金属-半导体接触

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1、金属-半导体接触1.金属与半导体接触概论以集成电路（IC）技术为代表的半导体技术在近十几年来已经取得了迅速发展，带来的是一次又一次的信息科技进步，没有哪一种技术能像它一样，带来社会性的深刻变革。半导体技术的实现依赖于半导体的生产与应用，而在半导体的应用过程中，必然会涉及到半导体与金属电极的接触。大规模集成电路中的铝-硅接触就是典型的实例。金属与半导体接触大致可以分为两类[1]：一种是具有整流特性的肖特基接触（也叫整流接触），另一种是类似普通电阻的欧姆接触。金属与半导体接触特性与两种材料的功函数有关。所谓功函数

2、，也称之为逸出功，是指材料的费米能级与真空能级之差，即W=E0-EF（E0为真空能级，EF为费米能级）。它是表征固体材料对电子的约束能力的物理量。然而，由于金属与半导体的费米能级有所差别，所以其功函数也不相同。就金属来而言，其费米能级EFM代表电子填充的最高能级水平，所以金属的功函数WM即为金属向真空发射一个电子所需要的最低能量（如图1.1.1）；但对半导体的功函数WS而言，其功函数是杂质浓度的函数，而不像金属那样为一常数，其内部电子填充的最高能级是导带底EC，而费米能级EFS一般在EC之下。所以半导体的功函

3、数WS一般要高于电子逸出体外所需要的最低能量χ。半导体的功函数又可表示成：WS=χ+En。其中，χ=E0-EC，称为电子亲和势，En=EC-EFS为费米能级与导带底的能量差（如图1.1.2）。图1.1.1金属的电子势阱图1.1.2半导体的能带和自由电子势当具有理性洁净平整表面的半导体和金属接触时，二者的功函数WM和WS，一般说来是不相等。其功函数差亦为其费米能级之差，即WM-WS=EFS-EFM。所以，当有功函数差的金属和半导体接触并符合理想条件时，从固体物理学我们知9道，由于存在费米能级之差，电子将从费米能

4、级高的一边转移到费米能级低的一边，直到两者费米能级持平而进入热平衡态为止。2.金属与半导体接触的四种情况（1）金属与N型半导体接触，WM>WS时WM>WS意味着金属的费米能级低于半导体的费米能级。当金属与N型半导体理想接触时，半导体中的电子将向金属转移，使金属带负电，但是金属作为电子的的“海洋”，其电势变化非常小；而在半导体内部靠近半导体表面的区域则形成了由电离施主构成的正电荷空间层，这样便产生由半导体指向金属的内建电场，该内建电场具有阻止电子进一步从半导体流向金属的作用。因此，金属与半导体接触的内建电场所引

5、起的电势变化主要发生在半导体的空间电荷区[2]，使半导体中近表面处的能带向上弯曲形成电子势垒；而空间电荷区外的能带则随同EFS一起下降，直到与EFM处在同一水平是达到平衡状态，不再有电子的流动，如图1.1.3。图1.1.3：WM>WS的金属与N型半导体接触前后的能带变化，（a）接触前（b）接触后相对于EFM而言，平衡时EFS下降的幅度为WM-WS。若以VD表示这一接触引起的半导体表面与体内的电势差，显然有qVD=WM-WS（1.1）式中，q是电量，VD为接触电势差或半导体的表面势；qVD也就是半导体中的电子进

6、入金属所必须越过的势垒高度；同样的，金属中的电子若要进入半导体，也要越过一个势垒。高度为式1.2，式中，qφM极为肖特基势垒的高度。qφM=WM-χ=qVD+En（1.2）当金属与N型半导体接触时，若WM>WS，则在半导体表面形成一个由电离施主构成的空间电荷区，其中电子浓度极低，对电子的传导性极低，是一个高阻9区域，常被称为电子阻挡层。（2）金属与N型半导体接触，WM

7、表面指向体内的内建电场，导致半导体的能带自体内到表面向下弯曲，使半导体表面的电子密度比体内高很多，增加了对电子的传导特性，因而是一个高导区域，称之为反阻挡层。接触以后的能带结构为图1.1.4。反阻挡层是很薄的高导层，它对半导体和金属之间接触电阻的影响极小，因此在实验中不易觉察到其存在。图1.1.4WMWS时，能带向上弯曲，导致表面比体内空穴密度更高，增加电荷的传导特

8、性，形成P型反阻挡层；当WMWS）图1.1.5金属和P型半导体接触能带结构以上讨论的4种接触中，分别形成了阻挡层和反阻挡层。其中，WM>WS时金属与N型半导体的接触和WM