chap7 金属与半导体接触Me.ppt

第七章 chap7金属与半导体接触Metal semiconductorContact 制造半导体器件或研究半导体材料的性质 总要涉及到金 半接触如 1 器件内引线 集成电路各元件的互连线 2 外引线3 汞探针c v测载流子浓度 四探针 钨丝 测电阻率金属 半导体接触类型 1 半导体为轻掺杂 一般 金 半接触表现为单向导电 具有整流作用 这种接触称为肖特基接触 schottky contact 整流接触 应用 微波开关二极管 太阳能电池 整流器 面积大 功率大 作开关型稳压源 箝位 chap7金属与半导体接触Metal semiconductorContact 二极管 用于集成电路 IC 限制深饱和 肖特基势垒二极管 2 半导体为重掺杂 金 半接触表现为 正反向偏压 低阻特性 称欧姆接触 非整流接触 V I特性对称 应用 器件引线 外引线及集成电路中的内线 两种接触的伏安特性 7 1肖特基接触及其能带图 1 金属和半导体的功函数金属功函数 逸出功 脱出功 金属中电子可在金属内自由运动 但大多数电子不能逸出体外 而是处于以下设真空中电子静止能量为 则金属中电子逸出金属所需的最小能量为 即功函数的意义 数值的大小表示金属中电子受束缚的强弱 大 电子受束缚强 不易逸出 同时表示的高低 大 低 7 1肖特基接触及其能带图 常用的某些金属的功函数 目前数据分散性较大 不同资料的数据不同 半导体的功函数 与金属的功函数类似 半导体的功函数为与材料种类及掺杂浓度有关 与材料及掺杂浓度有关下表给出Si Ge的功函数 实验值 或笔记 7 1肖特基接触及其能带图 电子亲和能表示处的电子逸出半导体需要的最小能量因此 图7 3 式中 7 1肖特基接触及其能带图 2 接触电势差 半导体与半导体接触可以形成接触电势差 如p n结 原因 电子由费米能级高的材料流向费米能级低的材料 建立起两种材料的电势差 金 半接触电势差与什么因素有关 设 金属与n型半导体接触 相同 即接触前 下面分两种情况讨金 半接触的问题 金属于半导体用导线连接 两者距离很远 7 1肖特基接触及其能带图 电子由SM转 使S带正电 M带负电 二者间隙形成电场 当两者费米能级相同时 达到平衡 电荷分布如图示 接触前 金属电势 半导体电势 0 接触前均为电中性 接触后 金属电势 半导体电势 取无穷远处为电势零点 7 1肖特基接触及其能带图 由于电势发生变化 能带中的各能级也发生相应变化 金属能带中各能级包括均上升半导体能带中各能级包括 实际是下降 取无穷远处为电势参考点 平衡时 持平 费米能级的改变量 M中 S中 均下降 因此 7 1肖特基接触及其能带图 即 金 半间距很小 设间距为D有两方面的变化 电荷分布发生变化 金属中的负电荷集中分布在靠近S一侧的表面上 半导体中的正电荷集中分布在靠近M一侧的表面层 称为空间电荷层 原因 M电荷密度大 S电荷密度小 D小 接触电势差 7 1肖特基接触及其能带图 电荷分布变化 金 半间隙存在电场 半导体表面层内也存在电场 方向指向表面 使表面层能带发生弯曲 产生表面势 为表面处与体内的电势差 若体内电势为零 则接触电势差 金 半间距达到原子间距数量级 即紧密接触 电子可以自由穿过间隙 接触电势差即接触电势全部降落在半导体表面层内 S侧势垒高度 取S体内为电势0点 金属M侧势垒 肖特基势垒 高度 7 1肖特基接触及其能带图 金属M侧势垒 肖特基势垒 高度图3 阻挡层与反阻挡层 半导体为n型 1 即 电子由转移 S侧空间电荷 表面能带上弯 为电子势垒 表面层电子浓度低 多子耗尽 高阻层阻挡层 如上图2 电子由转移 7 1肖特基接触及其能带图 S侧表面层带负电 能带下弯 此情况表面层电子浓度大多子耗尽底阻层反阻挡层 利于做欧姆接触 金属 p型接触不讲 7 1肖特基接触及其能带图 4 表面态对金 半接触势垒的影响肖特基模型 理想情况 不考虑表面态 时 势垒高度 称肖特基势垒 对于同种半导体 x const 则 但实际上与关系不大如 Au Al Si X 4 05evAu Si 5 06 4 05 1 01evAl Si 4 13 4 05 0 08ev 二者相差0 93ev 7 1肖特基接触及其能带图 而实验结果表明不同金属与同一种半导体接触形成的势垒与金属功函数的差异基本无关 即基本不变 例如Au n型SiAl n型Si 二者差 巴丁模型 Bardeen 考虑表面态的影响 较好地解释了肖特基理论与实验结果的差异 该模型认为半导体表面的表面态密度很大 金属与半导体表面及半导体 三者 之间交换电荷 产生的电势差对势垒高度起钳制作用 半导体表面存在允许电子能量状态表面态对应能级叫表面能级 7 1肖特基接触及其能带图 施主表面态 电子占据时呈电中性 施放电子后带正电受主表面态 能级空着为电中性 接受电子后带负电现在考虑三个系统 金属 表面态 半导体接触前 三个系统均处于电中性 费米能级分别为 设表面态功函数并定义三个系统费米能级不同 接触后交换电子 最后达到平衡 形成统一的费米能级 半导体表面形成势垒 分两步说明 7 1肖特基接触及其能带图 第一步 金属与表面态接触平衡情况 设 及二者接触后 金属电子表面态 金属带正电 表面态带负电 同时产生电场 称间隙电场 方向从M指向表面 态 电势差为平衡时具有统一的费米能级 因此 7 1肖特基接触及其能带图 即 此时表明 金属与表面态 费米能级的改变量之和补偿了二者的功函数差 由图知 金属侧势垒高度第二步 金属 表面态合系统再与半导体平衡 第一步中金属 表面态达到平衡费米能级 半导体 且 金属 表 7 1肖特基接触及其能带图 面态与半导体接触后 半导体电子金属 表面态 结果 半导体带正电 出现空间电荷层 层内有了电势差 使半导体内部能带连同一起下降 平衡后拉平 三个系统有统一的 金属 表面态电荷 金属 表面态间隙电场也发生变化 若表面态密度很图片大 则上述变化很小 可以忽略 金属 表面态电子密度大 半导体电子 7 1肖特基接触及其能带图 密度小 则金属侧势垒高度不变 为结论 1 表面态密度很大时 与无关 表面态密度很大时 不变 平衡后 即和都被钳制在上与无关 只与 确定的材料 const 有关 这一极限情况为巴丁极限 2 表面密度较小时 与有关 表面密度较小时 变化 但很小 与有关 7 1肖特基接触及其能带图 对Si Ge GaAs 或表面态费米能级的位置称巴丁极限 或定则 某些半导体 如InP CdTe等 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 一 阻挡层的整流效应 金 半阻挡层有类似p n结的整流特性 不考虑表面态 n型 半导体表面层形成阻挡层正偏压 M N型 低阻方向 通流方向 反偏压 M N型 高阻方向 阻流方向 P型 半导体表面层形成阻挡层正偏压 M P型 低阻方向 通流方向P型M 反偏压 M P型 高阻方向 阻流方向 二 阻挡层整流的扩散理论 Schottky理论 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 适用条件 厚阻挡层电子平均自由层阻挡层厚度d基本思想 d较大 可以建立载流子浓度梯度形成扩散电流 阻挡层内有电场产生漂移电流 即通过阻挡层电流 扩散电流 漂移电流设半导体为N型阻挡层为耗尽层 厚度为d 电荷密度 施主全电离 见图 正值 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 1 阻挡层内电场与电势分布 解泊松方程 积分一次边界条件 取体内电场 0 即 代入上式得 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 电场线性分布 再积分一次 边界条件 取电势0点在处 即代入上式得 7 13 抛物线方程 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 用上式 求d 外压 0时外压为V时 边界值 由右图为外压 0时的表面势由解得 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 势垒厚度与V有关肖特基势垒外压 0时的耗尽层厚度用此式可解出 阻挡层厚度d与外压有关n型 能带上弯时 时 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 2 阻挡层的伏安特性M S N型 先考虑多子电流 阻挡层内任一总的电流密度 漂移电流扩散电流总的电流讨论 外压V 0的情况 平衡情况 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 代入 式得 这显然成立 外压的情况 稳定时即 式两边乘以得对阻挡 层积分 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 式中四个边界值 边界条件 x d处 体内平衡浓度 X 0处 作如下近似 势垒区失去平衡 但在截面处 金 半可直接交换电子 认为基本维持平衡 近似 适用玻氏分布 x 0处 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 将四个边界值代入 式 两边同除以 再估算分母 取近似 阻挡层耗尽层 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 时 势垒很高 被积函数指数 在x 0附近能量为kT的内 阻挡层内场强 x 0处场强最大 在内 分母 利用条件 提出积分号 在内积分利用条件 换限 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 上式 势垒很高即 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 略去 又及 电势0点在处 式中 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 讨论 与外压有关 不饱和时 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 V 0 金属 N型 设通流V 0 金属 N型 设阻流 扩散理论适用条件 平均自由时间 即适用于小的材料 如 氧化亚铜 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 三 阻挡层整流的热电子发射理论 Bethe理论 两极管理论 适用条件 薄阻挡层基本思想 电子在d内的碰撞薄 阻挡层内不形成载流子浓度梯度 只要电子能量势垒高度就可以越过势垒 所以通过势垒区电流 越过势垒顶的载流子形成的电流 计算电流转为计算越过势垒的载流子数目即热电子发射以金属与N型半导体接触为例 假定 阻挡层耗尽层外压降在阻挡层 金属 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 一侧压降为0 势垒高度很高 由SM的电子数很少 体内 通过势垒与金属交换电子数目很少 对半导体内无影响 正 反向偏压都适用 由SM或由MS的电子数很少 1 由半导体进入金属的电子流半导体内单位体积导带中内的电子数 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 两个等能面间的电子数J 换变量 并由代入上式得到单位晶体体积中在速度空间范围内的电子数 两个等速面 球壳 之间的电子数 图片 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 单位体积中 处于中的电子数dn这些电子占有速度空间的体积为 球壳体积 单位晶体体积 单位速度空间体积中的电子数为在中的电子数 即速度空间体积元中的电子数 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 如右图体积长的截面积在体 中的电子数dN实际上是对应单位表面积 长为的体积中的电子数 在单位时间内它们都能到达界面 其中能够越过势垒项的那部分电子到达电子形成电流 电子越过势垒到达金属 须满足 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 在x方向上需要的最小速度 与无关 设电流正方向为由 则有的电子形成的电流密度 由假定 得故 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 又利用可得 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 其中 有效里查逊常数 见表7 42 金属到半导体的电流密度根据假定 阻挡层为耗尽层 金属压降 0 外压主要降在半导体表面层 不影响金属一侧的势垒高度 仍为平衡时的值 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 由的电子流与外压无关 时 由的电流 由的电流但总电流 0时 由的电流 由的电流 const 与V无关 通过阻挡层的总电流密度 称Bethe方程 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 式中 与外压无关 与温度有关小结 两种理论的伏安特性方程 Schottky方程 Bethe方程 Shockley方程 p n结 Bethe方程适用条件 要求大故适用大的材料 如 Ge Si GaAs 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 四 电 镜 象力和隧道效应的影响理论与实验结果有偏离 尤其在阻流方向 实际反向电流大于理论反向电流原因 电象力和隧道效应使势垒 反向电流 电象力的影响 半导体中的电子在金属中感应出正电荷 它们间的作用力可等效为物象电荷作用力 象电荷与物电荷之间的引力金属 真空系统中的电象力 金 半接触 半导体中电子的电象力 若电势零点选在半导体内无穷远处 电象力引起的电子的电势能 电子从x处移动到无穷远 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 处电象力做的功 Schottky势垒电场引起的势能 设 半导体N型 施主浓度 阻挡层耗尽层 厚度为d泊松方程 积分 边界条件 即x d 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 再积分 边界条件 x d处 x 0 表面势肖特基势垒电势引起的电势能为 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 考虑电象力后 总电势能 势能曲线如图 由上方程直接做图 前后两项分别做曲线 然后曲线相加分析电象力的影响 势能曲线最大值位于处 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 求导数 一般 解得 考虑电象力后 势垒降低量当时 前二项消去 只剩最后一项 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 其中因 外压 0时的表面势 结论 考虑电象力 使势垒顶向内移至处 且降低 当时 较小 对正向电流影响较小 相 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 对反向电流 当且时 势垒高度 反向电流 随着 反向电流 不饱和 反向电流2 隧道效应 能量低于势垒的电子有一定几率穿过势垒 使反向电流 设 势垒区存在临界势垒厚度使 电子不能穿过 处的电子能穿过势垒 意味着势垒 7 2阻挡层的整流 金 半接触的整流理论 电势零点取在处 由前面得到肖特基势垒电势势垒 有效 降低量当使 由此式知 使 势垒有效高度 反向电流 且不饱和 隧道效应显著这就较好的解释了世纪反向电流维和大于理论值 7 3肖特基势垒器件 利用金属 半导体接触的整流特性制成的器件 肖特基势垒器件一 SBD 肖特基势垒二极管SchottkyBarrierDiode 开关速度快 与p n节二极管比较 结型器件 p n结 正向电压p n结注入少子 在边界上积累 扩散形成电流反向电压由于正向时少子积累 使回复时间 开关时间 SBD 正向注入多子 无积累 多子形成电流反向时 由于正向无积累 恢复时间 开关时间 7 3肖特基势垒器件 高频特性好正偏截至频率 势垒电容 串联电阻 结型器件 串联电阻由轻掺杂一侧决定 都叫大 SBD 在重掺杂衬底上生长薄外延层 小 小 正向导通电压低p n结突变结 7 3肖特基势垒器件 SBD 势垒高度强烈依赖表面性质 电象力和隧道效应使 实验表明 二 SBD制造势垒金属选择要考虑 金 半接触的稳定性 可靠性 可加工性 容易提纯 易形成薄膜 粘附力强等 常用的金属Mo Al Pt Au Ti Ag Ni半导体材料 n Si n GaAs 大 单管主要工艺 在底上生长N型外延层 清洗 制作绝缘层刻势垒窗口 制作势垒金属 并合金化 制作金属电极 并合金化 7 3肖特基势垒器件 结构 右图为型Si结构SBDIC 集成电路中的SBD通图片常用Al Si n 接触做势垒 Al兼做电极三 SBD应用 用于混频 检波 开关 参量放大器 作箝位二极管 数字集成电路中做开关用的晶体管工作在饱和区和截止区 在饱和区 bc结正偏 饱和深 开关速度下降 用SBD 7 3肖特基势垒器件 把箝制在0 2 0 3V 使T不进入深饱和 开关速度上升 四 其它肖特基势垒器件1 肖特基势垒雪崩二极管 SBIMPATTD 特点 用重掺杂 迁移率大的材料做衬底 工作频率高 可在微波范围内工作 1KMc 4000KMc 功率大 功耗主要在高电场区 势垒区 最大场强位于金 半界面 易于散热 优于结型器件 在体内 2 肖特基势垒整流器 大面积SBD 特点 开关时间短 正向压降小 功耗低 最大 7 3肖特基势垒器件 整流电流50A 反向峰位电压20V 75年国外资料 应用 低压大电流电源设备 计算机控制设备 复杂的工业控制 3 肖特基势垒栅场效应晶体管金属 半导体场效应晶体管MESFET Metal semiconductorfieldeffectTransistor 7 3肖特基势垒器件 源S 漏D欧姆接触栅G与n型外延层SB接触SB控制沟道控制 7 4少数载流子的注入 1 阻挡层整流的扩散理论 金属 n型半导体接触 界面处多子表面势 电子由体内向界面扩散平衡时 V 0 多子电流 0 电子扩散电流 电子漂移电流加正向电压 势垒电场 使电子扩散电流 电子漂移电流 多子电子0 7 4少数载流子的注入 少子情况 界面处 少子空穴由界面向体内扩散 平衡时 少子扩散电流 少子漂移电流 少子电流 0加正向电压 势垒降低 少子扩散电流 少子漂移电流 少子电流0有少子注入 此时 正向电流 电子电流 空穴电流 皆为扩散电流 少子电流对正向电流的贡献与势垒高度有关 平衡时 设 则 势垒区电子和空穴分布相同 对称 7 4少数载流子的注入 正偏时 V 0仍有正偏压只影响和的相对位置 使半导体侧势垒高度 扩散占优势 电流0 多子和少子在势垒区分布相同 电子电流空穴电流若平衡时 则正向时空穴电流电子电流 即少子电流超过多字电流 有显著的少子注入 7 4少数载流子的注入 2 与少子注入有关的因素少子注入与势垒高度和注入方式有关 多子情况 正偏时 x 0处 半导体与金属交换电子 即界面处浓度不变 不变 少子情况 正偏时 空穴向内部扩散 在边界d处出现积累 使d处浓度 阻碍势垒区的空穴向体内扩散 使空穴扩散对电流贡献 7 4少数载流子的注入 即使 也可使空穴电流 电子电流 即多子电流为主 提高少子电流的措施 使势垒高度 空穴电流 大注入可提高少子电流 大注入使 在的空穴扩散区产生电场 促进空穴由d处向体内扩散 详见第六章 6 2 3大注入情况 提高少子扩散效率 使少子电流 平面注入 扩散速度 掺杂不高时 7 4少数载流子的注入 探针注入 扩散速度 设探针注入效率比平面注入大的多 少子注入的利弊探针注入效率 有利于测少子寿命 但影响电阻率参数的测量 不能反映材料的真实 措施 加大表面复合和局部体内复合 7 5欧姆接触 欧姆接触特点 无整流作用 低阻 V I特性为线性 对称制造方法 理论上 反阻挡层低阻层反阻挡层低阻层实际上半导体表面存在表面态 用上述方法不易得到反阻挡层 这是因为 表面态系统处于电中性时 其费米能级 巴丁极限 金 半接触只能 容易 形成阻挡层 如 金 半接触 N型 电子 7 5欧姆接触 由半导体流入表面态 使半导体带正电 能带上弯 形成电子阻挡层 如右图 金 半接触 N型 电子由表面态流入半导体 半导体带正电 能带上弯 形成电子阻挡层 如右图 7 5欧姆接触 金 半接触 P型 电子由表面态流入半导体 半导体带负电 能带下弯 形成空穴阻挡层 如右图 实际制造欧姆接触的方法 1 高掺杂接触 Ge Si GaAs材料大 可用热电子发射理论 阻挡层电流 热电子发射点流 隧道电流半导体轻掺杂 形成厚阻挡层 以热电子发射电流 7 5欧姆接触 为主 隧道电流0半导体重掺杂 形成薄阻挡层 热电子发射电流0 以隧道电流为主 具有欧姆