金屬-半導(dǎo)體接觸

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1、金屬-半導(dǎo)體接觸1.金屬與半導(dǎo)體接觸概論以集成電路（IC）技術(shù)為代表的半導(dǎo)體技術(shù)在近十幾年來(lái)已經(jīng)取得了迅速發(fā)展，帶來(lái)的是一次又一次的信息科技進(jìn)步，沒(méi)有哪一種技術(shù)能像它一樣，帶來(lái)社會(huì)性的深刻變革。半導(dǎo)體技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴于半導(dǎo)體的生產(chǎn)與應(yīng)用，而在半導(dǎo)體的應(yīng)用過(guò)程中，必然會(huì)涉及到半導(dǎo)體與金屬電極的接觸。大規(guī)模集成電路中的鋁-硅接觸就是典型的實(shí)例。金屬與半導(dǎo)體接觸大致可以分為兩類[1]：一種是具有整流特性的肖特基接觸（也叫整流接觸），另一種是類似普通電阻的歐姆接觸。金屬與半導(dǎo)體接觸特性與兩種材料的功函數(shù)有關(guān)。所謂功函數(shù)

2、，也稱之為逸出功，是指材料的費(fèi)米能級(jí)與真空能級(jí)之差，即W=E0-EF（E0為真空能級(jí)，EF為費(fèi)米能級(jí)）。它是表征固體材料對(duì)電子的約束能力的物理量。然而，由于金屬與半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)有所差別，所以其功函數(shù)也不相同。就金屬來(lái)而言，其費(fèi)米能級(jí)EFM代表電子填充的最高能級(jí)水平，所以金屬的功函數(shù)WM即為金屬向真空發(fā)射一個(gè)電子所需要的最低能量（如圖1.1.1）；但對(duì)半導(dǎo)體的功函數(shù)WS而言，其功函數(shù)是雜質(zhì)濃度的函數(shù)，而不像金屬那樣為一常數(shù)，其內(nèi)部電子填充的最高能級(jí)是導(dǎo)帶底EC，而費(fèi)米能級(jí)EFS一般在EC之下。所以半導(dǎo)體的功函

3、數(shù)WS一般要高于電子逸出體外所需要的最低能量χ。半導(dǎo)體的功函數(shù)又可表示成：WS=χ+En。其中，χ=E0-EC，稱為電子親和勢(shì)，En=EC-EFS為費(fèi)米能級(jí)與導(dǎo)帶底的能量差（如圖1.1.2）。圖1.1.1金屬的電子勢(shì)阱圖1.1.2半導(dǎo)體的能帶和自由電子勢(shì)當(dāng)具有理性潔凈平整表面的半導(dǎo)體和金屬接觸時(shí)，二者的功函數(shù)WM和WS，一般說(shuō)來(lái)是不相等。其功函數(shù)差亦為其費(fèi)米能級(jí)之差，即WM-WS=EFS-EFM。所以，當(dāng)有功函數(shù)差的金屬和半導(dǎo)體接觸并符合理想條件時(shí)，從固體物理學(xué)我們知9道，由于存在費(fèi)米能級(jí)之差，電子將從費(fèi)米能

4、級(jí)高的一邊轉(zhuǎn)移到費(fèi)米能級(jí)低的一邊，直到兩者費(fèi)米能級(jí)持平而進(jìn)入熱平衡態(tài)為止。2.金屬與半導(dǎo)體接觸的四種情況（1）金屬與N型半導(dǎo)體接觸，WM>WS時(shí)WM>WS意味著金屬的費(fèi)米能級(jí)低于半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)。當(dāng)金屬與N型半導(dǎo)體理想接觸時(shí)，半導(dǎo)體中的電子將向金屬轉(zhuǎn)移，使金屬帶負(fù)電，但是金屬作為電子的的“海洋”，其電勢(shì)變化非常小；而在半導(dǎo)體內(nèi)部靠近半導(dǎo)體表面的區(qū)域則形成了由電離施主構(gòu)成的正電荷空間層，這樣便產(chǎn)生由半導(dǎo)體指向金屬的內(nèi)建電場(chǎng)，該內(nèi)建電場(chǎng)具有阻止電子進(jìn)一步從半導(dǎo)體流向金屬的作用。因此，金屬與半導(dǎo)體接觸的內(nèi)建電場(chǎng)所引

5、起的電勢(shì)變化主要發(fā)生在半導(dǎo)體的空間電荷區(qū)[2]，使半導(dǎo)體中近表面處的能帶向上彎曲形成電子勢(shì)壘；而空間電荷區(qū)外的能帶則隨同EFS一起下降，直到與EFM處在同一水平是達(dá)到平衡狀態(tài)，不再有電子的流動(dòng)，如圖1.1.3。圖1.1.3：WM>WS的金屬與N型半導(dǎo)體接觸前后的能帶變化，（a）接觸前（b）接觸后相對(duì)于EFM而言，平衡時(shí)EFS下降的幅度為WM-WS。若以VD表示這一接觸引起的半導(dǎo)體表面與體內(nèi)的電勢(shì)差，顯然有qVD=WM-WS（1.1）式中，q是電量，VD為接觸電勢(shì)差或半導(dǎo)體的表面勢(shì)；qVD也就是半導(dǎo)體中的電子進(jìn)

6、入金屬所必須越過(guò)的勢(shì)壘高度；同樣的，金屬中的電子若要進(jìn)入半導(dǎo)體，也要越過(guò)一個(gè)勢(shì)壘。高度為式1.2，式中，qφM極為肖特基勢(shì)壘的高度。qφM=WM-χ=qVD+En（1.2）當(dāng)金屬與N型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若WM>WS，則在半導(dǎo)體表面形成一個(gè)由電離施主構(gòu)成的空間電荷區(qū)，其中電子濃度極低，對(duì)電子的傳導(dǎo)性極低，是一個(gè)高阻9區(qū)域，常被稱為電子阻擋層。（2）金屬與N型半導(dǎo)體接觸，WM

7、表面指向體內(nèi)的內(nèi)建電場(chǎng)，導(dǎo)致半導(dǎo)體的能帶自體內(nèi)到表面向下彎曲，使半導(dǎo)體表面的電子密度比體內(nèi)高很多，增加了對(duì)電子的傳導(dǎo)特性，因而是一個(gè)高導(dǎo)區(qū)域，稱之為反阻擋層。接觸以后的能帶結(jié)構(gòu)為圖1.1.4。反阻擋層是很薄的高導(dǎo)層，它對(duì)半導(dǎo)體和金屬之間接觸電阻的影響極小，因此在實(shí)驗(yàn)中不易覺(jué)察到其存在。圖1.1.4WMWS時(shí)，能帶向上彎曲，導(dǎo)致表面比體內(nèi)空穴密度更高，增加電荷的傳導(dǎo)特

8、性，形成P型反阻擋層；當(dāng)WMWS）圖1.1.5金屬和P型半導(dǎo)體接觸能帶結(jié)構(gòu)以上討論的4種接觸中，分別形成了阻擋層和反阻擋層。其中，WM>WS時(shí)金屬與N型半導(dǎo)體的接觸和WM