CC BY
184
УДК 621.315.592
ИССЛЕДОВАНИЯ ОМИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ К ШИРОКОЗОННЫМ ПОЛУПРОВОДНИКАМ AIIIBV
© 2009 г. М.К. Гусейханов, М.А. Исаев
Дагестанский государственный университет, Dagestan State University,
ул. Гаджиева, 43а, г. Махачкала, Р. Дагестан, 367000, Gadjiev St., 43a, Makhachkala, Dagestan, 367000,
kafof@doc.dgu.ru kafof@doc.dgu.ru
Излагаются результаты исследования свойств омических контактов к широкозонным полупроводникам и предлагается механизм формирования контактов такого типа. Проанализированы процессы, происходящие на контактах металлов к широкозонным полупроводникам (GaAs, GaP, SiC и др.). В результате отработки технологических режимов изготовления контактов и исследования электрофизических свойств различных контактных материалов к широкозонным полупроводникам показано, что омическое поведение таких контактов обусловлено формированием под контактом структур Me-n+-n (Me- p+- p) с образованием ва-ризонных областей.
Ключевые слова: исследования, полупроводник, контакт, омический, широкозонный, свойства, потенциальный барьер, закономерность, проводимость.
The results of ohmic contacts with high energy-gap semiconductor features study are stated in the work, and mechanism of contact forming of such type is suggested. The processes taking place on the metal contacts with high energy-gap semiconductor are analyzed (GaAs, GaP, SiC etc.). In the result ofprocessing of technological regimes of contact fabrication and analysis of electrophysical features of various contact materials to high energy-gap semiconductors it is shown, that ohmic behavior of such contacts depends on structures generated under the contact Me - n+ - n (Me - p+ - p) with varied regions formation.
Keywords: study, semiconductor, contact, ohm, high energy-gap, features, potential barrier, regularity, conductivity.
Изучение способов создания омических контактов металлов к полупроводникам и исследования их свойств представляет определенный научный и большой практический интерес.
Нами были исследованы вольтамперные характеристики (ВАХ) и контактные сопротивления омических контактов к широкозонным полупроводниковым соединениям GaAs, GaP, SiC и другим из металлов и их систем: ^ Sn, Au-Ni, Si-Ni, Ш-№, Au-Ge-Ni, Si-А^№, Ag-Ge-Sn. Контакты наносили методом вакуумного напыления на пластины полупроводников, подогретые до 200 °С.
Результаты отработки технологических режимов создания омических контактов изложены в [1, 2]. Измерения удельных переходных сопротивлений омических контактов проводили по методике, предложенной в [3], дифференциальные сопротивления выпрямляющих контактов определяли из ВАХ при смещениях, меньших 10 мВ.
Согласно теории Шоттки, омические (антизапорные) контакты к полупроводникам п-тиш проводимости образуются при использовании в качестве контактного материала металлов, у которых работа выхода электронов меньше, чем сродство электрона к полупроводнику. Экспериментальные результаты по
контактам ко многим широкозонным полупроводникам (ваЛБ, ваР, 8Ю) не подтверждают эту закономерность. По теории Бардина, на свободной поверхности таких полупроводников еще до контакта с металлом существуют поверхностные состояния, плотность которых и их энергетическое расположение определяют высоту поверхностного потенциального барьера на данных полупроводниках.
Анализ экспериментальных данных, проведенный в работе [4], показал, что высота барьера Фь контакта металл-фосфид галлия связана с работой выхода электрона из металла Фт соотношением ф = (0,27Фт -- 0,01) эВ. Для арсенида галлия эта зависимость выражена слабее Фъ = (0,074 Фт + 0,49) эВ. По нашим данным, такая зависимость для карбида кремния имеет вид Фъ = (0,24Фт + 0,04) эВ.
В широкозонных полупроводниках группы А1У и соединений А1ПВУ (ваЛБ, 1пР и др.) поверхностные состояния расположены в нижней части запрещенной зоны [5], и для этих полупроводников и твердых растворов на их основе высота барьера определяется соотношением Фъ = (2/3) Ея, где Ея - ширина запрещенной зоны. Поверхностные состояния в фосфиде галлия расположены в середине запрещенной зоны и Фъ = (1/2)Ек, а в карбиде кремния - в верхней части запрещенной зоны и Фъ = (2/5)Ея. Таким образом, на контакте металлов ко многим широкозонным полупроводникам всегда существует энергетический барьер для носителей тока, высота которого в основном определяется поверхностными состояниями полупроводника. Поэтому для получения омического контакта к ним необходимо создать условия, облегчающие преодоление носителями тока этого барьера.
Согласно общей теории переноса носителей заряда и получающимся из нее соотношениям, в работе [6] приведены расчетные данные для зависимостей удельного контактного сопротивления (рк) от концентрации носителей заряда (Ы) в полупроводнике и температуры (Т). Они показали, что для контактов к полупроводникам с низкой концентрацией носителей
заряда дЕоо<<кГ, где Ет = (Й/2) -/N7 т , в переносе тока преобладает термоэмиссионная составляющая, и д определяется соотношением:
(
проводимости, и
Рк ~ ехР
Фи
JNctgE со kT
к
Фи
-ехр| </.17 , к Г
Сопротивление контактов должно увеличиваться экспоненциально с ростом высоты барьера. В контактах к полупроводникам с высокой концентрацией носителей заряда, где дЕ00>>кТ, преобладает туннельный механизм прохождения тока, и
рк ~ ехр фъ/4ы .
Сопротивление контактов должно расти экспоненциально не только с повышением высоты барьера, но и с уменьшением концентрации носителей заряда в полупроводнике. Контактное сопротивление системы металл - полупроводник при данной высоте барьера наиболее чувствительно к изменению концентрации носителей заряда в полупроводнике. В промежуточной области концентраций носителей заряда, где дЕ00<<кТ, в переносе тока участвуют оба механизма
Из расчетных данных следует, что увеличение концентрации носителей заряда от 1018 до 1020 см-3 понижает удельное переходное сопротивление контактов на одиннадцать порядков (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость рк Ме-пваР от температуры и концентрации в полупроводниках при 300 К и Фв = 1 эв
В термоэмиссионном интервале (1015 - 1016 см-3) контактное сопротивление экспоненциально убывает с повышением температуры. При высокой концентрации носителей заряда (1018 до 1020 см-3) контактное сопротивление слабо меняется с изменением темпе -ратуры, что характерно для туннельного механизма проводимости.
Как правило, после нанесения традиционными методами (вакуумным напылением, электрохимическим осаждением или другими методами) металлические контакты к широкозонным полупроводникам имели выпрямляющие свойства с большими дифференциальными сопротивлениями. Объясняется это наличием на контакте энергетических барьеров, обусловленных поверхностными состояниями полупроводников. Последующая термообработка контактных систем в инертной атмосфере (вакууме или в среде инертного газа) снижает контактное сопротивление. Его зависимость от температуры термообработки для многих контактных систем имеет типичный характер (рис. 2).
С повышением температуры термообработки контактное сопротивление вначале уменьшается, достигая минимального значения при определенной температуре, затем растет. Температура, при которой получается минимальное контактное сопротивление, и ход изменения д с ростом температуры термообработки зависят от состава контактной системы и в основном определяются свойствами полупроводника. Исследования [5, 7, 8] показали, что с повышением температуры термообработки контактов снижается высота энергетического барьера на контакте, что происходит из-за взаимодействия контактного материала с полупроводником. Микроструктурный анализ контакта
(№ - Au - Si) - SiC проведенный нами и данные других работ [7, 8] (рис. 3) показывают, что под контактом при термообработке образуются соединения контактного материала с полупроводником.
Рис. 2. Зависимость удельных переходных сопротивлений омических контактов от температуры термообработки: о - ^-Б^^аА^ х - ^и^е-М) -GaP; • - (WSix-Ino.5Gao.5N; □ - (А1-№)-ЗЮ1_х ЛШх; А - (1п-А§)-ТпО; + - (Аи-Бп) -1пР; * - (№-Аи-81) —Э1С
X мкм
___-—Si
м ■---С
0,5 __ у Ду/д
0 б N
X, мкм
10 20 30
ШШШШПШ^ъ
X, мкм
Sic
Рис. 3. Профиль микроструктурного состава контакта №-Аи-Б1 к карбиду кремния после: а - напыления; б - термообработки при 400 °С; в - термообработки при 1000 °С
Характер образующих соединений зависит от температуры термообработки контактов и состава металлического сплава. Для данной системы при определенной температуре термообработки состав образующихся соединений определяется величиной изменения свободной энергии Гиббса Авр = АИР - ТАБР в результате реакций соединения. Реакции металлов с полупроводниковыми соединениями возможны, если АС, ,< 0. Например, для системы W-SiC при температуре 900 К возможна реакция типа 25";'С+3 ИИМ - + /Г\/. так как для этой реакции АСР = - 26,95 кДж/моль.
Для контактной системы Аи-ваАв реакция взаимодействия типа Au+GaAs ->■ ЛuGa+(1/4)Лs4 происходит только при температуре термообработки выше 470К, когда становится ЛОр < 0.
При термообработке контактов между никелем и карбидом кремния образуются силициды никеля (№2БГ) [7], между фосфидом и арсенидом галлия и сплавом Аи^е-№ - соединения AuGa [8], между индием и арсенидом галлия - твердый раствор 1п^а1-х As [5]. В результате образования таких соединений барьер между металлом и полупроводником изменяется. Возможно, между контактирующим металлом и базовым полупроводником образуется варизонный слой соединений, в котором ширина запрещенной зоны убывает по направлению к металлу. Согласно теории и данным экспериментов [5, 9], контактное сопротивление систем металл-полупроводник экспоненциально понижается с уменьшением ширины запрещенной зоны полупроводника. Этим мы объясняем начальное уменьшение контактного сопротивления с повышением температуры термообработки контактов. С ростом температуры термообработки увеличивается площадь взаимодействия. Температура термообработки, при которой наблюдается минимум контактного сопротивления, различна для разных полупроводников (рис. 2) и слабо зависит от вида и состава контактного металла. Это указывает на то, что повышение контактного сопротивления при дальнейшем увеличении температуры термообработки определяется свойствами полупроводника. Предполагается, что это обусловлено диссоциацией полупроводниковых соединений при высокой температуре термообработки с улетучиванием газовой составляющей соединения. Температуру диссоциации соединения можно определить,
при температуре выше 600 °С изменение свободной энергии реакции диссоциации становится отрицательным, и поэтому возможно разложение полупроводникового соединения. При температуре термообработки Т > 550 °С начинается и рост контактного сопротивления системы Me-GaЛs (рис. 3). Аналогичная картина наблюдалась и в системах металл - фосфид галлия. Рост контактного сопротивления здесь происходит при температуре термообработки выше 550-600 °С, а при термообработке в вакууме системы Бп^аР и при Т > 600 - 650 °С на свободной поверхности полупроводника появляются жидкие капли галлия [10].
Увеличение концентрации носителей заряда в полупроводнике от 1017 до 1018 см-3 приводит к уменьшению сопротивления омических контактов от 10-2 до 10-4 Ом-см2 (рис. 4). Согласно расчетным данным (рис. 1), такие изменения контактного сопротивления соответствуют увеличению концентрации носителей заряда в полупроводнике от 1019 до 1020 см-3. Линейная зависимость логарифма переходного сопротивления омических контактов от обратной величины квадратичного корня из концентрации носителей заряда (пунктирные линии на рис. 4) объясняется туннельным механизмом переноса тока в контакте.
Як Ом-см'
ю"2
10
10
10
1— _____ If
i \
к А. / ' \ Ч Ä> \ / \
*t ' Г у
10
4N
га
10"
10'
10'
N.CM
-3
Рис. 4. Зависимость удельного переходного сопротивления омических контактов от концентрации носителей заряда: х - (Ли-№) -^Ю; • - (Ли-Ое-№) - пваР;
о - (Ge-Лu-Ag)-nGaAs;-рк ---- рк =Д1/^ )
Эти результаты позволяют предположить, что под контактом в полупроводнике возникает слой с большей концентрацией носителей заряда, чем в исходном полупроводнике. Значит, выбор режима термообработки контактных систем заключается также и в нахождении оптимальных условий легирования подкон-тактной области. Расчеты, проведенные для системы Ме-ваР [10], показали, что при температуре термообработки меньше оптимальной преобладает прямая диффузия примесей в фосфид галлия из контактного материала. Такое же поведение примесей контактного сплава характерно и для других широкозонных полупроводниковых соединений АШВУ. Например, из сплава Ли-ве-№ происходит легирование германием, из сплава №-8п - оловом. В таком случае образующие омические контакты имеют структуру типа М&—п+—п (или Ме-р+-р).
Увеличение контактного сопротивления с повышением температуры термообработки [10] объясняется преобладанием при этой температуре обратной диффузии легирующих полупроводник примесей. Для проверки этого процесса к фосфиду галлия, легированного теллуром, нами получены контакты из чистого олова и сплава 8п + 2 % Те. Минимум кривой зависимости контактного сопротивления от температуры термообработки для сплава 8п+2 % Те наблюдается при более высокой температуре термообработки. Измерения показали также, что с увеличением температуры термообработки наблюдается увеличение поверхностного сопротивления фосфида галлия. Все это подтверждает наличие обратной диффузии при высоких температурах.
Удельные переходные сопротивления омических контактов, полученных при оптимальных режимах термообработки, при изменении температуры среды от 300 до 500 К практически не изменяются (рис. 5). Такое поведение характерно для туннельного механизма переноса тока. Это подтверждает, что омический контакт имеет структуру типа Ме-и -и. Из зависимости р\ ~ ехр(ЛЕа/кТ) рассчитана энергия активации, которая для исследованных контактов составила 0,03 - 0,04 эВ.
Из вышеизложенного следует, что зависимость удельного переходного сопротивления омических кон-
Рис. 5. Зависимость удельных переходных сопротивлений омических контактов от температуры: • - (Au-Ge-Ni) -nGaP, о - (Ag-Sn)-nGaAs; А - (Ni-Au-Si) - nSiC
тактов от температуры, последующей после нанесения термообработки, имеет явно выраженный минимум, характерный для данной контактной системы и определяемый в основном свойствами полупроводника.
Уменьшение контактного сопротивления до минимума объясняется взаимодействием металлов с полупроводником и образованием переходного слоя, повышение после минимума - диссоциацией полупроводникового соединения AinBV и обратной диффузией примеси из полупроводника. Омические контакты к широкозонным полупроводникам AniBV образуются вследствие формирования в области контакта при термообработке в оптимальном режиме структур типа Ме-^-n (Ме-р+-р) с наличием варизонной области, в которой ширина запрещенной зоны убывает к металлу.
Перенос тока в исследованных омических контактах обусловлен туннелированием носителей заряда сквозь узкий энергетический барьер на контакте.
Литература
1. Мадоян С.Г., Гусейханов М.К. Омические контакты к фосфиду галлия и типа проводимости // Электронная техника. Серия Материалы. 1976. № 5. С. 101-104.
2. Металлические контакты к фосфиду галлия / С.Г. Мадоян [и др.] // Обзоры по электронной технике. Серия Полупроводниковые приборы. М., 1975. № 10(328). С. 64.
3. Мадоян С.Г., Гусейханов М.К. Измерение удельных переходных сопротивлений омических контактов к тонким слоям полупроводников. // Изв. вузов. Физика. 1976. № 6. С. 80-83.
4. Cowley A., Sze S. Surface states and barrier height of metal-semiconductor systems // App. Phys. 1965. Vol. 36, № 10. P. 3212-3220.
5. Гольдберг Ю.А. Омический контакт металл-полупроводник AmBV; методы создания и свойства // ФТП. 1994. Т. 28, № 10. С. 1681.
6. Гусейханов М.К. Удельное контактное сопротивление барьеров Ме^аР // ФТП. 1976. Т. 10, № 1. С. 201.
7. Ohmic contacts to 6H-S^ semiconductors / S. Adams [et al.] // Second international conference on high temperature electronics. J. 5-10. Charlotte, North Caroline, 1994. Vol. 1. Р. 8-9.
8. Свойства контактов Аи^е-№ к фосфиду галлия / М.К. Гусейханов [и др.] // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. 1979. № 4 (130). С. 3-8.
9. Омические контакты к ^С)1-х(АШ)х / М.К. Гусейханов [и др.] // Письма в ЖЭТФ. 1996. Т. 22, № 12. С. 75-78.
10. Свойства контактов, олово-фосфид галлия / С.Г. Мадоян [и др.] // Электронная техника. Серия 2. 1975. № 2(94). С. 102-104.
Поступила в редакцию
27 февраля 2009 г.
