Тема 2
Барьер Шоттки. Свойства и применение в конструкциях СВЧ
полупроводниковых приборов.
Исследование выпрямляющих свойств контактов между металлом и
полупроводником началось ещё во второй половине 19 века. Практическое
использование выпрямляющих свойств точечного контакта началось с 1904г.
при производстве кристаллических детекторов. В 1931 г. Вильсон построил
теорию переноса заряда в полупроводниках, основанную на зонной теории
твёрдых тел. Впоследствии эта теория была применена к контактам металл –
полупроводник.
В
1938
предположение,
что
г.
немецкий
потенциальный
учёный
барьер
Шоттки
создаётся
высказал
неподвижным
пространственным зарядом в полупроводнике, а не за счёт возникновения
между металлом и полупроводником промежуточного химического слоя.
Такой барьер называют барьером Шоттки (или переходом Шоттки, или
контактом Шоттки). Таким образом, контакту Шоттки можно дать
следующее определение.
Переходный
слой,
в
котором
существует
контактное
(или
диффузионное) электрическое поле и который образован в результате
контакта между металлом и полупроводником называют переходом Шоттки.
Барьеры Шоттки очень часто применяются в конструкциях различных
полупроводниковых приборов, особенно в СВЧ диапазоне и поэтому они
исследованы достаточно подробно.
Образование
переходов
Шоттки
при
контакте
металла
с
полупроводником
При непосредственном контакте металла с полупроводником уровни
Ферми этих материалов при термодинамическом равновесии должны
совпадать. Рассмотрим два предельных случая. На, рисунке 1 а) показаны
1
энергетические
диаграммы
для
идеального
контакта
металла
с
полупроводником n-типа при отсутствии поверхностных состояний.
а)
б)
Рисунок 1 – Зонные энергетические диаграмм контактов металл –
полупроводник (работа выхода из металла больше чем из полупроводника)
На первом слева рисунке металл и полупроводник не приведены в
соприкосновение и находятся в термодинамическом равновесии. Если затем
их электрически соединить (на рисунке показано развитие этого процесса,
расстояние δ между металлом и полупроводником постепенно уменьшается)
то из полупроводника в металл перетечёт некоторый заряд и установиться
термодинамическое равновесие. При этом уровни Ферми обоих материаллов
сравняются, т.е. уровень Ферми в полупроводнике понизиться относительно
уровня Ферми металла на величину, равную разности соответствующих
работ выхода.
Работой выхода называется разность энергий между уровнем вакуума и
уровнем Ферми. Для металла эта величина составляет qφm (умножаем на
заряд электрона q для того, что бы получить энергетические единицы – эВ,
2
не забываем, что φm измеряется в вольтах). А в полупроводнике она равна
q(χ + Vn), где qχ – электронное сродство, т.е. разность между энергией дна
зоны проводимости Ec и уровнем вакуума, а Vn – положение уровня Ферми в
полупроводнике n-типа проводимости. Разность qφm - q(χ + Vn) называется
контактной разностью потенциалов. По мере уменьшения расстояния δ
отрицательный заряд на поверхности металла увеличивается. При этом в
полупроводнике образуется равный ему по величине положительный заряд.
Вследствие
относительно
низкой
концентрации
носителей
этот
положительный заряд распределён в некоторой области вблизи поверхности
полупроводника.
Когда
расстояние
δ
становиться
сравнимым
с
межатомными расстояниями и зазор становиться проницаемым для
электронов, имеет место первый предельный случай (справа, на рисунке 1
а)). Очевидно, что высота барьера в этом предельном случае равна разности
между работой выхода металла и электронным сродством полупроводника:
qφBn = q(φm – χ)
(1)
При идеальном контакте между металлом и полупроводником p-типа высота
барьера qφBp, определяется аналогичным выражением:
qφBp = Eg – q(φm – χ)
(2)
Для данного полупроводника и любого металла сумма высот барьеров на
образцах n- и p-типа должна, таким образом, быть равна ширине
запрещённой зоны, т.е.:
Eg = q(φBp + φBn)
(3)
Второй предельный случай, когда на поверхности полупроводника
имеется большая плотность поверхностных состояний, показан на рисунке 1
б). На первом рисунке слева, показана ситуация, соответствующая
равновесию между поверхностными состояниями и объёмными состояниями
полупроводника при отсутствии термодинамического равновесия между
3
металлом и полупроводником. Поверхностные состояния в этом случае
заполнены вплоть до уровня Ферми EF. Когда система металл –
полупроводник приходит в равновесие, уровень Ферми полупроводника
понижается относительно уровня Ферми металла на величину, равную
контактной разности потенциалов, в результате чего в зазоре δ возникает
электрическое поле. Если плотность поверхностных состояний достаточно
велика и «принимает» на себя весь дополнительный положительный заряд,
возникающий по мере уменьшения δ, без заметного сдвига уровня
заполнения EF, то величина пространственного заряда в полупроводнике
остаётся прежней. Т.е. в этом случае высота барьера определяется
свойствами поверхности полупроводника и не зависит от работы выхода
металла.
Эта ситуация на практике типична для соединений A3В5 у которых на
формирование
барьеров
Шоттки
определяющее
влияние
оказывают
приповерхностные дефекты кристаллической структуры, образующиеся при
нанесении металла. На рисунке 2 показано положение уровня Ферми на
поверхности для контактов некоторых металлов с GaAs. Видно, что
положение уровня Ферми на поверхности арсенида галлия не зависит от типа
металла.
Рисунок 2 – Положение уровня Ферми на поверхности раздела GaAs c
некоторыми металлами
Интересно отметить, что на окисленной поверхности уровень Ферми на
границе с окислом локализован примерно при той же энергии, что и на
4
границе с металлом. Такая фиксация уровня Ферми на поверхности
называется пинингом (закреплением) и объясняет тот факт, что для
большинства полупроводников А3В5 высот барьера слабо зависит от работы
выхода металла (т.е. от конкретного металла, на основе которого создаётся
барьер Шоттки).
Зонные
энергетические
диаграммы
контактов
металла
с
полупроводниками n- и p- типов при разных смещениях показаны на рисунке
3
а) термодинамическое равновесие;
б) прямое смещение;
в) обратное смещение.
Рисунок 3 – Зонные энергетические диаграммы контактов метала с
полупроводниками n- и p-типов проводимости при разный смещениях
5
Основные свойства барьеров Шоттки
1 Вольт-амперная характеристика барьера Шоттки
Перенос заряда через контакт металл – полупроводник осуществляется
главным образом основными носителями в обличии от p-n переходов, где
электрический ток обусловлен неосновными носителями. На рисунке 4
показаны четыре основных транспортных процесса при прямом смещении
перехода Шоттки (при отрицательном смещении имеют место обратные
процессы)
1 – надбарьерный перенос;
2 – квантово-механическое туннелирование;
3 – рекомбинация в ОПЗ (процесс аналогичный рекомбинации в p-n
переходе;
4 – инжекция дырок из металла в полупроводник (процесс аналогичный
рекомбинации в нейтральном объёме).
Рисунок 4 – Процессы переноса через контакт металл - полупроводник
при прямом смещении
ВАХ идеализированного барьера Шоттки для умеренно легированных
полупроводников, без учёта сопротивления слаболегированных областей
полупроводниковой структуры, описывается следующим выражением
6
𝑱 = 𝑱𝒔 ∗ [𝒆𝒙𝒑 (
𝒒𝑼
) − 𝟏]
𝒏𝒌𝑻
(4)
где: 𝑱𝒔 – ток насыщения;
𝑼 – напряжение;
𝒏 – фактор (коэффициент, показатель) неидеальности.
Ток насыщения определяется, как:
𝑱𝒔 = 𝑨∗∗ 𝑻𝟐 𝒆𝒙𝒑 (−
𝒒𝝋𝒃𝟎
)
𝒌𝑻
(5)
где: 𝑨∗∗ – эффективная постоянная Ричардсона, А/(см2·К2),
(например, для GaAs n-типа 𝑨∗∗ = (8,2-8,6) А/(см2·К2);
𝝋𝒃𝟎 – высота барьера при нулевом смещении;
ВАХ перехода Шоттки (так же как и ВАХ p-n перехода), для большей
информативности,
обычно
представляется
не
в
линейном,
а
в
а)
и
полулогарифмическом масштабе и имеет следующий характерный вид.
б)
а)
Рисунок
5
–
ВАХ
перехода
Шоттки
в
линейном
полулогарифмическом масштабе б)
Фактор неидеальности барьера Шоттки 𝒏 это безразмерная величина и
её значение обычно находится в диапазоне от 1,02 до 1,2. Этот параметр,
сравнительно легко определяется в ходе анализа экспериментальных ВАХ, и
в какой-то мере, фактор неидеальности можно рассматривать, как
интегральный показатель качества перехода Шоттки. Он определяет наклон
7
графика
ВАХ
перехода
Шоттки
при
прямом
смещении
в
полулогарифмическом масштабе, рисунок 6.
Рисунок 6 – Прямые ВАХ переходов Шоттки с разными значениями
фактора неидеальности
Значение фактора неидеальности можно определить с помощью следующего
выражения 6, которое непосредственно выводится из формулы 4
𝒏=
𝒒
𝒅𝑼
∗
𝒌𝑻 𝒅(𝒍𝒏 𝑱)
(6)
Так же анализ ВАХ перехода Шоттки позволяет одним из методов
определить высоту его барьера. Для этого необходимо определить при
помощи линейной экстраполяции прямой ВАХ к U=0В плотность тока
насыщения Js, и при помощи следующего выражения 7 определить высоту
барьера.
𝝋𝑩𝒏
𝒌𝑻
𝑨∗∗ 𝑻𝟐
=
∗ 𝑳𝒏 (
)
𝒒
𝑱𝒔
(7)
На рисунке 7 приведён экспериментальный график прямой ВАХ барьера
Шоттки
алюминий
-
GaAs
n-типа
(эпитаксиальный
слой)
в
полулогарифмическом масштабе. Экстраполяция зависимости к U = 0 В
позволяет найти плотность тока насыщения, которая равна – 1,35·10-7 А/см2.
8
Рисунок 7 – Прямая ВАХ барьера Шоттки Al / n-GaAs
Значение высоты барьера, определённое по формуле 7, равно 0,83 В.
2 Ёмкость перехода Шоттки
Ёмкость перехода Шоттки определяется с помощью следующего
выражения (оно совпадает с формулой по которой определяется ёмкость
резкого несимметричного p-n перехода):
𝒒𝜺𝜺𝟎 𝑵
𝑪уд = √
.
𝟐(𝝋𝒃𝟎 − 𝑼)
(7)
Уравнение 7 можно переписать в виде:
𝑵=
𝟐
−
𝒒𝜺𝜺𝟎
[
𝟏
(8)
𝒅 (𝟏⁄ 𝟐 )
𝑪уд
]
𝒅𝑼
Из выражения 7 следует, что если концентрация N постоянна во всей области
обеднённого слоя, то на графике зависимости 𝟏⁄𝑪𝟐 от U мы получим прямую
уд
линию.
9
Рисунок 8 – Зависимость 𝟏⁄𝑪𝟐 от напряжения смещения для перехода
уд
Шоттки сформированного к полупроводниковому слою с постоянным
уровнем легирования
Кроме того, анализ ВФХ барьеров Шоттки позволяет производить
измерение их высоты ещё одним методом. При экстраполяции ВФХ,
построенной в координатах (𝟏⁄𝑪𝟐 ) от U, рисунок 8, отрезок, отсекаемый ею
уд
на оси положительных напряжений соответствует значению высоты барьера.
Если концентрация примеси N не постоянна, то, измеряя дифференциальную
ёмкость, можно с помощью уравнения 8 определить профиль легирования.
Для примера, на рисунке 9 приведена экспериментальная ВФХ
перехода Шоттки, прямая ВАХ которого показана на рисунке 7.
Рисунок 9 – ВФХ перехода Шоттки Al / n-GaAs
Результаты определения профиля легирования эпитаксиального слоя GaAs,
который был получен при помощи расчёта по формуле 8, показан на
следующем рисунке 10.
10
Рисунок 10 – Расчётное распределения примеси (Si) в эпитаксиальном
арсенид-галлиевом слое
Применение барьеров Шоттки в технологии и конструкциях
СВЧ полупроводниковых приборов
Переходы Шоттки очень широко используются в конструкциях СВЧ
полупроводниковых приборов, особенно на основе соединений А3В5. Это
обусловлено рядом их уникальных свойств и сравнительной простотой
технологии формирования. В рамках настоящего курса мы рассмотрим
только наиболее важные приборные применения, такие как:
- СВЧ диоды Шоттки;
- интегральные СВЧ конденсаторы на основе переходов Шоттки;
- СВЧ полевые транзисторы с затвором в виде барьера Шоттки.
СВЧ диоды Шоттки
СВЧ диоды Шоттки находят самое широкое применение в радиоэлектронике.
Их высокое быстродействие обусловлено физическими процессами при
протекании тока через выпрямляющий контакт между металлом и
полупроводником. А именно тем, что в это случае можно пренебречь
инжекцией дырок в полупроводник, т.е. электрический ток через переход
Шоттки образован основными носителями заряда. Следствием этого будет
то, что в диодах Шоттки отсутствует накопление и последующее
11
рассасывание неосновных носителей заряда (это сравнительно медленный
процесс),
соответственно
диоды
Шоттки
не
обладают
паразитной
диффузионной ёмкостью. Так же важным свойством диодов Шоттки
является меньшая высота потенциального барьера между металлом и
полупроводником (более того, высоту барьера можно технологически
регулировать)
и
следовательно,
меньшее
падение
напряжения
на
прямосмещённом переходе. Это особенность крайне важна для, например,
детекторных диодов.
СВЧ
диоды
Шоттки
изготавливаются
на
основе
различных
полупроводниковых материалов. Наиболее широкое применение на практике
находят кремниевые и арсенид-галлиевые диоды. Диоды Шоттки могут
иметь самую различную конструкцию, которая в основном зависит от того,
является он дискретным или интегральным.
Дискретные диоды Шоттки, в подавляющем большинстве случаев
имеют вертикальную структуру (т.е. электрический ток в диоде от анода к
катоду протекает вертикально), изготавливаются на основе эпитаксиального
слоя (или системы эпитаксиальных слоёв) который выращивается на n+ подложке. Для уменьшения последовательного паразитного сопротивления
пластина с изготовленными диодами сошлифовывается с обратной стороны
(обычно до толщины 100 мкм). Конструкция простейшего вертикального
диода Шоттки показана на рисунке 11.
Рисунок 11 – Конструкция вертикального диода Шоттки
(На рисунке 11, граница раздела между металлизацией анода (в
данном случае это обратная сторона кристалла) и полупроводником
нарисована не «ровной». Это сделано для того что бы подчеркнуть то
12
обстоятельство, что омические контакты к полупроводникам А3В5 в
большинстве случаев – вжигаемые. А при этом, фронт вплавления может
быть существенно неоднородным.)
Следует отметить, что СВЧ диоды с конструкцией показанной на
рисунке 11 очень редко применяются на практике, из-за невысоких значений
пробивных напряжений, повышенных обратных токов перехода Шоттки и не
самой лучшей стабильности и надёжности. В настоящее время разработано
большое количество конструкций активной области диода Шоттки,
улучшающих форму ОПЗ и позволяющих избавиться от всех указанных
выше недостатков [1]. Некоторые из них, приведены на рисунке 12.
а)
Диод
Шоттки
пассивацией
с
мезой
и
поверхности
кристалла.
б)
Диод Шоттки
кольцами
с охранными
и
пассивацией
поверхности кристалла.
в)
Диод
Шоттки
электродом
и
с
полевым
пассивацией
поверхности кристалла.
Рисунок 12 – Конструкции активных областей дискретны СВЧ диодов
Шоттки
13
Дискретные СВЧ диоды Шоттки могут производится как в корпусном,
так и бескорпусном исполнении, причём, наиболее быстродействующие
диоды – бескорпусные. Это связано с тем, что корпус полупроводникового
прибора
всегда
обладает
паразитной
ёмкостью,
индуктивностью
и
сопротивлением, которые могут существенно ухудшать работу в СВЧ
диапазоне. Поэтому для корпусирования СВЧ полупроводниковых приборов
разрабатываются специальные корпуса.
Подключение (монтаж, сборка) бескорпусного СВЧ диода Шоттки к
линии передачи может производиться различными способами. На рисунке 13
показана наиболее простая схема монтажа, при которой кристалл диода
монтируется на металлическое (в большинстве случаев заземлённое)
основание при помощи: припоя, токопроводящего клея или эвтектического
сплава, а затем, соединяется с линией передачи проволочным проводником
(золотой проволочкой, диаметром (20-40) мкм).
Рисунок 13 – Схема монтажа кристалла СВЧ диода Шоттки в СВЧ
линию передачи
Основным
недостатком
этого
способа
сборки
будет
наличие
паразитной индуктивности проволочного проводника (Lпар), даже не смотря
на то, что принимаются все меры по её уменьшению (замена проволоки на
ленту, максимальное уменьшение длины проволоки и т.д.). Поэтому, для
устройств работающих в миллиметровом диапазоне, (fраб > 30 ГГц))
применяются диоды Шоттки особой конструкции, сборка которых, может
14
производиться
без
применения
проволочных
проводников
вносящих
достаточно большую паразитную индуктивность.
Это диоды, монтаж которых в СВЧ устройство производиться при
помощи технологии обратного монтажа (метод перевёрнутого кристалла или
flip chip-метод), рисунки 14 и 15 или СВЧ диоды с балочными выводами,
рисунок 16.
Рисунок 14 – Схема сборки СВЧ диода Шоттки методом обратного
монтажа
Как видно из рисунка 14, при подключении диода Шоттки методом
обратного монтажа к СВЧ линии передачи длина соединительных элементов
конструкции – минимальна, а следовательно, минимальна последовательная
паразитная индуктивность.
а)
б)
а) топология СВЧ диода Шоттки, б) общий вид кристаллов СВЧ диодов предназначенных
для сборки методом обратного монтажа
Рисунок 15 – Кристаллы СВЧ диодов Шоттки
15
СВЧ диоды Шоттки с балочными выводами, рисунок 16, так же
обладают минимальными паразитными элементами. Они предназначены,
главным образом, для монтажа диода не в полосковую линию передачи, а в
СВЧ волновод.
Рисунок 16 – Различные СВЧ диоды Шоттки с балочными выводами
Важно отметить, что технология сборки и конструкция СВЧ диодов
Шоттки, показанных на рисунках 15 и 16 – сложна, и на практике её следует
применять только в технически обоснованных случаях.
Интегральные диоды Шоттки, как правило, имеют горизонтальную
структуру, рисунок 17.
(ОК-омический контакт (катод диода), Ме – металлический контакт Шоттки (анод диода)
ЭС-эпитаксиальный слой)
Рисунок 17 – Интегральный СВЧ диод Шоттки
Такая конструкция диода Шоттки для получения предельных параметров не
оптимальна. Она обусловлена тем, что исходная эпитаксиальная структура
предназначена, прежде всего, для создания СВЧ транзистора – главного
элемента монолитной интегральной схемы. Топология интегрального диода
16
Шоттки, для снижения последовательного паразитного сопротивления
проектируется встречно-штыревой (или гребенчатой), см. рисунок 18.
Так же диоды Шоттки могут быть использованы для реализации
интегральных СВЧ конденсаторов. Ёмкость конденсатора, в этом случае
определяется по формуле 7. При проведении расчётов необходимо иметь в
виду, что ёмкость диода будет завесить от величины напряжения под
котором находится диод в схеме. Для примера, на рисунке 18 показана
топология монолитной интегральной схемы СВЧ усилителя, в котором набор
необходимых конденсаторов реализован на основе барьера Шоттки между
металлом (в данном случае алюминием) и эпитаксиальным слоем GaAs nтипа.
(интегральные диоды Шоттки выделены оранжевыми прямоугольниками)
Рисунок 18 – Топология СВЧ усилителя с интегральными встречноштыревыми диодами Шоттки (к кристаллу усилителя для контроля
параметров подключены СВЧ-зонды)
17
Использование перехода Шоттки в качестве затвора СВЧ полевого
транзистора
Важнейшим
применением
выпрямляющего
контакта
металл-
полупроводник в электронике является использование его в качестве затвора
СВЧ транзисторов:
а) полевых транзисторов с затвором Шоттки (ПТШ);
б) различных видов транзисторов с высокой подвижностью электронов
(НЕМТ, рНЕМТ, mНЕМТ).
Структура СВЧ полевого транзистора (для простоты рассмотрим ПТШ
на основе GaAs эпитаксиальной структуры) приведена на рисунке 19.
(ЭС-эпитаксиальный слой, ОК-омический контакт)
Рисунок 19 – ПТШ на основе эпитаксиальной GaAs-структуры
Затвор СВЧ полевого транзистора выполнен в виде перехода Шоттки, ОПЗ
которого, при подачи на него управляющего напряжения регулирует
толщину канала транзистора, и следовательно, уровень тока протекающего
от истока к стоку.
Важно отметить то обстоятельство, что неотъемлемыми элементами
!
структуры СВЧ транзистора, например показанного на рисунке 19,
во-многом
определяющими
его
работоспособность
являются
переходы металл / полупроводник: омические контакты и переход
Шоттки.
Их
формирования
характеристики
напрямую
и
технологические
определяют
уровень
особенности
параметров,
надежность, а так же себестоимость СВЧ транзистора любого типа.
18
Контроль
качества
отдельных
операций
и
стабильности
технологического процесса производства СВЧ МИС
Практически важной областью использования переходов металл /
полупроводник, как выпрямляющих, так и нет – является создание на их
основе специальных тестовых структур, позволяющих производить контроль
качества и стабильность важнейших технологических операций при
производстве СВЧ МИС, а так же основных параметров исходных
гетероструктур. На рисунке 20 показан простейший тестовый модуль,
содержащий в своём составе минимально необходимый набор тестовых
структур.
1 – тестовый диод Шоттки со встречно-штыревой топологией (результаты
измерения его ВАХ и ВФХ приведены на рисунках 7 и 9);
2 – тестовые полевые транзисторы для контроля их СВЧ параметров
(при помощи СВЧ-зондов);
3 – набор тестовых полупроводниковых резисторов;
4 – тестовая структура для контроля контактного сопротивления омических
контактов (TLM-тестовая структура).
Рисунок 20 – Фотография тестового модуля
19
Укрупнённое изображение диода Шоттки тестового модуля приведено на
рисунке 21 (контактные площадки диода позволяют производить измерения
на высоких частотах при помощи СВЧ-зондов).
(сечение А-А соответствует структуре диода на рисунке 17)
Рисунок 21 – Фотография тестового встречно-штыревого диода
Шоттки (Al / n-GaAs)
Модули со специальными тестовыми структурами формируются
одновременно с микросхемами на одной и той же пластине. Обычно они
равномерно распределены по её площади. Создавать тестовые структуры
приходится по причине того, что элементы МИС (активные и пассивные)
соединены друг с другом, образуя необходимую электрическую схему,
20
соответственно, отдельно померить их параметры (например, величину
ёмкости конденсатора, номинал резистора, крутизну транзистора и т.д.)
обычно невозможною. Если производится контроль технологических
операций при помощи тестовых структур, то в обязательно порядке
формируются тестовые диоды Шоттки и TLM-структуры, рисунок 20.
Тестовые диоды Шоттки позволяют определять:
- высоту барьера;
- ток насыщения барьера;
- показатель идеальности;
- параметры распределения легирующей примеси.
TLM-структура позволяет измерить контактное сопротивление омических
контактов (см. Тему 1).
Вопрос для самостоятельного изучения:
Металлы и системы металлизации на их основе для формирования
переходов Шоттки в структурах СВЧ полупроводниковых приборов
(кремний, арсенид галлия, нитрид галлия).
21