Зи - Физика полупроводниковых приборов том 1 (989591), страница 46
Текст из файла (страница 46)
На рис. 20, а 1291 показан график зависимости высоты барьера от элехтроотрицательности металлов, нанесенных на Я, бабе и ~1О,, Тангенс угла наклона графика назовем степенью влияния химической природы металла на свойства поверхности полупроводника 5.' 5=— вМВп аХм На рис. 20, б показана зависимость величины 5 от разности электроо-рицательностей компонент полупроводника. Отметим (77) /7епиоФ резкий скачок при переходе от ковалентных полупроводников (таких, как баАз с ЛХ = 0,4) к ионным (таким, как А!К с ЛХ = == 1,5), В голупроводниках с ЛХ ( 1 величина 5 мала, что указывает на елабую зависимость высоты барьера от электроотрицательности металла (или его работы выхода). При ЛХ > 1 величина 5 приближается к единице и высота барьера начинает зависеть от электроотрицательности металла (или его работы выхода).
В кремниевой микроэлектронной технологии широко применяются барьеры И1оттки, образующиеся в результате химической реакции металла а кремниевой подложкой. Условия протекания этих реакций хорошо известны и ле1 ко контролируемы, что позволяет получить на границе раздела силицид металла — кремний требуемые н хорошо воспроизводимые барьеры Шоттки.
На рис. 21 представлены эмпирические значения высоты барьера между силицидами 12 различных переходных металлов и кремнием п-типа в зависимости от теплоты образования силицидов 1711, За исключением Р(9, эти данные можно представить в виде грн„=- 0,81 — 0,17 (ЛН), (78) Рис. 19. Шкала алектроотрицательности [281. Отметим тенденцию к увеличению влектроотрицательности внутри каждой группы. Контакты металл — полупроводник 4Х о,0 2,6 ". ух а ЪУ0 06 0 1Х 2,0 2, ~Ь 50 0 0 02 01 0606 70 72 У1 76 16202,22,Ф .бХ Рис. 20. Зависимость высоты барьера (а) от электроотрипательности металла, нанесенного на Б!, баБе и Б1Оа, и зависимость величины Б от разности электро- отрицательностей компонент полупроводников (б) 1291. где Ло — теплота образования (в электронвольтах). Значение 0,81 эВ, полученное при нулевой теплоте образования, соответствует высоте барьера на свободной поверхности, Наклон прямой, апнроксимируюшей эти данные, следует из того, что высота барьера между двумя образцами кремния л-типа равна нулю.
Последнее -;означает, что прямая линия на рис. 21 должна пересечь ось абсцисс в точке, соответствующей энергии связи кремния (4,67 эВ). Эта величина довольно близка к значению ЬН, получаемому из фоомулы (78) при гр „= О. Глава Б Л 7у, кка т/ьга ть Р УР Ы Ю 4Р Р,Р Р5 5.5.2. Измерения высоты барьера Высоту потенциального барьера на контакте металл — полупроводник измеряют в основном четырьмя методами, описанными ниже [301, Метод вольт-амперной характеристики. Для умеренно легированных полупроводников вольт-ампирная характеристика в области прямых смещений с У ) ЗЙТlд в соответствии и выражением (49) имеет вид АееТЯ ехр ~ аРВО~ ех Г ( 1 + й7' / [ ЬТ (79) где <рв, — асимптотическое значение высоты барьера при нулевом поле (ркя. 15), А** — эффективная постоянная Ричардсона, Ьср — понижение барьера за счет эффекта Шоттки, Поскольку Аее и Лгр являются функциями приложенного напряжении, вольт-амперную характеристику при прямом смещении (и при ЗАТ!о) можно представить в виде 1 ехр (оУ~ийТ), где фактор неидеальности и д1' Г дЛ~р ЬТ д (1и Аае)1-1 и: — — — = 1+ — +— ИТ д(1п7) ~ дУ д дУ Типичные примеры вольт-амперных характериетик показаны иа рис.
22. Фактор неидеальности характеристики диода % — Ы равен п = 1,02, а для диода %-лбаАз и = 1„04 [311. В резуль- Р Р,5 7,Р У5 ,5Н, гн Рис. 21, Зависимость высоты барьера в структурах силицид металла — кремний от теплоты образования силнпидов (7! 1, у — внепернментальные значения; О предполагаемые значения. 293 Коктакты металл — полупроводкак Рис.
22. Зависимости плотности тока в диодах % — Я и % — баАз от при- ложенного в прямом направлении напряжения 1311. тате линейной экстраполяции этих характеристик к Р = 0 найдем ток насыщения .1з. Высоту барьера получим из формулы lгТ Л""Та — 1п( ). (81) Значение грн„не очень чувствительно к выбору А**; так, например, при комнатной температуре увеличение А** на 100 % приводит к увеличению грв„только на 0,018 В. Теоретическое соотношение между 1з и грв„(или ~рв ) при комнатной температуре и А*в = 120 А см ' К ' представлено на риа.
23. Соответствующее соотношение при других значениях А** можно получить параллельным смещением этих линий, При обратных смещениях изменение тока обусловлено главным Глава 5 294 ю4 С,т ",У б,К Р7 С5 Г9 4П аа и~та (~7~„, 9 г Рис. 23, Теоретическая зависимость плотности тока насыщения от высоты оарьера при Т = 300 К и Л ** = 120 А см 3 К ' образом понижением высоты барьера за счет эффекта Шотткп: /и — Уэ (при ~а~ЪИТ~гт1 = А**Т'ехр ( — "'~"') Х Х ЕХ + ди Чд'/4ле„ где Когда высота барьера О~рв„значительно меньше ширины запрет щенной зоны, ток, обусловленный генерационно-рекомбинациоцными процессами, мал по сравнению с током эмиссии через барьер. В этом случае обратный ток будет возрастать с ростом напригкенин в соответствии с вырагкением (82).
Контакты металл — полупроводник 0иический ксюиокгп /у А7 ю ю ю У~, о Рис. 24. Диод Р(81 — Я с диффузионным охранным кольцом (а) и его вольт-амперные характеристики (экспериментальная и рассцитанная по формуле (82))(32), В большинстве применяемых на практике диодах Шоттки основной вклад в обратный ток вносят краевые токи утечки. Они обусловлены концентрацией электрического поля на краю металлического электрода и аналогичны токам в р — и-переходах с малым радиусом кривизны (г, — э-О) (гл.
2). Для уменьшения краевых токов используют диффузионные охранные кольца (32] (рнс. 24, а), Охранное кольцо представляет собой диффузионную область р-тнпа, профиль легнрования которой подбирается так, чтобы напряжение пробоя перехода было больше напряжения пробоя контакта металл — полупроводник.
При устранении краевых эффектов прямые и обратные вольт-амперные характеристики Глава б 296 иг (р в Рнс. 25. Зависимость обратного тока утечки от диаметра Х!5! — 5!-диода на кремнии н-тина с Л',р = 6 !01а см " !331. ур-1Р /~ Я7 лиа,ив,тта Лыса Ю, ии диодов Шоттки получаются близкими к идеальным. На рис.
24, б приведены экспериментальная и теоретическая характеристики диода Р1Я вЂ” Ы с охранным кольцом. Соответствие между ними очень хорошее. Резкое увеличение тока при напряжении 30 В обусловлено лавинным пробоем, как этого и следовало ожидать при концентрации доноров 2,5 10" см '. Эффективность использования охранного кольца с целью предупреждения преждевременного пробоя и утечки через поверхность может быть установлена из зависимости тока утечки от диаметра контакта при постоянном напряжении.
Для этого на полупроводнике нужно изготовить несколько диодов Шотткн разных размеров. На рис. 25 приведена зависимость тока утечки при обратном смещении от диаметра диода ~33 1. Прямая, проведенная через экспериментальные точки, имеет тангенс угла наклона, равный 2. Последнее означает, что ток утечки пропорционален площади прибора. Если бы основной вклад в ток давали краевые токи утечки, то наклон этой прямой был бы равен 1. В некоторых диодах Шоттки возникает дополнительная зависимость обратного тока от напряжения, являющаяся следствием того, что в случае отсутствия на поверхности раздела металл— Контакты металл — полупроводник е иМ'еые 3 ь /и о /д-~ /9а ///т, ///а Ц~, Рис.
26. Теоретические и экспериментальные вольт-амперные характеристики Й11Я вЂ” Я-диода при обратном смещении 1191. полупроводник промежуточного слоя волновая функция электрона в металле проникает в запрещенную зону полупроводника. Зтот квантовомеханический эффект приводит к образованию на поверхности раздела статического дипольного слоя. Вызванное им изменение высоты барьера зависит от приложенного напряжения (т. е. от дурно/дЮ ~ь 0) и в первом приближении может быть представлено в виде (~Ф)статнч ~ ™тз (83) где а = дсрпо/дд'о,, Из рис. 26 видно, что при а =- 17 Л достигается хорошее соответсотвие между теоретическими и экспериментальными значениями обратного тока.
Метод энергии активации. Принципиальное преимущество этого метода измерения высоты барьера Шоттки заключается в том, что не требуется о площади дополнительных предположений электрически активной области. Метод энергии активации часто используется при исследовании таких поверхностей раздела, где неизвестно точное значение плошади контакта, В случае если поверхность плохо очищена или на ней не полностью произошла реакция, электрически активная глощадь может составлять только часть геометрической площади.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
