ショットキー障壁

ショットキー障壁は、ウォルター・H・ショットキーにちなんで名付けられた、金属と半導体の接合部で形成される電子のポテンシャルエネルギー障壁です。ショットキー障壁は整流特性があり、ダイオードとしての使用に適しています。ショットキー障壁の主な特性の1つは、ショットキー障壁の高さで、Φ _Bで表されます（図を参照）。Φ _Bの値は、金属と半導体の組み合わせによって異なります。^{[1] [2]}

すべての金属-半導体接合が整流ショットキー障壁を形成するわけではありません。ショットキー障壁が低すぎるために整流されずに両方向に電流を伝導する金属-半導体接合は、オーミック接触と呼ばれます。

金属が半導体と直接接触すると、いわゆるショットキー障壁が形成され、電気接触の整流作用が生じる。これは、半導体がn型でその仕事関数が金属の仕事関数よりも小さい場合と、半導体がp型で仕事関数間の逆の関係が成り立つ場合の両方で発生する。^[3]

バンド図形式によるショットキー障壁形成の記述の基礎には、3つの主要な仮定がある。^[4]

1. 金属と半導体の接触は密接でなければならず、他の材料層（酸化物など）が存在してはなりません。
2. 金属と半導体の相互拡散は考慮されません。
3. 2 つの材料の界面には不純物は存在しません。

第一近似では、金属と半導体の間の障壁は、ショットキー・モット則により、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予測されます。孤立した金属の場合、仕事関数は その真空エネルギー（つまり、電子が材料から完全に自由になるために持つ必要のある最小エネルギー）とフェルミエネルギーの差として定義され、指定された金属の不変特性です。 ${\displaystyle \Phi_{M}}$ ${\displaystyle E_{0}}$ ${\displaystyle E_{F}}$

$${\displaystyle \Phi _{M}=E_{0}-E_{F}}$$

一方、半導体の仕事関数は次のように定義されます。

$${\displaystyle \Phi _{S}=\chi +(E_{C}-E_{F})}$$

ここで、電子親和力（真空エネルギーと伝導帯の底部エネルギーの差）は、電子親和力で半導体の仕事関数を説明することは有益です。電子親和力は半導体の不変の基本特性であり、伝導帯とフェルミエネルギーの差はドーピングに依存します。 ${\displaystyle \chi}$${\displaystyle E_{C}}$

2 つの分離された材料が密接に接触すると、フェルミ準位の均等化により、仕事関数の値に応じて、一方の材料からもう一方の材料への電荷の移動が起こります^{[明確化が必要]}。これにより、材料間の界面にいくらかの電荷が集まるため、エネルギー障壁が形成されます。電子の場合、障壁の高さは、金属の仕事関数と半導体の電子親和力の差として簡単に計算できます。 ${\displaystyle \Phi _{B_{n}}}$

$${\displaystyle \Phi _{B_{n}}=\Phi _{M}-\chi }$$

正孔の障壁の高さは、半導体のエネルギーギャップと電子のエネルギー障壁の差に等しくなります。

$${\displaystyle \Phi _{B_{p}}=E_{\text{ギャップ}}-\Phi _{B_{n}}}$$

実際には、仕事関数の値に関係なく、荷電界面状態がフェルミ準位を特定のエネルギー値に固定し、両方のキャリアの障壁の高さに影響を与える可能性があります。 これは、半導体結晶を金属に対して化学的に終端すると、バンドギャップ内に電子状態が生成されるという事実によるものです。 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の固定として知られています。 したがって、金属-半導体接点のショットキー障壁の高さは、ショットキー-モット則とは大きく対照的に、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よくあります。^[5]異なる半導体は異なる程度にこのフェルミ準位の固定を示しますが、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オーミック接点を形成するのが通常困難です。 非オーミック接点は電流の流れに対して寄生抵抗を示し、エネルギーを消費してデバイスのパフォーマンスを低下させます。

整流性ショットキー障壁では、障壁は十分に高いため、界面近くの半導体に空乏領域が存在する。これにより、小さな電圧バイアスが印加されると、障壁の抵抗が大きくなる。大きな電圧バイアス下では、障壁を流れる電流は、ショットキー障壁が金属のフェルミ準位に対して固定されているという事実と相まって、熱電子放出の法則によって基本的に支配される。 ^[6]

• 順方向バイアスでは、熱的に励起された電子が半導体内に多数存在し、障壁を通過できます。これらの電子が障壁を通過すると (電子が戻ってくることなく)、反対方向の電流が発生します。電流はバイアスとともに急速に増加しますが、バイアスが高いと半導体の直列抵抗によって電流が制限され始めることがあります。
• 逆バイアスでは、金属内の熱励起電子の一部が障壁を乗り越えるのに十分なエネルギーを持っているため、わずかな漏れ電流が発生します。第一近似では、この電流は一定であるはずです（ショックレーのダイオード方程式のように）。ただし、弱い障壁の低下により、逆バイアスとともに電流は徐々に増加します（真空ショットキー効果に似ています）。非常に高いバイアスでは、空乏領域が破壊されます。

注: 上記の説明はn型半導体のショットキー障壁に関するものですが、同様の考慮事項がp型半導体にも当てはまります。

電流と電圧の関係はpn接合の場合と質的には同じですが、物理的なプロセスは多少異なります。^[7]

熱電子放出は次のように定式化できる。^[要出典]

$${\displaystyle J_{th}=A^{**}T^{2}e^{-{\frac {\Phi _{B_{n,p}}}{k_{b}T}}}{\biggl (}e^{\frac {qV}{k_{b}T}}-1{\biggr )}}$$

トンネル電流密度は、三角形状の障壁（WKB近似を考慮）の場合、次のように表すことができます。^{[引用が必要]}

$${\displaystyle J_{T_{n,p}}={\frac {q^{3}E^{2}}{16\pi ^{2}\hbar \Phi _{B_{n,p}}} }e^{\frac {-4\ファイ _{B_{n,p}}^{3/2}{\sqrt {2m_{n,p}^{*}}}}{3q\hbar E}}}$$

両方の式から、電流の寄与は電子と正孔の両方の障壁の高さに関係していることは明らかです。n キャリアと p キャリアの両方に対称的な電流プロファイルが必要な場合は、障壁の高さは理想的には電子と正孔に対して同一でなければなりません。

_ΦBが半導体のバンドギャップのかなりの部分を占める非常に高いショットキー障壁の場合、順方向バイアス電流は半導体内の少数キャリアとしてショットキー障壁の「下」を流れる可能性がある。 ^[8]

この例は、点接触トランジスタに見られます。

ショットキーダイオードは、整流特性を持つ単一の金属半導体接合です。ショットキーダイオードは、高効率DC電源など、順方向電圧降下が低いことが求められる場合に最適なダイオードです。また、多数キャリア伝導メカニズムのため、ショットキーダイオードはp-n接合ダイオードよりもスイッチング速度が速く、高周波信号の整流に適しています。

2 番目の半導体/金属界面と、両方の接合部が重なるゲート スタックを導入すると、ショットキー障壁電界効果トランジスタ (SB-FET) が得られます。ゲートはチャネル内のキャリア注入を制御し、界面でのバンド ベンディング、つまりショットキー障壁の抵抗を調整します。一般に、電流の最も抵抗が大きい経路はショットキー障壁によって表されるため、トランジスタがオンになっているときにチャネル自体は伝導に大きく寄与しません。この種のデバイスは両極性動作をします。これは、両方の接合部に正の電圧が印加されると、バンドダイアグラムが下向きに曲げられ、直接トンネル効果によりソースからドレインへの電子電流 (常に電圧の存在が暗示される) が可能になるためです。反対に、両方の接合部に負の電圧が印加されると、バンド ダイアグラムが上向きに曲げられ、正孔が注入されてドレインからソースに流れるようになります。ゲート電圧を 0 V に設定すると、トンネル電流が抑制され、熱電子イベントによる低電流のみが有効になります。このようなデバイスの主な制限の 1 つは、この電流の存在に強く関連しており、この電流によってデバイスを適切にオフにすることが困難になります。このようなデバイスの明らかな利点は、チャネルドーピングが不要で、イオン注入や高温アニールなどの高価な技術手順を回避できるため、熱予算を低く抑えられることです。ただし、ドレインとゲート間の電圧差によるバンド ベンディングによって、デバイスを適切にオフにできないほど多くのキャリアが注入されることがよくあります。また、ショットキー コンタクトの固有抵抗によるオン電流が低いことは、この種のデバイスに特有の問題であり、接合領域の制御が難しいため、拡張性が非常に困難で信頼性が低いのと同じです。 ${\displaystyle V_{DS}}$

ベースとコレクタの間にショットキー障壁を持つバイポーラ接合トランジスタは、ショットキートランジスタと呼ばれます。ショットキー障壁の接合電圧が小さいため、トランジスタの飽和が防止され、スイッチとして使用した場合の速度が向上します。これが、ショットキーおよびアドバンストショットキーTTLファミリ、およびそれらの低電力バリアントの基礎となっています。

MESFETまたは金属半導体FET は、逆バイアス ショットキー バリアを使用して、半導体内に埋め込まれた導電チャネルをピンチオフする空乏領域を提供します (代わりにp-n 接合が空乏領域を提供するJFETに似ています)。このデバイスのバリエーションは高電子移動度トランジスタ(HEMT) で、これもヘテロ接合を使用して非常に高い伝導性を備えたデバイスを提供します。

ショットキーバリアカーボンナノチューブ FET は、金属とカーボンナノチューブ間の非理想的な接触を利用してショットキーバリアを形成し、独自の機械的および電子的特性を持つ極めて小型のショットキーダイオード、トランジスタ、および同様の電子デバイスの製造に使用できます。

ショットキー障壁は半導体の特性評価にも使用できます。ショットキー障壁の空乏領域では、ドーパントがイオン化されたままになり、「空間電荷」を生じ、これが接合部の静電容量を生じさせます。金属と半導体の界面と空乏領域の反対側の境界は、2 つのコンデンサ プレートのように機能し、空乏領域は誘電体として機能します。接合部に電圧を印加すると、空乏幅と静電容量を変化させることができ、静電容量電圧プロファイリングに使用されます。電圧の変化に対する静電容量の応答速度を分析すると、ドーパントやその他の欠陥に関する情報を取得できます。この技術は、深準位過渡分光法として知られています。

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