金屬半導(dǎo)體接觸

1、金屬-半導(dǎo)體接觸1.金屬與半導(dǎo)體接觸概論以集成電路（ic）技術(shù)為代表的半導(dǎo)體技術(shù)在近十幾年來已經(jīng)取得了迅速發(fā)展，帶來的是一次又一次的信息科技進(jìn)步，沒有哪一種技術(shù)能像它一樣，帶來社會性的深刻變革。 半導(dǎo)體技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴于半導(dǎo)體的生產(chǎn)與應(yīng)用，而在半導(dǎo)體的應(yīng)用過程中，必然會涉及到半導(dǎo)體與金屬電極的接觸。大規(guī)模集成電路中的鋁-硅接觸就是典型的實(shí)例。金屬與半導(dǎo)體接觸大致可以分為兩類1：一種是 具有整流特性的肖特基接觸（也叫整流接觸），另一種是類似普通電阻的歐姆接觸。金屬與半導(dǎo)體接觸特性與兩種材料的功函數(shù)有關(guān)。所謂功函數(shù)， 也稱之為逸出功，是指材料的費(fèi)米能級與真空能級之差，即w=e0-ef（e0為真空能級

2、， ef為費(fèi)米能級）。它是表征固體材料對電子的約束能力的物理量。然而，由于金屬與半導(dǎo)體的費(fèi)米能級有所差別，所以其功函數(shù)也不相同。 就金屬來而言， 其費(fèi)米能級 efm代表電子填充的最高能級水平，所以金屬的功函數(shù)wm 即為金屬向真空發(fā)射一個電子所需要的最低能量（如圖）；但對半導(dǎo)體的功函數(shù)ws而言，其功函數(shù)是雜質(zhì)濃度的函數(shù)， 而不像金屬那樣為一常數(shù)， 其內(nèi)部電子填充的最高能級是導(dǎo)帶底 ec，而費(fèi)米能級 efs一般在 ec之下。所以半導(dǎo)體的功函數(shù)ws一般要高于電子逸出體外所需要的最低能量 。 半導(dǎo)體的功函數(shù)又可表示成： ws=+en 。其中，=e0-ec，稱為電子親和勢， en=ec-efs為費(fèi)米能級

3、與導(dǎo)帶底的能量差（如圖） 。圖 金屬的電子勢阱圖半導(dǎo)體的能帶和自由電子勢當(dāng)具有理性潔凈平整表面的半導(dǎo)體和金屬接觸時，二者的功函數(shù) wm和 ws，一般說來是不相等。其功函數(shù)差亦為其費(fèi)米能級之差，即wm-ws=efs-efm。所以，當(dāng)有功函數(shù)差的金屬和半導(dǎo)體接觸并符合理想條件時，從固體物理學(xué)我們知道，由于存在費(fèi)米能級之差， 電子將從費(fèi)米能級高的一邊轉(zhuǎn)移到費(fèi)米能級低的一邊，直到兩者費(fèi)米能級持平而進(jìn)入熱平衡態(tài)為止。2. 金屬與半導(dǎo)體接觸的四種情況（1）金屬與 n 型半導(dǎo)體接觸， wmws時wmws意味著金屬的費(fèi)米能級低于半導(dǎo)體的費(fèi)米能級。當(dāng)金屬與 n 型半導(dǎo)體理想接觸時， 半導(dǎo)體中的電子將向金屬轉(zhuǎn)移，

4、使金屬帶負(fù)電， 但是金屬作為電子的的 “ 海洋” ，其電勢變化非常??； 而在半導(dǎo)體內(nèi)部靠近半導(dǎo)體表面的區(qū)域則形成了由電離施主構(gòu)成的正電荷空間層，這樣便產(chǎn)生由半導(dǎo)體指向金屬的內(nèi)建電場，該內(nèi)建電場具有阻止電子進(jìn)一步從半導(dǎo)體流向金屬的作用。因此，金屬與半導(dǎo)體接觸的內(nèi)建電場所引起的電勢變化主要發(fā)生在半導(dǎo)體的空間電荷區(qū)2，使半導(dǎo)體中近表面處的能帶向上彎曲形成電子勢壘；而空間電荷區(qū)外的能帶則隨同efs一起下降，直到與 efm處在同一水平是達(dá)到平衡狀態(tài)，不再有電子的流動，如圖。圖： wmws的金屬與n 型半導(dǎo)體接觸前后的能帶變化，（a）接觸前（ b）接觸后相對于 efm而言，平衡時 efs下降的幅度為 wm

5、-ws。若以 vd表示這一接觸引起的半導(dǎo)體表面與體內(nèi)的電勢差，顯然有qvd=wm-ws（）式中，q 是電量，vd為接觸電勢差或半導(dǎo)體的表面勢；qvd也就是半導(dǎo)體中的電子進(jìn)入金屬所必須越過的勢壘高度； 同樣的，金屬中的電子若要進(jìn)入半導(dǎo)體，也要越過一個勢壘。高度為式，式中，qm極為肖特基勢壘的高度。qm=wm-=qvd+en（）當(dāng)金屬與 n 型半導(dǎo)體接觸時， 若 wmws，則在半導(dǎo)體表面形成一個由電離施主構(gòu)成的空間電荷區(qū)， 其中電子濃度極低， 對電子的傳導(dǎo)性極低， 是一個高阻區(qū)域，常被稱為電子阻擋層。（2）金屬與 n 型半導(dǎo)體接觸， wmws時若 wmws時，能帶向上彎曲，導(dǎo)致表面比體內(nèi)空穴密度更

6、高，增加電荷的傳導(dǎo)特性，形成 p型反阻擋層；當(dāng) wmws時，能帶向下彎曲成為空穴勢壘，對空穴的傳輸性降低， 形成 p型阻擋層。圖為金屬和 p 型半導(dǎo)體接觸的能帶結(jié)構(gòu)。（a）p型阻擋層（wmws）圖金屬和 p 型半導(dǎo)體接觸能帶結(jié)構(gòu)以上討論的 4 種接觸中，分別形成了阻擋層和反阻擋層。其中，wmws時金屬與 n 型半導(dǎo)體的接觸和wmws時金屬與 p 型半導(dǎo)體的接觸，分別在半導(dǎo)體表面形成了電子勢壘和空穴勢壘，這類勢壘對電荷傳輸都起到了阻擋作用，換句形象生動的話叫載流子的運(yùn)動需要 “爬坡” ， 因此這一類接觸稱為肖特基接觸。而 wmws時金屬與 p 型半導(dǎo)體的接觸成了反阻擋層，對電荷傳輸?shù)挠绊憳O小，這

7、一類接觸稱為歐姆接觸。3. 表面態(tài)對肖特基勢壘高度的影響從圖和肖特基的計算式qm=wm-=qvd+en 看，肖特基勢壘高度貌似只與金屬的功函數(shù) wm和半導(dǎo)體的電子親和勢 有關(guān)，而與金屬和半導(dǎo)體接觸界面的情況無關(guān)。表給出了 n型 ge、 si、 gaas與一些金屬的接觸的肖特基勢壘高度qm1。從表中可以看出 au 和 al 與 gaas 接觸時，勢壘高度相差，但是，au 和 al的功函數(shù)相差，說明存在另外重要的因素影響了金屬與半導(dǎo)體接觸的肖特基勢壘高度，這個因素就是表面態(tài)， 關(guān)于表面態(tài)的理論雖然已現(xiàn)有，但是并不能完全解釋目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，仍需要不斷的完善。表型 ge、si、gaas 與一些金屬的接

8、觸的qm金屬aualagwptwm/ev n-ge - - n-si - - - n-gaas 4. 金屬與半導(dǎo)體接觸的i-v 曲線不同類型的接觸所形成的i-v 曲線也不相同。 對于肖特基接觸， 由于空間勢壘的存在，使其性能類似與pn 結(jié)，故其 i-v 曲線具有整流特性，如圖。而對歐姆接觸，反阻擋層的性質(zhì)如同電阻，i-v 曲線表現(xiàn)出線性的關(guān)系，如圖。圖肖特基接觸i-v 曲線圖歐姆接觸i-v 曲線5. 金屬與半導(dǎo)體接觸的i-v 曲線測試方法及傳輸線模型（tlm ）制作好金屬電極及退火以后， 都需要測定所得樣品的i-v 性能。對不同的電學(xué)性能，電極電路的連接方式有所不同，首先為一個探針電極接觸zn

9、o/azo 表面，另一個探針電極接觸金屬表面（如圖（a）所示） ，初步通過 i-v 曲線判斷所獲得的接觸的類型。若獲得的接觸具有明顯的整流特性，即如圖（a）類似的形狀，則可以判定為肖特基接觸， 開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集； 若獲得的接觸具有明顯的線性關(guān)系，及如圖（ b）所示，則可以判定為歐姆接觸，則需要用傳輸線模型法測定歐姆接觸的比接觸電阻。比接觸電阻c 是表征金屬與半導(dǎo)體歐姆接觸質(zhì)量的一個重要手段。所謂比接觸電阻c，即單位面積上金屬與半導(dǎo)體接觸的微分電阻，單位是（cm2） ，由于金屬與半導(dǎo)體的接觸區(qū)一般包括一下幾層：金屬層、金屬與半導(dǎo)體界面以及半導(dǎo)體層；而且測量過程中還會引入各種寄生電阻，因此是目前無

10、法直接測量比接觸電阻。 現(xiàn)有的測量方法是探針依次接觸間距不同的金屬電極（如圖（ b）所示） ，獲得 i-v 曲線，通過計算獲得比接觸電阻。測量比接觸電阻時，探針電極分別接觸間距不同的金屬電極，測定i-v 曲線，參數(shù)設(shè)置為-2v2v，101 個數(shù)據(jù)點(diǎn)。圖測試時，電極鏈接方式示意圖圖 i-v 測試曲線下面介紹傳輸線模型法測定比接觸電阻51-53的基本原理和線性擬合公式的推導(dǎo)。（ a）（b）（a）（b）矩形傳輸線模型及其等效電路如圖。 在一寬為 w 的樣品上制作 46 個間距不相等的金屬接觸電極，電極盡力做到與樣品等寬。圖傳輸線模型示意圖：（ a）金屬 -半導(dǎo)體接觸的傳輸線模型，（b）傳輸線模型的等

11、效電路如果金屬電極不能與樣品等寬，則在通電流前需將樣品進(jìn)行邊緣腐蝕處理，目的是保證載流子在電極間的平行方向上流動，同時與周圍環(huán)境做到絕緣。 測量時，探針依次在間距不相等的長方形電極之間通恒定電流i，電壓探針測量相應(yīng)的電壓 v，每對電極采取線性多點(diǎn)測量，最后通過擬合求出相應(yīng)的總電阻rtot。（1）比接觸電阻的推導(dǎo)根據(jù) kirchoff 定律，可得 x 與 x +l 之間的電壓電流關(guān)系：? (? + ? ) - ? (? ) = ? (? )?2= ?(?)? （）? (? + ? ) - ? (? ) =? ( ? )?1= ?(?)? （）當(dāng) l0 時，由式（）和式（）可得l4 ll2 l1

12、玻璃襯底zno/azo金屬電極w （a）探針0xx+l1x+l2（b）dvdx=i (x)w?（）didx=v( x)?w（）將（）和（）兩式合并，得：?2? (? )?2=? (? )?= ?(?)/?2（）其中， ?=?為傳輸線的長度，?為半導(dǎo)體薄膜層材料的方塊電阻 （sheet resistance ） ，即單位面積上的電阻值55。又i(x) = ?0sinh?(?-?)sinh?(?)（）且v(x) = ?0?cosh?(?-?)sinh?(?)（）其中， d 為接觸寬度。由此可得接觸電阻rc：rc =v(0)i (0)=?cosh(?)=?cosh?(?)（）此處，將接觸寬度d 取近

13、似，使其滿足條件d?，從而，式（）轉(zhuǎn)化為：rc=?（）由此可得比接觸電阻?=?2?2?（）（2）比接觸電阻的測量如圖（a）所示，在相距 l 的兩個長方形接觸間通入恒定的電流i，并測出相應(yīng)的電壓 v，從而可以得出總電阻rtot：rtot = 2?+ ?+ ? = 2? + ?+ ?（）其中， rp 表示鎢探針的電阻值，此值相對較小，約為，可忽略不計。式變形為rtot = 2rc + ?（）對應(yīng)不同距離的 ln，可測出一組 rtot 的值，這里需要注意的是rtot 由兩個歐姆接觸電阻與接觸之間的導(dǎo)電層串聯(lián)電阻構(gòu)成，在通過進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理， 繼而可作出 rtot=f(l)曲線，經(jīng)過線性擬合，成為一條直線，如圖所示。圖傳輸線模型測量曲線式中， rc 為總接觸電阻， rs 為歐姆接觸之間的半導(dǎo)體薄層電阻。理論上rtot-ln 曲線為一條直線，因此可用作圖法求得接觸電阻率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用擬合法作出 rtot-ln 曲線，如圖所示， 從直線中可以得到rs、rc，