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1、第七章chap7 金属与半导体接触Metal-semiconductor Contact 制造半导体器件或研究半导体材料的性质；总要涉 及到金半接触如： 1器件内引线（集成电路各元件的互连线） 2外引线 3汞探针c-v测载流子浓度；四探针（钨丝）测电 阻率 金属半导体接触类型： 1.半导体为轻掺杂（一般 ），金 半接触表现为单向导电（具有整流作用），这 种接触称为肖特基接触（schottky-contact） （整流接触）应用：微波开关二极管；太阳能电池；整流器 （ 面积大,功率大，作开关型稳压源）；箝位 chap7 金属与半导体接触Metal-semiconductor Contact二极管
2、（用于集成电路“IC”，限制深饱和）（ 肖 特基势垒二极管） 2半导体为重掺杂（ ），金半接 触表现为（正反向偏压）低阻特性。称欧姆接触 （非整流接触）V-I特性对称。应用：器件引线（外引线及集成电路中的内线） 两种接触的伏安特性：7.1 肖特基接触及其能带图1金属和半导体的功函数 金属功函数 （逸出功,脱出功）： 金属中电子可在金属内自由运动，但大多数电子不能逸出体外，而 是处于 以下 设真空中电子静止能量为 ，则金属中电子逸出 金属所需的最小能量为 ，即 功函数的意义：数值的大小表示金属中电子受束缚的强 弱（ 大，电子受束缚强，不易逸出）同时表示的高低（ 大， 低）。7.1 肖特基接触及其
3、能带图常用的某些金属的功函数（目前数据分散性较大， 不同资料的数据不同）半导体的功函数（ ）与金属的功函数类似，半导 体的功函数为与材料种类及掺杂浓度有关与材料及掺杂浓度 有关 下表给出Si、Ge的功函数（实验值或笔记）：金 属 Ag Al Au Cu Mg Ni Sn Cr Pt W Mo 4.97 4.13 5.06 4.87 4.19 4.20 3.42 4.18 5.30 4.55 4.29 7.1 肖特基接触及其能带图Si （ev） 4.32 4.26 4.20 4.82 4.88 4.96 Ge （ev） 4.43 4.38 4.33 4.51 4.56 4.61 电子亲和能 表示
4、 处的电子逸出半导体 需要的最小能量因此 图73： 式中7.1 肖特基接触及其能带图2接触电势差（半导体与半导体接触可以形成接触 电势差，如p-n结，原因：电子由费米能级高的材 料流向费米能级低的材料，建立起两种材料的电 势差）金半接触电势差与什么因素有关？ 设金属与n型半导体接触； 相同 即 接触前（下面分两种情况讨金半接触的问题）金属于半导体用导线连接，两者距离很远7.1 肖特基接触及其能带图电子由S M转（ ； ） 使S带正电，M带负电，二者间隙形成电场，当两者 费米能级相同时，达到平衡，电荷分布如图示：接触前：金属电势半导体 电势0（接触前均为电 中性）接触后：金属电势，半导体电势 （
5、取无穷远处为电势零点） 电势差 7.1 肖特基接触及其能带图（由于电势发生变化，能带中的各能级也发生相应变 化）金属能带中各能级包括 均上升 半导体能带中各能级包括 （实际是下降）（取无穷远处为电势参考点 ）平衡时， 持平，费米能级的改变量：M中： S中： 均下降 因此 7.1 肖特基接触及其能带图即金半间距很小，设间距为D 有两方面的变化：电荷分布发 生变化金属中的负电荷集中分 布在靠近S一侧的表面上；半导体 中的正电荷集中分布在靠近M一侧 的表面层（称为空间电荷层）。 原因：M电荷密度大；S电荷密度小； D小； ；接触电势差 7.1 肖特基接触及其能带图电荷分布变化金半间隙存在电场 ；半导
6、体表面层内也存在电场，方向指向表面，使表面层能带发生弯曲，产生表面势 ， 为表面处与体内的电势差，若体内电势为零，则 接触电势差 金半间距达到原子间距数量级， ，即紧密 接触，电子可以自由穿过间隙。接触电势差 即接触电势全部降落在半 导体表面层内。S侧势垒高度（ ，取S体内为电势0点）金属M侧势垒（肖特基势垒）高度7.1 肖特基接触及其能带图金属M侧势垒（肖特基势垒） 高度 图3阻挡层与反阻挡层（半导体为n型）1） 即 ，电子由 转移，S侧 空间电荷（），表面能带上弯，为电子势垒（ ），表面层电子浓度低，多子耗尽高阻层 阻挡层。如上图2） ，电子由 转移，7.1 肖特基接触及其能带图S侧表面层
7、带负电， ， ，能带下弯。 此情况表面层电子浓度大多子耗尽 底阻层 反 阻挡层（利于做欧姆接触） （金属p型接触不讲）7.1 肖特基接触及其能带图4表面态对金半接触势垒的影响肖特基模型：理想情况，不考虑表面态。时，势垒高度 （称肖特基势垒）对于同种半导体，x=const，则 ，但实际上 与 关系不大如：Au： Al： ；Si：X=4.05evAu-Si： 5.064.051.01evAl-Si： 4.134.050.08ev 【二者相差0.93ev（ ）】7.1 肖特基接触及其能带图而实验结果表明不同金属与同一种半导体接触形成 的势垒 与金属功函数的差异基本无关，即 基本不变。例如Aun型Si
8、 Aln型Si 【二者差 】巴丁模型（Bardeen）考虑表面态的影响，较好地解释了肖特基理论与实验结果的差异。该模型认为半导体表面的表面态密度很大，金属与半导体表面及半导体（三者）之间交换电荷，产生的电势差对势垒高度起钳制作用。半导体表面存在允许电子能量状态表面态对应能级叫表面能级7.1 肖特基接触及其能带图施主表面态：电子占据时呈电中性，施放电子后带 正电 受主表面态：能级空着为电中性，接受电子后带负电 现在考虑三个系统：金属，表面态，半导体 接触前：三个系统均处于电中性，费米能级分别为 ， ， 设 表面态功函数 并定义 三 个系统费米能级不同，接触后交换电子，最后达到 平衡，形成统一的费
9、米能级，半导体表面形成势垒。 （分两步说明）7.1 肖特基接触及其能带图第一步：金属与表面态接触平衡情况 （设） 及 二者接触后，金属电子 表面态，金属带正电，表 面态带负电，同时产生电 场，称间隙电场，方向 从M指向表面（态）。电 势差为 平衡时具有统一的费米能级 ，因此7.1 肖特基接触及其能带图即（此时表明：金属与表 面态，费米能级的改变量之和补偿了二者的功函数差）由图知：金属侧势垒高度 第二步：金属表面态合系统再与半导体平衡： 第一步中金属表面态达到平衡 费米能级 ， 半导体 ，且 0，金属（）N型（）设通流 V电子漂移电流，多子电子 07.4少数载流子的注入少子情况：界面处 ， ，少
10、子空穴由界面向体内扩散 ；平衡时，少子扩散电流少子漂移电流，少子电 流0 加正向电压，势垒降低，少子扩散电流少子漂移电 流，少子电流0有少子注入。此时，正向电流电 子电流空穴电流（皆为扩散电流） 少子电流对正向电流的贡献与势垒高度有关： 平衡时，设 ，则（势垒区电 子和空穴分布相同，对称）7.4少数载流子的注入正偏时，V0 仍有 正偏压只影响 和 的相对位置，使半导体侧势垒高度 ，扩散占优势，电流 0， 多子和少子在势垒区分布相同 电子电流 空穴电流 若平衡时 ，则 正向时空穴电流 电子电 流，即少子电流超过多字 电流（有显著的少子注入）。7.4少数载流子的注入2与少子注入有关的因素 少子注入
11、与势垒高度和注入 方式有关。 多子情况：正偏时，x0处， 半导体与金属交换电子， 即界面处浓度不 变， 不变； 少子情况：正偏时，空穴向内 部扩散，在边界d处出现积累， 使d处浓度 ， ，阻碍势 垒区的空穴向体内扩散，使空穴扩散对电流贡献7.4少数载流子的注入即使 ，也可使空穴电流N区）外压主要 降在N区，不改变空间电荷区的势垒。所以（ 或 ）无整流作用 欧姆接触。7.5 欧姆接触3低势垒接触。 试验表明，少数金属与半导体接触可以形成低表面势 垒： Au与p-Si接触 势垒高度 0.34ev Cu与p-Si接触 势垒高度 0.46ev 金属与n型Si接触，势垒高度（单位ev）（300K）Al Au Cu Ag 0.50 0.81 0.69 0.56 （势垒高度均大于p型接触）返回返回返回返回返回
