オーミック接触

オーミック接触

タイプ	繋がり
電子シンボル
1つのオーム接続を持つ半導体領域

オーム接触は非整流性の 電気接合です。オームの法則のように直線的な電流-電圧(I-V) 曲線を持つ 2 つの導体間の接合です。低抵抗のオーム接触は、整流によるブロックや電圧しきい値による過剰な電力消費なしに、2 つの導体間で電荷が両方向に容易に流れるようにするために使用されます。

対照的に、直線的な I-V 曲線を示さない接合または接点は非オーミックと呼ばれます。非オーミック接点には、p-n 接合、ショットキー障壁、整流ヘテロ接合、ブレークダウン接合など、さまざまな形式があります。

一般的に、「オーミック接触」という用語は、金属と半導体のオーミック接触を暗黙的に指します。この場合、オーミック接触抵抗の実現は可能ですが、慎重な技術が必要です。金属間のオーミック接触は、絶縁汚染層、過度の粗さ、または酸化を介在させることなく金属間の直接接触を保証することで、比較的簡単に作成できます。オーミック金属間接合部を作成するために、さまざまな技術が使用されます (はんだ付け、溶接、圧着、堆積、電気メッキなど)。この記事では、金属と半導体のオーミック接触に焦点を当てます。

半導体界面における、低い接触抵抗と線形の I-V 挙動を伴う安定した接触は、半導体デバイスの性能と信頼性にとって非常に重要であり、その準備と特性評価は回路製造における主要な取り組みです。半導体への接合が適切に準備されていないと、接合付近の半導体が空乏化して整流挙動を示しやすくなり、デバイスと外部回路間の電荷の流れがブロックされてデバイスが使用できなくなります。半導体へのオーミック接触は、通常、慎重に選択された組成の金属薄膜を堆積して構築され、その後、半導体と金属の結合を変えるために アニールが行われる場合もあります。

オーミック接触とショットキー障壁はどちらもショットキー障壁の高さに依存しており、これは電子が半導体から金属へ通過するために必要な過剰エネルギーの閾値を設定します。接合が両方向に電子を容易に通過できるようにするには (オーミック接触)、接合面の少なくとも一部の障壁の高さを低くする必要があります。優れたオーミック接触 (低抵抗) を形成するには、障壁の高さをどこでも低くする必要があり、さらにインターフェースが電子を反射しないようにする必要があります。

金属と半導体の間のショットキー障壁の高さは、ショットキー・モット則によって、金属-真空仕事関数と半導体-真空電子親和力の差に比例すると単純に予測される。実際には、ほとんどの金属-半導体界面は、予測された程度までこの法則には従わない。代わりに、半導体結晶の金属に対する化学的終端によって、そのバンドギャップ内に電子状態が生じる。これらの金属誘起ギャップ状態の性質と電子による占有により、バンドギャップの中心がフェルミ準位に固定される傾向があり、この効果はフェルミ準位固定と呼ばれる。したがって、金属-半導体接点におけるショットキー障壁の高さは、ショットキー・モット則とはまったく対照的に、半導体または金属の仕事関数の値にほとんど依存しないことが多い。^[1]異なる半導体は、異なる程度にこのフェルミ準位固定を示すが、技術的な結果として、シリコンやガリウムヒ素などの重要な半導体では、高品質（低抵抗）のオーミック接点を形成するのが通常難しい。

ショットキー・モット則は完全に間違っているわけではありません。実際には、仕事関数の高い金属は p 型半導体との接触が最も良好で、仕事関数の低い金属は n 型半導体との接触が最も良好だからです。残念ながら、実験により、このモデルの予測力はこの記述よりあまり高くないことがわかっています。現実的な条件下では、接触金属が半導体表面と反応して、新しい電子特性を持つ化合物を形成する場合があります。界面の汚染層により、バリアが実質的に広がる可能性があります。半導体の表面が再構築され、新しい電子状態が生じる可能性があります。接触抵抗が界面化学の詳細に依存するため、オーミック接触を再現可能に製造することが非常に困難になっています。

オーミック接点の製造は、材料工学の中でも非常に研究されている分野ですが、それでもまだ一種の芸術です。再現可能で信頼性の高い接点の製造は、半導体表面の極めて高い清浄度に依存します。たとえば、シリコンの表面には自然酸化物が急速に形成されるため、接点の性能は準備の詳細に大きく左右される可能性があります。必要なタイプの接点を確保するために、接点領域は多くの場合、高濃度にドーピングされます。原則として、半導体の接合部付近のドーピングが高ければ、半導体上のオーミック接点はより簡単に形成されます。高濃度ドーピングにより、界面の空乏領域が狭まり、障壁をトンネルすることで、どのようなバイアスでも電子が両方向に容易に流れるようになります。

接点製造の基本的なステップは、半導体表面の洗浄、接点金属の堆積、パターン形成、およびアニーリングです。表面洗浄は、スパッタエッチング、化学エッチング、反応性ガスエッチング、またはイオンミリングによって実行できます。たとえば、シリコンの自然酸化物はフッ化水素酸に浸して除去できますが、GaAs は臭素メタノールに浸して洗浄するのが一般的です。洗浄後、金属はスパッタ堆積、 蒸発、または化学気相成長(CVD) によって堆積されます。スパッタリングは蒸発よりも高速で便利な金属堆積方法ですが、プラズマからのイオン衝撃により表面状態が誘発されたり、表面の電荷キャリアタイプが反転したりすることがあります。このため、より穏やかでありながらも高速な CVD が使用される場合があります。接点の堆積後のアニーリングは、応力を緩和するだけでなく、金属と半導体の間に望ましい反応を誘発するのにも役立ちます。

堆積した金属自体が周囲条件で反応して接点の電気特性を損なう可能性があるため、層構造でオーミック接点を形成するのが一般的です。このとき、半導体と接触する最下層は、オーミック動作を誘発する能力があるものとして選択されます。拡散バリア層は、アニーリング プロセス中に層が混ざるのを防ぐために使用されることがあります。

接触抵抗の測定は4 点プローブを使用して行うのが最も簡単ですが、より正確な測定には伝送線路法を使用するのが一般的です。

アルミニウムはもともと、n 型または p 型半導体で使用されるシリコンの最も重要な接触金属でした。他の反応性金属と同様に、Al は天然の二酸化ケイ素残留物から酸素を消費することで接触形成に貢献します。純粋なアルミニウムはシリコンと反応するため、シリコンをドープしたアルミニウムに置き換えられ、最終的にはその後の高温処理中に拡散しにくいシリサイドに置き換えられました。

チタンタングステンジシリサイドなどのシリコンへの最新のオーミックコンタクトは、通常、 CVD によって作られたシリサイドです。コンタクトは、遷移金属を堆積し、アニールによってシリサイドを形成することによって作られることが多く、その結果、シリサイドは非化学量論的になる可能性があります。シリサイドコンタクトは、化合物を直接スパッタリングするか、遷移金属をイオン注入してからアニールすることによって堆積することもできます。

化合物半導体へのコンタクトの形成は、シリコンの場合よりもかなり困難です。たとえば、GaAs 表面はヒ素を失う傾向があり、金属の堆積によって As 損失の傾向がかなり悪化する可能性があります。さらに、As の揮発性により、GaAs デバイスが許容する堆積後のアニールの量が制限されます。GaAs およびその他の化合物半導体に対する 1 つの解決策は、高濃度ドープ層ではなく、バンドギャップの低い合金コンタクト層を堆積することです。たとえば、GaAs 自体は AlGaAs よりもバンドギャップが小さいため、その表面近くの GaAs 層はオーミック動作を促進できます。一般に、III-VおよびII-VI半導体のオーミック コンタクトの技術は、Si の場合よりも開発がはるかに遅れています。

アクティブマトリックス LCD ディスプレイ、レーザーダイオードや太陽光発電などの光電子デバイスには、透明または半透明の接点が必要です。最も一般的な選択肢は、酸化物雰囲気中で In-Sn ターゲットを 反応性スパッタリングして形成される金属であるインジウムスズ酸化物です。

接触抵抗に関連するRC時定数は、デバイスの周波数応答を制限する可能性があります。リード抵抗の充電と放電は、高クロック レートのデジタル エレクトロニクスにおける電力消費の主な原因です。接触抵抗は、あまり一般的ではない半導体で作られた低周波およびアナログ回路 (太陽電池など) でジュール熱による電力消費を引き起こします。接点製造方法の確立は、あらゆる新しい半導体の技術開発の重要な部分です。接点でのエレクトロマイグレーションと剥離も、電子デバイスの寿命を制限する要因です。

• Sze, SM (1981).半導体デバイスの物理学. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-05661-4。理論とデバイスの影響についての議論。
• ザングウィル、アンドリュー（1988）。表面の物理学。ケンブリッジ大学出版局。ISBN 978-0-521-34752-5。表面状態と再構築の観点から接触にアプローチします。

• Journal of the American Vacuum Society、Thin Solid Films、Journal of the Electrochemical Society は、オーム接触に関する最新の研究を発表するジャーナルです。