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

更为平和且依然快速的CVD是更加为人所倾向的方法。接触的图案制造是通过标准平版照相术来完成的，比如剥落中接触金属是通过沉积于光刻胶层孔洞之中并稍后取出光刻胶来完成的。沉积后接触的退火能有效去除张力并引发有利的金属和半导体之间的反应。

技术角度上重要的接触类型[编辑]

现代对硅的欧姆接触比如二硅化钛钨通常是CVD制作的硅化物。接触通常通过沉积过渡金属然后退火形成硅化物来制造且形成的硅化物通常为非化学计算的。硅化物接触也可通过直接溅射复合或者离子移植过渡金属来沉积并退火。铝是另一种可同时用于n型和p型半导体重要的硅接触金属，但并非所有n型硅和铝都可以形成欧姆接触，一般而言，n+型硅和铝较能形成良好的欧姆接触，与n型或n-型硅则形成schottky接触，而一般n型硅，掺杂浓度在1016cm-3左右，先镀Ti接触硅再镀上Ag形成欧姆接触。连同使用其它的反应金属，铝接触通过消耗天然氧化物中的氧来形成。硅化物很大程度上取代了铝（Al）部分因为高折射材料不太倾向于扩散到不希望的地带，特别是在随后的高温处理过程中。

复合半导体接触的形成可以理解比硅接触更为复杂。比如说，砷化镓（GaAs）表面倾向于丢失砷而且这种砷丢失的趋势可以通过沉积金属而被可观的放大。另外，砷的易挥发性限制了沉积后退火时砷化镓器件的承受度。砷化镓及其他复合半导体的一种解决办法是沉积低禁带合金接触层与高掺杂层相对。例如，砷化镓自己比砷化铝镓（AlGaAs）有更小的禁带带宽所以一层靠近它表面的砷化镓层能促进欧姆行为。总之相比之下，III-V和II-VI半导体欧姆接触技术比硅欧姆接触技术发展较缓。

透明或半透明接触对于主动矩阵液晶显示器LCD、光电器件诸如激光二极管（LD）、发光二极管（LED）及光电管是必要的。最流行的选择是氧化铟锡（ITO），一种通过在氧气环境下溅射铟-锡（In-Sn）靶形成的金属。

重要性[编辑]

接触电阻相关联的RC时间常数会限制器件的频率响应。引线电阻的充电与放电高时钟速率的数字电子设备能量耗散的主要原因。接触电阻在非常见半导体制成的低频和模拟电路中通过焦耳热的形式导致能量耗散（比如太阳能电池）。金属接触制备方法的建立是任何新兴半导体科技发展的重要部分。金属接触的电迁移与分离成层也是电子器件寿命的限制因素之一。

金属和半导体的接触

金属和半导体的接触 1金属和半导体接触及其能带图 金属和半导体的功函数 金属 1.金属中电子虽然能在金属中自由运动，但绝大多数所处的能级都低于体外能级。要使电子 从金属中逸出，必须有外加能量。所以金属内部的电子是在一个势阱中运动。 2.金属功函数的定义是真空中静止电子的能量E?与费米能级Ef能量之差。表示一个起始能量 等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小能量。 3.功函数的大小标志着电子在金属中束缚的强弱。W越大，电子越难离开金属。 半导体 接触电势差 金属与（n型）半导体的接触 接触前

qФ为金属一边的势垒高度，qVd为半导体一边的势垒高度。 总结 当金属与n型半导体接触的时候，若Wm>Ws，能带向上弯曲，即可形成表面势垒，在势垒区中，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度比体内小得多，因此它是高阻域，常称为阻挡层；若是Ws>Wm，能带向下弯曲，此时电子浓度比体内高得多，因而是高电导区域，称为反阻挡层，它是很薄的，对金属和半导体接触电阻的影响很小。 p型半导体和金属接触时与n型半导体的相反。 空间电荷区电荷的积累 表面势的形成 造成能带的弯曲 表面态对接触势垒的影响 不同金属与同一半导体材料接触所形成的金属一侧的势垒高度相差不大，金属功函数对势垒高度没有多大影响。 表面能级 1.表面处存在一个距离价带顶为qФ?的能级，若电子正好填满qФ?以下的所有表面态时，表 面呈电中性；若qФ?以下的表面态空着时，表面带正电，呈现施主型；若qФ?以上的表面态被电子填空时，表面带负电，呈现受主型。对于大多数半导体，qФ?约为禁带宽度的三分之一。

2.假设一个n型半导体存在表面态。半导体费米能级Ef将高于qФ?，如果qФ?以上存在有受 主表面态，则在qФ?到Ef间的能级将基本被电子填满，表面带负电。如此，半导体表面附 近必定出现正电荷，成为正的空间电荷区，结果形成了电子的势垒，势垒高度qVD恰好使 得表面态上的负电荷与势垒区的正电荷数量相等，这里着重表明了势垒高度产生的第二层 原因。（第一层是金属与半导体接触） 3.当半导体的表面态密度很高的时候，Ws几乎与施主浓度无关。此时此刻，当D远大于原 子间距时，金属与半导体利用一根导线进行接触，同样有电子流向金属，但此时电子不是 来自于半导体体内，而是来自于受主表面态，若表面态密度很高，能放出足够多的电子， 则半导体势垒区的情形几乎不会发生变化。间隙D中的压降（Ws-Wm）/q，这时空间电荷 区的正电荷等于表面受主态上留下的负电荷与金属表面负电荷之和。当间隙D小到可以与 原子间距相比时，电子就可以自由地穿过它。 施主型 若能级被电子占据时呈电中性，释放电子后呈正电性，称为施主型表面态 受主型 能级空着的时候呈电中性，接受电子后呈负电性； 总结 当半导体表面态密度很高的时候，由于它可以屏蔽金属接触的影响，使半导体内的势垒高度 和金属功函数几乎无关，而基本上由半导体的表面性质所决定。 2金属半导体接触整流理论 定性分析 以n型半导体为例，表面势Vs < 0；半导体一侧的势垒高度即为qVD = - qVs。若此时，我们外加电压V于紧密接触的金属和半导体之间，由于阻挡层是高阻区域，因此电压主要降落在阻挡层上，势垒高度变为-q（Vs+V） V>0 若V > 0，则会导致（Vs + V）降低，便会导致半导体一侧势垒高度降低，这时，从半导体流到金属的电子便会增加，多于从金属流到半导体的电子，便会形成从金属流向半导体的正向 电流。外加电压越大，势垒下降越多，正向电流也就越大。 V<0 若V<0，则（Vs + V）增加，便会导致半导体一侧势垒高度升高，从半导体流到金属的电子 会减少，少于从金属流到半导体的电子，会形成从半导体流向金属的反向电流，又因为金属 的势垒高度基本不会受V的影响，由于金属一侧的电子要越过相当高的势垒才能到达半导体 中，所以反向电流是很小的值。随着电压的增大，势垒高度越来越高，从半导体流向金属的 电子可以忽略不计，反向电流渐渐趋于饱和值。

金属半导体接触

金属-半导体接触 1.金属与半导体接触概论 以集成电路（IC）技术为代表的半导体技术在近十几年来已经取得了迅速发展，带来的是一次又一次的信息科技进步，没有哪一种技术能像它一样，带来社会性的深刻变革。半导体技术的实现依赖于半导体的生产与应用，而在半导体的应用过程中，必然会涉及到半导体与金属电极的接触。大规模集成电路中的铝-硅接触就是典型的实例。 金属与半导体接触大致可以分为两类[1]：一种是具有整流特性的肖特基接触（也叫整流接触），另一种是类似普通电阻的欧姆接触。 金属与半导体接触特性与两种材料的功函数有关。所谓功函数，也称之为逸 出功，是指材料的费米能级与真空能级之差，即W=E 0-E F （E 为真空能级，E F 为费 米能级）。它是表征固体材料对电子的约束能力的物理量。然而，由于金属与半导体的费米能级有所差别，所以其功函数也不相同。就金属来而言，其费米能级 E FM 代表电子填充的最高能级水平，所以金属的功函数W M 即为金属向真空发射一 个电子所需要的最低能量（如图）；但对半导体的功函数W S 而言，其功函数是杂质浓度的函数，而不像金属那样为一常数，其内部电子填充的最高能级是导带底 E C ，而费米能级E FS 一般在E C 之下。所以半导体的功函数W S 一般要高于电子逸出 体外所需要的最低能量χ。半导体的功函数又可表示成：W S =χ+En。其中，χ=E -E C ， 称为电子亲和势，En=E C -E FS 为费米能级与导带底的能量差（如图）。 图金属的电子势阱图半导体的能带和自由电子势 当具有理性洁净平整表面的半导体和金属接触时，二者的功函数W M 和W S ， 一般说来是不相等。其功函数差亦为其费米能级之差，即W M -W S =E FS -E FM 。所以， 当有功函数差的金属和半导体接触并符合理想条件时，从固体物理学我们知道，由于存在费米能级之差，电子将从费米能级高的一边转移到费米能级低的一边，

金属半导体接触的三种结构形式

金属-半导体接触势垒的三种形式（比较） 2010-11-19 11:30:12| 分类：微电子器件 | 标签： |字号大中小订阅 （在什么情况下的金属-半导体接触是Ohm接触？为什么Schottky势垒和Mott势垒具有单向导电性？Schottky二极管和Mott二极管在性能上有何异同？） Xie Meng-xian. (电子科大，成都市) 金属-半导体接触是一种基本的器件结构，它本身具有两种重要的功能，即二极管功能和Ohm 接触功能；而在二极管功能中，又可区分出两种性能有所不同的器件——Schottky二极管和Mott二极管。

不同功能的金属-半导体接触，其主要的差别就在于接触势垒的形式不同。见图1，（a）是Schottky势垒，（b）是Ohm接触势垒，（c）是Mott势垒。 一般的半导体与金属的接触就形成Schottky势垒，它的势垒高度为qfBn，并且在半导体表面附近处有一层空间电荷区——半导体表面势垒。当加有正向电压时（金属接电源正极），半导体表面势垒高度降低，则有较多半导体电子通过热发射而流到金属、形成很大的正向电流；当加有反向电压时（金属接电源负极），金属电子到半导体的势垒高度qfBn不变，阻挡着电子流到半导体去，则反向电流很小。因此 Schottky势垒具有单向导电性。利用Schottky 势垒工作的两端器件就是Schottky二极管。 如果半导体的掺杂浓度很高，则与金属的接触就将形成Ohm接触。因为这时半导体表面势垒的厚度很薄，电子可以借助于量子隧道效应的方式而通过接触界面，所以正向电流和反向电流都将会很大，从而就不再具有单向导电性了，成为了Ohm性的导电。这是任何半导体元器件作为电极连接所必需的。 如果半导体表面层的掺杂浓度很低，则与金属的接触就将形成Mott接触。这时半导体表面势垒的厚度很大，电子只有借助于扩散的方式来通过接触界面。同样，Mott势垒也具有单向导电性。利用Mott势垒工作的两端器件就是Mott二极管。 Schottky二极管和Mott二极管都是多数载流子工作的器件，因此它们都是性能优良的高速开关二极管；而Mott二极管因为其Mott势垒厚度较大，则势垒电容很小、耐压较高，从而它又是很好的微波二极管以及高电压的功率二极管。