Омические контакты применяются для соединения полупроводниковых приборов, образованных в объеме или на поверхности полупроводникового кристалла с металлическими проводниками. 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
(
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.
К сожалению при изготовлении реальных омических контактов не всё так просто. Дело в том, что концентрация дефектов
кристалла и примесей на поверхности полупроводниковых монокристаллов значительно выше, чем в глубине. На поверхности
образуются области, обедненные основными носителями и даже зоны с инверсным типом проводимости (их могут формировать
атомы алюминия, проникающие в кристалл кремния), что значительно ухудшает свойства омических контактов. Для устранения
этих проблем в области контакта кремния с металлом формируется участок с повышенным содержанием примесей (например,
фосфора), который обозначается как
Рисунок 2. Расположение зонных диаграмм при введении в омический контакт с алюминием зоны
Так как металл наносится на вырожденный
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). Иными словами непосредственный контакт между этими материалами невозможен. Расположение зонных диаграмм в области омического контакта p-области кремния с алюминием показано на рисунке 4.
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.
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.
Рисунок 6. Структура омического контакта с
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
Рисунок 7. Структура омического контакта с
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
