第五章 电极系统

1、半导体工艺原理半导体工艺原理第五章第五章 电极系统电极系统 一、金属和半导体的功函数一、金属和半导体的功函数E0(EF)mWm功函数的大小标志着电子在金属中束缚的强弱，功函数的大小标志着电子在金属中束缚的强弱，Wm越大，电子越大，电子越不容易离开金属。越不容易离开金属。金金属功函数约为几个电子伏特。铯的功函数最低属功函数约为几个电子伏特。铯的功函数最低(1.93eV), , 铂的最铂的最高（高（5.36eV)。1 1、金属的功函数、金属的功函数Wm金属功函数的定义金属功函数的定义: : 真真空中静止电子空中静止电子的能量的能量E0 与与 金属的金属的 EF 能量之差，即能量之差，即上式表示一个

2、起始能量等于费米能级的电子由金属内部逸出到上式表示一个起始能量等于费米能级的电子由金属内部逸出到真空中所需要的最小值。真空中所需要的最小值。0()mFmWEEEc(EF)sEvE0WsEn2 2、半导体的功函数、半导体的功函数Ws 在半导体中，导带底在半导体中，导带底 Ec 和价带顶和价带顶 EV一一般都比般都比 E0 低几个电子伏特。低几个电子伏特。半导体功半导体功函数函数的定义的定义: 真空中静止电子的真空中静止电子的能量能量 E0 与与 半导体的半导体的 EF 能量之差，即能量之差，即sFsEEW)(0电子的亲合能：电子的亲合能：从从E0 到到 Ec 的能量间的能量间隔，即隔，即cEE

3、0 x称为电子的亲和能称为电子的亲和能，它表示要使半导体导带底的电子，它表示要使半导体导带底的电子逸出体外所需要的最小能量。逸出体外所需要的最小能量。Note: 和金属不同的是，半导体的费米能级随杂质浓度变化，和金属不同的是，半导体的费米能级随杂质浓度变化，因而因而Ws也也和杂质浓度有关。和杂质浓度有关。故常用亲合能表征半导体。故常用亲合能表征半导体。 n型半导体：型半导体：scFnsWEEE式中：式中：()ncFsEEE P型半导体型半导体：()soFsgpWEEEE()pFsvEEE式中：式中：Ec(EF)sEvE0WsEn n型型Ec(EF)sEvE0WsEpEg p型型金属金属/ /半

4、导体接触半导体接触半导体半导体金属金属半导体半导体金属金属What?能带结构发生变化能带结构发生变化新的物理效应新的物理效应和应用和应用二、金属与半导体接触及接触电势差二、金属与半导体接触及接触电势差设想有一块金属和一块设想有一块金属和一块n型半导体，并假定型半导体，并假定金属的功函数大于半导体的功函数，即：金属的功函数大于半导体的功函数，即：即半导体的费米能级即半导体的费米能级(EF)s高于金属的费米能级高于金属的费米能级(EF)msmWW 金属的传导电子的浓度金属的传导电子的浓度很高很高，10221023cm-3半导体载流子的浓度比半导体载流子的浓度比较低较低，10101019cm-3Ev

5、WsEcE0WmE0金属金属n型半导体型半导体En(EF)s(EF)m(a) 接触前接触前在接触开始时，半导体中的电子将向金属流动，使金属表在接触开始时，半导体中的电子将向金属流动，使金属表面带负电，半导体表面带正电。面带负电，半导体表面带正电。结果降低了金属的电势结果降低了金属的电势( (Vm) )，提高了半导体的电势，提高了半导体的电势(Vs) 。达到平衡状态，金属和半导体的费米能级在同一水平线上，达到平衡状态，金属和半导体的费米能级在同一水平线上，平衡时平衡时, , 相对于相对于(EF)m, 半导体半导体的的(EF)s下下降为降为smmsWWVVq)(qWWVVVmssmms接触电势差：

6、接触电势差：Vm: 金属电势，金属电势，Vs : 半导体电势半导体电势D)(msVVqCEnEVEFEmWsW(b) 间隙很大间隙很大 (D原子间距原子间距)（c）紧密接触）紧密接触FE)(msVVqnSqmWCEnEVEE+_qVD紧密接触紧密接触后，电荷的流动使得在半导体表面相当厚的一层形成后，电荷的流动使得在半导体表面相当厚的一层形成正的空间电荷区。空间电荷区形成电场，其电场在界面处造成正的空间电荷区。空间电荷区形成电场，其电场在界面处造成能带弯曲，使得半导体表面和内部存在电势差，即表面势能带弯曲，使得半导体表面和内部存在电势差，即表面势V Vs s。smsmsVVqWW接触电势差分降在

7、空间电荷区接触电势差分降在空间电荷区和金属与半导体表面之间。和金属与半导体表面之间。半导体体内电场为零，在空间电半导体体内电场为零，在空间电荷区电场方向由内向外，半导体荷区电场方向由内向外，半导体表面势表面势Vs0，能带向上弯曲能带向上弯曲。若若D原子间距原子间距, 电子可自由穿电子可自由穿过间隙过间隙, Vms 0, 则接触电势差则接触电势差大部分降落在空间电荷区。大部分降落在空间电荷区。smsVqWW/ )(（d）忽略间隙）忽略间隙FEnSqCEVEnEqVD考虑忽略间隙中的电势差时的极限情况时，有考虑忽略间隙中的电势差时的极限情况时，有半导体一边的势垒高度为：半导体一边的势垒高度为：金属

8、一边的势垒高度为：金属一边的势垒高度为：mnsmnsnDnsWEWWEqVEqVq0,ssmsDVWWqVqV当金属与当金属与n n型半导体接触型半导体接触（1）WmWs 半导体表面形成一个正的空间电荷区。半导体表面形成一个正的空间电荷区。 电场方向由体内指向表面电场方向由体内指向表面 (Vs00) )。 半导体表面电子的能量低于体内的，能带向下弯曲。半导体表面电子的能量低于体内的，能带向下弯曲。在空间电荷区中，电子浓度要比体内大得多，因此它是一个高在空间电荷区中，电子浓度要比体内大得多，因此它是一个高电导的区域，称为电导的区域，称为反阻挡层反阻挡层，即电子反阻挡层，即电子反阻挡层 高导通区高

9、导通区。（2）Wm Ws当金属与当金属与n n型半导体接触型半导体接触当金属与当金属与p p型半导体接触型半导体接触（1）Wm0）。）。 半导体能带向下弯曲，形成空穴的表面势垒。半导体能带向下弯曲，形成空穴的表面势垒。在半导体的势垒区，空间电荷主要由负的电离受主形成，其多子在半导体的势垒区，空间电荷主要由负的电离受主形成，其多子空穴浓度比体内小得多，也是一个高阻区域，形成空穴浓度比体内小得多，也是一个高阻区域，形成空穴阻挡层空穴阻挡层。EFmEFsWsWmEvEcE0电场EEcEFEvxdqVd接触后当金属与当金属与p p型半导体接触型半导体接触（2）WmWs 在半导体表面形成正的空间电荷区。

10、在半导体表面形成正的空间电荷区。电场方向由体内指向表面电场方向由体内指向表面（VsWs阻挡层阻挡层反阻挡层反阻挡层WmWs）（a）接触前；（）接触前；（b）紧密接触；（）紧密接触；（c）极限情形）极限情形金属和金属和n型半导体接触能带图（型半导体接触能带图（WmWs）（a）接触前；（）接触前；（b）间隙很大；）间隙很大； （c）紧密接触；（）紧密接触；（d）忽略间隙）忽略间隙区别区别nDnsEqVq在极限情况下，半导体的势垒高度为在极限情况下，半导体的势垒高度为因表面态密度很高，表面态中跑掉部分电子后，表面能级因表面态密度很高，表面态中跑掉部分电子后，表面能级 q 0 的位置基本不变的位置基本

11、不变，故，故半导体内的表面势垒半导体内的表面势垒 qVD 在接触在接触前后不变前后不变.00)(qEEqEqVsFngD综上分析，当半导体的表面态密度很高时，由于它可屏蔽金综上分析，当半导体的表面态密度很高时，由于它可屏蔽金属接触的影响，使半导体内的势垒高度和金属的功函数几乎属接触的影响，使半导体内的势垒高度和金属的功函数几乎无关，而基本上由半导体的表面性质所决定，接触电势差全无关，而基本上由半导体的表面性质所决定，接触电势差全部降落在两个表面之间（极端情况）。部降落在两个表面之间（极端情况）。实际上，由于表面态密度不同，紧密接触时，接触电势差有实际上，由于表面态密度不同，紧密接触时，接触电势

12、差有一部分要降落在半导体表面以内，金属功函数对表面势垒将一部分要降落在半导体表面以内，金属功函数对表面势垒将产生不同程度的影响，但影响不大。产生不同程度的影响，但影响不大。为什么说当金属的功函数小于半导体的功函数时为什么说当金属的功函数小于半导体的功函数时（WmWs，空间电荷主要，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度比体内小得多，是一个高由电离施主形成，电子浓度比体内小得多，是一个高阻区域，称为阻区域，称为电子阻挡层电子阻挡层。在没有加电压的情况下，金半接触的系统处于平衡态的在没有加电压的情况下，金半接触的系统处于平衡态的阻挡层是阻挡层是没有没有净电流：净电流：从金属流向半导体的电流和半导体流

13、向金属的电流相抵消。从金属流向半导体的电流和半导体流向金属的电流相抵消。所以，在没有外加电压时，半导体进入金属的电子流和所以，在没有外加电压时，半导体进入金属的电子流和从金属进入半导体的电子流相等，方向相反，构成从金属进入半导体的电子流相等，方向相反，构成动态动态平衡平衡。净净电流电流0smmsJJJ在紧密接触的金属与半导体之间在紧密接触的金属与半导体之间加上电压加上电压V时，由时，由于阻挡层是一个高阻区域，电压主要降落在阻挡于阻挡层是一个高阻区域，电压主要降落在阻挡层上。电子势垒高度变为：层上。电子势垒高度变为：外加电压后，半导体和金属不再处于相互平衡的外加电压后，半导体和金属不再处于相互平

14、衡的状态，两者没有统一的费米能级，两者的费米能状态，两者没有统一的费米能级，两者的费米能级差就等于外加电压所引入的级差就等于外加电压所引入的静电势能差静电势能差。0()sqVV其中，其中，(Vs)0 是半导体的表面势，即半导体表面和是半导体的表面势，即半导体表面和内部的电势差，内部的电势差，V是所加的外场电压。是所加的外场电压。加上正向电压在加上正向电压在n n型阻挡层型阻挡层( (金属一边为正金属一边为正) )时：时：nsqqVD/=qVD-VqVqVE EF Fxd对于对于n型型阻挡层，即金属和阻挡层，即金属和n型半导体在型半导体在WmWs 时，表时，表面势为负的值，当在金属上面势为负的值

15、，当在金属上加正向电压即加正向电压即V 0，使得电，使得电子的势垒高度减低，多子电子的势垒高度减低，多子电子从半导体流向金属的数目子从半导体流向金属的数目变多。变多。smJmsJ 电流：电流：进一步增加正向电压：进一步增加正向电压：mssmJJ正向电流变大，沿外电场方向的电流更大势垒高度进一步减低，势垒宽度减薄，多子导电变强。qVD1=qVD-VqVnsqxdnqEF V对于对于n型型阻挡层，即金阻挡层，即金属和属和n型半导体在型半导体在WmWs时，表面势为负时，表面势为负的值，当在金属上加的值，当在金属上加正向电压即正向电压即V 0，使得，使得电子的势垒高度减低，电子的势垒高度减低，多子电子

16、从半导体流多子电子从半导体流向金属的数目变多，向金属的数目变多，并随电压增加而变得并随电压增加而变得越大，即从金属流向越大，即从金属流向半导体的半导体的正向电流变正向电流变大大。结论：结论：E,外电场方向外电场方向加上反向电压加上反向电压( (金属一边为负金属一边为负) )时：时：qVD1=qVD-Vq（-V）xdEFnsqE0EcEv当加反向电压即V 0时，半导体一边的电子的势垒高度增高了，所以半导体到金属的电子数目减少，相反金属到半导体的电子流占优势，形成由半导体到金属的反向电流。在此过程中，金属边的势垒qns 不随外加电压变化（阻挡层在半导体内） 电流：电流：msJsmJ如进一步增加反向

17、电压：如进一步增加反向电压：EFnsqqVD1=qVD-Vq（-V）xdV势垒高度进一步增高，多子电子导电变弱。smmsJJ反向电流变大,都是沿外电场方向的电流更大但和正向电流行为不一样的是：但和正向电流行为不一样的是：金属一边的电子所要越过的势垒，不随外加电压而变化。金属一边的电子所要越过的势垒，不随外加电压而变化。所以，金属到半导体的电子流是所以，金属到半导体的电子流是恒定恒定的。当反向电压提高的。当反向电压提高时，半导体到金属的电子流可以忽略不计，时，半导体到金属的电子流可以忽略不计，反向电流达到反向电流达到饱和值饱和值。对对p型阻挡层：型阻挡层：能带向下弯，表面势能带向下弯，表面势(V

18、s)00。当金属当金属加负电压加负电压V0时，能带下弯得更大，多子空穴从时，能带下弯得更大，多子空穴从 半导体流向金属，形成正向电流；半导体流向金属，形成正向电流； 当金属加正电压当金属加正电压V0时，能带下弯曲变小，形成金属到时，能带下弯曲变小，形成金属到 半导体的反向电流。半导体的反向电流。正向和反向的电流特点就是阻挡层的正向和反向的电流特点就是阻挡层的整流作用整流作用理论推导，金属半导体整流接触的伏安特性与理论推导，金属半导体整流接触的伏安特性与p-n结相似结相似空间电荷层厚度空间电荷层厚度碰撞几率碰撞几率势垒宽度比载流子自由程小得多，无碰撞、越过势垒势垒宽度比载流子自由程小得多，无碰撞

19、、越过势垒势垒高度起决定作用势垒高度起决定作用Bethe热电子发射理论（阻挡层很薄）热电子发射理论（阻挡层很薄）势垒宽度比载流子自由程大得多，多次碰撞，势垒形状重要势垒宽度比载流子自由程大得多，多次碰撞，势垒形状重要 1exp0sDTkqVJJ1exp0sTTkqVJJTkqVVVqNJ0D2/1D0rDsDexp2TkqTAJ0ns2*sTexp与温度有关与温度有关与与V有关有关与与p-n结有别结有别Schottky扩散理论（阻挡层厚）扩散理论（阻挡层厚）p-n结电流电压方程（结电流电压方程（利用连续性方程利用连续性方程）1exp0sTkqVJJ肖克莱方程式肖克莱方程式 ppnnnps00L

20、DpLDnqJp区电子扩散长度区电子扩散长度p区电子扩散系数区电子扩散系数正向正向(V0)：反向反向(Vk0T 时，当qV k0T 时， 较高迁移率，较大的平均自由程较高迁移率，较大的平均自由程（Ge、Si、GaAs），电流输运机），电流输运机构以多子热发射为主。构以多子热发射为主。迁移率较小，平均自由程较短迁移率较小，平均自由程较短（Cu2O），电流输运机构以扩散），电流输运机构以扩散为主。为主。 金属半导体接触伏安特性金属半导体接触伏安特性1exp0sDTkqVJJTkqVVVqNJ0D2/1D0rDsDexp2扩散理论扩散理论正向正向(V0)：反向反向(Vk0T 时，当qV k0T 时，

21、 TkqVJJ0DsexpsDJJJsD随电压而变化，并不饱和。随电压而变化，并不饱和。TkqVnn0D0exp)0(对对n型阻挡层，平衡界面处的载流子浓度：型阻挡层，平衡界面处的载流子浓度：正向电压（金属为正），势垒降低正向电压（金属为正），势垒降低电子、空穴扩散占优（电子、空穴扩散占优（如何运动的如何运动的）共同共同形成正向电流形成正向电流部分正向电流是由少数载流子空穴提供的（部分正向电流是由少数载流子空穴提供的（如何说明？如何说明？）平衡时浓度差被势垒中的电场抵消，没有电流。平衡时浓度差被势垒中的电场抵消，没有电流。五、少数载流子的注入五、少数载流子的注入（n型阻挡层）型阻挡层）TkqV

22、pp0D0exp)0(TkqVnn0D0exp)0(与体内浓度差与体内浓度差电子由内部向接触面扩散电子由内部向接触面扩散平衡时被势垒电场抵消平衡时被势垒电场抵消加正向电压加正向电压势垒降低势垒降低扩散占优，电子向表面流动，扩散占优，电子向表面流动，形成正向电流形成正向电流TkqVpp0D0exp)0(与体内浓度差与体内浓度差空穴由表面向内部扩散空穴由表面向内部扩散平衡时被势垒电场抵消平衡时被势垒电场抵消加正向电压加正向电压势垒降低势垒降低扩散占优，自外向内的空穴流，扩散占优，自外向内的空穴流，形成正向电流形成正向电流空穴电流空穴电流 p(0)可以等于可以等于n0，空穴势垒空穴势垒 顶在阻挡层的

23、内边界顶在阻挡层的内边界积累的空穴对空穴流的阻碍积累的空穴对空穴流的阻碍施加正向电压施加正向电压空穴从金属流向半空穴从金属流向半导体内不立即复合导体内不立即复合少数载流子注入少数载流子注入阻挡层内界积累阻挡层内界积累扩散进入内部扩散进入内部扩散效率（半导体内）：扩散效率（半导体内）：空穴浓度（阻挡层）：空穴浓度（阻挡层）：少数载流子的积累少数载流子的积累 金属半导体接触金属半导体接触整流接触整流接触肖特基势垒肖特基势垒非整流接触非整流接触欧姆接触欧姆接触欧姆接触：欧姆接触：金金/ /半接触的半接触的非整流接触非整流接触，即不产生明显的附加电，即不产生明显的附加电阻，不会使半导体体内的平衡载流子

24、浓度发生明显的改变。阻，不会使半导体体内的平衡载流子浓度发生明显的改变。不考虑表面态的影响下不考虑表面态的影响下WmWs： 金属和金属和p型半导体接触形成反阻挡层型半导体接触形成反阻挡层选用适当的金属材料选用适当的金属材料就可得到欧姆接触就可得到欧姆接触 半导体材料一般都半导体材料一般都有很高表面态密度有很高表面态密度不能用选择金属的不能用选择金属的方法获得欧姆接触方法获得欧姆接触形成势垒形成势垒与金属功函数关系不大与金属功函数关系不大欧姆接触的制作，重点在于如何削弱肖特基势垒的整流欧姆接触的制作，重点在于如何削弱肖特基势垒的整流作用和少数载流子的注入效应。作用和少数载流子的注入效应。如何解决

25、？如何解决？一、高掺杂接触一、高掺杂接触金属金属- -半导体接触类似于单边突变半导体接触类似于单边突变p-n结，空间电荷主要在半结，空间电荷主要在半导体一边，且空间电荷区的宽度（即势垒厚度）与半导体掺导体一边，且空间电荷区的宽度（即势垒厚度）与半导体掺杂浓度的平方根成反比。杂浓度的平方根成反比。半导体掺杂浓度较高时（如半导体掺杂浓度较高时（如Si中中掺杂浓度掺杂浓度51017/cm2），势垒厚），势垒厚度度很小，以致加上正向电压时，很小，以致加上正向电压时，载流子除了从势垒顶部越过去以载流子除了从势垒顶部越过去以外（这种能量较高的电子称为热外（这种能量较高的电子称为热电子），还能以隧道效应方式

26、穿电子），还能以隧道效应方式穿过势垒的中间部分。过势垒的中间部分。方法：方法：高掺杂接触、低势垒接触、高复合接触高掺杂接触、低势垒接触、高复合接触半导体掺杂浓度很高时（如半导体掺杂浓度很高时（如Si中中掺杂浓度掺杂浓度1019/cm2），势垒厚度），势垒厚度相当小，以致能带底附近的载流子相当小，以致能带底附近的载流子也能以隧道效应方式通过势垒也能以隧道效应方式通过势垒。半导体掺杂浓度很高时，通过接触半导体掺杂浓度很高时，通过接触势垒的电流中，热电子发射的成分势垒的电流中，热电子发射的成分居于很次要的地位，主要是隧道电居于很次要的地位，主要是隧道电流，接触电阻会很小，电流与外加流，接触电阻会很小

27、，电流与外加电压近似成正比，即近似电压近似成正比，即近似服从欧姆服从欧姆定律定律。这说明，金属与高掺杂半导体接触时，尽管肖特基势垒仍然存在，这说明，金属与高掺杂半导体接触时，尽管肖特基势垒仍然存在，但由于太薄，已不起重要作用，因此成为欧姆接触。但由于太薄，已不起重要作用，因此成为欧姆接触。制作欧姆接触最常用的方法：在制作欧姆接触最常用的方法：在n型或型或p型半导体上制型半导体上制作一层重掺杂区再与金属接触，形成金属作一层重掺杂区再与金属接触，形成金属n+n 或金属或金属 p+p 结构。由于有结构。由于有n+、p+层，使得金属的选择很多。层，使得金属的选择很多。形成金属与半导体接触的方法：电子束

28、、热蒸发、溅形成金属与半导体接触的方法：电子束、热蒸发、溅射、电镀等。射、电镀等。削弱接触势垒的整流作用削弱接触势垒的整流作用高掺杂接触高掺杂接触减小非平衡载流子的注入效应减小非平衡载流子的注入效应半导体掺杂浓度的提高，使半导体中的平衡半导体掺杂浓度的提高，使半导体中的平衡少数载流子浓度减少，从而在表面附近积累少数载流子浓度减少，从而在表面附近积累的少数载流子浓度也相应减少。的少数载流子浓度也相应减少。二、低势垒接触二、低势垒接触适当选取电极金属，使得与半导体接触的势垒适当选取电极金属，使得与半导体接触的势垒较低，以致在室温下就有足够的载流子可以越较低，以致在室温下就有足够的载流子可以越过势垒

29、，则这种接触的整流效应极小，近似为过势垒，则这种接触的整流效应极小，近似为欧姆接触。欧姆接触。实验证明，一般金属同实验证明，一般金属同p型半导体的接触势垒较低。型半导体的接触势垒较低。如如Au-Si（p型）接触势垒约为型）接触势垒约为0.34eV，而，而Pt-Si （p型）接触势垒只有型）接触势垒只有0.25eV。因此，这种金属。因此，这种金属-半导体接触在室温以上可保证是良好的欧姆接触。半导体接触在室温以上可保证是良好的欧姆接触。三、高复合接触三、高复合接触高复合接触：高复合接触：是在金属是在金属-半导体接触界面附近处引半导体接触界面附近处引入大量的复合中心，以削弱肖特基势垒的整流作用。入大

30、量的复合中心，以削弱肖特基势垒的整流作用。引入复合中心的方法：引入复合中心的方法：在与金属接触前，先把半导体表面打毛，使其形在与金属接触前，先把半导体表面打毛，使其形成大量晶格缺陷，这些表面的晶格缺陷将成为强复成大量晶格缺陷，这些表面的晶格缺陷将成为强复合中心。合中心。在用合金、扩散等方法来制作电极接触时，在接在用合金、扩散等方法来制作电极接触时，在接触面处掺入触面处掺入Au、Cu、Ni等强复合中心作用的杂质。等强复合中心作用的杂质。存在于接触势垒中的大量强复合存在于接触势垒中的大量强复合中心将复合掉注入到半导体内的中心将复合掉注入到半导体内的非平衡少数载流子。非平衡少数载流子。在反向时，强复

31、合中心将成为强在反向时，强复合中心将成为强产生中心，能提供大量的载流子。产生中心，能提供大量的载流子。从而使反向电流变得很大，反向从而使反向电流变得很大，反向的高阻状态就不会出现。的高阻状态就不会出现。高复合接触基本上高复合接触基本上消除了少数载流子消除了少数载流子的注入效应的注入效应高复合接触不会高复合接触不会有整流作用有整流作用局限：局限：这种高复合接触不可用在靠近这种高复合接触不可用在靠近p-n结的地方。因为任结的地方。因为任何距离何距离p-n结势垒区在一个扩散长度以内的高复合区，都会使结势垒区在一个扩散长度以内的高复合区，都会使p-n结的反向电流增大。因此，这种接触一般用离在结的反向电

32、流增大。因此，这种接触一般用离在p-n结较结较远的电极处。远的电极处。 用作电极的金属材料应当满足以下要求：用作电极的金属材料应当满足以下要求：电阻率低（体电阻率电阻率低（体电阻率0 ，表示该点有散发通量的正源；当div F0 表示该点有吸收通量的负源；当div F=0，表示该点为无源场。在金属薄膜中某一点，若离子电流密度在金属薄膜中某一点，若离子电流密度Ja的散度不为零（的散度不为零（div Ja 0），就会），就会出现净质量的累积和亏损，严重将出现小丘和空洞，空洞的聚集造成开路。出现净质量的累积和亏损，严重将出现小丘和空洞，空洞的聚集造成开路。因此，电极金属膜由于电迁移而发生失效与因此，电

33、极金属膜由于电迁移而发生失效与div Ja 有关。有关。kTeCjWt/2MTF造成造成div Ja 0的主要原因：的主要原因：金属膜上的温度梯度和金属膜结构变化引金属膜上的温度梯度和金属膜结构变化引起的扩散系数的梯度。这两个梯度的存在，往往加速了电迁移现象起的扩散系数的梯度。这两个梯度的存在，往往加速了电迁移现象的发生，导致薄膜的失效。的发生，导致薄膜的失效。金属膜在失效前的平均寿命（金属膜在失效前的平均寿命（MTF）：）：式中，W和t分别是金属膜的宽度和厚度；C是与金属膜密度、电阻率、离子质量、晶粒大小、几何尺寸有关的参数。提高提高MTF措施措施 外因外因 内因内因 降低结温度降低结温度降

34、低电流密度降低电流密度 提高激活能提高激活能 降低常数降低常数C 采用改良的采用改良的Al电极系统，即在电极系统，即在Al中添加少量中添加少量杂杂 质（质（Si 、Cu等）或进行金属膜表面钝化；等）或进行金属膜表面钝化；采用采用Au的多层电极系统。的多层电极系统。增加金属膜宽增加金属膜宽度和厚度以增度和厚度以增加导电截面积加导电截面积Al 、Au 扩散的激活能扩散的激活能Au 的相应扩散激活能比的相应扩散激活能比Al的大得多，因此，用的大得多，因此，用Au来来取代取代Al可以提高。可以提高。三、金属与硅互溶三、金属与硅互溶、Al与与Si互溶互溶Al与与Si互溶是导致器件失效的一个重要原因：互溶

35、是导致器件失效的一个重要原因：在电极系统制作过在电极系统制作过程中及其经受强电流冲击时，程中及其经受强电流冲击时，Al-Si接触窗口处的接触窗口处的Si不均匀地溶解不均匀地溶解到到Al中，并向中，并向Al内扩散，同时在内扩散，同时在Si中留下空穴，而中留下空穴，而Al就进入这些就进入这些空穴，于是在空穴，于是在 Al膜上由于这种膜上由于这种“腐蚀腐蚀”作用便出现很深的坑，作用便出现很深的坑，可能穿透可能穿透p-n结造成短路。结造成短路。减弱以至消除因减弱以至消除因Al-Si互溶而失效的方法：互溶而失效的方法：采用采用Al-Si合金（含合金（含Si重量重量0.10.3%）代替纯）代替纯Al。因金

36、属薄膜。因金属薄膜 中的中的Si已达到饱和，防止了已达到饱和，防止了Si的进一步溶解。的进一步溶解。采用薄采用薄Al- -厚厚Al蒸发工艺。先蒸发蒸发工艺。先蒸发2070nm薄薄Al，经，经400450 热处理后，再蒸发一层较厚的热处理后，再蒸发一层较厚的Al,可减少腐蚀坑的深度。可减少腐蚀坑的深度。在在Al和和SiSi之间加阻挡膜，即采用之间加阻挡膜，即采用AlAl的双层电极结构。常用的阻的双层电极结构。常用的阻 挡膜金属釉挡膜金属釉NiCrNiCr、MoMo、TiTi和和V V。2、Au与与Si互溶互溶Au是渗透能力很强的金属，是渗透能力很强的金属，Au-Si直接接触时，在低于直接接触时，

37、在低于100下就可以互相扩散，在下就可以互相扩散，在200 以上时，这种反应就以上时，这种反应就更加明显，到更加明显，到377 时，可形成共熔金属。时，可形成共熔金属。Au在在Si中的中的扩散系数和溶解度都很高，在器件装架过程中，扩散系数和溶解度都很高，在器件装架过程中，Au原子原子便可以扩散到便可以扩散到p-n结处，引起结处，引起p-n性能变坏。性能变坏。采取的措施：采取的措施：当用当用Au作电极材料时，在作电极材料时，在Au和和Si之间一定要加阻挡膜。之间一定要加阻挡膜。Pt、Mo、W阻挡膜是最理想的，没有合金现象，导体阻挡膜是最理想的，没有合金现象，导体电阻变化不大，而且阻挡膜越厚，效果

38、越好。电阻变化不大，而且阻挡膜越厚，效果越好。四、四、Al膜表面的再结构膜表面的再结构Al膜表面的再结构：膜表面的再结构：在解剖失效器件时，有时会发现在解剖失效器件时，有时会发现Al电极膜的表面和粗糙，甚至发黑，在电极膜的表面和粗糙，甚至发黑，在SEM下看出这下看出这时时Al表面上出现小丘、晶须或皱纹的现象。表面上出现小丘、晶须或皱纹的现象。Al膜表面的再结构对器件的影响：膜表面的再结构对器件的影响：会使会使Al膜的方块电阻增大。膜的方块电阻增大。极间短路或多层布线层间短路。极间短路或多层布线层间短路。促进电迁移现象的发生。促进电迁移现象的发生。甚至使电极开路。甚至使电极开路。Al膜表面再结构

39、的起因：膜表面再结构的起因：Al膜是敷在Si片或Si片上的SiO2层上的。Al膜厚度仅有1um左右，而Si片却有150300um。由于Al膜的线膨胀系数（23.6 10-6/ ）比Si和SiO2的分别大7倍和47倍，所以当器件芯片加高温时， Al膜要受到压应力，当冷却时要受到张应力。这种应这种应力正是导致力正是导致Al膜发生再结构的内因，而膜发生再结构的内因，而Al表面产生表面产生小丘、晶须、小丘、晶须、晶粒分裂空隙、皱纹等正是这种应力被释放的结果。晶粒分裂空隙、皱纹等正是这种应力被释放的结果。应力的大小和热冲击的温度变化成正比。温度高低不同，再结应力的大小和热冲击的温度变化成正比。温度高低不

40、同，再结构现象也不同。为此又分为构现象也不同。为此又分为高温少循环和低温多循环再结构高温少循环和低温多循环再结构。高温少循环再结构：高温少循环再结构：在在合金、烧结、热压等工合金、烧结、热压等工艺过程中发生的再结构。艺过程中发生的再结构。会使会使Al表面表面小丘、晶须小丘、晶须和空隙。和空隙。在应力下，在应力下，由由Al原子扩原子扩散蠕变导致。散蠕变导致。防止防止Al膜表面再结构的措施：膜表面再结构的措施：低温多循环再结构：低温多循环再结构：在在温度变化小，但变化次温度变化小，但变化次数多的热循环过程中所数多的热循环过程中所发生的再结构。发生的再结构。会使会使Al表面表面粗糙不平，粗糙不平，出

41、现皱纹。出现皱纹。压缩疲劳所压缩疲劳所引起的塑性引起的塑性形变导致。形变导致。提高蒸提高蒸Al时衬底的温度，以增大晶粒直径，从而减弱以至完全防止时衬底的温度，以增大晶粒直径，从而减弱以至完全防止 高温少循环再结构（但抗低温再结构的能力下降）。高温少循环再结构（但抗低温再结构的能力下降）。采用采用Al合金膜电极，如合金膜电极，如Al-Cu、Al-Si或或Al-Ag合金，这对防止低温和合金，这对防止低温和 高温再结构均有效。高温再结构均有效。Al膜玻璃化可以完全防止低温再结构，尤其是在膜玻璃化可以完全防止低温再结构，尤其是在Al膜上低温淀积膜上低温淀积 SiO2，可使，可使MTF提高提高20003

42、000倍。采用玻璃化的大晶粒倍。采用玻璃化的大晶粒Al膜，可防膜，可防 止低温再结构和高温再结构，而这种电极系统又具有较高的抗电迁移止低温再结构和高温再结构，而这种电极系统又具有较高的抗电迁移 的能力。的能力。五、五、Al和和SiO2相互反应相互反应在高温下（在高温下（200 以上）以上）Al与与SiO2发生反应：发生反应：3SiOAl23SiOAl4322反应速度随温度的升高呈指数加快（在反应速度随温度的升高呈指数加快（在500 下已有明显的反应），下已有明显的反应），且是一个放热反应。且是一个放热反应。可使局部温度超过可使局部温度超过577 ，而形成，而形成Al-Si合金。合金。反反应应热

43、热可使可使Al膜变薄，膜变薄，SiO2层穿透，造成极间开路和短路。层穿透，造成极间开路和短路。对器件来说也是一种潜在的失效机构，尤其是大功率对器件来说也是一种潜在的失效机构，尤其是大功率器件，结温高，易产生热点，在热点处就发生了器件，结温高，易产生热点，在热点处就发生了Al与与SiO2的相互反应，以至的相互反应，以至SiO2层形成溶坑。层形成溶坑。解决方法：解决方法：采用复合钝化膜，如用采用复合钝化膜，如用SiO2-Al2O3-SiO2、Si3N4-SiO2等等。采用采用Al的双层电极系统，如的双层电极系统，如Mo-Al、Ti-Al、V-Al、 NiCr- Al等。等。在设计器件时要考虑热分布

44、均匀、散热好、热阻低，对在设计器件时要考虑热分布均匀、散热好、热阻低，对 功率晶体管一定要加镇流电阻。功率晶体管一定要加镇流电阻。六、电极金属的电化学腐蚀六、电极金属的电化学腐蚀在潮湿气氛下，因封装漏气，大量水蒸汽将侵入管壳内。在潮湿气氛下，因封装漏气，大量水蒸汽将侵入管壳内。H2O是是良好的电解质，在电场下会使电极金属受到腐蚀。对良好的电解质，在电场下会使电极金属受到腐蚀。对Al电极系统电极系统而言，发生反应如下：而言，发生反应如下：233H2Al6H2Al33OH)(2Al6OH2Al解决解决Al金属膜电化学腐蚀的根本措施：金属膜电化学腐蚀的根本措施：提高器件封装的气密性提高器件封装的气密

45、性。在气密性封装彻底解决之前，相对有效地措施：在气密性封装彻底解决之前，相对有效地措施：采用采用Al 阳极氧化、阳极氧化、Al玻璃化，或者选择膨胀系数匹配、对电性能无影响的内涂料玻璃化，或者选择膨胀系数匹配、对电性能无影响的内涂料。对于具体的器件，应该选择什么样的电极系统才有利于提高可靠对于具体的器件，应该选择什么样的电极系统才有利于提高可靠性，而又不过分增大工艺难度，这需要对不同的器件作具体分析。性，而又不过分增大工艺难度，这需要对不同的器件作具体分析。对高频中、小功率管和低中速数字集成电路对高频中、小功率管和低中速数字集成电路，可采用，可采用Al-Au合金来代替纯合金来代替纯Al，这在不增

46、加工艺难度的情况下，对提高电，这在不增加工艺难度的情况下，对提高电极的可靠性是相当有利的。极的可靠性是相当有利的。对超高频晶体管和高速超高速集成电路对超高频晶体管和高速超高速集成电路，采用玻璃化的，采用玻璃化的Al-Si合金（合金（ 或或Al-Au合金）合金）-Ti双层金属膜来代替双层金属膜来代替Al，对减弱电，对减弱电极金属层的再结构，防止极金属层的再结构，防止e-b结退化及提高抗电迁移的能力都结退化及提高抗电迁移的能力都是必要的。是必要的。对电流密度很高、要求接触电阻相当低的微博低噪声管、微对电流密度很高、要求接触电阻相当低的微博低噪声管、微波功率管以及亚毫微秒的集成波功率管以及亚毫微秒的

47、集成ECL集成集成电路电路，可采用，可采用PtSi-Ti-Pt-Au、PtSi-Ti-W-Au等金属电极系统，也可采用多晶等金属电极系统，也可采用多晶Si-Ti-AlCu合金等合金等Al电极系统。电极系统。要做出性能良好和稳定的要做出性能良好和稳定的GaAs器件，除了要有高质量的器件，除了要有高质量的GaAs外延片外，关键在于外延片外，关键在于欧姆电极的制作质量欧姆电极的制作质量。对对n型型GaAs，如果不考虑表面态的影响，为了得到欧姆接触，就，如果不考虑表面态的影响，为了得到欧姆接触，就应当选取功函数比应当选取功函数比n型型GaAs小或相等的那些金属作为电极材料。小或相等的那些金属作为电极材料。在在GaAs器件中常用的金属材料器件中常用的金属材料Ni和和Au这两种材料，因功函数太大，不能单独用作在这两种材料，因功函数太大，不能单独用作在n型型GaAs上制作欧姆接触的电极材料。上制作欧姆接触的电极材料。 GaAs的欧姆接触的欧姆接触实际上，除了功函数这个因素外，在选取欧姆电极材料实际上，除了功函数这个因素外，在选取欧姆电极材料时，还必须考虑的因素有：时，还必须考虑的因素有： 电极金属如果扩散入电极金