金属和半导体接触

1、一、概述： 在微电子和光电子器件中，半导体材料和金属、在微电子和光电子器件中，半导体材料和金属、半导体以及绝缘体的各种接触是普遍存在的，如半导体以及绝缘体的各种接触是普遍存在的，如MOSMOS器件、肖特基二极管、气体传感器等。薄膜技术及器件、肖特基二极管、气体传感器等。薄膜技术及纳米技术的发展，使得界面接触显得更加重要。纳米技术的发展，使得界面接触显得更加重要。二、金属和半导体的功函数Wm 、Ws1、金属的功函数Wm表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到表面外的真空中所需要的最小能量。E0(EF)mWm0()mFmWEE即： 功函数大小标致电子在金属中被束缚的强弱2、半导体的功函

2、数WsE0与费米能级之差称为半导体的功函数。0()sFsWEE即：用表示从Ec到E0的能量间隔：0cEE称为电子的亲和能，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。Ec(EF)sEvE0WsEn N型半导体：scFnsWEEE式中：()ncFsEEE P型半导体：()pFsvEEE()soFsgpWEEEE式中：Note: 和金属不同的是，半导体的费米能级随杂质浓度变化，所以，Ws也和杂质浓度有关。半导体金属半导体金属能带结构发生变化新的物理效应和应用3、金属/半导体接触(理想接触）三、金属与半导体的接触及接触电势差1. 阻挡层接触金属n半导体半导体mWFmEsWnEvEcEFsE

3、0E设想有一块金属和一块n型半导体，并假定金属的功函数大于半导体的功函数，即：msWW即半导体的费米能EFs高于金属的费米能EFm金属的传导电子的浓度很高，10221023cm-3半导体载流子的浓度比较低，10101019cm-3金属半导体接触前后能带图的变化：接触后，金属和半导体的费米能级应该在同一水平，半导体的导带电子必然要流向金属，而达到统一的费米能级接触前，半导体的费米能级高于金属（相对于真空能级），所以半导体导带的电子有向金属流动的可能WmEFmWsE0EcEFsEv接触前接触后qVDEFEFEvEcmqxdE0在接触开始时，金属和半导体的间距大于原子的间距，在两类材料的表面形成电势

4、差Vms。smmsmsWWVVVq接触电势差：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Vs。接触电势差分降在空间电荷区和金属与半导体表面之间。但当忽略接触间隙时，电势主要降在空间电荷区。现在考虑忽略间隙中的电势差时的极限情形:半导体一边的势垒高度为：DsmsqVqVWW 金属一边的势垒高度为：mnDnsnmsnmqqVEqVEWWEW 半导体体内电场为零，在空间电荷区电场方向由内向外，半导体表面势Vs0mqEFEvqVDEcE电场 在势垒区，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度

5、比体内小得多，是一个高阻区域，称为阻挡层。界面处的势垒通常称为肖特基势垒。mqEFEvqVDEcE电场所以：金属与N型半导体接触时，若WmWs，即半导体的费米能级高于金属，电子向金属流动，稳定时系统费米能级统一，在半导体表面层形成正的空间电荷区，能带向上弯曲，形成电子的表面势垒。2. 反阻挡层接触设想有一块金属和一块n型半导体，并假定金属的功函数小于半导体的功函数，即：msWW即半导体的费米能EFs低于金属的费米能EFm 金属和半导体接触时，电子将从金属流向半导体，在半导体表面形成负的空间电荷区，电场电场方向由表面指向体内，Vs0, 能带向下弯曲。在表面的空间电荷区，电子浓度高于体内，高电导区

6、，称为反阻挡层。 金属与P型半导体接触时，若WmWs，即金属的费米能级比半导体的费米能级高，半导体的多子空穴流向金属，使得金属表面带正电，半导体表面带负电，半导体表面能带向下弯曲，形成空穴的表面势垒。金属p型半导体接触的阻挡层 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，形成空穴阻挡层。金属和p型半导体WmWs，即金属的费米能级比半导体的费米能级低，半导体的电子流向金属，使得金属表面带负电，半导体表面带正电，半导体表面能带向上弯曲。在半导体表面的多子（空穴）浓度较大，高电导区，形成反阻挡层。3、金属半导体接触的阻挡层所谓阻挡层，在半导体的势垒

7、区，形成的空间电荷区，它主要由正的电离施主杂质或负的电离受主形成，其多子电子或空穴浓度比体内小得多，是一个高阻区域，在这个区域能带向上或向下弯曲形成电子或空穴的阻挡。金属与N型半导体，WmWs金属与P型半导体, WmWs电子的阻挡层 整流接触W sWm电子的反阻挡层 欧姆接触理想接触实际接触1、阻挡层的整流特性 外加电压对阻挡层 （高阻层）的作用加上正向电压 (金属一边为正)时：由于阻挡层是个高电阻区域，外加电压主要降落在阻挡层上。金属一侧的势垒高度没有变化外加电压削弱了内建电场的作用，半导体势垒降低；smJmsJJ电流为：进一步增加正向电压： VqVD1=qVD-VqVnsqxdnqEF势垒

8、高度进一步减低，势垒宽度减薄，多子导电变强。正向导电，电流很强。加上反向电压（金属一边为负）时：外加电压增强了内建电场的作用，势垒区电势增强，势垒增高；msJsmJJ由于阻挡层是个高电阻区域，外加电压主要降落在阻挡层上。金属一侧的势垒高度没有变化2、整流理论定量V-I特性的表达式势垒宽度比载流子的平均自由程大得多，即势垒区是耗尽区；半导体是非简并的(2)简化模型：势垒高度qVqVD Dk k0 0T T时，势垒区内的载流子浓度0 耗尽区EFnsq0dXV0sDqVqVnnEq metalsemiconductorSpace charge regionN型半导体的耗尽层在势垒区边界，电子的浓度分

9、别为：电子从体内向界面处扩散；在内建电场的作用下，电子做漂移运动；扩散方向与漂移方向相反无外加电压：扩散与漂移相互抵消平衡；反向电压：漂移增强反偏；正向电压：扩散增强正偏3、势垒宽度与外加电压的关系势垒区的宽度：1、无外加电压，即2、有外加电压，即V 0， d 正正向电压使势垒区变窄V势垒顶部时，电子可以自由越过势垒进入另一边 。电流的计算即求越过势垒的载流子数目。 当n型阻挡层很薄时，即电子的平均自由程大于势垒宽度。扩散理论不再适合了。电子通过势垒区的碰撞可以忽略。1、热电子发射理论的适用范围ln d适用于薄阻挡层势垒高度k0 T非简并半导体2、热电子发射理论的基本思想薄阻挡层，势垒高度起主

10、要作用。能够越过势垒的电子才对电流有贡献计算超越势垒的载流子数目，从而求出电流密度3、势垒区的伏安特性半导体一侧，只有能量大于势垒的电子才能越过势垒：根据麦克斯韦分布可求得中的电子数：规定电流的正方向是从金属到半导体规定电流的正方向是从金属到半导体 sFqExms1dnqvJx方向输运假设电子沿电子流密度方向和电流方向相反 Jsm时（正向电流）EFnsqsqDqVVx能量范围内的电子数在dEEE dEEfEgdn电子的状态密度和分布函数能够运动到-界面的电子数为：00222*20*02xzyxnvxTkvvvmxyyndvevdvdvTkmqn 7002*TkqVTkqeeTAns2034nq

11、m kAh其中，有效理查逊常数 800smmsJJV时 902*TkqnseTA0VJJmssm从而 Jms时（反向电流）nsmsmsJJ电子从金属到半导体所面临的势垒高度是不随外加电压而变化的，所以从金属到半导体的电子流所形成的电流密度是个常量。它与热平衡条件下，V0时的大小相等，方向相反。smmsJJJ 1102*TkqSTnseTAJ其中1010TkqVSTeJns是金属一边的电子势垒 总的电流密度J 讨论：扩散理论：0exp() 1,SDSDqVJJJVk T两种理论都得出电流和外加电压近似成指数关系热电子发射理论：0exp() 1,STSTqVJJJk T和外加电压无关Ge、Si、G

12、aAs都有较高的载流子迁移率，即较大的平均自由程，在室温时，其肖特基势垒中的电流输运机构，主要是多数载流子的热电子发射扩散理论热热电子发射理论厚阻挡层电流源于半导体一侧电子的漂移或扩散薄阻挡层电流源于越过势垒的电子7.3 少数载流子的注入和欧姆接触1、少数载流子的注入对n型阻挡层，对少子空穴就是积累层，在势垒区表面空穴浓度最大，(0)exp()DoqVppkT由表面向内部扩散，平衡时被电场抵消。在正向电压时，产生和电子电流方向一致的。故部分正向电流由少子贡献。vEcEFsEFmEEV1eepqv1epLDqJTkqVTkqVsdTkqV0ppp00D0少子扩散流首先决定于阻挡层中空穴的浓度，在

13、势垒很高的情况下，接触表面的空穴浓度会很高。其次还要受扩散能力的影响。在加正向电压时，空穴流向半导体体内，不能立即复合，要在阻挡层形成一定的积累，然后靠扩散进入半导体体内。所以有：注入比r： 即在加正向电压时，少子电流和总电流的比/()ppnpJJJJJ在大电流时，注入比随电流密度的增加而增大。少子空穴电流的大小：少子空穴电流的大小：2、欧姆接触定义：金/半接触的非整流接触，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浓度发生明显的改变。应用：半导体器件中利用电极进行电流的输入和输出就要求金属和半导体接触形成良好的欧姆接触。在超高频和大功率的器件中，欧姆接触时设计和制造的关键。实现：不

14、考虑表面态的影响，金半接触形成反阻挡层，就可以实现欧姆接触。实际中，由于有很高的表面态，主要用隧道效应实现半导体制造的欧姆接触。半导体重掺杂导致明显的隧穿电流，而实现欧姆接触：半导体掺杂浓度很高时，金半接触的势垒区的宽度变得很薄，电子会通过隧道效应穿过势垒产生相当大的隧穿电流，甚至会超过热电子发射电流成为电流的主要部分。当隧穿电流占主要成份时，接触电阻会很小，可以用作欧姆接触。常用的方法：在n型或p型半导体上制作一层重掺杂区再与金属接触，形成金属n+n 或金属p+p 结构。使得金属的选择很多。电子束和热蒸发、溅射、电镀。02()rDdDVVxqN 1、功函数：功函数的定义是E0与EF能量之差，用W表示。即FEEW0半导体的功函数可以写成nsFcsEEEW)(本本 章章 小小 结结半导体的费米能级随掺杂的变化而变化，因此，半导体的功函数也会变化2、接触电势差：金属半导体接触，由于Wm和Ws不同，会产生接触电势差Vms。同时半导体能带发生弯曲，使其表面和内部存在电势差V，即表面势V，因而：smsmsVVqWW紧密接触时： smsVqWW典型金属半导体接触有两类：一类是整流接触，形成阻挡层，即肖特基接触；一类是非整流接触，形成反阻挡层，即欧姆接触。 形成n型和p型阻挡层的条件 3 3、金属半导体接触整流特性：、金属半导体接触整