金屬-半導體接觸[業(yè)界經(jīng)驗]

1、金屬-半導體接觸1.金屬與半導體接觸概論以集成電路（IC）技術為代表的半導體技術在近十幾年來已經(jīng)取得了迅速發(fā)展，帶來的是一次又一次的信息科技進步，沒有哪一種技術能像它一樣，帶來社會性的深刻變革。半導體技術的實現(xiàn)依賴于半導體的生產(chǎn)與應用，而在半導體的應用過程中，必然會涉及到半導體與金屬電極的接觸。大規(guī)模集成電路中的鋁-硅接觸就是典型的實例。金屬與半導體接觸大致可以分為兩類1：一種是具有整流特性的肖特基接觸（也叫整流接觸），另一種是類似普通電阻的歐姆接觸。金屬與半導體接觸特性與兩種材料的功函數(shù)有關。所謂功函數(shù)，也稱之為逸出功，是指材料的費米能級與真空能級之差，即W=E0-EF（E0為真空能級，EF

2、為費米能級）。它是表征固體材料對電子的約束能力的物理量。然而，由于金屬與半導體的費米能級有所差別，所以其功函數(shù)也不相同。就金屬來而言，其費米能級EFM代表電子填充的最高能級水平，所以金屬的功函數(shù)WM 即為金屬向真空發(fā)射一個電子所需要的最低能量（如圖1.1.1）；但對半導體的功函數(shù)WS而言，其功函數(shù)是雜質(zhì)濃度的函數(shù)，而不像金屬那樣為一常數(shù)，其內(nèi)部電子填充的最高能級是導帶底EC，而費米能級EFS一般在EC之下。所以半導體的功函數(shù)WS一般要高于電子逸出體外所需要的最低能量。半導體的功函數(shù)又可表示成：WS=+En。其中，=E0-EC，稱為電子親和勢，En=EC-EFS為費米能級與導帶底的能量差（如圖1

3、.1.2）。圖1.1.1 金屬的電子勢阱圖1.1.2半導體的能帶和自由電子勢當具有理性潔凈平整表面的半導體和金屬接觸時，二者的功函數(shù)WM和WS，一般說來是不相等。其功函數(shù)差亦為其費米能級之差，即WM-WS=EFS-EFM。所以，當有功函數(shù)差的金屬和半導體接觸并符合理想條件時，從固體物理學我們知道，由于存在費米能級之差，電子將從費米能級高的一邊轉(zhuǎn)移到費米能級低的一邊，直到兩者費米能級持平而進入熱平衡態(tài)為止。2. 金屬與半導體接觸的四種情況（1）金屬與N型半導體接觸，WMWS時WMWS意味著金屬的費米能級低于半導體的費米能級。當金屬與N型半導體理想接觸時，半導體中的電子將向金屬轉(zhuǎn)移，使金屬帶負電，

4、但是金屬作為電子的的“海洋”，其電勢變化非常?。欢诎雽w內(nèi)部靠近半導體表面的區(qū)域則形成了由電離施主構成的正電荷空間層，這樣便產(chǎn)生由半導體指向金屬的內(nèi)建電場，該內(nèi)建電場具有阻止電子進一步從半導體流向金屬的作用。因此，金屬與半導體接觸的內(nèi)建電場所引起的電勢變化主要發(fā)生在半導體的空間電荷區(qū)2，使半導體中近表面處的能帶向上彎曲形成電子勢壘；而空間電荷區(qū)外的能帶則隨同EFS一起下降，直到與EFM處在同一水平是達到平衡狀態(tài)，不再有電子的流動，如圖1.1.3。圖1.1.3：WMWS的金屬與N型半導體接觸前后的能帶變化，（a）接觸前（b）接觸后相對于EFM而言，平衡時EFS下降的幅度為WM-WS。若以VD表

5、示這一接觸引起的半導體表面與體內(nèi)的電勢差，顯然有qVD=WM-WS（1.1）式中，q是電量，VD為接觸電勢差或半導體的表面勢；qVD也就是半導體中的電子進入金屬所必須越過的勢壘高度；同樣的，金屬中的電子若要進入半導體，也要越過一個勢壘。高度為式1.2，式中，qM極為肖特基勢壘的高度。qM=WM-=qVD+En（1.2）當金屬與N型半導體接觸時，若WMWS，則在半導體表面形成一個由電離施主構成的空間電荷區(qū)，其中電子濃度極低，對電子的傳導性極低，是一個高阻區(qū)域，常被稱為電子阻擋層。（2）金屬與N型半導體接觸，WMWS時若WMWS，由于金屬與半導體的費米能級不平衡，電子將從金屬流向半導體，在半導體表

6、面區(qū)域形成負電荷空間區(qū)。由此在半導體近表面產(chǎn)生由半導體表面指向體內(nèi)的內(nèi)建電場，導致半導體的能帶自體內(nèi)到表面向下彎曲，使半導體表面的電子密度比體內(nèi)高很多，增加了對電子的傳導特性，因而是一個高導區(qū)域，稱之為反阻擋層。接觸以后的能帶結構為圖1.1.4。反阻擋層是很薄的高導層，它對半導體和金屬之間接觸電阻的影響極小，因此在實驗中不易覺察到其存在。圖1.1.4WMWS時，能帶向上彎曲，導致表面比體內(nèi)空穴密度更高，增加電荷的傳導特性，形成P型反阻擋層；當WMWS時，能帶向下彎曲成為空穴勢壘，對空穴的傳輸性降低，形成P型阻擋層。圖1.1.5為金屬和P型半導體接觸的能帶結構。（a）P型阻擋層（WMWS）圖1.

7、1.5金屬和P型半導體接觸能帶結構以上討論的4種接觸中，分別形成了阻擋層和反阻擋層。其中，WMWS時金屬與N型半導體的接觸和WMWS時金屬與P型半導體的接觸，分別在半導體表面形成了電子勢壘和空穴勢壘，這類勢壘對電荷傳輸都起到了阻擋作用，換句形象生動的話叫載流子的運動需要“爬坡”，因此這一類接觸稱為肖特基接觸。而WMWS時金屬與P型半導體的接觸成了反阻擋層，對電荷傳輸?shù)挠绊憳O小，這一類接觸稱為歐姆接觸。3. 表面態(tài)對肖特基勢壘高度的影響從圖1.1.3和肖特基的計算式qM=WM -=qVD+En看，肖特基勢壘高度貌似只與金屬的功函數(shù)WM和半導體的電子親和勢有關，而與金屬和半導體接觸界面的情況無關。

8、表1.2給出了N型Ge、Si、GaAs與一些金屬的接觸的肖特基勢壘高度qM1。從表中可以看出Au和Al與GaAs接觸時，勢壘高度相差0.15，但是，Au和Al的功函數(shù)相差1.02eV，說明存在另外重要的因素影響了金屬與半導體接觸的肖特基勢壘高度，這個因素就是表面態(tài)，關于表面態(tài)的理論雖然已現(xiàn)有，但是并不能完全解釋目前的實驗結果，仍需要不斷的完善。表1.2N型Ge、Si、GaAs與一些金屬的接觸的qM金屬AuAlAgWPtWm/eV5.204.184.424.555.54N-Ge0.450.48-0.48-N-Si0.79-0.69-N-GaAs0.950.800.930.710.944. 金屬與

9、半導體接觸的I-V曲線不同類型的接觸所形成的I-V曲線也不相同。對于肖特基接觸，由于空間勢壘的存在，使其性能類似與PN結，故其I-V曲線具有整流特性，如圖1.3.1。而對歐姆接觸，反阻擋層的性質(zhì)如同電阻，I-V曲線表現(xiàn)出線性的關系，如圖1.3.2。圖1.3.1肖特基接觸I-V曲線圖1.3.2歐姆接觸I-V曲線5. 金屬與半導體接觸的I-V曲線測試方法及傳輸線模型（TLM）制作好金屬電極及退火以后，都需要測定所得樣品的I-V性能。對不同的電學性能，電極電路的連接方式有所不同，首先為一個探針電極接觸ZnO/AZO表面，另一個探針電極接觸金屬表面（如圖3.5（a）所示），初步通過I-V曲線判斷所獲得

10、的接觸的類型。若獲得的接觸具有明顯的整流特性，即如圖3.6（a）類似的形狀，則可以判定為肖特基接觸，開始進行數(shù)據(jù)采集；若獲得的接觸具有明顯的線性關系，及如圖3.6（b）所示，則可以判定為歐姆接觸，則需要用傳輸線模型法測定歐姆接觸的比接觸電阻。比接觸電阻c是表征金屬與半導體歐姆接觸質(zhì)量的一個重要手段。所謂比接觸電阻c，即單位面積上金屬與半導體接觸的微分電阻，單位是（cm2），由于金屬與半導體的接觸區(qū)一般包括一下幾層：金屬層、金屬與半導體界面以及半導體層；而且測量過程中還會引入各種寄生電阻，因此是目前無法直接測量比接觸電阻?，F(xiàn)有的測量方法是探針依次接觸間距不同的金屬電極（如圖3.5（b）所示），獲

11、得I-V曲線，通過計算獲得比接觸電阻。測量比接觸電阻時，探針電極分別接觸間距不同的金屬電極，測定I-V曲線，參數(shù)設置為-2V2V，101個數(shù)據(jù)點。glassZnO / AZOMMMglassZnO / AZOMMM（a）（b）圖3.5I-V測試時，電極鏈接方式示意圖（a）（b）圖3.6 I-V測試曲線下面介紹傳輸線模型法測定比接觸電阻51-53的基本原理和線性擬合公式的推導。矩形傳輸線模型及其等效電路如圖3.7。在一寬為W的樣品上制作46個間距不相等的金屬接觸電極，電極盡力做到與樣品等寬。L4L3L2L1玻璃襯底ZnO/AZO薄膜金屬電極W（a）探針0XX+l1X+l2（b）圖3.7傳輸線模型

12、示意圖：（a）金屬-半導體接觸的傳輸線模型，（b）傳輸線模型的等效電路如果金屬電極不能與樣品等寬，則在通電流前需將樣品進行邊緣腐蝕處理，目的是保證載流子在電極間的平行方向上流動，同時與周圍環(huán)境做到絕緣。測量時，探針依次在間距不相等的長方形電極之間通恒定電流I，電壓探針測量相應的電壓V，每對電極采取線性多點測量，最后通過擬合求出相應的總電阻Rtot。（1）比接觸電阻的推導根據(jù)Kirchoff定律，可得x與x +l之間的電壓電流關系：Vx+l-Vx=IxR2=I(x)RshWl（3.9）Ix+l-Ix=VxR1=V(x)Wcl（3.10）當l0時，由式（3.9）和式（3.10）可得dVdx=IxW

13、Rsh（3.11）dIdx=VxcW（3.12）將（3.11）和（3.12）兩式合并，得：d2Ixdx2=IxRshc=I(x)/LT2（3.13）其中，LT=cRsh為傳輸線的長度，Rsh為半導體薄膜層材料的方塊電阻（Sheet Resistance），即單位面積上的電阻值55。又Ix=I0sinh(d-xLT)sinh(dLT)（3.14）且Vx=I0LTRshWcosh(d-xLT)sinh(dLT)（3.15）其中，d為接觸寬度。由此可得接觸電阻Rc：Rc=V0I0=LTRshWcoshdLT=cRshWcosh(dLT)（3.16）此處，將接觸寬度d取近似，使其滿足條件dLT，從而，

14、式（3.16）轉(zhuǎn)化為：Rc=cRshW（3.17）由此可得比接觸電阻c=Rc2W2Rsh（3.18）（2）比接觸電阻的測量如圖3.7（a）所示，在相距l(xiāng)的兩個長方形接觸間通入恒定的電流I，并測出相應的電壓V，從而可以得出總電阻Rtot：Rtot=2cRshW+RshlW+Rp=2Rc+RshlW+Rp（3.19）其中，Rp表示鎢探針的電阻值，此值相對較小，約為0.6，可忽略不計。式3.19變形為Rtot=2Rc+RshlW（3.20）對應不同距離的Ln，可測出一組Rtot的值，這里需要注意的是Rtot由兩個歐姆接觸電阻與接觸之間的導電層串聯(lián)電阻構成，在通過進一步的數(shù)據(jù)處理，繼而可作出Rtot=f(l)曲線，經(jīng)過線性擬合，成為一條直線，如圖3.8所示。2RcLn斜率=Rs/WRtot0圖3.8傳輸線模型測量曲線式中，Rc為總接觸電阻，Rs為歐姆接觸之間的半導體薄層電阻。理論上Rtot-Ln曲線為一條直線，因此可用作圖法求得接觸電阻率。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)用