接触是指这样的接触：一是它不产生明显的附加阻抗；二是不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变。

从理论上说，影响金属与半导体形成欧姆接触的主要因素有两个：金属、半导体的功函数和半导体的表面态密度。对于给定的半导体，从功函数对金属－半导体之间接触的影响来看，要形成欧姆接触，对于n型半导体，应该选择功函数小的金属，即满足Wm《Ws，使金属与半导体之间形成n型反阻挡层。而对于p型半导体，应该选择功函数大的金属与半导体形成接触，即满足Wm》Ws，使金属与半导体之间形成p型反阻挡层。但是由于表面态的影响，功函数对欧姆接触形成的影响减弱，对于n型半导体而言，即使Wm《Ws，金属与半导体之间还是不能形成性能良好的欧姆接触。

目前，在生产实际中，主要是利用隧道效应原理在半导体上制造欧姆接触。从功函数角度来考虑，金属与半导体要形成欧姆接触时，对于n型半导体，金属功函数要小于半导体的功函数，满足此条件的金属材料有Ti、In。对于p型半导体，金属功函数要大于半导体的功函数，满足此条件的金属材料有Cu、Ag、Pt、Ni。

2、一些常用物质的的功函数

物质Al Ti Pt In Ni Cu Ag Au

功函数4.3 3.95 5.35 3.7 4.5 4.4 4.4 5.20

3、举例

n型的GaN——先用磁控溅射在表面溅射上Ti/Al/Ti三层金属，然后在卤灯/硅片组成的快速退火装置上进行快速退火：先600摄氏度—后900摄氏度——形成欧姆接触；

p型的CdZnTe——磁控溅射仪上用Cu－3％Ag合金靶材在材料表面溅射一层CuAg合金。

欧姆接触[编辑]

欧姆接触是半导体设备上具有线性并且对称的

果电流-

这些金属片通过光刻制程布局。低电阻，稳定接触的欧姆接触是影响集成电路性能和稳定性的关键因素。它们的制备和描绘是电路制造的主要工作。

目录

[隐藏]

• 1 理论

• 2 实验特性

• 3 欧姆接触的制备

• 4 技术角度上重要的接触类型

• 5 重要性

• 6 参考资料

•7 参见

理论[编辑]

任何两种相接触的固体的费米能级（Fermi level，或者严格意义上，化学势）必须相等。费米能级和真空能级的差值称作功函数。接触金属和半导体具有不同的功函数，分别记为

和。当两种材料相接触时，电子将会从低功函（高Fermi level）一边流向另一边直到

费米能级相平衡。从而，低功函（高Fermi level）的材料将带有少量正电荷而高功函（低Fermi level）材料则会变得具有少量电负性。最终得到的静电势称为内建场记为。这种

接触电势将会在任何两种固体间出现并且是诸如二极管整流现象和温差电效应等的潜在原因。内建场是导致半导体连接处能带弯曲的原因。明显的能带弯曲在金属中不会出现因为他们很短的屏蔽长度意味着任何电场只在接触面间无限小距离内存在。

欧姆接触或肖特基势垒形成于金属与n型半导体相接触。

欧姆接触或肖特基势垒形成于金属与p型半导体相接触。

在经典物理图像中，为了克服势垒，半导体载流子必须获得足够的能量才能从费米能级跳到弯曲的导带顶。穿越势垒所需的能量是内建势及费米能级与导带间偏移的总和。同样对于n型半导体，当中是半导体的电子亲合能（electron affinity），定义为真空能级和导带（CB）能级的差。对于p型半导体，

其中是禁带宽度。当穿越势垒的激发是热力学的，这一过程称为热发射。真实的接触中

一个同等重要的过程既即为量子力学隧穿。WKB近似描述了最简单的包括势垒穿透几率与势垒高度和厚度的乘积指数相关的隧穿图像。对于电接触的情形，耗尽区宽度决定了厚度，

其和内建场穿透入半导体内部长度同量级。耗尽层宽度可以通过解泊松方程以及考虑半导体内存在的掺杂来计算:

在MKS单位制是净电荷密度而是介电常数。几何结构是一维的因为界面被假设为平面的。对方程作一次积分，我们得到

积分常数根据耗尽层定义为界面完全被屏蔽的长度。就有

其中被用于调整剩下的积分常数。这一方程描述了插图右

手边蓝色的断点曲线。耗尽宽度可以通过设置来决定，结果为

对于0 < x < W，是完全耗尽的半导体中离子化的施主和

受主净电荷密度以及是电荷。和对于n型半导体取正号而

对于p型半导体取负号，n型的正曲率和p型的负曲率如图所示。

从这个大概的推导中可注意到势垒高度（与电子亲和性和内建场相关）和

势垒厚度（和内建场、半导体绝缘常数和掺杂密度相关）只能通过改变金

属或者改变掺杂密度来改变。总之工程师会选择导电、非反应、热力学稳

定、电学性质稳定且低张力的接触金属然后提高接触金属下方区域掺杂密

度来减小势垒高度差。高掺杂区依据掺杂种类被称为或者。因为在

隧穿中透射系数与粒子质量指数相关，低有效质量的半导体更容易被解除。

另外，小禁带半导体更容易形成欧姆接触因为它们的电子亲和度（从而势

垒高度）更低。

上述简单的理论预言了，因此似乎可以天真的认为工

函靠近半导体的电子亲和性的金属通常应该容易形成欧姆接触。事实上，

高工函金属可以形成最好的p型半导体接触而低工函金属可以形成最好的

n型半导体接触。不幸的是实验表明理论模型的预测能力并不比上述论断

前进更远。在真实条件下，接触金属会和半导体表面反应形成具有新电学

性质的复合物。界面处一层污染层会非常有效的增加势垒宽度。半导体表

面可能会重构成一个新的电学态。接触电阻与界面间化学细节的相关性是

导致欧姆接触制造工艺可重复性为如此巨大的制造挑战的原因。

实验特性[编辑]

特征接触电阻实验上定义为J-V曲线在V=0处的斜率，J是电流密度:

.

接触电阻的单位因此成为，其中代表电阻单位欧姆。

接触电阻可以通过比较比较带有欧姆表的四探针测量（four-probe

measurement）和简单的两探针测量结果来粗略估计。在两探针测量中，测量电流导致同时跨越探针和接触的势降，从而这些元件的电阻与真是元间的电阻是串联而不可分离的。在四探针测量中，一对探针用于注入测量电流同时另一对并联的探针用于测量跨越器件的势降。

在四探针情形下，没有通过电压测量探针的势降因而接触电阻降并不包括其中。从两极法和四极法推导的电阻差值是对接触电阻合理准确的测量假设探针电阻足够小而忽略不计。特性接触电阻可以通过乘以接触面积来得到。

随着集成电路制备过程的发展，远更复杂的接触电阻测量被使用，最流行的方法即为传输线测量）（transmission line measurement）。传输线测量的基本思路是描绘类似接触之间同宽不同长度的条状电阻值。

结果曲线的斜率是块状薄膜电阻率（resistivity）的函数而截距即为接触电阻（resistance）。

欧姆接触的制备[编辑]

欧姆接触制备是材料工程里研究很充分而不太有未知剩余的部分。可重复且可靠的接触制备需要极度洁净的半导体表面。例如，因为天然氧化物会迅速在硅表面形成，接触的性能会十分敏感地取决于制备准备的细节。

接触制备的基础步骤是半导体表面清洁、接触金属沉积、图案制造和退火。表面清洁可以通过溅射蚀刻、化学蚀刻、反应气体蚀刻或者离子研磨。比如说，硅的天然氧化物可以通过蘸氢氟酸（HF）来去除，而砷化镓（GaAs）则更具代表性的通过蘸溴化甲醇来清洁。清洁过后金属通过溅射、蒸发沉积或者化学气相沉积（CVD）沉积下来。溅射是金属沉积中比蒸发沉积更快且更方便方法但是等离子带来的离子轰击可能会减少表面态或者甚至颠倒表面电荷载流子的类型。正因为此