歐姆接觸是金�-半導�界面的一種接觸形�,歐姆接觸直接影響器件的效率、增益和開關(guān)速度等性能指標,可以用于一切器件和電路信號的輸�、輸出以及各元件間的相互連接。制備高性能而可靠的歐姆接觸不僅有重要的技�(shù)意義,也有很大的�(jīng)濟意義�
歐姆接觸制備是材料工程里研究很充分而不太有未知剩余的部�。可重復且可靠的接觸制備需要極度潔凈的半導體表�。例如,因為天然氧化物會迅速在硅表面形�,接觸的性能會十分敏感地取決于制備準備的細節(jié)�
接觸制備的基礎步驟是半導體表面清�、接觸金屬沉積、圖案制造和退�。表面清潔可以通過濺射蝕刻、化學蝕�、反應氣體蝕刻或者離子研�。比如說,硅的天然氧化物可以通過蘸氫氟酸(HF)來去除,而砷化鎵(GaAs)則更具代表性的通過蘸溴化甲醇來清潔。清潔過后金屬通過濺射、蒸�(fā)沉積或者化學氣相沉積(CVD)沉積下�。濺射是金屬沉積中比蒸發(fā)沉積更快且更方便方法但是等離子帶來的離子轟擊可能會減少表面態(tài)或者甚至顛倒表面電荷載流子的類型。正因為此更為平和且依然快速的CVD是更加為人所傾向的方�。接觸的圖案制造是通過標準平版照相�(shù)來完成的,比如剝落中接觸金屬是通過沉積于光刻膠層孔洞之中并稍后取出光刻膠來完成的。沉積后接觸的退火能有效去除張力并引�(fā)有利的金屬和半導體之間的反應�
任何兩種相接觸的固體的費米能級(Fermi level)(或者嚴格意義上,化學勢)必須相�� 費米能級和真空能級的差值稱作功�� 接觸金屬和半導體具有不同的工函,分別記為φM和φS� 當兩種材料相接觸�,電子將會從低工�(高Fermi level)一邊流向另一邊直到費米能級相平衡。從�,低工函(高Fermi level)的材料將帶有少量正電荷而高工函(低Fermi level)材料則會變得具有少量電負�。最終得到的靜電勢稱為內(nèi)建場記為Vbi。這種接觸電勢將會在任何兩種固體間出現(xiàn)并且是諸如二極管整流�(xiàn)象和溫差電效應等的潛在原�。內(nèi)建場是導致半導體連接處能帶彎曲的原因。明顯的能帶彎曲在金屬中不會出現(xiàn)因為他們很短的 屏蔽長度意味著任何電場只在接觸面間無限小距離�(nèi)存在�
在經(jīng)典物理圖像中,為了克服勢�,半導體載流子必須獲得足夠的能量才能從費米能級跳到彎曲的導帶頂。穿越勢壘所需的能量φB是內(nèi)建勢及費米能級與導帶間偏移的總和。同樣對于n型半導體,φB = φM ? χS當中χS是半導體的電子親合能(electron affinity�,定義為真空能級和導帶(CB)能級的差。對于p型半導體,φB = Eg ? (φM ? χS)其中Eg是禁帶寬�。當穿越勢壘的激�(fā)是熱力學�,這一過程稱為熱發(fā)�。真實的接觸中一個同等重要的過程既即為量子力學隧穿。WKB 近似描述了最簡單的包括勢壘穿透幾率與勢壘高度和厚度的乘積指數(shù)相關(guān)的隧穿圖�。對于電接觸的情�,耗盡區(qū)寬度決定了厚度,其和�(nèi)建場穿透入半導體內(nèi)部長度同量級。耗盡層寬度W可以通過解泊松方程以及考慮半導體內(nèi)存在的摻雜來計算�
勢壘高度(與電子親和性和�(nèi)建場相關(guān))和勢壘厚度(和�(nèi)建場、半導體絕緣常數(shù)和摻雜密度相�(guān))只能通過改變金屬或者改變摻雜密度來改變??傊こ處煏x擇導�、非反應、熱力學�(wěn)定、電學性質(zhì)�(wěn)定且低張力的接觸金屬然后提高接觸金屬下方區(qū)域摻雜密度來減小勢壘高度�。高摻雜區(qū)依據(jù)摻雜種類被稱� n + 或者p + 。因為在隧穿中透射系數(shù)與粒子質(zhì)量指�(shù)相關(guān),低有效�(zhì)量的半導體更容易被解除。另外,小禁帶半導體更容易形成歐姆接觸因為它們的電子親和度(從而勢壘高度)更低�
上述簡單的理論預言了φB = φM ? χS,因此似乎可以天真的認為工函靠近半導體的電子親和性的金屬通常應該容易形成歐姆接觸。事實上,高工函金屬可以形成的p型半導體接觸而低工函金屬可以形成的n型半導體接觸。不幸的是實驗表明理論模型的預測能力并不比上述論斷前進更�。在真實條件下,接觸金屬會和半導體表面反應形成具有新電學性質(zhì)的復合物。界面處一層污染層會非常有效的增加勢壘寬度。半導體表面可能會重�(gòu)成一個新的電學態(tài)。接觸電阻與界面間化學細節(jié)的相�(guān)性是導致歐姆接觸制造工藝可重復性為如此巨大的制造挑�(zhàn)的原因�
特徵接觸電阻實驗上定義為J-V曲線在V=0處的斜率,J是電流密�:
接觸電阻的單位因此成為� -cm,其中Ω代表電阻單位歐��
接觸電阻可以通過比較比較帶有歐姆表的四探針測量(four-probe measurement)和簡單的兩探針測量�(jié)果來粗略估計。在兩探針測量中,測量電流導致同時跨越探針和接觸的勢�,從而這些元件的電阻與真是元間的電阻是串聯(lián)而不可分離的。在四探針測量中,一對探針用於注入測量電流同時另一對并�(lián)的探針用於測量跨越器件的勢降。在四探針情形下,沒有通過電壓測量探針的勢降因而接觸電阻降并不包括其中。從兩極法和四極法推導的電阻差值是對接觸電阻合理準確的測量假設探針電阻足夠小而忽略不�。特性接觸電阻可以通過乘以接觸面積來得��
隨著集成電路制備過程的發(fā)�,遠更復雜的接觸電阻測量被使�,的方法即為傳輸線測量)(transmission line measurement)。傳輸線測量的基本思路是描繪類似接觸之間同寬不同長度的條狀電阻�。結(jié)果曲線的斜率是塊狀薄膜電阻率(resistivity)的函數(shù)而截距即為接觸電阻(resistance)�
接觸電阻相關(guān)�(lián)的RC時間常數(shù)會限制器件的頻率響應。引線電阻的充電與放電高時鐘速率的數(shù)字電子設備能量耗散的主要原�。接觸電阻在非常見半導體制成的低頻和模擬電路中通過焦耳熱的形式導致能量耗散(比如太陽能電池�。金屬接觸制備方法的建立是任何新興半導體科技�(fā)展的重要部分。金屬接觸的電遷移與分離成層也是電子器件壽命的限制因素之一�
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