금속-반도체 접합

Metal–semiconductor junction

고체 물리학에서 금속-반도체(M–S) 접합은 금속이 반도체 물질과 밀접하게 접촉하는 전기 접합의 한 종류입니다.그것은 가장 오래된 실용적인 반도체 장치이다.M-S 접합부는 정류 또는 비정류 중 하나입니다.정류 금속-반도체 접합부는 쇼트키 장벽을 형성하여 숏키 다이오드로 알려진 장치를 만드는 반면, 비정류 접합부는 오믹 [1]접점이라고 불립니다.(반대로 오늘날 가장 일반적인 반도체 장치인 정류 반도체-반도체 접합은 p-n 접합으로 알려져 있습니다.)

금속-반도체 접합은 모든 반도체 장치의 작동에 매우 중요합니다.일반적으로 트랜지스터의 활성 영역과 외부 회로 사이에서 쉽게 전하가 전도될 수 있도록 오믹 접점이 바람직합니다.그러나 숏키 다이오드, 숏키 트랜지스터 및 금속-반도체 전계효과 트랜지스터와 같이 때때로 숏키 장벽이 유용합니다.

크리티컬 파라미터:쇼트키 장벽 높이

제로 바이어스(균형)에서의 금속-반도체 접합에 대한 밴드 다이어그램.n형 반도체의 숏키 장벽 높이 δ를B 계면 전도 밴드 에지C E와 페르미 레벨F E의 차이로 그래피컬하게 정의한다.

주어진 금속-반도체 접합부가 오믹 접점인지 숏키 장벽인지는 접합부의 숏키 장벽 높이 δ에B 따라 달라진다.δ가B 열에너지 kT보다 상당히 높은 충분히 큰 쇼트키 장벽 높이에서는 반도체가 금속 근처에서 고갈되어 쇼트키 장벽으로 동작한다.숏키 장벽 높이가 낮을 경우 반도체는 고갈되지 않고 대신 금속에 오믹 접점을 형성합니다.

숏키 장벽 높이는 n형 및 p형 반도체에 대해 다르게 정의됩니다(각각 전도 밴드 에지 및 원자가 밴드 에지로부터 측정).접점 부근에 있는 반도체 대역의 정렬은 일반적으로 반도체의 도핑 수준과 독립적이므로 n형과 p형 쇼트키 장벽 높이는 다음과 같이 서로 이상적으로 관련이 있습니다.

여기서g E는 반도체의 밴드 갭입니다.

실제로 숏키 장벽 높이는 계면 전체에서 정확하게 일정하지 않고 계면 [2]표면에 따라 달라집니다.

쇼트키-모트 법칙과 페르미 준위 핀 접속

숏키-모트의 법칙:재료를 모으면 실리콘 내의 띠가 실리콘의 작업함수 δ가 은과 일치하도록 구부러진다.밴드는 접촉 시 구부러진 상태를 유지합니다.이 모델에서는 은이 n-도프 실리콘에 대한 숏키 장벽이 매우 낮아 뛰어난 오믹 접점이 될 것으로 예측하고 있습니다.
금속에 의한 갭 상태의 페르미 레벨 고정 효과를 나타내는 그림:실리콘의 밴드는 표면 상태로 인해 이미 구부러져 있습니다.작업 기능에 맞추기 위해 접촉 직전에 다시 구부러집니다.그러나 접촉 시 밴드 벤딩은 Ag-Si [4]결합의 화학 작용에 따라 완전히 변화합니다.
은과 n-도프 [3]실리콘 사이의 접합 형성 모델을 위한 밴드 다이어그램.실제로 이 쇼트키 장벽은 약 δB = 0.8 eV이다.
다음 항목도 참조하십시오.금속에 의한 갭 상태

숏키 장벽 형성의 숏키-모트 법칙은 반도체의 진공 전자 친화력(또는 진공 이온화 에너지)에 상대적인 금속의 진공 작업 함수에 기초하여 숏키 장벽 높이를 예측합니다.

이 모델은 두 물질을 진공상태에서 결합하는 사고실험을 바탕으로 도출된 것으로, 앤더슨의 반도체 접합 법칙과 논리적으로 밀접한 관련이 있다.다른 반도체는 숏키-모트 법칙을 다양한 [5]정도로 존중한다.

숏키-모트 모델은 반도체에 밴드 벤딩의 존재를 정확하게 예측했지만, 숏키 장벽의 높이에 대해 엄청나게 잘못된 예측을 제공하는 것으로 실험적으로 밝혀졌다."퍼미 레벨 핀 접속"이라고 불리는 현상으로 인해 유한한 DOS가 존재하는 밴드 갭의 일부 지점이 페르미 레벨에 고정(핀 접속)되었습니다.이로 인해 숏키 장벽 높이는 금속의 작업 [5]기능에 거의 완전히 둔감하게 되었습니다.

여기서bandgap E는 반도체의 밴드 간격 크기입니다.

사실, 경험적으로, 위의 두 극단 모두 정확하지 않다는 것이 밝혀졌습니다.금속의 선택은 어느 정도 영향을 미치며 금속 작업 함수와 장벽 높이 사이에는 약한 상관관계가 있는 것으로 보이지만, 작업 함수의 영향은 숏키-모트 규칙에 [6]: 143 의해 예측된 것의 극히 일부에 불과하다.

1947년 John Bardeen은 반도체의 경계면 바로에서 충전 가능한 상태, 즉 반도체의 틈새 안에 에너지가 있다면 페르미 수준의 핀 접속 현상이 자연스럽게 일어날 것이라고 언급했다.이는 금속과 반도체의 직접 화학 결합 중에 유도되거나(금속 유도 갭 상태), 또는 반도체-진공 표면(표면 상태)에 이미 존재할 것이다.이러한 고밀도 표면 상태는 금속으로부터 공급된 많은 양의 전하를 흡수하여 반도체를 금속의 세부 사항으로부터 효과적으로 보호할 수 있습니다.그 결과,[3] 반도체 밴드는 금속의 영향을 받지 않고 (고밀도 때문에) 페르미 레벨에 고정되는 표면 상태에 상대적인 위치에 정렬해야 합니다.

페르미 수준의 핀 접속 효과는 상업적으로 중요한 반도체(Si, Ge, GaAs)[5]에 강하기 때문에 반도체 소자 설계에 문제가 될 수 있습니다.예를 들어 거의 모든 금속은 n형 게르마늄에 대해 상당한 쇼트키 장벽을 형성하고 p형 게르마늄에 대해 옴 접점을 형성한다. 왜냐하면 원자가 밴드 가장자리가 금속의 [7]페르미 레벨에 강하게 핀으로 고정되어 있기 때문이다.이 유연성에 대한 해결책은 밴드 언인(unin)에 중간 절연층을 추가하는 등의 추가 공정 단계를 필요로 한다.(게르마늄의 경우 질화 게르마늄이 사용됨[8])

역사

금속-반도체 접점의 정류 특성은 1874년 Ferdinand Braun에 의해 황화동 및 황화철 [9]반도체와 접촉하는 수은 금속을 사용하여 발견되었습니다.Jagadish Chandra Bose 경은 1901년 금속-반도체 다이오드에 대한 미국 특허를 출원했다.이 특허는 1904년에 수여되었다.

Wikisource에는 다음 기사와 관련된 원본 텍스트가 있습니다.

G.W. 피카드는 1906년 실리콘을 이용한 점 접촉 정류기에 대한 특허를 받았다.1907년, 조지 W. 피어스는 많은 반도체에 [10]많은 금속을 스패터링함으로써 만들어진 다이오드의 정류 특성을 보여주는 논문을 Physical Review에 발표했다.금속-반도체 다이오드 정류기의 사용은 1926년 릴렌펠트에 의해 금속-반도체 전계효과 [11]트랜지스터의 게이트로서 세 가지 트랜지스터 특허 중 첫 번째로 제안되었다.금속/반도체 게이트를 이용한 전계효과 트랜지스터의 이론은 1939년 윌리엄 쇼클리에 의해 제시되었다.

전자제품 분야에서 최초의 금속-반도체 다이오드는 1900년 경에 발생했는데,[12] 이때 고양이의 수염 정류기가 수신기에 사용되었습니다.그것들은 뾰족한 텅스텐 와이어(고양이의 수염 모양)로 구성되었고, 끝이 갈레나(황화납) 결정의 표면에 눌려져 있었다.최초의 큰 면적의 정류기는 1926년경 등장했는데, 구리 기판 위에서 열적으로 성장한 구리(I) 산화물 반도체로 구성되었다.이어서 셀렌막을 대형 금속 기판 위에 증발시켜 정류 다이오드를 형성했다.이러한 셀레늄 정류기는 전력 애플리케이션에서 교류 전류를 직류로 변환하는 데 사용되었으며 지금도 사용되고 있습니다.1925-1940년 동안, 실리콘 결정 베이스와 접촉하는 뾰족한 텅스텐 금속 와이어로 구성된 다이오드가 UHF 범위의 마이크로파를 검출하기 위해 실험실에서 제작되었습니다.점 접촉 정류기의 결정 기반으로서 고순도 실리콘을 제조하는 제2차 세계 대전 프로그램은 1942년 Frederick Seitz에 의해 제안되었고 E의 실험 스테이션에 의해 성공적으로 수행되었습니다. 나는 퐁 드 네무르 컴퍼니입니다.

금속-반도체 접합부의 올바른 정류 방향을 예측한 최초의 이론은 1939년 네빌 모트에 의해 제시되었다.그는 1948년경부터 Mott 장벽으로 알려진 반도체 표면 공간 전하층을 통해 대다수 캐리어의 확산 전류와 드리프트 전류 모두에 대한 해결책을 찾았다.Walter H. Shottky와 Spenke는 반도체 표면층을 통해 밀도가 공간적으로 일정한 기증자 이온을 포함시킴으로써 Mott의 이론을 확장했습니다.이는 Mott가 가정한 정전계를 선형 붕괴 전계로 변경했다.금속 아래에 있는 이 반도체 공간 전하층을 쇼트키 장벽이라고 합니다.1939년 다비도프도 비슷한 이론을 제안했다.올바른 정류 방향을 제시하지만 Mott 이론과 그 Shottky-Davydov 확장이 실리콘 금속/반도체 다이오드 정류기에서 잘못된 전류 제한 메커니즘과 잘못된 전류 전압 공식을 제공한다는 사실도 입증되었습니다.올바른 이론은 한스 베테에 의해 개발되었고 그가 1942년 11월 23일자 M.I.T. 방사선 실험실 보고서에서 보고했다.베테의 이론에 따르면 전류는 금속-반도체 전위장벽 위의 전자의 열전자 방출에 의해 제한된다.따라서 금속-반도체 다이오드의 적절한 이름은 숏키 다이오드가 아닌 베테 다이오드가 되어야 한다. 왜냐하면 숏키 이론은 현대의 금속-반도체 다이오드의 특성을 정확하게 [13]예측하지 못하기 때문이다.

Braun과 같이 반도체(예: 실리콘) 위에 수은 방울을 올려놓아 숏키 다이오드 전기설비의 숏키 장벽을 형성함으로써 금속-반도체 접합부가 형성되면 전기경화가 관찰되어 액적이 전압 상승으로 확산됩니다.반도체 내 도핑 유형과 밀도에 따라 액적 확산은 수은액적에 [14]인가되는 전압의 크기와 부호에 따라 달라집니다.이 효과는 '쇼트키 일렉트로웨팅'이라고 불리며 일렉트로웨팅과 반도체 [15]효과를 효과적으로 연결시킨다.

MOSFET(금속산화물반도체 전계효과 트랜지스터)는 1959년 벨연구소에서 모하메드 아탈라와 다원 칸에 의해 발명돼 1960년 발표됐다.그들은 MOS 기술에 대한 작업을 확장하여 핫 캐리어 장치에 대한 선구적인 작업을 수행했는데, 이 장치는 나중에 쇼트키 [16]장벽이라고 불리게 되었다.숏키 배리어 다이오드로도 알려진 숏키 다이오드는 수년간 이론화되었지만,[17] 1960-1961년 동안 아탈라와 칸의 연구 결과로 실질적으로 처음 실현되었다.그들은 1962년에 그들의 결과를 발표했고 그들의 장치를 반도체-금속 이미터를 [18]가진 "뜨거운 전자" 3극 구조라고 불렀다.그것은 최초의 금속 베이스 [19]트랜지스터 중 하나였다.Atalla는 HP Associates의 Robert J. Archer와 함께 쇼트키 다이오드에 대한 연구를 계속했습니다.고진공 금속 성막 [20]기술을 개발하고 안정적인 증발/[21][22]튀김 접점을 제작하여 1963년 [23]1월에 결과를 발표했습니다.이들의 연구는 금속-반도체[21] 접합과 숏키 장벽 연구의 획기적인 성과였는데, 이는 점 접촉 다이오드에 내재된 대부분의 제작 문제를 극복하고 실용적인 숏키 다이오드를 [20]만들 수 있게 해주었기 때문입니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ 반도체 디바이스: 모델링 및 기술, 난디타 다스굽타, 아미타바 다스굽타.(2004) ISBN81-203-2398-X
  2. ^ "Inhomogeneous Schottky Barrier".
  3. ^ a b Bardeen, J. (1947). "Surface States and Rectification at a Metal Semi-Conductor Contact". Physical Review. 71 (10): 717–727. Bibcode:1947PhRv...71..717B. doi:10.1103/PhysRev.71.717.
  4. ^ Tung, R. (2001). "Formation of an electric dipole at metal-semiconductor interfaces". Physical Review B. 64 (20): 205310. Bibcode:2001PhRvB..64t5310T. doi:10.1103/PhysRevB.64.205310.
  5. ^ a b c "Barrier Height Correlations and Systematics".
  6. ^ Sze, S. M. Ng, Kwok K. (2007). Physics of semiconductor devices. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-14323-9. OCLC 488586029.{{cite book}}: CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  7. ^ Nishimura, T.; Kita, K.; Toriumi, A. (2007). "Evidence for strong Fermi-level pinning due to metal-induced gap states at metal/germanium interface". Applied Physics Letters. 91 (12): 123123. Bibcode:2007ApPhL..91l3123N. doi:10.1063/1.2789701.
  8. ^ Lieten, R. R.; Degroote, S.; Kuijk, M.; Borghs, G. (2008). "Ohmic contact formation on n-type Ge". Applied Physics Letters. 92 (2): 022106. Bibcode:2008ApPhL..92b2106L. doi:10.1063/1.2831918.
  9. ^ Braun, F. (1874), "Ueber die Stromleitung durch Schwefelmetalle" [On current conduction through metal sulfides], Annalen der Physik und Chemie (in German), 153 (4): 556–563, Bibcode:1875AnP...229..556B, doi:10.1002/andp.18752291207
  10. ^ Pierce, G. W. (1907). "Crystal Rectifiers for Electric Currents and Electric Oscillations. Part I. Carborundum". Physical Review. Series I. 25 (1): 31–60. Bibcode:1907PhRvI..25...31P. doi:10.1103/PhysRevSeriesI.25.31.
  11. ^ US 1745175 "전류를 제어하는 방법 및 장치"는 1925년 10월 22일 캐나다에서 처음 제출되었습니다.
  12. ^ US 755840, Bose, Jagadis Chunder, "전기 장애 검출기" 1901년 9월 30일 발행, 1904년 3월 29일 발행
  13. ^ Sah, Chih-Tang (1991). Fundamentals of Solid-State Electronics. World Scientific. ISBN 9810206372.
  14. ^ S. Arscott과 M. Gaudet "액상 금속-반도체 접합부에서의 일렉트로웨팅" Appl.Phys. Let. 103, 074104 (2013).도이: 10.1063/1.4818715
  15. ^ S. Arscott "전기 및 반도체" RSC 어드밴스 4, 29223(2014).도이: 10.1039/C4RA04187A
  16. ^ Bassett, Ross Knox (2007). To the Digital Age: Research Labs, Start-up Companies, and the Rise of MOS Technology. Johns Hopkins University Press. p. 328. ISBN 9780801886393.
  17. ^ The Industrial Reorganization Act: The communications industry. U.S. Government Printing Office. 1973. p. 1475.
  18. ^ Atalla, M.; Kahng, D. (November 1962). "A new "Hot electron" triode structure with semiconductor-metal emitter". IRE Transactions on Electron Devices. 9 (6): 507–508. Bibcode:1962ITED....9..507A. doi:10.1109/T-ED.1962.15048. ISSN 0096-2430. S2CID 51637380.
  19. ^ Kasper, E. (2018). Silicon-Molecular Beam Epitaxy. CRC Press. ISBN 9781351093514.
  20. ^ a b Siegel, Peter H.; Kerr, Anthony R.; Hwang, Wei (March 1984). NASA Technical Paper 2287: Topics in the Optimization of Millimeter-Wave Mixers (PDF). NASA. pp. 12–13.
  21. ^ a b Button, Kenneth J. (1982). Infrared and Millimeter Waves V6: Systems and Components. Elsevier. p. 214. ISBN 9780323150590.
  22. ^ Anand, Y. (2013). "Microwave Schottky Barrier Diodes". Metal-Semiconductor Schottky Barrier Junctions and Their Applications. Springer Science & Business Media. p. 220. ISBN 9781468446555.
  23. ^ Archer, R. J.; Atalla, M. M. (January 1963). "Metals Contacts on Cleaved Silicon Surfaces". Annals of the New York Academy of Sciences. 101 (3): 697–708. Bibcode:1963NYASA.101..697A. doi:10.1111/j.1749-6632.1963.tb54926.x. ISSN 1749-6632. S2CID 84306885.

추가 정보