stringtranslate.com

Переход металл-полупроводник

В физике твердого тела переход металл –полупроводник ( M–S ) — это тип электрического перехода , в котором металл находится в тесном контакте с полупроводниковым материалом. Это старейший практический полупроводниковый прибор . Переходы M–S могут быть как выпрямляющими , так и невыпрямляющими . Выпрямляющий переход металл–полупроводник образует барьер Шоттки , создавая устройство, известное как диод Шоттки , в то время как невыпрямляющий переход называется омическим контактом . [1] (Напротив, выпрямляющий переход полупроводник–полупроводник, наиболее распространенный сегодня полупроводниковый прибор, известен как p–n-переход .)

Переходы металл-полупроводник имеют решающее значение для работы всех полупроводниковых приборов. Обычно желателен омический контакт , чтобы электрический заряд мог легко проходить между активной областью транзистора и внешней схемой. Однако иногда полезен барьер Шоттки , как в диодах Шоттки , транзисторах Шоттки и полевых транзисторах металл-полупроводник .

Критический параметр: высота барьера Шоттки

Зонная диаграмма для перехода металл-полупроводник при нулевом смещении (равновесие). Показано графическое определение высоты барьера Шоттки , Φ B , для полупроводника n- типа как разности между краем зоны проводимости интерфейса E C и уровнем Ферми E F .

Является ли данный переход металл-полупроводник омическим контактом или барьером Шоттки, зависит от высоты барьера Шоттки, Φ B , перехода. При достаточно большой высоте барьера Шоттки, то есть Φ B значительно выше тепловой энергии kT , полупроводник истощается вблизи металла и ведет себя как барьер Шоттки . При более низких высотах барьера Шоттки полупроводник не истощается и вместо этого образует омический контакт с металлом.

Высота барьера Шоттки определяется по-разному для полупроводников n-типа и p-типа (измеряется от края зоны проводимости и края валентной зоны соответственно). Выравнивание зон полупроводника вблизи перехода обычно не зависит от уровня легирования полупроводника, поэтому высоты барьеров Шоттки n -типа и p -типа идеально связаны друг с другом следующим образом:

где E g — ширина запрещенной зоны полупроводника .

На практике высота барьера Шоттки не является строго постоянной по всей границе раздела и меняется по поверхности раздела. [2]

Правило Шоттки-Мотта и закрепление уровня Ферми

Зонные диаграммы для моделей формирования перехода между серебром и n -легированным кремнием. [3] На практике этот барьер Шоттки составляет приблизительно Φ B  = 0,8 эВ.

Правило образования барьера Шоттки–Мотта , названное в честь Уолтера Х. Шоттки и Невилла Мотта , предсказывает высоту барьера Шоттки на основе работы выхода вакуума металла относительно сродства к электрону вакуума (или энергии ионизации вакуума ) полупроводника:

Эта модель выведена на основе мысленного эксперимента по объединению двух материалов в вакууме и тесно связана по логике с правилом Андерсона для полупроводниковых переходов . Различные полупроводники в разной степени подчиняются правилу Шоттки-Мотта. [5]

Хотя модель Шоттки–Мотта правильно предсказывала существование изгиба зон в полупроводнике, экспериментально было обнаружено, что она дала бы крайне неверные предсказания относительно высоты барьера Шоттки. Явление, называемое «закреплением уровня Ферми», привело к тому, что некоторая точка запрещенной зоны, в которой существует конечная плотность состояний , оказалась запертой (закрепленной) на уровне Ферми. Это сделало высоту барьера Шоттки почти полностью нечувствительной к работе выхода металла: [5]

где Ebandgap — размер запрещенной зоны в полупроводнике.

Фактически, эмпирически установлено, что ни одна из вышеупомянутых крайностей не является вполне правильной. Выбор металла имеет некоторое влияние, и, по-видимому, существует слабая корреляция между работой выхода металла и высотой барьера, однако влияние работы выхода составляет лишь часть того, что предсказывает правило Шоттки-Мотта. [6] : 143 

В 1947 году Джон Бардин отметил , что явление закрепления уровня Ферми возникло бы естественным образом, если бы в полупроводнике прямо на границе раздела были заряженные состояния с энергиями внутри щели полупроводника. Они либо были бы индуцированы во время прямого химического связывания металла и полупроводника ( состояния щели, индуцированные металлом ), либо уже присутствовали бы на поверхности полупроводника-вакуума ( поверхностные состояния ). Эти высокоплотные поверхностные состояния могли бы поглощать большое количество заряда, отдаваемого металлом, эффективно экранируя полупроводник от деталей металла. В результате полосы полупроводника обязательно выстраивались бы в положение относительно поверхностных состояний, которые, в свою очередь, закреплены на уровне Ферми (из-за их высокой плотности), и все это без влияния металла. [3]

Эффект закрепления уровня Ферми силен во многих коммерчески важных полупроводниках (Si, Ge, GaAs), [5] и, таким образом, может быть проблематичным для проектирования полупроводниковых приборов. Например, почти все металлы образуют значительный барьер Шоттки для германия n- типа и омический контакт для германия p -типа, поскольку край валентной зоны прочно закреплен на уровне Ферми металла. [7] Решение этой негибкости требует дополнительных этапов обработки, таких как добавление промежуточного изолирующего слоя для открепления зон. (В случае германия использовался нитрид германия [8] )

История

Свойство выпрямления контактов металл-полупроводник было открыто Фердинандом Брауном в 1874 году с использованием металлической ртути , контактирующей с полупроводниками сульфидом меди и сульфидом железа . [9] Сэр Джагадиш Чандра Бозе подал заявку на патент США на диод металл-полупроводник в 1901 году. Этот патент был выдан в 1904 году.

В Wikisource есть оригинальный текст, относящийся к этой статье:
Патент JC Bose

В 1906 году Г. В. Пикард получил патент на точечный выпрямитель с использованием кремния . В 1907 году Джордж У. Пирс опубликовал статью в Physical Review, в которой были показаны выпрямительные свойства диодов, изготовленных путем напыления многих металлов на многие полупроводники. [10] Использование выпрямительного диода металл-полупроводник было предложено Лилиенфельдом в 1926 году в первом из его трех патентов на транзисторы в качестве затвора полевых транзисторов металл-полупроводник . [11] Теория полевого транзистора с использованием затвора металл/полупроводник была выдвинута Уильямом Шокли в 1939 году.

Первые диоды металл-полупроводник в электронике появились около 1900 года, когда в приемниках использовались выпрямители типа «кошачий ус » . [12] Они состояли из заостренной вольфрамовой проволоки (в форме кошачьего уса), кончик или точка которой прижимались к поверхности кристалла галенита (сульфида свинца). Первый выпрямитель большой площади появился около 1926 года и состоял из полупроводника оксида меди (I), термически выращенного на медной подложке . Впоследствии пленки селена напылялись на большие металлические подложки для формирования выпрямительных диодов. Эти селеновые выпрямители использовались (и до сих пор используются) для преобразования переменного тока в постоянный в электроэнергетических приложениях. В течение 1925–1940 годов диоды, состоящие из заостренной вольфрамовой металлической проволоки, контактирующей с кремниевой кристаллической основой, были изготовлены в лабораториях для обнаружения микроволн в диапазоне УВЧ . Программа Второй мировой войны по производству высокочистого кремния в качестве кристаллической основы для точечно-контактного выпрямителя была предложена Фредериком Зейтцем в 1942 году и успешно реализована экспериментальной станцией компании E. I du Pont de Nemours .

Первая теория, предсказавшая правильное направление выпрямления перехода металл-полупроводник, была дана Невиллом Моттом в 1939 году. Он нашел решение как для диффузионных , так и для дрейфовых токов основных носителей через слой пространственного заряда поверхности полупроводника, который был известен примерно с 1948 года как барьер Мотта. Вальтер Х. Шоттки и Спенке расширили теорию Мотта, включив донорный ион , плотность которого пространственно постоянна через поверхностный слой полупроводника. Это изменило постоянное электрическое поле, предполагаемое Моттом, на линейно затухающее электрическое поле. Этот слой пространственного заряда полупроводника под металлом известен как барьер Шоттки . Подобная теория была также предложена Давыдовым в 1939 году. Хотя она дает правильное направление выпрямления, также было доказано, что теория Мотта и ее расширение Шоттки-Давыдова дают неправильный механизм ограничения тока и неправильные формулы тока-напряжения в выпрямителях на основе кремниевых металл/полупроводниковых диодов. Правильная теория была разработана Гансом Бете и изложена им в отчете лаборатории радиации Массачусетского технологического института от 23 ноября 1942 года. В теории Бете ток ограничивается термоионной эмиссией электронов через потенциальный барьер металл-полупроводник. Таким образом, подходящим названием для диода металл-полупроводник должно быть диод Бете, а не диод Шоттки , поскольку теория Шоттки не предсказывает характеристики современных диодов металл-полупроводник правильно. [13]

Если металл-полупроводниковый переход формируется путем помещения капли ртути , как это сделал Браун , на полупроводник, например, кремний , для формирования барьера Шоттки в электрической установке диода Шоттки , можно наблюдать электросмачивание , когда капля растекается с ростом напряжения. В зависимости от типа легирования и плотности в полупроводнике, растекание капли зависит от величины и знака напряжения, приложенного к капле ртути. [14] Этот эффект был назван «электросмачиванием Шоттки», эффективно связывая электросмачивание и эффекты полупроводника. [15]

В 1953-1958 годах Фуллер и Дитценбергер работали над диффузией примесей в кремний. [16] [17] [18] [19] В 1956 году Миллер и Сэвидж изучали диффузию алюминия в кристаллическом кремнии. [20]

Первый транзистор с затвором из оксида кремния был изобретен Фрошем и Дериком в 1957 году в Bell Labs. [21] В 1956 году Ричард Бейкер описал некоторые схемы с дискретными диодными зажимами, предотвращающие насыщение транзисторов. [22] Эти схемы теперь известны как зажимы Бейкера . Одна из этих схем зажима использовала один германиевый диод для зажима кремниевого транзистора в конфигурации схемы, которая была такой же, как у транзистора Шоттки. [22] : 11, 30  Схема основывалась на германиевом диоде, имеющем меньшее прямое падение напряжения, чем у кремниевого диода.

Диод Шоттки, также известный как диод с барьером Шоттки, был теоретически разработан в течение многих лет, но впервые был практически реализован в результате работы Аталлы и Канга в 1960–1961 годах. [23] [24] Они опубликовали свои результаты в 1962 году и назвали свое устройство триодной структурой «горячих электронов» с полупроводниково-металлическим эмиттером. [25] Это был один из первых транзисторов на металлической основе. [26] Аталла продолжил исследования диодов Шоттки с Робертом Дж. Арчером в HP Associates . Они разработали технологию осаждения металлических пленок в высоком вакууме [27] и изготовили стабильные испаренные / напыленные контакты [28] [29] , опубликовав свои результаты в январе 1963 года. [30] Их работа стала прорывом в исследованиях переходов металл-полупроводник [28] и барьеров Шоттки, поскольку она преодолела большинство проблем изготовления , присущих точечным диодам , и сделала возможным создание практических диодов Шоттки. [27]

В 1967 году Роберт Кервин, Дональд Кляйн и Джон Сарас из Bell Labs запатентовали метод замены алюминиевого затвора поликристаллическим слоем кремния [31] [32]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Полупроводниковые приборы: моделирование и технология , Нандита Дасгупта, Амитава Дасгупта. (2004) ISBN  81-203-2398-X .
  2. ^ «Неоднородный барьер Шоттки».
  3. ^ ab Bardeen, J. (1947). "Поверхностные состояния и выпрямление на контакте металл-полупроводник". Physical Review . 71 (10): 717–727. Bibcode :1947PhRv...71..717B. doi :10.1103/PhysRev.71.717.
  4. ^ Tung, R. (2001). «Формирование электрического диполя на интерфейсах металл-полупроводник». Physical Review B. 64 ( 20): 205310. Bibcode : 2001PhRvB..64t5310T. doi : 10.1103/PhysRevB.64.205310.
  5. ^ abc "Корреляции и систематика высоты барьера".
  6. ^ Sze, SM Ng, Kwok K. (2007). Физика полупроводниковых приборов. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-14323-9. OCLC  488586029.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  7. ^ Нишимура, Т.; Кита, К.; Ториуми, А. (2007). «Доказательства сильного закрепления уровня Ферми из-за щелевых состояний, вызванных металлом, на интерфейсе металл/германий». Applied Physics Letters . 91 (12): 123123. Bibcode : 2007ApPhL..91l3123N. doi : 10.1063/1.2789701.
  8. ^ Литен, Р.Р.; Дегроот, С.; Куйк, М.; Боргс, Г. (2008). «Формирование омического контакта на Ge n-типа». Письма по прикладной физике . 92 (2): 022106. Бибкод : 2008ApPhL..92b2106L. дои : 10.1063/1.2831918.
  9. ^ Браун, Ф. (1874), «Ueber die Stromleitung durch Schwefelmetalle» [О проводимости тока через сульфиды металлов], Annalen der Physik und Chemie (на немецком языке), 153 (4): 556–563, Бибкод : 1875AnP ... 229..556Б, doi :10.1002/andp.18752291207
  10. ^ Пирс, Г. В. (1907). «Кристаллические выпрямители для электрических токов и электрических колебаний. Часть I. Карборунд». Physical Review . Серия I. 25 (1): 31–60. Bibcode : 1907PhRvI..25...31P. doi : 10.1103/PhysRevSeriesI.25.31.
  11. ^ US 1745175  «Способ и устройство для управления электрическим током», впервые подан в Канаде 22.10.1925.
  12. ↑ US 755840, Bose, Jagadis Chunder , «Детектор электрических помех», опубликовано 30 сентября 1901 г., выдано 29 марта 1904 г. 
  13. ^ Сах, Чи-Тан (1991). Основы твердотельной электроники . World Scientific. ISBN 9810206372.
  14. ^ S. Arscott и M. Gaudet "Электросмачивание на жидких металл-полупроводниковых переходах" Appl. Phys. Lett. 103 , 074104 (2013). doi :10.1063/1.4818715
  15. ^ S. Arscott "Электросмачивание и полупроводники" RSC Advances 4 , 29223 (2014). doi :10.1039/C4RA04187A
  16. ^ Фуллер, CS; Дитценбергер, JA (1 июля 1953 г.). «Диффузия лития в германий и кремний». Physical Review . 91 (1): 193. Bibcode : 1953PhRv...91..193F. doi : 10.1103/PhysRev.91.193. ISSN  0031-899X.
  17. ^ Фуллер, CS; Стразерс, JD; Дитценбергер, JA; Вольфстирн, KB (1954-03-15). «Диффузионность и растворимость меди в германии». Physical Review . 93 (6): 1182–1189. Bibcode : 1954PhRv...93.1182F. doi : 10.1103/PhysRev.93.1182. ISSN  0031-899X.
  18. ^ Фуллер, CS; Дитценбергер, JA (1 мая 1956 г.). «Диффузия донорных и акцепторных элементов в кремнии». Журнал прикладной физики . 27 (5): 544–553. Bibcode : 1956JAP....27..544F. doi : 10.1063/1.1722419. ISSN  0021-8979.
  19. ^ Фуллер, CS; Уилан, JM (1958-08-01). «Диффузия, растворимость и электрическое поведение меди в арсениде галлия». Журнал физики и химии твердого тела . 6 (2): 173–177. Bibcode : 1958JPCS....6..173F. doi : 10.1016/0022-3697(58)90091-X. ISSN  0022-3697.
  20. ^ Миллер, Р. К.; Сэвидж, А. (1956-12-01). «Диффузия алюминия в монокристаллическом кремнии». Журнал прикладной физики . 27 (12): 1430–1432. Bibcode : 1956JAP....27.1430M. doi : 10.1063/1.1722283. ISSN  0021-8979.
  21. ^ Frosch, CJ; Derick, L (1957). «Защита поверхности и селективная маскировка во время диффузии в кремнии». Журнал электрохимического общества . 104 (9): 547. doi :10.1149/1.2428650.
  22. ^ ab RH Baker (1956), «Максимальная эффективность коммутационных цепей», MIT Lincoln Laboratory Report TR-110 , архивировано из оригинала 21 января 2015 г.
  23. ^ Бассетт, Росс Нокс (2007). В цифровую эпоху: исследовательские лаборатории, стартапы и рост технологии МОП. Johns Hopkins University Press . стр. 328. ISBN 9780801886393.
  24. ↑ Закон о промышленной реорганизации: отрасль связи. Типография правительства США . 1973. С. 1475.
  25. ^ Atalla, M.; Kahng, D. (ноябрь 1962 г.). «Новая структура триода «горячих электронов» с полупроводниково-металлическим эмиттером». IRE Transactions on Electron Devices . 9 (6): 507–508. Bibcode : 1962ITED....9..507A. doi : 10.1109/T-ED.1962.15048. ISSN  0096-2430. S2CID  51637380.
  26. ^ Каспер, Э. (2018). Кремниевая молекулярно-лучевая эпитаксия. CRC Press . ISBN 9781351093514.
  27. ^ ab Siegel, Peter H.; Kerr, Anthony R.; Hwang, Wei (март 1984 г.). Технический документ NASA 2287: Темы оптимизации смесителей миллиметрового диапазона (PDF) . NASA . стр. 12–13.
  28. ^ ab Button, Kenneth J. (1982). Инфракрасные и миллиметровые волны V6: Системы и компоненты. Elsevier . стр. 214. ISBN 9780323150590.
  29. ^ Ананд, Ю. (2013). "Микроволновые диоды Шоттки с барьером". Металл-полупроводниковые барьерные переходы Шоттки и их применение . Springer Science & Business Media . стр. 220. ISBN 9781468446555.
  30. ^ Арчер, Р. Дж.; Аталла, М. М. (январь 1963 г.). «Металлические контакты на сколотых кремниевых поверхностях». Анналы Нью-Йоркской академии наук . 101 (3): 697–708. Bibcode : 1963NYASA.101..697A. doi : 10.1111/j.1749-6632.1963.tb54926.x. ISSN  1749-6632. S2CID  84306885.
  31. ^ US3475234A, Кервин, Роберт Э.; Кляйн, Дональд Л. и Сарас, Джон К., «Метод создания структур mis», выпущенный 28 октября 1969 г. 
  32. ^ Штейн, Эрик (2018-01-01). «Вымысел в интегральной схеме». Магистерская диссертация TWU : 58.

Дальнейшее чтение