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 WF в них выравнивается. Схематическое расположение зонных диаграмм при омическом контакте n-кремния с алюминием приведено на рисунке 1.

Зонные диаграммы Al - n-кремний
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 InE и диффузионный ток InD, 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.

Зонные диаграммы Al—n+Si—nSi
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.

Омический контакт между n-Si—Al
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). Иными словами непосредственный контакт между этими материалами невозможен. Расположение зонных диаграмм в области омического контакта p-области кремния с алюминием показано на рисунке 4.

зонные диаграммы при контакте p-области кремния с алюминием
Рисунок 4. Расположение зонных диаграмм при контакте p-кремния с алюминием

Для того, чтобы преодолеть данную проблему используется решение, подобное решению для n области кремния. В зоне контакта с алюминиевым проводником создаётся зона кремния с повышенной концентрацией дырок (p+область). Расположение зонных диаграмм при введении p+области между p кремнием и алюминием показано на рисунке 5.

зонные диаграммы при введении p+области между p-кремнием и алюминием
Рисунок 5. Расположение зонных диаграмм при введении p+области между p-кремнием и алюминием

В результате основной контакт происходит в глубине полупроводника между p+ и p областями. Это нормальный омический контакт, а в зоне контакта между алюминием Al и высоколегированным полупроводником толщина перехода металл – вырожденный полупроводник d получается настолько мала, что возникают условия для туннельного перехода электронов. В результате сопротивление контакта будет мало в любом направлении протекания электрического тока. Упрощённая структура омического контакта с p-областью кремния приведена на рисунке 6.

омический контакт с p-областью кремния
Рисунок 6. Структура омического контакта с p-областью кремния

Таким образом получается, что формирование омического контакта является сложнейшей задачей. Ещё более сложной она становится при формировании омического контакта к другим, относительно новым видам полупроводниковых соединений. Наиболее распространённые виды материалов, применяющихся при создании омических контактов приведены в табл. 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, Au/Ge/Ni, PdGe, PdSi, Ti/Pt/Au, Al/Ge/Ni, Ni/Au/Ge/Ni/Au
GaN Pd/Au, Ti/Al/Ni/Au, Ti/Al/Mo/Au, Ti/Al/Ti/Au, Si/Ti/Al/Ni/Au, Ta/Ti/Al/Mo/Au
SiC Ni
InSb In
ZnO InSnO2, Al
CuIn1—xGaxSe2 Mo, InSnO2
HgCdTe In
C (алмаз) Ti/Au, Mo/Au

Рассмотрим для чего используется многослойная структура материалов на примере контакта для нитрида галлия GaN. В последовательности материалов Ti/Al/Ni/Au алюминий образует омический контакт. Золото не допускает окисления контакта. Никель препятствует смешиванию алюминия и золота. Титан в свою очередь улучшает адгезию, а также при температурах более 800°С при отжиге омического контакта образует соединение TiN, для которого работа выхода составляет всего 3,74 эВ, что обеспечивает формирование качественного омического контакта к n–GaN за счет создания высоколегированной области под контактом. Типовая структура чередования металлов при создании омического контакта в GaN кристаллах приведена на рисунке 7.

омический контакт с p-областью кремния
Рисунок 7. Структура омического контакта с p-областью кремния

Выводы:

  • Создание омического контакта является нетривиальной задачей.
  • Металл должен обладать хорошей адгезией к полупроводниковому материалу.
  • Материал должен или иметь меньшую работу выхода электронов или формировать туннельный переход.
  • Материал не должен вносить в полупроводниковый материал вредные примеси.

Дата последнего обновления файла 11.06.2022


Понравился материал? Поделись с друзьями!


Литература:

  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.

Вместе со статьей "Омические контакты" читают:

Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия
https://digteh.ru/foe/pn_perehod/

Прямое включение pn-перехода
https://digteh.ru/foe/pn_perehod/open/

Обратное включение pn-перехода
https://digteh.ru/foe/pn_perehod/close/

Гетеропереходы
https://digteh.ru/foe/pn_perehod/hetero/


Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2022

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

Поиск по сайту сервисом Яндекс
Поиск по сайту сервисом ГУГЛ
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.

Top.Mail.Ru


Яндекс.Метрика