Ohminen kosketin

Ohminen kosketus - metallin ja puolijohteen tai kahden erilaisen puolijohteen välinen kosketus , jolle on tunnusomaista lineaarinen ja symmetrinen virta-jänniteominaisuus (CVC). Jos I–V-ominaiskäyrä on epäsymmetrinen ja epälineaarinen, niin kosketin on enemmän tai vähemmän tasasuuntaava (esim. se on kosketus Schottky-esteen kanssa, jonka perusteella Schottky-diodi luodaan ). Schottky - estemallissa tasasuuntaus riippuu metallin työfunktion ja puolijohteen elektronisen affiniteetin välisestä erosta .

Käytännössä metalli-puolijohde-koskettimet eivät kuitenkaan useimmissa tapauksissa noudata tarkasti Schottky-mallia, koska ulkoisten pintatilojen esiintyminen metalli-puolijohteen rajapinnassa (esimerkiksi oksidikalvot ja -hiukkaset sekä kiderakenteen viat ) voivat aiheuttaa koskettimen käyttäytyminen käytännössä riippumatta erosta metallin työfunktion ja puolijohteen elektronisen affiniteetin välillä. Puolijohdelaitteiden ja integroitujen piirien valmistuksessa ohmisen kontaktin luomiseksi puolijohteen osakosketusalue on lisäksi voimakkaasti seostettu (esim. n-tyypin piikiekkojen lisättyä doping-epäpuhtautta käytetään, kun alumiinia käytetään metalli kosketuksissa; voimakkaasti seostettu piikerros on merkitty n + ). Tällöin Schottky-esteen avaruusvarausalueen paksuus tulee niin pieneksi, että sen läpi on mahdollista varauksenkuljettajien tunnelointi ( kenttäemissio ). Tällaisia voimakkaasti seostettuja rakenteen alueita merkitään yleensä p + - reikätyyppiselle puolijohteelle ja n + - puolijohteelle, jolla on elektronijohtavuus .

Teoria

Kahden kiinteän aineen Fermi-tasojen (tai tarkasti ottaen sähkökemiallisen potentiaalin ) on oltava samat, kun ne joutuvat kosketuksiin lämpötasapainossa. Fermi-energian ja tyhjiötason eroa kutsutaan työfunktioksi . Metallilla ja puolijohteella voi olla erilaisia työtehtäviä , jotka on merkitty ja vastaavasti. Kun kaksi materiaalia saatetaan kosketuksiin, elektroneja virtaa alhaisemman työfunktion omaavasta materiaalista korkeamman työfunktion omaavaan materiaaliin, kunnes Fermi-tasojen tasapaino saavutetaan. Tämän seurauksena materiaali, jolla on pienempi työfunktio, saa pienen positiivisen varauksen, kun taas materiaali, jolla on korkeampi työfunktio, varautuu negatiivisesti. Tuloksena olevaa sähköstaattista potentiaalia kutsutaan kosketuspotentiaalieroksi ja sitä merkitään . Tämä kosketuspotentiaali muodostuu minkä tahansa kahden kiinteän aineen välille ja on pääasiallinen syy tasasuuntaukseen diodeissa. Sisäänrakennettu kenttä on syynä kaistan rajojen taipumiseen puolijohteessa lähellä liitoskohtaa. Useimmissa metalleissa kaistan rajoissa ei ole havaittavaa taipumista pienestä suojauspituudesta johtuen siten, että sähkökenttä ulottuu vain lyhyen matkan rajapinnan ulkopuolelle. $\phi _{\text{M))$ $\phi _{\text{S))$ $V_{\text{bi))$

Klassisessa näkemyksessä potentiaaliesteen voittamiseksi puolijohteessa olevien kantoaaltojen on hankittava tarpeeksi energiaa hypätäkseen Fermi-tasolta johtavuuskaistan mutkan huipulle. Esteen ylittämiseen tarvittava energia on yhtä suuri kuin sisäänrakennetun potentiaalin ja Fermi-tason ja johtavuuskaistan välisen poikkeaman summa. Toisin sanoen n-tyypin puolijohteille tämä energia $\phi _{\text{B))$

\phi _{\text{B}}=\phi _{\text{M}}-\chi _{\text{S)),

missä on puolijohteen elektroniaffiniteetti , joka määritellään tyhjiön tason ja johtavuuskaistan (CB) pohjan välisenä erona. p-tyypin puolijohteille, samalla tavalla $\chi _{\text{S))$

\phi _{\text{B}}=E_{\text{g}}-(\phi _{\text{M}}-\chi _{\text{S}}),

missä on bändiväli. $E_{\text{g))$

Prosessia, jossa kantoaine vastaanottaa energiaa esteen ylittämiseksi lämpöenergian vuoksi, kutsutaan termionipäästöksi. Yhtä tärkeä prosessi todellisissa kontakteissa on kvanttimekaaninen tunnelointi . Puoliklassinen approksimaatio kuvaa yksinkertaisinta tunnelointitapausta, jossa esteen läpitunkeutumistodennäköisyys on kääntäen verrannollinen esteen korkeuden ja sen paksuuden tulon eksponenttiin [1] . Koskettimien tapauksessa paksuus saadaan avaruusvarausalueen (SCR) leveydestä, joka on verrannollinen sisäänrakennetun kentän tunkeutumissyvyyteen puolijohteeseen. SCR-leveys voidaan laskea ratkaisemalla Poisson-yhtälö ja ottamalla huomioon epäpuhtaudet puolijohteessa:

\nabla ^{2}V={\frac {\rho }{\epsilon )),

missä ISS-yksiköissä on varaustiheys? ja se on permittiivisyys. Geometria on yksiulotteinen, koska rajapinnan oletetaan olevan tasainen. Integroimalla yhtälö kerran ja olettamalla likimäärin, että SCR-leveyttä suuremmalla syvyydellä varaustiheys on vakio, saadaan $\rho$ $\epsilon$

{\frac {dV}{dx}}={\frac {\rho x}{\epsilon }}+C_{0}.

Integrointivakio, analogisesti SCR-leveyden määritelmän kanssa, voidaan määritellä pituudeksi, jolla liitäntä on täysin suojattu. Sitten $C_{0}=-\rho W/\epsilon$

V(x)={\frac {\rho }{2\epsilon }}x^{2}-{\frac {\rho W}{\epsilon }}x+V_{bi},

jossa , jota käytettiin integroinnin jäljellä olevan vakion määrittämiseen. Tämä yhtälö kuvaa pisteviivat siniset käyrät kuvan oikealla puolella. SCR:n leveys voidaan määrittää asetuksella , joka johtaa $V(0)=V_{\text{bi))$ $V(x)$ $V(W)=0$

W={\sqrt {\frac {2\epsilon V_{\text{bi}}}{\rho }}}.

Ionisoituneiden luovuttajien ja vastaanottajien varauspitoisuuteen täysin tyhjennetyssä puolijohteessa . Tässä tapauksessa , ja niillä on positiiviset merkit n-tyypin puolijohteille ja negatiiviset merkit p-tyypille, mikä antaa positiivisen taivutuksen n-tyypille ja negatiivisen taipuman p-tyypille, kuten kuvissa näkyy. $0<x<W$ $\rho =eN_{\text{dopant}}$ $\rho$ $V_{\text{bi))$ $V''(x)$

Tästä näyttäisi seuraava johtopäätös, että esteen korkeutta (riippuen elektronien affiniteetista ja lähellä pintakentästä) ja esteen paksuutta (riippuen sisäänrakennetusta kentästä, puolijohteen permittiivisyydestä ja lisäainepitoisuudesta) voidaan muuttaa vain vaihtamalla metallia tai muuttamalla seostusaineen pitoisuutta . On kuitenkin havaittu, että Fermi-taso on vakiintunut suunnilleen samaan energiaan kaistavälin sisällä sekä n- että p-tyypin Si:lle (eli summalle ja suunnilleen ). Oletettavasti Fermi-tason asemaan vaikuttavat rajapinnan tila ja rakenteelliset tekijät johtuen pintatilojen erittäin suuresta tiheydestä. Huomaa, että ohmisen koskettimen kohdalla sinun ei yleensä tarvitse huolehtia ohmisen koskettimen ominaisuuksien muuttumisesta hieman ajan myötä, koska useimmissa tapauksissa koskettimen yli pudotetaan hyvin vähän jännitettä. $\phi _{\text{bn))$ $\phi _{\text{bp))$ $E_{\text{g))$

Yleensä kontaktimetalli valitaan johtavuuden, kemiallisen inerttisyyden, lämpöstabiilisuuden, sähköisen stabiilisuuden ja alhaisen lämpöjännityksen ominaisuuksien perusteella, ja sitten seostustiheyttä kontaktin alla kasvatetaan sulkualueen leveyden kaventamiseksi. Ohminen kontakti on helpompi muodostaa puolijohteiden kanssa, joilla on pienempi tehollinen varauksenkantajamassa, koska tunnelointikerroin riippuu eksponentiaalisesti varauksenkuljettajan massasta. Lisäksi puolijohteet, joissa on pienemmät kaistavälit, muodostavat helpommin ohmisia kontakteja, koska niiden elektroniaffiniteetti (ja siten potentiaalisulun korkeus) on yleensä pienempi.

Vaikka yllä hahmoteltu yksinkertainen teoria ennustaa, että metallien, joiden työtehtävä on lähellä puolijohteen elektroniaffiniteettia, pitäisi muodostaa helpoimmin ohmisia kontakteja, itse asiassa metallit, joilla on korkea työfunktio, muodostavat parempia ei-tasasuuntaavia kontakteja p-tyypin puolijohteiden kanssa. kun taas vähän työkykyiset metallit muodostavat parempia tasasuuntaamattomia kontakteja n-tyypin puolijohteiden kanssa. Valitettavasti kokeet ovat osoittaneet, että yksinkertaistetun mallin ennustevoima ei ulotu kauas tätä ilmiötä pidemmälle. Todellisissa olosuhteissa kontaktimetalli voi reagoida puolijohteiden pinnan kanssa muodostaen yhdisteitä, joilla on erilaiset elektroniset ominaisuudet. Epäpuhtauksien kerros rajapinnalla voi tehokkaasti laajentaa estettä. Puolijohteen pinta voidaan rekonstruoida , mikä johtaa uusiin elektronisiin ominaisuuksiin. Kosketinresistanssi riippuu rajapintareaktioiden ominaisuuksista, mikä tekee ohmisen koskettimien toistettavasta valmistuksesta merkittävän teknologisen ongelman [2] [3] [4] .

Ohmisen koskettimien parametrien valmistus ja ohjaus

Huolimatta siitä, että ohmisen koskettimen valmistusprosessi on yksi perus- ja hyvin tutkituista (ainakin piistä ), siinä on silti jotain taidetta. Valmistettujen koskettimien toistettavuus ja luotettavuus perustuvat puolijohdepinnan äärimmäiseen puhtauteen. Kun natiivi Si02 - oksidi muodostuu nopeasti piipinnalle, tuloksena olevien koskettimien ominaisuudet voivat olla erittäin herkkiä kontaktinmuodostusprosessin yksityiskohdille.

Tärkeimmät vaiheet kontaktin tekemisessä ovat puolijohteen pinnan puhdistus, kontaktin metallointipinnoitus, kuviointi ja hehkutus. Pintapuhdistus voidaan tehdä ruiskuetsauksella, kemiallisella etsauksella, reaktiivisella kaasuetsauksella tai ionietsauksella. Esimerkiksi luonnollinen piioksidi voidaan poistaa fluorivetyhappoetsauksella (HF), kun taas galliumarsenidin (GaAs) pinta puhdistetaan useammin bromi-metanoli-etsauksella. Pinnan puhdistuksen jälkeen metallit kerrostetaan sputteroimalla, haihduttamalla tai kemiallisella höyrypinnoituksella ( CVD ). Sputterointi on nopeampi ja kätevämpi metallipinnoitusmenetelmä kuin haihdutus, mutta plasma-ionipommitus voi aiheuttaa pinnan tiloja tai jopa muuttaa pinnalla tapahtuvaa johtumistyyppiä. Tässä suhteessa lievä, mutta silti suhteellisen nopea CVD on edullisin. Koskettimien vaaditun muodon muotoilu suoritetaan tavallisella fotolitografialla, erityisesti irrotettavalla fotolitografiamenetelmällä, jossa metalli levitetään fotoresistikerroksen reikien kautta, joka sitten pestään pois. Päällystyksen jälkeen koskettimet hehkutetaan useimmissa tapauksissa sisäisten mekaanisten jännitysten lievittämiseksi sekä halutun kiinteän olomuodon reaktion toteuttamiseksi metallin ja puolijohteen välillä.

Kosketusresistanssin mittaus suoritetaan useimmiten erityisillä testirakenteilla käyttämällä pitkälinjamenetelmän (TLM) [5] , nelipistemenetelmän [6] tai Kelvin-menetelmän muunnelmia, tietyn menetelmän valinta riippuu puolijohdekalvon kosketusresistanssin ja resistiivisyyden suhteesta ja valolitografisen prosessin yksityiskohdista.

Teknologisesti tärkeät kontaktityypit

Nykyaikaiset ohmiset kontaktit piin, kuten titaani-volframidisilisidin tai muiden yhdisteiden kanssa, silisidit syntyvät yleensä kemiallisella höyrypinnoituksella ( CVD ). Kontaktit tehdään usein kerrostamalla siirtymämetallia ja muodostumalla silisideja hehkutusprosessin aikana, jolloin silisidikoostumus voi olla ei-stoikiometrinen. Silisidikontaktit voidaan muodostaa myös suoralla yhdistesputteroinnilla tai siirtymämetalli-ioni-istutuksella, jota seuraa hehkutus. Alumiini on toinen tärkeä metalli piiteknologialle, jota voidaan käyttää minkä tahansa (n- ja p-) puolijohteen kanssa. Kuten muutkin aktiiviset metallit, Al edistää kontaktien muodostumista sitomalla happea oksidiin ja siten "deoksidoimalla" rajapinnan, mikä edistää metallin hyvää adheesiota piihin. Silisidit suurelta osin syrjäyttävät alumiinin osittain, koska ne ovat tulenkestävämpiä yhdisteitä ja ovat vähemmän alttiita loisdiffuusiolle (joka johtaa rakenteelliseen hajoamiseen), erityisesti myöhempien korkean lämpötilan käsittelyjaksojen aikana.

Koskettimien muodostaminen puolijohdeyhdisteisiin on paljon vaikeampaa kuin piihin. Esimerkiksi GaAs-pinnat pyrkivät menettämään arseenia (As), jota voidaan suuresti parantaa metallin laskeumalla. Lisäksi As-epävakaus rajoittaa myöhemmän hehkutuksen parametreja, mikä heikentää GaAs-laitteita. Yksi ratkaisu GaAs:lle ja muille puolijohdeyhdisteille on seoksen kerrostaminen kapealla kaistavälillä kontaktikerroksena, toisin kuin vahvasti seostettu kerros piille. Esimerkiksi GaAsilla itsessään on pienempi kaistaväli kuin AlGaAs:lla, joten sen pinnalla oleva GaAs-kerros voi helpottaa ohmisen kontaktin luomista. Yleensä III-V ja II-VI puolijohteiden ohmiset koskettimet ovat paljon vähemmän kehittyneitä kuin piillä.

Puolijohde	kontaktia muodostava materiaali
Si	Al , Al-Si, TiSi 2 , TiN , W , MoSi 2 , PtSi, CoSi 2 , WSi 2
Ge	, AugGa , AuSb
GaAs	AuGe [7] , PdGe, PdSi, Ti/Pt/Au
GaN	Ti/Al/Ti/Au [8] , Pd/Au [9]
SiC	Ni
InSb	Sisään
ZnO	InSn02 , Al _
CuIn 1 - x Ga x Se 2	Mo , InSnO2_ _
HgCdTe	Sisään

Läpinäkyvät tai läpikuultavat ohmiset koskettimet ovat välttämättömiä aktiivimatriisi-LCD:iden, optoelektronisten laitteiden, kuten laserdiodien ja aurinkokennojen, tuotannossa. Yleisin materiaali tällaisiin koskettimiin on indiumtinaoksidi (ITO, indiumtinaoksidi), joka muodostuu In-Sn-kohteen reaktiivisella sputteroinnilla happiatmosfäärissä.

Käytännön arvo

RC-piirin aikavakio , joka muodostaa puolijohderakenteen kosketusresistanssin ja loiskapasitanssin, voi rajoittaa laitteiden taajuusvastetta . Johtimien ja pn-liitosten loiskapasitanssin lataus- ja purkuprosessissa kosketusresistanssi on yksi tärkeimmistä tehohäviön syistä digitaalisessa elektroniikassa, jossa on korkea toimintakellotaajuus . Kosketusresistanssi aiheuttaa tehohäviötä Joule-lämmön vapautumisen vuoksi myös matalataajuisissa ja analogisissa piireissä (esim. aurinkokennoissa ) vähemmän yleisistä puolijohteista. Koskettimien valmistustekniikan luominen on tärkeä osa uusien puolijohteiden teknologista kehittämistä. Sähkön kulkeutuminen ja koskettimien erottuminen ovat myös elektroniikkalaitteiden elinikää rajoittavia tekijöitä.

Muistiinpanot

↑ Landau L.D., Lifshitz E.M. Teoreettinen fysiikka. Volume 3. Kvanttimekaniikka (ei-relativistinen teoria). - 4. painos, Rev. - M . : Tiede. 1989. - S. 223.
↑ Roderick E. X. Metalli-puolijohdekoskettimet. - M . : Radio ja viestintä. 1982. - 208 s.
↑ Bonch-Bruevich V. L., Kalashnikov S. G. Puolijohteiden fysiikka (pääsemätön linkki) . - 1977. - 672 s.
↑ T. V. Blank, Yu. A. Goldberg . Virran kulkumekanismit ohmissa metalli-puolijohdekontakteissa // Physics and Technology of Semiconductors, osa 41, s. 1281, (2007). Arkistoitu 6. lokakuuta 2014 Wayback Machinessa .
↑ Andreev A. N., Rastegaeva M. G., Rastegaev V. P., Reshanov S. A. Kysymys virran leviämisen huomioon ottamisesta puolijohteessa määritettäessä ohmisen FTP koskettimien transienttiresistanssia, 1998, v32, # 7 [1]
↑ Fysikaaliset diagnostiset menetelmät mikro- ja nanoelektroniikassa / toim. A. E. Belyaeva, R. V. Konakova. Kharkov: ISMA. 2011. - 284 s. (5,7 Mt) ISBN 978-966-02-5859-4 (linkki ei käytettävissä)
↑ [2] (downlink) .
↑ [3] (downlink) .
↑ [4] (downlink) .

Linkit

Sze, SM Puolijohdelaitteiden fysiikka (määrittämätön) . - John Wiley & Sons , 1981. - ISBN 0-471-05661-8 .
Zangwill, Andrew. Physics at Surfaces (uuspr.) . - Cambridge University Press , 1988. - ISBN 0-521-34752-1 .

Sanakirjat ja tietosanakirjat	iso kiinalainen Britannica (verkossa)
Bibliografisissa luetteloissa	GND : 4172515-3 J9U : 987007543521305171 LCCN : sh85094301