√Ohm接觸的原理与技术.doc

Ohm接触的原理与技术 Xie Meng-xian (UESTC，成都市) 任何元器件都需要金属电极来传输信号，则就离不开金属-半导体（M-S）接触，而这时为了不影响元器件的功能，就要求M-S接触本身是所谓Ohm接触，而非整流接触。但是，由于半导体表面状况的影响，任何金属与半导体的接触，都将由于界面处Fermi能级的钉扎效应而产生Schottky势垒（并且势垒高度基本上与金属功函数和半导体掺杂没有什么太大的关系），并呈现出整流性能（单向导电性）；虽然镜像力作用、以及在半导体表面设置高掺杂薄层等可以适当地调整Schottky势垒的高度，但无论如何也不可能消除Schottky势垒的影响。这就意味着，一般的M-S接触都将是具有整流性能的Schottky接触。因此，如何实现没有整流性能的Ohm接触，是一个需要很好研究的课题。 原则上，对于Ohm接触的基本性能要求应该是：一是电流与电压具有线性关系；二是接触电阻要小（应该远小于半导体的体电阻），即要求接触电阻率（比接触电阻）小。接触电阻率定义为 ?c = (?J/?V)?1|V→0 [?-cm2] 接触电阻小就意味着在很低的电压下也能够通过较大的电流。一般来说，接触电阻小是Ohm接触所必需的，而其伏安特性的线性度并不重要。图1是Ohm接触的典型伏安特性曲线。 由于M-S接触总是形成Schottky势垒，因此为了实现Ohm接触，就应该设法消除Schottky势垒的整流作用，并且接触电阻要小。 计算Ohm接触电阻的理论，一直存在着不少问题，直至1970年才逐渐趋于完善。在此之前所依据的基本机理是量子隧穿效应，而用来分析的基本手段是WKB近似。 （1）M-S接触的导电机理： 图2示出了M-S接触在热平衡时的能带图以及反偏时可能产生的三种电流分量。决定于掺杂浓度和温度，通过M-S接触的电流分别有TE、TFE和FE这三种性质有所不同的电流：TE电流是热电子发射电流，即是热电子越过势垒顶部而形成的电流，该电流与Schottky二极管的电流相同；TFE电流是热电子场致发射电流，即是热电子以隧道效应方式通过较窄的势垒；FE是场致发射电流，即是载流子在Fermi能级附近处的隧穿电流。 可见，对于M-S接触的势垒，只有较高能量的电子才产生TE电流；而较低能量的电子则可能是FE电流；处于能量在这二者之间的电子，则可能是TFE电流。 因为隧道效应需要较高的电场，则掺杂浓度很高的半导体与金属的接触，其Schottky势垒厚度很薄，其中的电场很强，那么这时通过的电流就必然是以隧穿的FE电流为主，并且正向电流和反向电流基本上相等。相反，低掺杂半导体与金属的接触，它的Schottky势垒厚度较大，其中的电场较弱，则这时通过的电流就必将是TE电流，并且正向电流将远大于反向电流——整流特性。因此，作为Ohm接触，需要的应该是以FE电流为主的导电体系。 对于M-S接触，若引入一个与掺杂浓度N有关的能量标准Eo=(q?/2) (N/m*εs)1/2，则分析给出： ①当kTEo时，主要是FE电流，接触电阻率为 ?c ∝ exp(q?/Eo) ②当kT≈Eo时，主要是TFE电流，接触电阻率为 ?c ∝ exp{q?/[Eo coth(Eo/kT)]} ③当kTEo时，主要是TE电流，接触电阻率为 ?c ∝ exp(q?/kT) M-S接触的接触电阻率与半导体掺杂浓度的关系示出在图3中。可见，在以TE电流为主的M-S接触中，接触电阻率与半导体掺杂浓度无关，而只决定于Schottky势垒高度；而在以FE电流为主的M-S接触中，接触电阻率与半导体掺杂浓度有很大的关系。因此，为了获得很低的接触电阻率，就应当尽可能地提高半导体掺杂浓度。 此外，由于M-S接触的电阻率?c与势垒高度q?存在上面指数函数的关系，所以为了降低接触电阻率，显然还必须降低势垒高度。而M-S接触的势垒高度与两个因素有关：一是金属功函数，二是界面特性。但对于大多数半导体而言，它的Fermi能级是被界面陷阱固定（钉扎）在禁带内的，所以势垒高度主要决定于金属的功函数。 然而，对于某些化合物半导体，它的Fermi能级是被界面陷阱固定（钉扎）在禁带之外的，则这时M-S接触的状况将完全不同于以上所述。例如n-InSb与金属的接触，其能带如图4所示，这时在界面附近只出现积累层，而不产生势垒或者耗尽层，即势垒高度为负，显然这时的接触电阻率很小（上述关系不再适用），多数载流子（电子）可以自由地来往于两边，从而是一种理想的Ohm接触。 为了进一步理解Ohm接触的形成，在图5中示出了M-S接触的导电性质与半导体掺杂浓度的关系。其中的（a）是低掺杂半导体的接触～整流接触（热发射电流为主，正向电流反向电流）；（b）是中等掺杂半导体的接触～整流接触（热发射电流和隧穿电流同时存在，正向电流反