Свойства и параметры омических контактов к полупроводникам

В абсолютном большинстве случаев при измерениях параметров полупроводниковых материалов необходимы омические (линейные) контакты.

Омическим (линейным) контактом называют контакт типа металл-полупроводник, сопротивление которого не зависит от приложенного напряжения. Этот контакт, по определению, характеризуется линейной ВАХ, т.е. должен иметь место закон Ома. Теория обычно выдвигает требование, чтобы этот контакт был точечным. Но в точечном контакте возникает контактная разность потенциалов, и он является, в принципе, нелинейным, выпрямляющим.

Таким образом, требование точечности контактов (и связанная с этим требованием тенденция к улучшению разрешающей способности и локальности зондовых методов) в общем случае вступают в противоречие. Разрешение этого противоречия – одна из основных задач практической метрологии полупроводников.

Омические контакты должны обладать следующими основными параметрами:

1. Они должны быть невыпрямляющими, т.е. сопротивление контакта не должно зависеть от направления и силы тока.

Типичные виды ВАХ контакта представлены на рис. 1.7. Реальный омический переход оценивается коэффициентом выпрямления К_в, т.е. отношением прямого тока к обратному при равных значениях приложенного прямого и обратного напряжений. Идеальный омический переход должен иметь К_в =1 (случай а). В случае выпрямления К_в >> 1 (случай б). Но для случая в К_в» 1. Тогда вводится коэффициент нелинейности К_н, т.е. отношение статического сопротивления к дифференциальному при заданном значении постоянной составляющей тока через переход. Идеальный омический переход должен иметь К_н = 1. Итак, надо стремиться к тому, чтобы К_в и К_н были близки к единице.

а – линейная, симметричная ВАХ; б – нелинейная, несимметричная ВАХ; в – нелинейная, симметричная ВАХ.

Рис. 1.7. Типичные ВАХ контакта металл-полупроводник

2. Сопротивление омического перехода должно быть малым по сравнению с полным сопротивлением измеряемого образца.

Иногда вводят понятие удельного сопротивления контакта, исходя из следующих соображений:

(1.28)

где j = I / S.

Величина r_к имеет размерность [Ом×см²].

(1.29)

где S – площадь контакта.

Чем больше S, тем должно быть меньше R_к. Если имеет место обратная зависимость, значит, контакт выпрямляет.

3. Желательно, чтобы скорость рекомбинации носителей заряда на омическом переходе была максимальной.

Явления инжекции, экстракции, эксклюзии, накопления зарядов и проч. могут даже в случае омичности контактов искажать внутреннее электрическое поле в образце и, таким образом, влиять на правильность измерений. Поэтому требуется, чтобы контакт был не только омическим, но и неинжектирующим.

4. Контакт должен быть механически прочным, надежным и стабильным во времени.

5. Шумы в контакте даже при высоких плотностях тока, протекающего через него, должны быть малыми.

Итак, обобщенно: контакт должен быть линейным, неижектирующим, малошумящим, стабильным и обладать минимально возможным электрическим сопротивлением.

По способу фиксации контактов на образце они делятся на прижимные и стационарные.

Прижимные контакты бывают дискретные и скользящие (непрерывные). Для прижимных контактов используют хорошо пружинящие и твердые металлы или сплавы: Wo, сплав ВК6 (Wо + 6%Со) и др. Стационарные контакты отличаются методом их изготовления и подразделяются на: формованные, вплавные, напыленные, электролитические, химически осажденные, термокомпрессионные.

Формованный контакт отличается от прижимного тем, что к нему прикладывается импульс тока, который вызывает пробой приконтактной области, снижающий ее сопротивление и понижающий механическую устойчивость контакта. Более сильный импульс может привести к сварке контакта с полупроводником.

Недостатки формованных и сплавных контактов: относительно невысокая механическая прочность и необратимые изменения структуры образца в приконтактной области.

Вплавные и паянные контакты являются наиболее надежными и высококачественными. Для вплавления и пайки применяют различные сплавы на основе олова. Электродные сплавы должны иметь примеси доноров для кристаллов n-типа и акцепторов – для кристаллов р-типа.

Напыленные контакты больше используют для тех полупроводников, к которым трудно напаять или вплавить контакты, как, например, SiC, A₃B₅, Se, CdS, Cu₂O₃ и т.д. Напыление часто носит вспомогательный характер и предшествует вплавлению или пайке. Обычно напыление производят в хорошем вакууме (10^-5…10^-7 мм рт. ст.) на горячую подложку.

Электролитическое осаждение применяют тогда, когда из-за низкого сопротивления образцов простое напыление не дает слоев с хорошей адгезией. В этом случае полупроводник служит катодом, а осажденный металл – анодом. Чаще всего наносят Ni, Cu, Pd, Zn, Sn, Ro. Однако, эти контакты обладают большими шумами и плохо работают при экстремально высоких и низких температурах.

Химическое осаждение применяют обычно к высокоомным образцам, когда напыление и электролитическое осаждение не позволяет получить сплошную и устойчивую пленку. Чаще всего используют метод высаживания (или цементации) из водных растворов хлоридов осаждаемых металлов (например, PdCl₂). После осаждения хлорида его закрепляют другим раствором, восстанавливающим осадок до металла.

Термокомпрессия. При термокомпрессии тонкая проволочка металла (обычно, это Al, Au, Ag, серебренные или позолоченные проволочки других металлов) прижимается под большим давлением к нагретой поверхности образца. Предварительно на поверхность производится напыление. Достоинство этого метода – возможность получения контактов малой площади и экспрессность.

Качество контактов проверяют с помощью характериографов, позволяющих оценивать величину переходного сопротивления и наблюдать вид ВАХ на экране осциллографа.

Надо иметь ввиду, что в реальном контакте всегда между полупроводником и самим контактом существует переходной рекристаллизованный слой, значительно обогащенный примесями. Кроме того, надо принимать во внимание механические и структурные свойства реальных контактов.

Любой контакт (в т.ч. и прижимной) можно сделать омическим и неижектирующим, если изготовить его в виде массивного тела с большой площадью сечения. Но этот рецепт годится только для токовых контактов. Потенциальные контакты при этом проигрывают в разрешении, да и точность метода (рассчитанного для точечных контактов) снижается.