Омические контакты

Омические контакты в полупроводниковой технике применяются для соединения полупроводниковых приборов с металлическими выводами. Они должны обладать линейной вольтамперной характеристикой, т. е. сопротивление омических контактов не должно зависеть от величины и направления электрического тока. К этим контактам предъявляются дополнительные требования. Они должны иметь малое сопротивление и не допускать инжекции носителей заряда из металла контакта в полупроводник. Кроме того, омические контакты должны обеспечивать достаточную прочность соединения полупроводникового кристалла и металла контакта.

Наибольший интерес представляет омический контакт между кремнием (Si) и алюминием (Al). Этот вид омического контакта получил наибольшее распространение и только в последнее время вытесняется более сложными видами омических контактов. Алюминий обладает прекрасной адгезией к монокристаллу кремния. Кроме того, алюминий связывает кислород, тем самым повышая прочность соединения.

Рассмотрим контакт между алюминием и кремнием. Алюминиевые проводники позволяют соединять между собой различные элементы выполненные на кристалле кремния. В монокристалле кремния изготавливаются различные виды транзисторов, диодов, сопротивлений. Наиболее просто выполняется контакт между n-областью полупроводника (Si) и металлом (Al).

Омический контакт между алюминием и n-областью кремния

В алюминии работа выхода электрона из металла меньше работы выхода электрона из кремния с электронной проводимостью (n-полупроводник). В этой паре материалов энергия электронов в металле больше, чем в полупроводнике, и при установлении термодинамического равновесия часть электронов из алюминия переходит в кремний. В результате уровень Ферми W_F в них выравнивается. Схематическое расположение зонных диаграмм при омическом контакте n-кремния с алюминием приведено на рисунке 1.

Рисунок 1. Расположение зонных диаграмм при омическом контакте n-кремния с алюминием

Как видно из этого рисунка, электроны свободно протекают через переход между материалами в любом направлении. В состоянии равновесия дрейфовый ток I_nE и диффузионный ток I_nD, протекающие через контакт материалов, компенсируют друг друга. Высокая концентрация электронов в области контакта обеспечивает его высокую проводимость при любой полярности внешнего напряжения.

При изготовлении омических контактов возникают проблемы, связанные с тем, что концентрация дефектов и примесей на поверхности полупроводниковых кристаллов значительно выше, чем в глубине. На поверхности образуются области, обедненные основными носителями и зоны с инверсным типом проводимости, что значительно ухудшает свойства омических контактов. Для устранения этих недостатков в области контакта кремния с металлом формируется участок с повышенным содержанием примесей, который обозначается как n+ полупроводник. Зонная диаграмма контакта Al—n+—n в состоянии термодинамического равновесия приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Расположение зонных диаграмм при введении в омический контакт с алюминием зоны n+ кремния

Так как металл наносится на вырожденный n+ полупроводник, то поверхностные дефекты кристалла практически не оказывают влияния на электрические параметры омического контакта. При этом граница раздела вырожденный полупроводник n+ — низколегированный полупроводник n-типа находится в глубине монокристалла, где концентрация нежелательных примесей и дефектов меньше, чем на его поверхности.

Упрощённая структура подключения n-области кремния к проводникам, выполненным из алюминия показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Омический контакт между n-областью кремния и алюминием

Омический контакт между алюминием и p-областью кремния

Как уже упоминалось выше, работа выхода электронов в алюминии меньше работы выхода электронов в кремнии, поэтому по умолчанию при выполнении контакта между этими материалами получается выпрямительный переход (такой, как в диоде Шоттки).

Рисунок 4.

,        (1) Табл. 1. Материалы используемые для создания контактов

Полупроводник	Контактообразующий материал
Si	Al, Al-Si, TiSi2, TiN, W, MoSi2, PtSi, CoSi2, WSi2
Ge	In, AuGa, AuSb
GaAs	AuGe, PdGe, PdSi, Ti/Pt/Au
GaN	Ti/Al/Ti/Au, Pd/Au
SiC	Ni
InSb	In
ZnO	InSnO2, Al
CuIn1—xGaxSe2	Mo, InSnO2
HgCdTe	In
C (алмаз)	Ti/Au, Mo/Au

Дата последнего обновления файла 1.12.2021

1. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Под редакцией Федорова Н. Д. — М.: Радио и связь, 1998. — 560 с.
2. Электронные приборы. Под редакцией Шишкина Г.Г. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 496 с.
3. Батушев В. А. Электронные приборы. — М.: Высшая школа, 1980. — 383 с.
4. Савиных В. Л. Физические основы электроники. Учебное пособие. — Новосибирск.: СибГУТИ, 2003. — 77 с.
5. Леонов В.П. Введение в физику и технологию элементной базы ЭВМ и компьютеров: Учебное пособие. — Томск: Изд-во НТЛ, 2008. — 264 с.
6. Глазачев А. В. Петрович В. П. Физические основы электроники. Конспект лекций — Томск: Томский политехнический университет, 2015. — 224 с.

Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором более 100 научных и научно-методических работ, в том числе 20 книг.