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固体物理学 において、金属-半導体（M-S）接合は、金属が半導体材料と密接に接触する電気接合の一種です。これは、最も古いタイプの実用的な半導体デバイスです。M-S接合は、整流性または非整流性のいずれかになります。整流性の金属-半導体接合はショットキー障壁を形成し、ショットキーダイオードと呼ばれるデバイスになります。一方、非整流性の接合はオーミック接触と呼ばれます。[ 1 ] （対照的に、今日最も一般的な半導体デバイスである整流性の半導体-半導体接合は、p-n接合として知られています。）
金属と半導体の接合は、すべての半導体デバイスの動作に不可欠です。通常、トランジスタの活性領域と外部回路との間で電荷が容易に伝導されるように、オーミック接触が望まれます。しかし、ショットキーダイオード、ショットキートランジスタ、金属-半導体電界効果トランジスタのように、ショットキー障壁が有用な場合もあります。
金属と半導体の接合部がオーミック接触になるかショットキー障壁になるかは、接合部のショットキー障壁高さΦBによって決まります。ショットキー障壁高さが十分に大きい場合、つまりΦBが熱エネルギーkTよりもかなり高い場合、半導体は金属付近で空乏化し、ショットキー障壁として振る舞います。シリコンなどの材料の場合、これは通常0.4 eVから0.7 eVの間です。ショットキー障壁高さが低い場合、半導体は空乏化せず、代わりに金属とオーミック接触を形成します。
ショットキー障壁の高さは、n型半導体とp型半導体で定義が異なります（それぞれ伝導帯端と価電子帯端から測定されます）。接合部付近の半導体のバンドの配置は通常、半導体のドーピング濃度に依存しないため、n型とp型のショットキー障壁の高さは理想的には次の関係式で表されます。
ここで、E gは半導体のバンドギャップである。
実際には、ショットキー障壁の高さは界面全体で厳密には一定ではなく、界面表面全体で変化する。[ 2 ]
ショットキー障壁形成に関するショットキー・モット則は、ウォルター・H・ショットキーとネビル・モットにちなんで名付けられ、金属の真空仕事関数と半導体の真空電子親和力（または真空イオン化エネルギー）の比に基づいてショットキー障壁の高さを予測する。
このモデルは、真空中で2つの材料を接触させるという思考実験に基づいて導き出されたものであり、論理的には半導体-半導体接合に関するアンダーソンの法則と密接に関連している。異なる半導体は、ショットキー-モットの法則をさまざまな程度で遵守する。[ 5 ]
ショットキー・モットモデルは半導体におけるバンド曲がりの存在を正しく予測しましたが、実験的にはショットキー障壁の高さに関して著しく誤った予測を与えることがわかりました。「フェルミ準位ピンニング」と呼ばれる現象により、有限の状態密度が存在するバンドギャップのある点がフェルミ準位に固定（ピン留め）されます。これにより、ショットキー障壁の高さは金属の仕事関数にほとんど影響されなくなります。[ 5 ]
ここで、Eバンドギャップは半導体のバンドギャップの大きさを表す。
実際、経験的に、上記のどちらの極端な結果も完全に正しいとは言えないことがわかっています。金属の選択は確かに影響を及ぼし、金属の仕事関数と障壁高さの間には弱い相関関係があるようですが、仕事関数の影響はショットキー・モット則によって予測される影響のほんの一部にすぎません。[ 6 ]： 143
1947年にジョン・バーディーンは、半導体の界面に半導体のバンドギャップ内にエネルギーを持つ電荷状態が存在する場合、フェルミ準位のピン止め現象が自然に発生することを指摘した。これらの状態は、金属と半導体の直接的な化学結合中に誘起される（金属誘起ギャップ状態）か、半導体と真空の界面に既に存在する（表面状態）かのいずれかである。これらの高密度の表面状態は、金属から供与された大量の電荷を吸収することができ、半導体を金属の詳細から効果的に遮蔽する。その結果、半導体のバンドは、表面状態に対して必然的に位置合わせされ、表面状態は（高密度のため）フェルミ準位にピン止めされる。これらはすべて金属の影響を受けない。[ 4 ]
フェルミ準位のピン止め効果は、多くの商業的に重要な半導体（Si、Ge、GaAs）で強く、[ 5 ]そのため半導体デバイスの設計において問題となることがあります。例えば、価電子帯端が金属のフェルミ準位に強くピン止めされているため、ほぼすべての金属はn型ゲルマニウムに対して大きなショットキー障壁を形成し、 p型ゲルマニウムに対してはオーミック接触を形成します。 [ 7 ]この柔軟性の欠如を解決するには、バンドのピン止めを解除するために中間絶縁層を追加するなどの追加のプロセス工程が必要です。（ゲルマニウムの場合、窒化ゲルマニウムが使用されています[ 8 ]）
金属と半導体の接点の整流特性は、1874年にフェルディナント・ブラウンが硫化銅と硫化鉄の半導体と接触させた水銀金属を用いて発見した。[ 9 ]サー・ジャガディッシュ・チャンドラ・ボースは1901年に金属半導体ダイオードの米国特許を申請し、1904年に特許が付与された。
GW ピカードは1906 年にシリコンを使用した点接触整流器の特許を取得しました。1907 年に、ジョージ W. ピアースはPhysical Reviewに、多くの半導体上に多くの金属をスパッタリングして作られたダイオードの整流特性を示す論文を発表しました。 [ 10 ]金属-半導体ダイオード整流器の使用は、 1926 年にリリエンフェルドが 3 つのトランジスタ特許の最初の特許で、金属-半導体電界効果トランジスタのゲートとして提案しました。[ 11 ]金属/半導体ゲートを使用した電界効果トランジスタの理論は、 1939 年にウィリアム ショックレーによって提唱されました。
電子機器への応用における金属-半導体ダイオードの初期のものは、受信機で猫のひげ整流器が使用された1900年頃に登場しました。[ 12 ]これらは、先端または先端が方鉛鉱（硫化鉛）結晶の表面に押し付けられた、尖ったタングステン線（猫のひげの形）で構成されていました。最初の大面積整流器は1926年頃に登場し、銅基板上に熱成長させた酸化銅(I)半導体で構成されていました。その後、セレン膜が大きな金属基板上に蒸着され、整流ダイオードが形成されました。これらのセレン整流器は、電力用途で交流を直流に変換するために使用されました（そして現在も使用されています）。1925年から1940年の間に、UHF帯域のマイクロ波を検出するために、シリコン結晶ベースに接触した尖ったタングステン金属線で構成されるダイオードが研究室で製造されました。第二次世界大戦中、点接触整流器の結晶基盤として高純度シリコンを製造する計画は、 1942年にフレデリック・ザイツによって提案され、 E.I.デュポン・ド・ヌムール社の実験ステーションによって成功裏に実施された。
金属-半導体接合の整流方向を正しく予測した最初の理論は、1939年にネビル・モットによって提唱されました。彼は、半導体表面空間電荷層を通る多数キャリアの拡散電流とドリフト電流の両方について解を見出しました。この層は、1948年頃からモット障壁として知られています。ウォルター・H・ショットキーとスペンケは、半導体表面層全体で密度が空間的に一定であるドナーイオンを含めることで、モットの理論を拡張しました。これにより、モットが仮定した一定の電界が、線形に減衰する電界に変わりました。金属の下にあるこの半導体空間電荷層は、ショットキー障壁として知られています。同様の理論は、 1939年にダビドフによっても提案されました。この理論は整流方向を正しく示しますが、モット理論とそのショットキー-ダビドフ拡張は、シリコン金属/半導体ダイオード整流器において、誤った電流制限機構と誤った電流-電圧式を与えることも証明されています。正しい理論はハンス・ベーテによって開発され、1942年11月23日付のMIT放射線研究所報告書に彼によって報告された。ベーテの理論では、電流は金属-半導体電位障壁を越える電子の熱電子放出によって制限される。したがって、ショットキー理論は現代の金属-半導体ダイオードの特性を正しく予測しないため、金属-半導体ダイオードの適切な名称はショットキーダイオードではなくベーテダイオードであるべきである。[ 13 ]
ブラウンが行ったように、水銀の液滴を半導体（例えばシリコン）の上に置いてショットキーダイオードの電気的構成でショットキー障壁を形成することで金属-半導体接合が形成されると、電圧の増加に伴って液滴が広がる電気湿潤が観察される。半導体のドーピングの種類と密度に応じて、液滴の広がりは水銀液滴に印加される電圧の大きさと符号に依存する。[ 14 ]この効果は「ショットキー電気湿潤」と呼ばれ、電気湿潤と半導体効果を効果的に結びつけている。[ 15 ]
1953年から1958年にかけて、フラーとディッツェンバーガーはシリコンへの不純物の拡散に関する研究を行った。[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] 1956年には、ミラーとサベージが結晶シリコン中のアルミニウムの拡散を研究した。[ 20 ]
最初のシリコン酸化物ゲートトランジスタは、1957年にベル研究所のフロッシュとデリックによって発明されました。[ 21 ] 1956年、リチャード・ベイカーは、トランジスタの飽和を防ぐためのいくつかの個別ダイオードクランプ回路について説明しました。[ 22 ]これらの回路は現在、ベイカークランプとして知られています。これらのクランプ回路の1つは、ショットキートランジスタと同じ回路構成でシリコントランジスタをクランプするために単一のゲルマニウムダイオードを使用しました。[ 22 ] : 11、30この回路は、 ゲルマニウムダイオードがシリコンダイオードよりも低い順方向電圧降下を持つことに依存していました。
ショットキーダイオード（ショットキーバリアダイオードとも呼ばれる）は長年理論的に研究されてきたが、1960年から1961年にかけてのアタラとカンの研究の結果として初めて実用化された。[ 23 ] [ 24 ]彼らは1962年に研究成果を発表し、そのデバイスを半導体金属エミッタを備えた「ホットエレクトロン」三極管構造と呼んだ。[ 25 ]これは最初の金属ベーストランジスタの1つであった。[ 26 ]アタラはHPアソシエイツでロバート・J・アーチャーと共にショットキーダイオードの研究を続けた。彼らは高真空金属膜堆積技術を開発し[ 27 ] 、安定した蒸着/スパッタリング接点を作製し[ 28 ] [ 29 ] 、 1963年1月にその成果を発表した[ 30 ]。彼らの研究は金属-半導体接合[ 28 ]およびショットキー障壁の研究における画期的なものであり、点接触ダイオードに内在する製造上の問題のほとんどを克服し、実用的なショットキーダイオードの作製を可能にした[ 27 ] 。
1967年、ベル研究所のロバート・カーウィン、ドナルド・クライン、ジョン・サラスは、アルミニウムゲートを多結晶シリコン層に置き換える方法を特許取得した。[ 31 ] [ 32 ]
{{cite book}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
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