CC BY
14УДК 621.382.001
М.К. Гусейханов, Т.А. Гуйдалаева
Переходное сопротивление контактов металлов с оксидом цинка
Дагестанский государственныйyHueepcumem;taiysiy@yandex.ru.
Приведены теоретически рассчитанные результаты зависимости удельных переходных сопротивлений контактов металлов с оксидом цинка от концентрации носителей заряда, высоты барьера на контакте и температуры. Расчетные данные сравнены с экспериментальными измерениями для контактной системы (In-Ni)-ZnO.
Ключевые слова: сопротивление переходное, оксид цинка, концентрация носителей заряда, высота барьера, температурная зависимость.
The theoretical results are calculated according to the specific contact resistances of metals with zinc oxide, the concentration of charge carriers in the barrier height at the contact and the temperature. Estimates are compared with experimental measurements of the contact system (In-Ni)-ZnO.
Keywords: transient resistance, zinc oxide, the charge carrier concentration, the barrier height, the temperature dependence.
Согласно общей теории переноса тока через контакт металл-полупроводник [1,2], величина контактного сопротивления Rk зависит от температуры, высоты энергетического барьерана контакте и концентрации носителей заряда в полупроводнике. В зависимости от этих параметров механизм переноса тока через контакт меняется от термоэлектронной эмиссии к термополевой, а затем- полностью к полевой(туннельной). Они и определяют величину переходного сопротивления на контакте металл-полупроводник.
Пренебрегая слабой зависимостью высоты барьера от приложенного напряжения, контактное сопротивление в случае термоэлектронной эмиссии рассчитывается по со-отношению[2]
о k W кТ
Rk =—— ekT =—
qA T qjs
С повышением концентрации носителей заряда в полупроводнике усиливается влияние туннельного тока. Отношение термоэмиссионного тока к туннельному определяется соотношением:
kT кТ Т
Eoo qh N
* m £o£s
Для контактов к полупроводникам с низкой концентрацией носителей заряда Е00<<Шв переносе тока преобладает термоэлектронная эмиссия, с высокой концентрацией Еоо»Ш преобладает туннельный механизм переноса.
Нами проведены расчеты контактных сопротивлений систем металл-оксид цинка для различных значений высот барьеров, концентрации носителей тока и температуры. Для проведения расчетов контактного сопротивления были использованы значения константы Ричардсона А = 30А/см2К2 и относительной диэлектрической постоянной для ZnOe = 3.75, величина эффективной массы носителей заряда принята равной 0,3т0[3].
Проведенные расчетные результаты по переходным контактным сопротивлениям систем металл-оксид цинка приведены на рис.1,2,3.
5
Рис.1. Зависимость удельного переходногоконтактного сопротивления от концентрации носителей заряда в оксиде цинка при температуре 300К: 1 - фв = 0.7эВ, 2 - фв = 0.5эВ, 3 - фв = 0.3эВ
На рис. 1 приведены зависимости удельного переходногоконтактногосопротивле-ния рк = RкS от концентрации носителей заряда в оксиде цинка для контактов с разной высотой барьеров.
Согласно этим расчетам, при увеличении концентрации носителей заряда в оксиде
18 20 —3
цинка от 10 до 10 см удельное переходное сопротивление всех контактов должно уменьшаться на одиннадцать порядков, достигая примерно 10—60м-см2 (рис. 1).
■Р к,Ом
1в
13
ю
/
х-
1<(° 10 '
><5
X
и/8
0,3
0,5
0,7
Рис.2. Зависимость удельного переходногосопротивления контактов металлов к оксиду цинка от высоты барьера при разных концентрациях носителей и температуры 300К
При данной концентрации носителей заряда ркуменьшается с понижением высоты барьера фв (рис.2). Из расчетов следует, что контакт любого металла к оксиду цинка,
18 —3
имеющего концентрацию носителей заряда, превышающую 5-10 см , имеет омический характер и достаточно низкое переходное сопротивление. Для получениянизко-омных омических контактов к оксиду цинка с концентрацией носителей заряда поряд-каЮ-101 см необходимо в качестве контактного материала использовать металлы, образующие в контакте с оксидом цинка барьеры малой высоты (1п, Ga, Мп...) или ан-
тизапорные контакты(№,К, Ва...). Если же по конструктивным или технологическим соображениям желательно при использовании контактов применять металлы, создающие в области контакта барьеры значительной высоты более 0,4 эВ, то для получения омического контакта с низким удельным переходным сопротивлением необходимо обогащать приконтактный слой оксида цинка до концентрации носителей заряда выше
18 _з
N = 5-10 см . Для этого можно использовать различные технологические методы. В случае более низкой концентрации носителей заряда в оксиде цинка (1015-1016см-3) контакты имеют высокие удельные переходные сопротивления (106-1070м-см2 при фв = 0.5эВ и Т = 300К), которые почти не зависят от концентрации носителей заряда за исключением слабого понижения Rк, обусловленного влиянием сил зеркального изображения.
Рис.3. Зависимость удельного переходногосопротивления контактов Ме-2п0 оттемпературы при различных концентрациях носителей заряда в оксиде цинка
^К
Ом см2
10
10
10
10
-2
\
\
\ 1 > -2
\ / У
[ А "Г
Л
—9~
10
13
10"
'р
20 „ -3 10 М,см
-1/2 У2 К см
10
-9
10
-1С
Рис.4. Зависимость удельного переходногосопротивления контакта (1п-№)-2п0 от концентрации носителей заряда пленок 2п0: 1 - зависимость ^рк = ^^М); 2 - зависимость 1
^Рк =
На рис. 3 приведены температурные зависимости рк металлических контактов к оксиду цинка с различной концентрацией носителей заряда (фв = 0.5 эВ). Согласно расче-
там, в термоэмиссионном интервале (1015-1017 см-3) удельное переходное сопротивление экспоненциально убывает с повышением температуры. Выпрямляющие при низкой температуре контакты могут стать хорошими омическими контактами с повышением температуры. А при высокой концентрации носителей заряда (1019-1021 см-3) удельное переходное сопротивление рк слабо меняется с изменением температуры Т. При повышении температуры от 77 до 300 К зависимость удельного переходного сопротивления рN контактов металл-оксид - цинка от концентрации носителей заряда с экспериментально измеренными данными приведена на рис. 4 (кривая 1).
Как видно из рисунков, результаты сравнения дают хорошее согласие экспериментальных данных с расчетными. Сравнительно большие значенияудельных переходных сопротивлений контактов объясняются влиянием сопротивления растекания тока в эпи-таксиальных слоях оксида цинка, на которых исследовались контакты.
Линейная зависимость ^рк от —= (рис.4, кривая2) и слабая температурная завил/К
симость удельного переходного сопротивления контактов, обнаруженная при исследованиях, характерна для туннельного механизма переноса тока в контактной системе (1п-№)^пО.
Таким образом, расчетные результаты по удельным переходным сопротивлениям для контактов металл-оксид цинка дают хорошее соответствие с экспериментальными измерениями для системы (1п-№)^пО, что позволило определить механизм прохождения тока в этих системах.
Литература
1. Chang C.I., Sze S.M. Carries transport acrocc metal-semiconductor barriers //Solid state Electronics. - 1970. - V. 13,№6. - Р. 724-740.
2. Chang C.I., Eang I.K., Sze S.M. Specific contacts resistance of metal-semiconductor barriers //Solid state Electronics. - 1971. - V. 14,№7. - Р.41-45.
3. Рабаданов Р.А. Получение, реальная структура, некоторые объемные и поверхностные свойства монокристаллического оксида цинка:дис.... д-ра физ.-мат. наук.-Махачкала, 1997. - 363с.
4. Гусейханов М.К., Гуйдалаева Т.А. Омические контакты к оксиду цинка//Вестник ДГУ.- 2012.- Вып.6. - С. 41-44.
Поступила в редакцию 10.11.2012 г.
