Ранее мы изучали свойства контактов металл-металл, металл-полупроводник, полупроводник-полупроводник (пп. 7.2 – 7.4). Теперь рассмотрим свойства контакта металл-диэлектрик, причем, подход к анализу процессов в контакте останется прежним. Диэлектрик – это материал, концентрация носителей в котором крайне низка, и во многих материалах составляет менее 1 см-3, вследствие чего он фактически не обладает проводимостью.
Прохождение тока через тонкопленочные материла, которые мы будем рассматривать, не определяется собственными параметрами диэлектриков. Зачастую эти токи определяются другими причинами, такими как процессы в контакте металл-диэлектрик. В зависимости от характера зонных структур, контакт металл-диэлектрик относится к одному из трех типов: омический, нейтральный или блокирующий контакт. На рис. 9.2 показаны исходные зонные диаграммы металла и диэлектрика, а также зонные диаграммы контактов этих материалов.
а) χМ < χД
б) χМ = χД
в) χМ > χД
Рис. 9.2. Зонные диаграммы металла (М), диэлектрика (Д) и контактов (М-Д):
а – омический; б – нейтральный; в – блокирующий контакт
Омический контакт. Для формирования такого контакта необходимо условие χм < χ д (рис. 9.2). Здесь, в отличие от контакта металл-полупроводник, термин “омический контакт” говорит о том, что электрод может легко поставлять электроны в диэлектрик. В условиях термодинамического равновесия электроны инжектируются в диэлектрик, создавая в его зоне проводимости область пространственного заряда (ОПЗ). ОПЗ в этом случае называется областью обогащения. При слабом обогащении толщина ОПЗ равняется дебаевской длине экранирования LД
. (9.3)
При сильном обогащении, когда концентрация носителей заряда у контакта nк значительно превышает равновесную, в (9.3) следует заменить n 0 на nк. Сама концентрация nк зависит от величины χм - А д, где А – энергия электронного сродства А д = Е 0- ЕСД.
В табл. 9.2 приводятся расчетные значения d для различных величин χм - А д. Видно, что при комнатной температуре хороший омический контакт получается тогда, когда величина χм - А д не превышает 0,3.
Таблица 9.2
Глубина обогащенного слоя [20]
| χм - А д
| 0,1
| 0,2
| 0,3
| 0,4
|
| d, мкм
| 1,6∙10-3
| 0,12
| 0,72
| 7,2
|
Общий заряд ОПЗ диэлектрика может быть определен из выражения
, (9.4)
где NС – эффективная плотность состояний в зоне проводимости полупроводника.
Нейтральный контакт (рис. 9.2, б). Если в области контакта ОПЗ отсутствует, контакт такого типа называют нейтральным. В этом случае зоны проводимости являются плоскими.
При включении разности потенциалов катод способен снабжать диэлектрик электронами в количестве, достаточном для компенсации уходящих оттуда электронов. Ток, который может поступать из катода (металла) ограничен величиной тока насыщения электронной эмиссии (Ричардсона) через барьер. Как только этот предел достигается, процесс проводимости перестает быть омическим. Напряженность поля в диэлектрике, которая приводит к насыщению тока, можно получить, приравняв ток сквозь диэлектрик к току насыщения термоэлектронной эмиссии.
, (9.5)
где J – тепловая скорость носителей.
Выражение (9.5) является характерным для нейтрального контакта.
Блокирующий контакт (рис. 9.2, в). При χм > χ д в диэлектрике образуется обедненная ОПЗ. Поскольку концентрация носителей в диэлектрике крайне мала, заряд формируется только в случае достаточной толщины диэлектрика и степень искривления зон в ОПЗ незначительна. Толщина обедненного слоя может быть определена по известной формуле
. (9.6)
Если диэлектрик легирован донорной примесью концентрации Nд, то блокирующий контакт ведет себя аналогично барьеру Шоттки (п. 7.2).
Решая уравнение Пуассона, можно определить толщину обедненной области
. (9.7)
В табл. 9.3 приведен ряд значений d, рассчитанных при χм - χ д=3 эВ, ε =5. Очевидно, что для создания достаточно тонкой зоны обеднения плотность доноров должна быть более 1022 м-3.
Таблица 9.3
Глубина области обеднения
| Nд, м-3
| 1021
| 1023
| 1025
| 1027
|
| d, мкм
|
| 0,1
| 10-2
| 10-3
|
Если к такому контакту приложить разность потенциалов, то толщина ОПЗ будет увеличиваться
. (9.8)
С учетом (9.8) можно определить напряженность электрического поля на границе раздела контакта
. (9.9)
Свойства структуры металл-диэлектрик-металл (МДМ) будут зависеть от свойств контактов металл-диэлектрик.
1. Два омических контакта. На рис. 9.3, а изображены зонные диаграммы в случае двух одинаковых контактов и в отсутствие внешней разности потенциалов. Обогащенные области простираются вглубь диэлектрика. В результате этого дно зоны проводимости диэлектрика искривлено по всей его толщине. Максимальное значение ЕС больше χ д- А д – равновесного значения. Причиной низкого качества контактов может быть либо малая толщина диэлектрика, либо большие потенциальные барьеры. Заряд, содержащийся в плохом контакте, недостаточен для эффективного экранирования внутренней области диэлектрика от его границ.
Рис. 9.3, б иллюстрирует случай хороших и плохих омических контактов. Дно зоны проводимости диэлектрика тонкое и ограничено экранирующими ОПЗ.
а) χМ < χД б)
в) χМ > χД г)
д) е)
Рис. 9.3. Энергетические диаграммы МДМ-структур: а, б – плохой и хороший омические контакты; в, г – плохой и хороший блокирующие контакты; д, е – одинаковые и разные нейтральные контакты
2. Два блокирующих контакта. На рис. 9.3, в, г изображены случаи блокирующих контактов к диэлектрику. В плохих контактах (рис. 9.3, в) обедненные области простираются в диэлектрик глубоко, так, что электрическое поле существует по всей толщине диэлектрика. Внутренняя область его недостаточно экранирована приконтактными зарядами. Причина плохого качества заключается либо в малой толщине диэлектрика, либо в недостаточной степени его легирования. В противоположность этому на рис. 9.3, г показан случай МДМ-структуры с хорошими блокирующими контактами. В них, как и в хороших омических контактах, внутренняя часть диэлектрика свободна от электрического поля и дно зоны проводимости является плоским.
3. Другие типы контактов. На рис. 9.3, д, е показаны случаи блокирующих контактов к собственному или очень тонкому легированному диэлектрику. Здесь никакого искривления зон не происходит, как и в нейтральных контактах. Причина этого – неспособность диэлектрика поставить сколько-нибудь значительный заряд из своего объема. Если электроды одинаковые, то дно зоны проводимости становится плоским (рис. 9.3, д).
В случае различных электродов граничные потенциальные барьеры отличаются на величину χМ 1- χМ 2 (рис. 9.3, е). Наличие этого внутреннего поля в отсутствие внешнего напряжения является следствием перераспределения заряда между электродами. Величина этого заряда зависит от контактной разности потенциалов Uк, площади электродов S и емкости структуры С
, (9.10)
где d – толщина диэлектрика.
В МДМ-структуре с параметрами d =20Å, (χм 1 -χм 2)/ e =10-2 В внутреннее поле составляет Е =(χм 1 -χм 2)/(ed)=5∙106 В/м.
Ранее мы не учитывали влияния поверхностных состояний на контакты и считали, что высота граничного барьера равна χм - А, но если такие состояния существуют на поверхности диэлектрика, их влияние на процессы в контактах и структурах может стать значительным. Поверхностный заряд создает дополнительное электрическое поле в приконтактной зоне диэлектрика, усиливающее или ослабляющее контактное поле [п. 8.2].
2015-02-04
2522
