Дослідження контактної різниці потенціалів контакту метал-напівпровідника

До недоліків  алюмінію як контактного матеріалу  слід віднести: можливість закорочування р-n-переходу внаслідок активного відновлення ним захисної плівки діоксиду кремнію вже при температурах вище 700 К; ефект   електродифузії,   який   спостерігається   при   густині струму  більше 5·10⁸ А/м² і температурах вище 420 К і приводить до утворення виступів біля позитивного, а також пустот і розривів плівки − біля негативного електродів; порушення міцності контакту Al−Si, пов’язане із осадженням кремнію при охолоджуванні по границях зерен алюмінію (це обумовлено високою розчинністю кремнію в алюмінії, що досягає ~1% при 870 К); складність паяння і неможливість електролітичного осадження; утворення стійких інтерметалічних з’єднань в двошаровій контактній структурі золото-алюміній, які поступово руйнують контакт і виводять прилад з ладу (цей ефект відомий в літературі як «пурпурова чума» − за кольором одного з інтерметалідів); низьку корозійну і механічну міцність.

Ефект електродифузії алюмінію може бути значно зменшений при легуванні його кремнієм до рівня розчинності (~1%), а також введенням добавок перехідних металів Сu, Ti, Mn, Fe, створюючих з кремнієм силіциди.

З урахуванням  достоїнств і недоліків алюмінію як контактного матеріалу його можна  використовувати при виготовленні малопотужних кремнієвих приладів, що працюють на частотах до 1 ГГц, але не розрахованих на жорсткі вимоги до надійності.

Контакти  більш високої якості можуть бути одержані на основі багатошарових систем, коли для формування контактуючого з напівпровідником шару застосовуються метали, що забезпечують малу глибину проникнення контакту в напівпровідник, володіючі здатністю до відновлення оксидних шарів, мають низький перехідний опір, а для формування верхнього шару − метали з високою провідністю, сумісні з металом контактного шару і металом виводу. Оскільки умова сумісності виявляється у ряді випадків важко здійснимою, можна вводити третій, розділовий (або бар’єрний) шар.

При отриманні  контактного шару використовують титан, хром, ванадій, молібден, вольфрам.

Завдяки високій корозійній стійкості і  механічній міцності, а також здатності  утворювати металургійно стійкі системи з кремнієм титан застосовують при створенні контактних систем на кремнії як нижній, контактуючий з кремнієм шар.

Використовування  одношарового титанового контакту неможливе, оскільки титан має високий питомий  опір (5,8·10^-7 Ом·м) і швидко окислюється. Шар титану, нанесений на поверхню кремнію, забезпечує формування невипрямляючого контакту і є адгезійним для шару металу, що наноситься на нього. Титанові плівки застосовують при формуванні багатошарових омічних контактних систем на кремнії, таких, як Si−Ti−Аu, Si−Ti−Mo−Аu, Si−Ti−Mo−Cr−Аu і ін.

Плівка  хрому, що використовується як контактний шар, утворює з кремнієм невипрямляючий контакт і забезпечує хорошу адгезію нанесеного на нього наступного шару металу. Недоліком хрому є те, що, як і алюміній, він активно взаємодіє з SiO₂ при температурах вище 470 К. Крім того, плівки хрому зазвичай знаходяться в напруженому стані і є достатньо пористими.

Як матеріал провідного шару найбільш часто використовують алюміній і золото. Срібло і мідь застосовують для цієї мети значно рідше через їх легку окислюваність і здатність утворювати тверді розчини з алюмінієм і золотом.

Використовування  золота для формування провідного шару контактних систем обумовлено його високою  провідністю і хімічною інертністю. Проте такі плівки володіють поганою  адгезією до кремнію і SiO₂, що викликає необхідність створювати проміжний шар з Al, Ti, Cr, Mo, Та. В омічних контактних системах Si−Ti−Аu, Si−Cr−Аu, Si−W−Аu, Si−Mo−Аu та інших золото використовується для формування провідного зовнішнього шару.

Для створення  розділювального, бар’єрного, шару зазвичай використовують плівки платини, титану, молібдену. Найкращими розділювальними властивостями володіє платина, оскільки плівка з неї завтовшки 0,05 мкм виключає взаємодію між більшістю металів, що використовуються для формування контактного і провідного шарів.

Без розділювального  шару контактна система може виявитися  нестабільною. Так, в двошаровій контактній системі Сr−Аu внаслідок взаємної дифузії металів відбувається утворення твердих розчинів, що приводить до збільшення (на порядок) опору контакту. При великій відмінності в швидкостях дифузії атомів металів, з яких створена контактна система, може спостерігатися ефект Кіркендала − утворення в шарі металу з більшою швидкістю дифузії скупчень вакансій, що призводять до утворення розривів цілісності в шарі металу.

 

2.1 Контакт метал-напівпровідник

Якщо  методом катодного розпилення, або  вакуумного осадження, на очищену зону напівпровідника, нанести метал, то утвориться з'єднання метал-напівпровідник. Робота виходу електронів з металу значно більша, ніж у напівпровідника. Тому утвориться різниця робіт виходу, та різниця потенціальних бар'єрів. Це зумовить перехід електронів із напівпровідника до металу, та відсутність  переходу електронів із металу до напівпровідника. При контакті металу з напівпровідником так само, як при контакті двох металів, виникає контактна різниця потенціалів, яка визначається різницею робіт виходу електронів.

Нехай робота виходу з металу буде більшою, ніж  з напівпровідника з електронною  електропровідністю. Якщо привести в  ідеальний контакт метал з  напівпровідником, то в початковий момент внаслідок різниці робіт  виходу електронів з металу і напівпровідника  електрони спрямуються в метал. В результаті цього на поверхні металу утворюється негативний заряд, який перешкоджатиме подальшому переходу електронів в метал з прилеглого шару напівпровідника. В рівноважному стані між металом  і напівпровідником встановлюється деяка різниця потенціалів, яка  врівноважує дифузійний потік електронів з напівпровідника в метал, що утворився за рахунок різниці  робіт виходу, і дрейфовий потік  електронів з металу в напівпровідник, що виник за рахунок електричного поля різниці потенціалів на контакті.

В зв’язку  з тим, що в об’ємі металу електричне поле при відсутності струму не може існувати, вся контактна різниця  потенціалів φ^k падає в при поверхневий шар напівпровідника, приводячи до викривлення зон енергії і виникненню об’ємного заряду, подібно накладанні на напівпровідник зовнішнього електричного поля. Викривлення зон енергії, яке виникає в результаті обміну електронами термоелектронної емісії, не зміниться і після приведення металу і напівпровідника в контакт. Оскільки для переходу електронів з напівпровідника в метал існує потенціальний бар´єр висотою.

То можна  сказати, що при контакті металу і  напівпровідника виникає внутрішня  різниця потенціалів, рівна зовнішній  різниці потенціалів, тобто рівна  різниці робіт виходу електронів з металу та напівпровідника.[10].

На контакті напівпровідника з металом створюється  стан, відмінний від стану на контакті двох металів. Концентрація вільних  електронів в металі 10²⁸ м^-3 відповідає числу вільних електронів в моноатомному поверхневому шарі металу приблизно 10²⁸ м^-3 ·3 ·10^-10 м = 10¹⁸ м². Забезпечення контактної різниці потенціалів, наприклад, 1 В потребує лише частину вільних електронів, що знаходяться в приповерхневому шарі металу, оскільки для цього необхідна поверхнева густина електронів приблизно 10¹⁶ м^-2.

Концентрація  вільних електронів в напівпровіднику n-типу, як правило, складає 10²⁰−10²⁴ м^-3, що відповідає числу вільних електронів в моноатомному шарі − 10¹⁰−10¹⁴ м^-2. Таким чином навіть всіх електронів в приповерхневому шарі напівпровідника недостатньо для забезпечення необхідної густини поверхневого заряду. Внаслідок цього електрони підтягуватимуться з приконтактного шару напівпровідника, залишаючи некомпенсовані позитивні іони донорної домішки. Приконтактний шар, збіднений основними носіями заряду, володіє підвищеним опором. Його називають запираючим. Електричне поле, що виникає в результаті наявності об’ємного заряду, викривляє енергетичні зони приконтактного шару напівпровідника. В рівноважному стані системи метал-напівпровідник електрону напівпровідника для проходження межі розділу необхідно подолати потенціальний бар’єр.

 

Рис. 5 Енергетичні діаграми контакту метал-напівпровідник

На рис. 5 а) зображена зонна діаграма металу і напівпровідника при Ф_м>Ф_п, де Ф_м і Ф_п − робота виходу електрона у вакуум з металу і напівпровідника відповідно. При контакті металу з напівпровідником завдяки описаним процесам в системі встановлюється динамічна рівновага з вирівнюванням рівнів Фермі металу і напівпровідника і утворенням контактної різниці потенціалів, рівної різниці робіт виходу.

Якщо робота виходу електрона  з металу менша роботи виходу з  електронного напівпровідника (Ф_м<Ф_п), то після з’єднання електрони з металу спрямуються в напівпровідник, збагативши приконтактний шар напівпровідника основними носіями заряду і тим самим створюючи шар в напівпровіднику з підвищеною провідністю, який називають збагаченим шаром. Енергетична схема контакту метал-напівпровідник для цього випадку представлена на рис. 5 б).

У випадку контакту металу з дірковим напівпровідником за умови Ф_п<Ф_м в момент контакту частина електронів з напівпровідника спрямується в метал. Електричне поле, що виникло при цьому надалі відштовхуватиме електрони в глиб напівпровідника і притягатиме дірки, які в дірковому напівпровіднику є основними носіями заряду. В результаті цього в приконтактній області напівпровідника утворюється збагачений шар. Енергетична схема такого напівпровідника приведена на рис. 5 в). За умови Ф_п>Ф_м, тобто якщо робота виходу електрона з металу менша роботи виходу з діркового напівпровідника, то утворюється запираючий шар (рис. 5 г).

Представляє інтерес контакт  напівпровідника з металом у  випадку великої контактної різниці потенціалів. При великій різниці робіт виходу електрона з металу і напівпровідника в приконтактному шарі напівпровідника може відбутися зміна механізму провідності напівпровідника.

Рис. 6 Енергетичні діаграми контакту метал-напівпровідник при великій контактній різниці потенціалів.

Енергетичні діаграми контакту метал-напівпровідник при великій контактній різниці потенціалів приведені на рис. 6. Якщо робота виходу з металу істотно більша, ніж з електронного напівпровідника (Ф_м>Ф_п), то викривлення енергетичних зон приконтактного шару може бути таким, як показано на рис. 6, а), верхня межа валентної зони W_υ, може наблизитися до рівня Фермі W_F настільки, що відстань від верхньої межі валентної зони до рівня Фермі буде менша ніж відстань від рівня Фермі до дна зони провідності W_с. Така енергетична діаграма характерна для діркового напівпровідника. Дірковий механізм електропровідності в електронному напівпровіднику виникає за рахунок того, що при збідненні приконтактного шару основними носіями заряду – електронами, їх концентрація тут стає меншою концентрації дірок. Цей шар називають інверсним.

В розглянутому випадку  на деякій відстані від контакту завжди матиме місце шар, для якого відстані від верхньої межі валентної зони і від дна зони провідності до рівня Фермі однакові і рівні половині ширини забороненої зони. В цьому шарі, як і у власному напівпровіднику, концентрації електронів і дірок рівні. Він є межею між областями n- і р-типів електропровідності в напівпровіднику.

Інверсний шар можна  одержати і в дірковому напівпровіднику, якщо робота виходу електрона з металу істотно менша за роботу виходу з діркового напівпровідника (рис. 6, б).

Розглянемо властивості  контакту метал-електронний напівпровідник, коли Ф_м>Ф_п.

При відсутності зовнішнього електричного поля потоки електронів з напівпровідника в метал і з металу в напівпровідник однакові. Відповідні їм струми рівні між собою:

При прикладенні до системи метал-напівпровідник зовнішньої різниці потенціалів U з полярністю, протилежною полярності контактної різниці потенціалів потенціальний бар’єр контакту знизиться на величину eU (рис. 7 а) і, відповідно, збільшиться потік електронів з напівпровідника в метал. Струм, що відповідає цьому потоку збільшиться в exp(eU/kT) раз і буде рівний I_sexp(eU/kT), оскільки згідно закону Больцмана бар’єр висотою (eU_к−eU) долається в exp(eU/kT) раз більшим числом електронів, ніж бар’єр висотою eU_к.

Струм, що протікає через  контакт,

називають прямим струмом.

 

Рис. 7 Енергетична діаграма контакту метал-електронний напівпровідник при прикладанні зовнішньої напруги:

a − прямої; б − зворотної

Якщо напруженість зовнішнього  електричного поля, прикладеного до системи метал-напівпровідник, має запираючий шар, співпадає по напряму з напруженістю електричного поля контактної різниці потенціалів, то потенціальний бар’єр на контакті підвищиться (рис. 7 б) і відповідно потік електронів з напівпровідника в метал зменшиться в exp(eU/kT) разів.

Струм, що протікає в цьому  випадку через контакт,

називають зворотнім.

Відповідно до циї рівнянь статичної вольт-амперної характеристики може бути записано в наступному вигляді:

Формула виконується для  випадку тонкого запираючого шару, коли можна вважати, що носії струму не здійснюють зіткнення.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Дослідження контактної різниці потенціалів між напівпровідником  та металом

Контактні різниця потенціалів U_k між металом та напівпровідником визначається різницею робіт виходу електрона з металу Ф₁=eU₁ та з напівпровідника Ф₂=eU₂:

 

Робота  яку треба виконати, щоб вирвався електрон з металу в безповітряний  простір, називається роботою виходу. Електрони яким вдалося вирватись  з металу, утворюють над його поверхнею  електронну хмарку, густина якої швидко зменшується в міру віддаляння від поверхні металу. В електронній хмарці встановлюється динамічна рівновага: одні електрони вириваються з металу, а інші повертаються назад. Можна сказати, що електрони цієї хмарки відштовхують у метал інші електрони, які намагаються вирватись з нього. Електронна хмарка заряджена негативно, а метал - позитивно. Різниця потенціалів між електронною хмаркою і металом називається поверхневим стрибком потенціалу або контактною різницею потенціалів. [1].