6.2 整流接触和欧姆接触
欧姆接触
欧姆接触
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
王书方
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引言
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。 接触金属和半导体具有不同的工函，分别 记为φM和φS。 当两种材料相接触时，电子将会从低功函 一边流向另一边直到费米能级相平衡。
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致谢
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2. 改善表面p－GaN的表面状况 利用MOCVD方法生长的GaN的表面上通常都存在一层 绝缘的污染层——氧化物（如GaO3等）和其它被吸附的 有机物等，如不除去将会使фb升高0.2～0.3eV。因此，在 制作金属—p－GaN接触前应进行表面处理。处理的方法 通常有化学溶剂清洗、离子溅射和热处理等。 进一步的研究表明所用的化学溶剂对фb也有影响，经 KOH清洗的p－GaN，其Fermi能级较之于经HCl清洗的向 价带方向移动约1.0eV，从而使其具有更低的фb，利用王 水清洗也有类似的效果。 通常在较高的温度和还原性气氛中退火有利于去氧化 物，但过高的温度（600℃以上）有可能使GaN表面产生N 空位。
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实现金属-p-GaN欧姆接触的方法 欧姆接触的方法 实现金属 如上所述，金属—p－GaN间形成欧姆接触存在着两大障碍， 因此，欲形成欧姆接触必须寻找更为合适的金属或合金系统以 降低Schottky势垒（фb），或提高p－GaN的空穴浓度。 选用功函数高的金属或合金系统 说起降低Schottky势垒（фb），人们首先想到的便是选 用功函数高的金属或合金系统，如：Pt（5.65eV)、Au （5.20eV）、Pd（5.17eV）、Ni（5.15eV）、Ni/Au、Ni/Pt、 Pt/Au、Ta/Ti、Co/Au、Cu/Au、Pd/Au、Pt/Ru、Ti/Pt/Au、 Pt/Ni/Au、Ni/AuZn，其中研究最多的是Ni/Au基合金系统。 在研究表面处理和金属（Pt、Ni、Pd、Au、Cu、Ti、Al、 Ta等）功函数对金属—p－GaN接触势垒фb的影响后发现：无 论在退火前或退火后（即是否发生合金化），фb都随功函数的 提高而降低，但最低的不是功函数最高的Pt，而是Ni。这说明 影响фb的不仅仅是功函数，还有表面状况等其它因素，这与已 有的理论是一致的。
欧姆接触
欧姆接触欧姆接触是指金属与半导体的接触，而其接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻，使得组件操作时，大部分的电压降在活动区(Active region)而不在接触面。
欧姆接触在金属处理中应用广泛，实现的主要措施是在半导体表面层进行高掺杂或者引入大量复合中心。
概述简介欧姆接触指的是它不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变。
条件欲形成好的欧姆接触，有二个先决条件：（1）金属与半导体间有低的势垒高度(Barrier Height)（2）半导体有高浓度的杂质掺入(N ≧10EXP12 cm-3)区别前者可使界面电流中热激发部分(Thermionic Emission)增加;后者则使半导体耗尽区变窄，电子有更多的机会直接穿透(Tunneling)，而同时使Rc阻值降低。
若半导体不是硅晶，而是其它能量间隙(Energy Cap)较大的半导体(如GaAs)，则较难形成欧姆接触 (无适当的金属可用)，必须于半导体表面掺杂高浓度杂质，形成Metal-n＋-n or Metal-p+-p等结构。
理论1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工函。
接触金属和半导体具有不同的工函，分别记为φM和φS。
当两种材料相接触时，电子将会从低工函一边流向另一边直到费米能级相平衡。
从而，低工函的材料将带有少量正电荷而高工函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Vbi。
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。
欧姆接触
歐姆接觸或肖特基勢壘形成於金屬與 p 型半導體相接觸。 在經典物理圖像中，為了克服勢壘，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 建勢及費米能級與導帶間偏移的總和。同樣對於 n 型半導體，φB = φM
[編輯] 技術角度上重要的接觸類型
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現代對矽的歐姆接觸比如二矽化鈦鎢通常是 CVD 製作的矽化物。接 觸通常通過沉積過渡金屬然後退火形成矽化物來製造且形成的矽化 物通常為非化學計算的。矽化物接觸也可通過直接濺射複合或者離子 移植過渡金屬來沉積並退火。鋁是另一種可同時用於 n 型和 p 型半導 體重要的矽接觸金屬。連同使用其它的反應金屬，鋁接觸通過消耗天 然氧化物中的氧來形成。矽化物很大程度上取代了鋁（Al）部分因為 高折射材料不太傾向於擴散到不希望的地帶，特別是在隨後的高溫處 理過程中。
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值。結果曲線的斜率是塊狀薄膜電阻率（resistivity）的函數而截距即 為接觸電阻（resistance）。
[編輯] 歐姆接觸的製備
歐姆接觸製備是材料工程里研究很充分而不太有未知剩餘的部分。可 重複且可靠的接觸製備需要極度潔淨的半導體表面。例如，因為天然 氧化物會迅速在矽表面形成，接觸的性能會十分敏感地取決於製備準 備的細節。
χS 當中χS 是半導體的電子親合能（electron affinity），定義為真空
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能級和導帶（CB）能級的差。對於 p 型半導體，φB = Eg (φM χS)其 中 Eg 是禁頻寬度。當穿越勢壘的激發是熱力學的，這一過程稱為熱 發射。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 數相關的隧穿圖像。對於電接觸的情形，耗盡區寬度決定了厚度，其 和內建場穿透入半導體內部長度同量級。耗盡層寬度 W 可以通過解 泊松方程以及考慮半導體內存在的摻雜來計算:
《半导体器件物理》试卷(三)
图 4.1 C-V 特性曲线
根据上述曲线，可知： （1） 曲线外推与 x 轴的交点，可求得自建电压； （2） 由直线的斜率可推导出杂质分布。
2. MOS 场效应晶体管工作在线性区和饱和区时的直流电流－电压关系式的推 导，并分析源、漏串连电阻 RD、RS 存在对饱和区的跨导 gm 和线性区漏－源输出 电导 gd 的影响。 答案： （1）线性区：感应沟道电荷为：QI = −C0[VG − VTH − V ( y)]（2-1），其中 V(y)为加上源漏之间的沟道电压 VD 之后，在 y 处建立起的电位。 产生的漂移电流为 I D = ZµnQI ε y （2-2）
衬底掺杂浓度；（4）氧化层厚度；（5）衬底偏置电压。
2. 解释基区宽度调变效应对共射极晶体管输出特性的影响， 并比较 MOS 场效
应晶体管的沟道长度调制效应对源漏电流-电压的影响。
答案：（1）晶体管达到饱和状态时，当 VCE 从某值开始继续增加，集电极电 流 IC 随 VCE 增加而增加，从而呈现不饱和性的现象，这种现象起因于晶体管的 基区宽度调变效应，也称为 Early 效应。基区宽度调变效应可解释为：
⎪ ⎩
N
d
−
Na
=
ax
可得：
n(xn
)
=
n(W 2
)
=
ni eψ
( xn ) / VT
4
则有：
ψ
(xn
)
=
VT
ln
aW 2ni
，
同理有：ψ
(x
p
)
=
−VT
ln
aW 2ni
因此有： ϕ 0
=ψ (xn ) −ψ (xp )
=
2VT ln
欧姆接触
解决spiking问题的方法
一种方法是在Al中掺入1-2% Si以满足溶解性 另一种方法是利用扩散阻挡层( Diffusion Barrier )
常用扩散阻挡层：TiN, TiW
较好的方法是采用阻挡层, Ti 或 TiSi2有好的接触和黏附 性,TiN 可作为阻挡层
16
2.铝的电迁移
• 当直流电流流过金属薄膜时，导电电子与金属离 子将发生动量交换，使金属离子沿电子流的方向迁移， 这种现象称为金属电迁移
侧墙氧化层 场氧化层
Silicon substrate
1. 有源硅区
钛硅反应区
2. 钛淀积
T成iSi2 形
3. 快速热退火处理
4. 去除钛
36
The term salicide refers to a technology used in the microelectronics industry used to form electrical contacts between the semiconductor device and the supporting interconnect structure. The salicide process involves the reaction of a thin metal film with silicon in the active regions of the device, ultimately forming a metal silicide contact through a series of annealing and/or etch processes.
金属化与平坦化
1
概述
金属化将晶片上制成的各种元器件用互连金 属线连接起来构成具有各种功能的集成电路 的工艺。是芯片制造过程中在绝缘介质薄膜 上淀积金属薄膜，通过光刻形成互连金属线 和集成电路的孔填充塞的过程。
【半导体培训资料】金属半导体接触
m s
由于功函数的不同，半导体中的电子就会渡越到金属，使两者的费米能 级拉平。 当把N型半导体与一个比它功函数大的金属紧密接触时，此时，金属的费米 能级小于半导体的费米能级，半导体中的电子能量较大，一部分电子很容易的进 入金属。使得金属因多余电子而带负电，半导体因缺少电子而带正电。金属中的 负电荷是以电子的形式存在的，其密度很高，在N型半导体正电荷的吸引下，这 些多余的电子就集中在界面处的金属薄层中。半导体中的正电荷是以施主离子的 形式出现的，分布在一定厚度的区域中，形成空间电荷区。
说明在大电场下，肖特基势垒被镜像力降低了很多。
镜像力使肖特基势垒高度降低的前提是金属表面的半导体导带
要有电子存在。因此，在测量势垒高度时，如果所用方法与电
子在金属和半导体间的输运有关则所测得的结果是
；
如果测量方法只与耗尽层的空间电荷有关而不涉及电子的输运
（如电容方法），则测量结果不受镜像力的影响。
rd
rs=
1+ ωc2
Cd2rd2
ωc是截止频率, 因为rd>>rs,所以 有
1
ωc2=
Cd2rdrs
对于高频运用,cd、rd、rs都 应该很小。如果半导体具有高杂质 浓度和高迁移率。那么是能够实现 小rs的,通过采用GaAs材料,工作频 率可达到100GHz。
4.8.2肖特基势垒箝位晶体管
由于肖特基势垒具有快速开关响应,因而可以把它和NPN晶体管
1.8
2.0 2.2
2.4
dV/dT(mV/℃)
正向偏压时温度系数与电流密度的关系
4.8肖特基势垒二极管的应用
半导体物理之名词解释
1.迁移率 参考答案： 单位电场作用下，载流子获得的平均定向运动速度，反映了载流子在电场作用下的输运能力，是半导体物理中重要的概念和参数之一。
迁移率的表达式为：*q mτμ=可见，有效质量和弛豫时间（散射）是影响迁移率的因素。
影响迁移率的主要因素有能带结构（载流子有效质量）、温度和各种散射机构。
n pneu peu σ=+2.过剩载流子 参考答案：在非平衡状态下，载流子的分布函数和浓度将与热平衡时的情形不同。
非平衡状态下的载流子称为非平衡载流子。
将非平衡载流子浓度超过热平衡时浓度的部分，称为过剩载流子。
非平衡过剩载流子浓度：00,n n n p p p ∆=-∆=-，且满足电中性条件：n p ∆=∆。
可以产生过剩载流子的外界影响包括光照（光注入）、外加电压（电注入）等。
对于注入情形，通过光照或外加电压（如碰撞电离）产生过剩载流子：2i np n >，对于抽取情形，通过外加电压使得载流子浓度减小：2i np n <。
3. n 型半导体、p 型半导体N 型半导体：也称为电子型半导体.N 型半导体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体.在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷）,使之取代晶格中硅原子的位置,就形成了N 型半导体.在N 型半导体中,自由电子为多子,空穴为少子,主要靠自由电子导电.自由电子主要由杂质原子提供,空穴由热激发形成.掺入的杂质越多,多子（自由电子）的浓度就越高,导电性能就越强.P 型半导体：也称为空穴型半导体.P 型半导体即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体.在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼）,使之取代晶格中硅原子的位子,就形成P 型半导体.在P 型半导体中,空穴为多子,自由电子为少子,主要靠空穴导电.空穴主要由杂质原子提供,自由电子由热激发形成.掺入的杂质越多,多子（空穴）的浓度就越高,导电性能就越强. 4. 能带当N 个原子处于孤立状态时，相距较远时，它们的能级是简并的，当N 个原子相接近形成晶体时发生原子轨道的交叠并产生能级分裂现象。
金属和半导体接触引言金属与半导体接触类型1整流接触
第七章 金属和半导体接触引言：金属与半导体接触类型：1、 整流接触：金属与轻掺杂半导体形成的接触表现为单向导电性，即具有整流特性，但电流通常由多子所荷载。
由于这种器件主要靠电子导电，消除了非平衡少子的 存储，因而频率特性优于p –n 结；又由于它是在半导体表面上形成的接触，便于散热，所以可以做成大功率的整流器；在集成电路中用作箝位二极管，可以提高集成电路的速度，通常称为肖特基势垒二极管，简称肖特基二极管。
2、 欧姆接触：这种接触正反向偏压均表现为低阻特性，没有整流作用，故也称为非整流接触。
任何半导体器件最后都要用金属与之接触并由导线引出，因此，获得良好的欧姆接触是十分必要的。
§7.1 金属半导体接触及其能带图本节内容：1、 金属和半导体的功函数2、 接触电势差3、 阻挡层与反阻挡层4、 表面态对接触势垒的影响课程重点：金属的功函数：在绝对零度的电子填满了费米能级F E 以下的所有能级，而高于F E 的能级则全部是空着的。
在一定温度下，只有F E 附近的少数电子受到热激发，由低于F E 的能级跃迁到高于F E 的能级上去，但是绝大部分电子仍不能脱离金属而逸出体外，这说明金属中的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，必须由外界给它以足够的能量。
所以，金属内部的电子是在一个势阱中运动。
用0E 表示真空中静止电子的能量，金属功函数的定义是0E 与F E 能量之差，用m W 表示，即m F m E E W )(0-=它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。
功函数的大小标志着电子在金属中束缚的强弱，m W 越大，电子越不容易离开金属。
半导体的功函数和金属类似：即把真空电子静止能量0E 与半导体费米能级S F E )(之差定义为半导体的函数，即s F s E E W )(0-=。
因为半导体的费米能级随杂质浓度变化，所以半导体的功函数也与杂质浓度有关。
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③V 0
金属接正极，半导体接负极
外加电压削弱了内建电场的作用，半导体势垒降低；
金属一侧的势垒高度没有变化
Nsm Nms
J Jms 0
E
形成正向电流（电流很大）
对p型阻挡层的讨论类似，但其正向电压和反向电压的极性正 好与n型相反：
V 0
V 0
金属接正极，半导体接负极 金属接负极，半导体接正极
nd
n0
Nc
exp
Ec EF k0T
p0
Nv
exp
EF
Ev k0T
0
Ec EF EF Ev 0
p 0 nd n0 大注入
② 与空穴的扩散效率有关
3. 欧姆接触
（ ）什么是欧姆接触？
电子通过M-S接触时，能够不受势垒的阻挡，从一种材料输 运到另一种材料，即其正反偏置的电流输运特征没有差别。
接触情况对比
理想接触
Wm Ws
与n型半导体：电子的阻挡层 整流接触
与p型半导体：空穴的反阻挡层 欧姆接触
Wm Ws
与n型半导体：电子的反阻挡层 欧姆接触
与p型半导体：空穴的阻挡层 整流接触
实际接触
由于存在表面态，总是形成势垒
半导体的掺杂浓度低 肖特
基势
——整流接触
垒二
极管
半导体的掺杂浓度高 半导体 器件与
p0
p0
exp
qVD k0T
>
p0
扩散
漂移
在正向电压作用下，金属和n型半导体接触使得半导体中空穴浓 度增加的现象称为少子的注入。 实质上是半导体价带顶部附近的电子流向金属，填充金属中EF 以下的空能级，而在价带顶附近产生空穴。
导带电子转移——电子耗尽
价带电子转移——空穴积累
注入的程度：
① 与势垒的高度有关
n型阻挡层
正向电流
反向电流
p型阻挡层
反向电流
正向电流
注意：无论是哪种阻挡层，其正向电流都对应于多数载流子从半 导体到金属所形成的电流。
单向导电性（整流特性）——整流接触
（2）热电子发射理论
① 适用范围
——适用于薄阻挡层 ln >>d ——势垒高度>>k0T ——非简并半导体
② 基本思想
薄阻挡层，势垒高度起主要作用。
（势垒区很薄，发生隧道效应）金 极属 的电 接
触
——欧姆接触
6.2 整流接触与欧姆接触
1. 整流接触
（1）外加电压对势垒的影响
① V 0
N sm
Nsm Nms Jms Jsm
Nms
J 0
② V 0 金属接负极，半导体接正极
外加电压增强了内建电场的作用，势垒区电势增强，势垒增高； 金属一侧的势垒高度没有变化；
Nms Nsm
J Jsm 0
E
形成反向电流（电流很小）
① 理想接触（不考虑表面态） 反阻挡层即为欧姆接触
电子反阻挡层；低阻 —触 形成电子反阻挡层
Wm＞Ws时，金属和p型半导体接触 形成空穴反阻挡层
② 实际情况（有表面态） 半导体材料与金属接触都形成势垒。
Ø 当势垒很薄时，发生隧道效应； 隧道效应占主导地位时，形成欧姆接触
n 欧姆接触应满足以下三点：
1）伏安特性近似为线性，且是对称的； 2）接触引入的电阻很小（不产生明显的附加阻抗）； 3）不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著改变。
欧姆接触不影响器件的电流电压特性 应用：半导体器件一般利用金属电极输入或输出电流，要 求在金属和半导体之间形成良好的欧姆接触。
（2）如何实现欧姆接触？
n 隧穿的几率依赖于势垒的宽度
势垒区的宽度：d 2r0 ns n V
qND
V 0
ns VD n
d 2r0 VD V
qND
d 2r0 VD V
qND
N D 1019 cm3 隧道效应
欧姆接触
制作欧姆接触最常用的方法： 用重掺杂的半导体与金属接触， 形成 M-n+-n 或 M-p+-p 结构。
能够越过势垒的电子才对电流有贡献 ——计算超越势垒的电子数，从而求出电流密度。
③ 势垒区的伏安特性
有效理查逊常数
J
J sT
exp
qV k0T
1
J sT
AT 2
exp
qns
k0T
与外加电压无关，是温度的函数
V >0： V< 0：
J
J sT
exp
qV k0T
J J sT
J V
Ge、Si、GaAs有较大的平均自由程，符合热电子发射。
（3）肖特基势垒二极管
肖特基势垒二极管 PN结二极管
PN结二极管
少子器件 双极型器件
肖特基势垒二极管 SBD（Schottky Barrier Diode ）
多子器件 单极型器件
电荷存贮效应 (低频)
无存贮效应 (高频)
导通电压高
导通电压低
2. 少数载流子的注入
电子转移 V >0时，空穴扩散占优，形成空穴流