CC BY
11УДК 621.315.592
Закономерности образования омических контактов к широкозонным полупроводникам
М.К. Гусейханов, М.К. Курбанов, М.А. Исаев
В настоящей работе излагаются результаты исследования свойств омических контактов к широкозонным полупроводникам и предлагается механизм формирования контактов такого типа.
Были проведены исследования вольт-амперных характеристик (ВАХ) и контактных сопротивлений, применяемых в качестве омических контактов к широко-зонным полупроводниковым соединениям GaAs, GaP, SiC и др. из металлов 1п, Sn, Au-Ni, Si-Ni, In-Ni, Au-Ge-Ni, Si-Au-Ni, Ag-Ge-Sn. Контакты наносили методом вакуумного напыления на пластины полупроводников, подогретых до 200 °С.
Результаты отработки технологических режимов создания омических контактов изложены в [1 - 3]. Измерения удельных переходных сопротивлений омических контактов проводили по методике, предложенной в [4, 5], дифференциальные сопротивления выпрямляющих контактов определяли из ВАХ при смещениях, меньших 10 мВ.
Согласно теории Шотки [6] омические (антизапорные) контакты к полупроводникам n-типа 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 (GaAs, GaP, SiC) не подтверждают эту закономерность. По теории же [7] на свободной поверхности таких полупроводников еще до контакта с металлом существуют поверхностные состояния. Плотность этих состояний и их энергетическое расположение определяют высоту поверхностного барьера на таких полупроводниках.
Анализ экспериментальных данных показал [8], что высота барьера Фь контакта металл-фосфид галлия связана с работой выхода электрона из металла Фт соотношением Фь = (0,27 Фш- 0,01) эВ. Для арсенида галлия эта зависимость выражена слабее - Фь = (0,074 Фт + 0,49) эВ. По нашим данным такая зависимость для карбида кремния имеет вид Фь = (0,24Фт + 0,04)эВ. По другим данным Фь = С2Фм + Сз, где С2=0,20, С3=0,35 (эВ) [22].
В широкозонных полупроводниках группы А и соединений А В (GaAs, InP и др.) поверхностные состояния расположены в нижней части запрещенной зоны [9 - 11] и для этих полупроводников и твердых растворов на их основе высота барьера определяется соотношением qФb = (2/3) Eg; (Eg - ширина запрещенной зоны). Поверхностные состояния в фосфиде галлия расположены в середине запрещенной зоны и q®b = (1/2)% [11], а в карбиде кремния расположены в верхней части запрещенной зоны и Фь = (2/5)Eg. 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 [12] в [13] приведены расчетные данные для зависимостей удельного
М.К Гусейханов, М.К. Курбанов, М.А. Исаев. Закономерности образования омических контактов к широкозонным полупроводникам _______
контактного сопротивления (рк) от концентрации носителей заряда (И) в полупроводнике и температуры (Т). Они показали, что для контактов к полупроводникам
с низкой концентрацией носителей заряда дЕоо « кТ, где Еоо~ (ЙУ2) ^N / гпе0е , в
переносе тока преобладает термоэмиссионная составляющая и рк определяется соотношением
к Л
Рк =-
{ <1фк -ехр -
где А
ГТ 'I irr
qÄT \ кТ )
Ащт2к2 / h3 =120,15т* /т0А2, см2 К2 - постоянная Ричардсона, js -
плотность тока.
Сопротивление контактов должно увеличиваться экспоненциально с ростом высоты барьера. В контактах к полупроводникам с высокой концентрацией носителей заряда, где цЕоо » кТ, преобладает туннельный механизм прохождения тока и рк « ехр(ф6 /л/Лг).
Сопротивление контактов должно расти экспоненциально не только с повышением высоты барьера, но и с уменьшением квадратного корня из 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 цЕоо ~ кТ, в переносе тока участвуют оба механизма проводимости и
Рк = ехР
Ф„
(2)
Из от 10
/кТ),
асчетных данных следует, что увеличение концентрации носителей заряда до Ю20 см"3 понижает удельное переходное сопротивление контактов на
одиннадцать порядков (рис. 1).
^Оиси2
Рис. 1. Зависимость удельного переходного сопротивления контактов Ме-пОаР от температуры и концентрации носителей заряда в полупроводнике (рис. 1 а) при Т = 300 К, Фь = 1 эВ
т,к
Вестник Дагестанского государственного университета. 2007. Вып. 1.
51
В термоэмиссионном интервале (1015 - 1016 см"3) контактное сопротивление экспоненциально убывает с повышением температуры. При высокой концентрации носителей заряда (от 1019 до 102 см"3) контактное сопротивление слабо меняется с изменением температуры, 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 контактное сопротивление минимально, и вид Рк(Т) зависят от состава контактной системы и в основном определяются свойствами полупроводника. Исследования [10, 14, 15] показали, что с повышением температуры термообработки снижается высота энергетического барьера на контакте и происходит взаимодействие контактного материала с полупроводником.
Микроструктурный анализ контакта (N1 - Аи - - 81С и данные работ [14, 15] показывают, что под контактом при термообработке образуются соединения контактного материала с полупроводником. 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 в результате реакций соединения ДОр = АНР - ТД8Р.
Реакции металлов с полупроводниковыми соединениями возможны, если ДОр < 0. Например, для системы \V-SiC при температуре 900 К возможна реакция типа 257С + 3 + УУБь так как для этой реакции ДСР = -26,95 кДж/моль.
Рис. 2. Зависимость удельных переходных сопротивлений омических контактов от температуры термообработки о - (Ав-БгО-СаАБ [16], х - (Аи-(5е-№) -ваР [1],
• - - 1по,5; Оао^ [17], □ - (А1-№)-8Ю1-х А1ЫХ [18], А - (1п - Аё) - ХпО [19], + - (Аи-Бп) -1пР [20], * - (№-Аи-81) -БЮ - наши данные
Для контактной системы Au - GaAs реакция взаимодействия типа Au + GaAs AuGa + (1/4)As4 происходит только при температуре термообработки выше 470 К, когда становится AGP < 0.
При термообработке контактов между никелем и карбидом кремния образуются силициды никеля (NÍ2SÍ) [14], между фосфидом и арсенидом галлия и сплавом Au-Ge-Ni - соединения AuGa [15], между индием и арсенидом галлия образуется твердый раствор InxGai.x As [10]. 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 [12] и данным экспериментов [10, 18] 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, приравняв AGP к нулю.
Т =-f-nRlnP. (3)
A S°p
Например, при температуре выше 600 °С изменение свободной энергии реакции диссоциации становится отрицательным, и поэтому возможно разложение полупроводникового соединения [20]. При температуре термообработки Т > 550 °С начинается и рост контактного сопротивления системы Me-GaAs (рис. 2). 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 Sn-GaP и при Т > 600 - 650 °С на свободной поверхности полупроводника появляются жидкие капли галлия [22].
Увеличение концентрации носителей заряда в полупроводнике от 1017 до 1018 см"3 приводит к уменьшению сопротивления омических контактов от ДО"2 до Ю4Ом-см (рис. 3).
Согласно расчетным данным (рис. 1), такие изменения контактного сопротивления соответствуют увеличению концентрации носителей заряда в полупроводнике от 1019 до Ю20см"3.
2 4 6 8 ^^
Рис. 3. Зависимость удельного переходного сопротивления омических контактов от концентрации носителей заряда х - (Аи-ЫО-пБЮ
- (Аи-<Зе-№) -пОаР,
о - (Ое-Аи-Ав) пОаАз,
-- рк = т,
-- 1п =
IV,см3
Линейная зависимость логарифма переходного сопротивления омических контактов от обратной величины квадратичного корня из концентрации носителей заряда (пунктирные линии на рис. 3) объясняется туннельным механизмом переноса тока в контакте. 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 подконтактной области. Расчеты, проведенные для системы Ме-СаР [21], 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 АП,ВУ. Например, из сплава Аи-Се-М происходит легирование германием, из сплава М-5>г - оловом. В таком случае образующие омические контакты имеют структуру типа Ме-п-п (или Ме-р+-р).
Увеличение контактного сопротивления с повышением температуры термообработки [21] объясняется преобладанием при этой температуре обратной диффузии легирующих полупроводник примесей.
Для проверки, может ли этот процесс происходить с фосфидом галлия, легированным теллуром, нами получены контакты из чистого олова и сплава 51« + 2 % Те. Минимум кривой зависимости контактного сопротивления от температуры термообработки для сплава Бп + 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.
Ом-си* \\\j
\
0\N \ \
"5 —-
100
200
Рис. 4. Зависимость удельных переходных сопротивлений омических контактов от температуры • - (Аи-Ое-№)-пОаР, о - (Ag-8п)-пОаАз, ▲ - (М-Аи-БО пБЮ
300
400
т,к
Удельные переходные сопротивления омических контактов, полученных при оптимальных режимах термообработки, при изменении температуры среды от 300 до 500 К практически не изменяются (рис. 4). Такое поведение характерно для туннельного механизма переноса тока.
Это подтверждает, что омический контакт имеет структуру типа Ме-п+-п.
Из зависимости pk « cxp(AEJ kT) рассчитана энергия активации, которая для исследованных контактов составила 0,03 - 0,04 эВ.
Выводы
Омические контакты к широкозонным полупроводникам образуются вследствие формирования в области контакта при термообработке в оптимальном режиме структур типа Ме-п-п (Ме-р -р) с наличием варизонной области поверхности полупроводника, в которой ширина запрещенной зоны убывает к металлу.
Перенос тока в исследованных омических контактах обусловлен туннелирова-нием носителей заряда сквозь узкий энергетический барьер на контакте.
Литература
1. Мадоян С.Г., Гусейханов M.K. II Электронная техника. Сер. Материалы. 1976. Вып. 5.-С. 101-104.
2. Васильев И.Г., Боева Г.Г. II Обзоры по электронной технике. Сер. Полупроводниковые приборы. 1970. 19 (212). - С. 52.
3. Мадоян С.Г. и др. И Обзоры по электронной технике. Сер. Полупроводниковые приборы. - М„ 1975. Вып. 10(328). - С. 64.
4. Ейское В.Я. Разработка методики исследования омических контактов: Дис. ... канд. техн. наук. -М., 1970.
5. Мадоян С.Г., Гусейханов М. К. //Изв. вузов. Физика. 1976. Вып. 6. - С. 80 -
83.
6. Shottky WH Natarwiss, Z. Phys. 1942. Vol. 118 В. -P. 539.
7. Bardeen J. Surface states and rectification at metal semiconductor contact // Phys Rev. 1947. 71.-P. 717.
8. Cowley A. and Sze S.M. Surface states and barrier height of metal-semiconductor systems // J. Appl. Phys. 1965. Vol. 36. № 10. - P. 3212 - 3220.
9. Mead C.A. Metal-semiconductor surface barriers // Sol. st. Electron. 1966. № 9. -P. 1023.
10. Гольдберг Ю.А. Омический контакт металл - полупроводник AmBv; методы создания свойства // ФТП 1994. Т. 28. Вып. 10. - С. 1681 - 1698.
11. Царенков Б. В. и др. // ФТП. 1972. Т. 6. Вып. 4. - С. 710.
12. Chang С. Y., Sze S.M. Carrier transport across metal-semiconductor barriers // Sol. st. Electronics. 1971. Vol. 14. № 7. - P. 41 - 550.
13. Гусейханов М.К. И ФТП. 1976. Т. 10. Вып. 1. - С. 201.
14. Adams S et al. // Second International Conference on high temperature electronics Moth Caroline J. 5 - 10. 1994. Vol. 1. - P. 13 - 19.
15. Гусейханов М.К. и др. I/ Электронная техника. Сер. 2. 1979. Вып. 4 (130). -С. 3-8.
16. Комашко В.А. и др. II Электронная техника. 1972. № 1. - С. 61.
17. Pearton J et al. //Second International Conference on high temperature electronics Noth Caroline J. 5 - 10. 1994. Vol. l.-P. 13-19.
18. Гусейханов М.К и др. II Письма в ЖЭТФ. 1996. Т. 22. Вып. 12. - С. 75 - 78.
19. Рабаданов Р.А. и др. II Изв. СКНЦ ВШ. Техн. науки. 1984. №. - С. 3.
20. Peter A., Barnes J. //Second International Conference on high temperature electronics Noth Caroline. J. 5 - 10. 1994. Vol. 2. - P. 19 - 20.
21. Мадоян С.Г. и др. И Электронная техника. Сер. 2. 1975. Вып. (94). - С. 102.
22. Андреев А.А., Лебедев А.А., Растегаева М.Г. и др. // Высота барьера в диодах Шоттки, сформированных на основе n-SiC-6H // ФТП. Т. 29. Вып. 10. 1995.
23. Курбанов М.К., Гусейханов М.К, Билалов Б.А., Сафаралиев Г.К. // Омические контакты к полупроводниковым твердым растворам (SiC)i_x(AlN)x с дырочной проводимостью // Вестник ДГУ. Естественные науки. 2006. № 4.
