2.7. Контакты полупроводник—металл
Исторически первыми полупроводниковыми приборами были диоды, основанные на контакте полупроводника с металлом (точечно-контактные диоды). Их применение основывалось на экспериментально обнаруженном факте — выпрямлении слабых переменных сигналов при соприкосновении металлической иглы с кристаллами некоторых естественных полупроводниковых минералов. В интегральных схемах контакты металла с полупроводником находят двоякое применение: либо в качестве невыпрямляющих — омических контактов (соединения элементов ИС), либо в качестве специфических выпрямляющих контактов (диодов Шоттки).
Структура и свойства контактов металл-полупроводник зависят в первую очередь от взаимного расположения уровней Ферми в том и другом слое. На рис. 2.22 вверху показаны зонные диаграммы разделенных слоев, а внизу — зонные диаграммы соответствующих контактов (после «соприкосновения» слоев и установления равновесия).
Выпрямляющие контакты. На рис. 2.11, а показаны зонные диаграммы для случая, когда . Такое соотношение означает, что заполненность зоны проводимости в полупроводнике меньше, чем заполненность такого же энергетического участка в металле. Поэтому после «соприкосновения» слоев часть электронов перейдет из металла в полупроводник р-типа. Появление дополнительных электронов в приповерхностном слое полупроводника приводит к усиленной рекомбинации. В результате уменьшается количество основных носителей — дырок, и вблизи границы с металлом «обнажаются» отрицательные некомпенсированные ионы акцепторов. Появляется электрическое поле, которое препятствует дальнейшему притоку электронов и обеспечивает больцмановское равновесие в области контакта. Энергетические уровни оказываются искривленными «вниз».
На рис. 2.11, б показаны зонные диаграммы для случая , когда после соприкосновения слоев электроны переходят из полупроводника -типа в металл. Соответственно вблизи границы с металлом «обнажаются» положительные некомпенсированные ионы доноров, а зоны искривляются «вверх».
Область искривления зон (т.е. область объемных зарядов) в обоих случаях имеет протяженность, определяемую формулой (2.9,б), обычно 0,1-0,2 мкм.
Контакты такого рода в настоящее время создаются напылением металла на полупроводник в вакууме.
Обмен электронами между металлом и полупроводником обычно характеризуют не разностью «исходных» уровней Ферми, а разностью работ выхода. Работой выхода электрона из твердого тела называют энергию, необходимую для вылета за пределы кристалла (т.е. для термоэмиссии). На зонных диаграммах работа выхода есть энергетическое «расстояние» между уровнем свободного электрона вне твердого тела и уровнем Ферми. На рис. 2.11 работы выхода из металла и из полупроводника обозначены соответственно через и . Разность работ выхода выраженную в вольтах, называют контактной разностью потенциалов.
В зависимости от соотношения работ выхода и электроны переходят в тот или иной слой. Если (т.е. ) то электроны переходят из металла в полупроводник (рис. 2.11, а), если же (т.е. ), то электроны переходят из полупроводника в металл (рис. 2.11, б). Такой критерий более нагляден, чем использованный в начале раздела, тем более, что контактные разности потенциалов для типовых комбинаций металлов и полупроводников приводятся в литературе.
Степень искривления энергетических зон вблизи поверхности (рис. 2.11) характеризуется величиной равновесного поверхностного потенциала . Если пренебречь ролью поверхностных состояний, то величина будет равна контактной разности потенциалов .
Оба контакта, показанные на рис. 2.11, характерны наличием обедненных слоев в приконтактном слое полупроводника. Здесь концентрация основных носителей меньше по сравнению с равновесной, сохранившейся вдали от контакта. Следовательно, такой приконтактный слой обладает повышенным удельным сопротивлением и поэтому определяет сопротивление всей системы.
Потенциальный барьер в приконтактном слое называют барьером Шоттки. Его высота является аналогом величины в --переходе. В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения потенциал и соответственно сопротивление приконтактного слоя будут меняться. Так, если напряжение приложено плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, то потенциальный барьер в контакте на рис 2.11, а повышается. Тогда приконтактный слой еще больше обедняется основными носителями — дырками и, следовательно, будет иметь повышенное сопротивление по сравнению с равновесным. Значит, напряжение с этой полярностью является для данного контакта обратным. В контакте на рис. 2.11, б при той же полярности напряжения потенциальный барьер понижается, приконтактный слой обогащается основными носителями — электронами и его сопротивление будет меньше равновесного. Значит, напряжение с этой полярностью является для данного контакта прямым. Таким образом контакты, показанные на рис. 2.11, обладают выпрямляющими свойствами и могут быть основой диодов. Диоды, использующие барьеры Шоттки, называют диодами Шоттки.
Вариантом выпрямляющих контактов является контакт, в котором вблизи границы с металлом образуется инверсионный слой, т.е. слой с противоположным типом проводимости. Зонная диаграмма контакта, содержащего инверсионный р-слой, показана на рис. 2.12. Этот случай характерен для сильного искривления зон, т.е. для больших контактных разностей потенциалов , когда вблизи границы уровень электростатического потенциала пересекает уровень Ферми. Толщина инверсионного слоя, как уже отмечалось, не превышает 1-2 нм.
Диоды Шоттки. Важнейшей особенностью диодов Шоттки по сравнению с р-п-переходом является отсутствие инжекции неосновных носителей. Эти диоды, как говорят, работают на основных носителях. Отсюда следует, что у диодов Шоттки отсутствует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасыванием неосновных носителей в базе. Отсутствие диффузионной емкости существенно повышает быстродействие диодов при изменениях токов и напряжений, в том числе при переключениях с прямого направления на обратное и с обратного на прямое. Время таких переключений определяется только барьерной емкостью и у диодов с малой площадью может составлять десятые и сотые доли наносекунды. Соответствующие рабочие частоты лежат в пределах 3-15 ГГц.
Не менее важной особенностью диодов Шоттки является значительно меньшее прямое напряжение по сравнению с напряжением на р-n-переходе. Это объясняется тем, что ВАХ у диодов Шоттки описывается той же формулой (2.23), что и у р-n-переходов, но тепловой ток существенно больше, поскольку диффузионная скорость , характерная для р-n-перехода [см. (2.26)], у диода Шоттки заменяется на среднюю тепловую скорость носителей . Последняя превышает величину примерно на 3 порядка. В таком же отношении различаются и тепловые токи. Тогда из формулы (2.27) следует, что прямое напряжение у диодов Шоттки будет примерно на 0,2 В меньше, чем р-п-перехода. Типичными для диодов Шоттки являются прямые напряжения 0,4 В. Что касается обратных токов, то они могут составлять, в зависимости от площади, до А, т.е. близки к реальным обратным токам кремниевых р-п-переходов, определяемых термогенерацией.
Еще одна особенность диодов Шоттки состоит в том, что их прямая ВАХ строго подчиняется экспоненциальному закону (2.23) в очень широком диапазоне токов — на протяжении нескольких декад, например, от 10~12 до 10~4 А. Отсюда следует возможность использования диодов Шоттки в качестве прецизионных логарифмирующих элементов в соответствии с соотношением (2.27).
Качественные барьеры Шоттки образуются в кремнии при контакте с такими металлами, как молибден, нихром, золото, платина (точнее, сплав платины с кремнием — силицид платины), а также алюминий — основной материал для металлизации в ИС.
Невыпрямляющие контакты. Пусть для контакта металла с полупроводником р-типа имеет место неравенство , а для контакта с полупроводником п-типа — неравенство (рис. 2.13). Как уже известно, в первом случае электроны будут переходить из полупроводника в металл и зоны искривятся «вверх», а во втором случае электроны будут переходить из металла в полупроводник и зоны искривятся «вниз». В таких контактах вблизи границы в полупроводнике накапливаются основные носители, т.е. получаются обогащенные слои. Их протяженность составляет сотые доли микрометра. Как видно из рис. 2.13, мы приняли очень небольшие контактные разности потенциалов, поэтому искривление зон незначительное и полупроводники остаются невырожденными. Если принять значения и более, то искривление зон будет значительно сильнее и вблизи границы уровень Ферми будет проходить через соответствующую разрешенную зону. На этом участке полупроводник превращается в полуметалл с ничтожным удельным сопротивлением.
Наличие обогащенного слоя означает, что сопротивление системы в целом определяется нейтральным слоем полупроводника и, следовательно, не зависит ни от величины, ни от полярности приложенного напряжения. Такие невыпрямляющие комбинации металла с полупроводником называют омическими контактами.
Омические контакты осуществляются в местах присоединения выводов к полупроводниковым слоям. Получение омических контактов — задача не менее важная, чем получение выпрямляющих контактов. Помимо двусторонней проводимости, важным свойством омического контакта является ничтожное время жизни избыточных носителей в обогащенном слое. Поэтому при анализе полупроводниковых приборов обычно считают, что концентрации избыточных носителей на омическом контакте равны нулю.
В микроэлектронике в настоящее время наиболее распространенным металлом для омических контактов является алюминий.