Омический контакт — это невыпрямляющее электрическое соединение : соединение между двумя проводниками, имеющее линейную кривую ток-напряжение (ВАХ), соответствующую закону Ома . Омические контакты с низким сопротивлением используются, чтобы позволить заряду легко течь в обоих направлениях между двумя проводниками, без блокировки из-за выпрямления или избыточного рассеивания мощности из-за пороговых значений напряжения.
Напротив, соединение или контакт, который не демонстрирует линейную ВАХ, называется неомическим. Неомические контакты бывают разных форм, таких как p-n-переход , барьер Шоттки , выпрямляющий гетеропереход или пробойный переход.
Обычно термин «омический контакт» неявно относится к омическому контакту металла с полупроводником, при котором достижение омического контактного сопротивления возможно, но требует тщательной техники. Омические контакты металл-металл относительно проще осуществить, обеспечивая прямой контакт между металлами без промежуточных слоев изолирующих загрязнений, чрезмерной шероховатости или окисления ; Для создания омических соединений металл-металл применяются различные методы ( пайка , сварка, опрессовка , напыление , гальваника и др .). В данной статье основное внимание уделяется омическим контактам металл–полупроводник.
Стабильные контакты на полупроводниковых интерфейсах с низким контактным сопротивлением и линейным поведением ВАХ имеют решающее значение для производительности и надежности полупроводниковых устройств , а их подготовка и определение характеристик являются основными усилиями при изготовлении схем. Плохо подготовленные переходы с полупроводниками могут легко проявлять выпрямляющее поведение, вызывая истощение полупроводника вблизи перехода, делая устройство бесполезным, блокируя поток заряда между этими устройствами и внешней схемой. Омические контакты с полупроводниками обычно создаются путем нанесения тонких металлических пленок тщательно выбранного состава с последующим отжигом для изменения связи полупроводник-металл.
Как омические контакты, так и барьеры Шоттки зависят от высоты барьера Шоттки, которая устанавливает порог избыточной энергии, необходимой электрону для перехода из полупроводника в металл. Чтобы переход мог легко принимать электроны в обоих направлениях (омический контакт), высота барьера должна быть небольшой, по крайней мере, на некоторых участках поверхности перехода. Для формирования превосходного омического контакта (низкое сопротивление) высота барьера должна быть везде небольшой, а граница раздела не должна отражать электроны.
Согласно правилу Шоттки-Мотта высота барьера Шоттки между металлом и полупроводником наивно предсказывается как пропорциональная разности работы выхода металла и вакуума и сродства полупроводника к электрону . На практике большинство интерфейсов металл-полупроводник не следуют этому правилу в ожидаемой степени. Вместо этого химическое соединение полупроводникового кристалла с металлом создает электронные состояния внутри его запрещенной зоны . Природа этих состояний щели, индуцированных металлом, и их заселение электронами имеет тенденцию прикреплять центр запрещенной зоны к уровню Ферми, эффект, известный как фиксация уровня Ферми . Таким образом, высоты барьеров Шоттки в контактах металл-полупроводник часто мало зависят от значения работы выхода полупроводника или металла, что резко контрастирует с правилом Шоттки-Мотта. [1] В разных полупроводниках такое закрепление уровня Ферми наблюдается в разной степени, но технологическим следствием является то, что высококачественные (с низким сопротивлением) омические контакты обычно трудно сформировать в таких важных полупроводниках, как кремний и арсенид галлия .
Правило Шоттки-Мотта не совсем неверно, поскольку на практике металлы с высокими работами выхода образуют лучшие контакты с полупроводниками p-типа, а металлы с низкими работами выхода образуют лучшие контакты с полупроводниками n-типа. К сожалению, эксперименты показали, что предсказательная сила модели не выходит далеко за рамки этого утверждения. В реальных условиях контактные металлы могут вступать в реакцию с поверхностями полупроводников, образуя соединения с новыми электронными свойствами. Слой загрязнения на границе раздела может эффективно расширить барьер. Поверхность полупроводника может реконструироваться , приводя к новому электронному состоянию. Зависимость контактного сопротивления от деталей межфазной химии делает воспроизводимое изготовление омических контактов такой производственной проблемой.
Изготовление омических контактов — хорошо изученная часть материаловедения , которая, тем не менее, остается своего рода искусством. Воспроизводимое и надежное изготовление контактов зависит от исключительной чистоты поверхности полупроводника. Поскольку, например, на поверхности кремния быстро образуется собственный оксид , эффективность контакта может сильно зависеть от деталей подготовки. Часто область контакта сильно легируется , чтобы обеспечить желаемый тип контакта. Как правило, омические контакты на полупроводниках образуются легче, когда полупроводник сильно легирован вблизи перехода; высокое легирование сужает обедненную область на границе раздела и позволяет электронам легко течь в обоих направлениях при любом смещении путем туннелирования через барьер.
Основными этапами изготовления контактов являются очистка поверхности полупроводников, нанесение контактного металла, нанесение рисунка и отжиг. Очистка поверхности может осуществляться методами распыления, химического травления, травления реактивным газом или ионного фрезерования. Например, природный оксид кремния можно удалить погружением в плавиковую кислоту , тогда как GaAs чаще очищают погружением в бром-метанол. После очистки металлы наносятся методом напыления , испарением или химическим осаждением из паровой фазы (CVD). Распыление — более быстрый и удобный метод осаждения металла, чем испарение, но бомбардировка ионами из плазмы может индуцировать поверхностные состояния или даже инвертировать тип носителей заряда на поверхности. По этой причине можно использовать более мягкий, но все же быстрый метод CVD. Отжиг контактов после осаждения полезен для снятия напряжения, а также для запуска любых желаемых реакций между металлом и полупроводником.
Поскольку напыленные металлы сами могут реагировать в условиях окружающей среды в ущерб электрическим свойствам контактов, обычно формируют омические контакты со слоистыми структурами, при этом нижний слой находится в контакте с полупроводником, выбранным из-за его способности вызывать омическое поведение. . Диффузионный барьерный слой может использоваться для предотвращения смешивания слоев во время любого процесса отжига.
Измерение контактного сопротивления проще всего производить четырехточечным щупом, хотя для более точного определения типично использование метода линии передачи .
Первоначально алюминий был наиболее важным контактным металлом для кремния, который использовался с полупроводниками n- или p-типа. Как и другие химически активные металлы, Al способствует образованию контактов, потребляя кислород из остатка природного диоксида кремния. Чистый алюминий действительно реагировал с кремнием, поэтому его заменили алюминием, легированным кремнием, и, в конечном итоге, силицидами, менее склонными к диффузии во время последующей высокотемпературной обработки.
Современные омические контакты с кремнием, такие как дисилицид титана-вольфрама, обычно представляют собой силициды , полученные методом CVD. Контакты часто создаются путем осаждения переходного металла и формирования силицида путем отжига , в результате чего силицид может быть нестехиометрическим . Силицидные контакты также можно наносить путем прямого распыления соединения или ионной имплантации переходного металла с последующим отжигом.
Формирование контактов с составными полупроводниками значительно сложнее, чем с кремнием. Например, поверхности GaAs имеют тенденцию терять мышьяк, и тенденция к потере As может значительно усугубляться осаждением металла. Кроме того, летучесть As ограничивает объем отжига после осаждения, который выдерживают устройства GaAs. Одним из решений для GaAs и других сложных полупроводников является нанесение контактного слоя из сплава с узкой запрещенной зоной вместо сильнолегированного слоя. Например, сам GaAs имеет меньшую запрещенную зону, чем AlGaAs, поэтому слой GaAs вблизи его поверхности может способствовать омическому поведению. В целом технология омических контактов для полупроводников III—V и II—VI гораздо менее развита, чем для Si.
Прозрачные или полупрозрачные контакты необходимы для ЖК-дисплеев с активной матрицей , оптоэлектронных устройств, таких как лазерные диоды и фотогальваники . Самым популярным выбором является оксид индия и олова , металл, который образуется путем реактивного распыления мишени In-Sn в оксидной атмосфере.
Постоянная времени RC , связанная с контактным сопротивлением, может ограничивать частотную характеристику устройств. Зарядка и разрядка сопротивления выводов является основной причиной рассеивания мощности в высокоскоростной цифровой электронике. Контактное сопротивление вызывает рассеивание мощности за счет джоулева нагрева в низкочастотных и аналоговых схемах (например, солнечных элементах ), изготовленных из менее распространенных полупроводников. Разработка методологии изготовления контактов является важной частью технологического развития любого нового полупроводника. Электромиграция и расслоение контактов также ограничивают срок службы электронных устройств.