Contacto óhmico - Ohmic contact

Un contacto óhmico es una unión eléctrica no rectificadora : una unión entre dos conductores que tiene una curva lineal de corriente-voltaje (IV) como con la ley de Ohm . Los contactos óhmicos de baja resistencia se utilizan para permitir que la carga fluya fácilmente en ambas direcciones entre los dos conductores, sin bloqueo debido a rectificación o disipación excesiva de potencia debido a umbrales de voltaje.

Por el contrario, una unión o contacto que no muestra una curva IV lineal se denomina no óhmica. Los contactos no óhmicos vienen en varias formas, como unión p – n , barrera de Schottky , heterounión rectificadora o unión de ruptura .

Generalmente, el término "contacto óhmico" se refiere implícitamente a un contacto óhmico de un metal con un semiconductor, donde es posible lograr una resistencia de contacto óhmico pero requiere una técnica cuidadosa. Los contactos óhmicos metal-metal son relativamente más simples de realizar, ya que garantizan el contacto directo entre los metales sin capas intermedias de contaminación aislante, rugosidad u oxidación excesiva ; Se utilizan diversas técnicas para crear uniones óhmicas metal-metal ( soldadura , soldadura , engarzado , deposición , galvanoplastia , etc.). Este artículo se centra en los contactos óhmicos metal-semiconductores.

Los contactos estables en las interfaces de semiconductores, con baja resistencia de contacto y comportamiento de IV lineal, son fundamentales para el rendimiento y la confiabilidad de los dispositivos semiconductores , y su preparación y caracterización son esfuerzos importantes en la fabricación de circuitos. Las uniones de semiconductores mal preparadas pueden mostrar fácilmente un comportamiento de rectificación al provocar el agotamiento del semiconductor cerca de la unión, lo que inutiliza el dispositivo al bloquear el flujo de carga entre esos dispositivos y los circuitos externos. Los contactos óhmicos con los semiconductores se construyen típicamente depositando películas delgadas de metal de una composición cuidadosamente elegida, posiblemente seguido de un recocido para alterar el enlace semiconductor-metal.

Física de la formación de contactos óhmicos metal-semiconductor

Artículo principal: Unión metal-semiconductor

Tanto los contactos óhmicos como las barreras Schottky dependen de la altura de la barrera Schottky, que establece el umbral para el exceso de energía que requiere un electrón para pasar del semiconductor al metal. Para que la unión admita electrones fácilmente en ambas direcciones (contacto óhmico), la altura de la barrera debe ser pequeña en al menos algunas partes de la superficie de la unión. Para formar un excelente contacto óhmico (baja resistencia), la altura de la barrera debe ser pequeña en todas partes y, además, la interfaz no debe reflejar electrones.

La regla de Schottky-Mott predice ingenuamente que la altura de la barrera de Schottky entre un metal y un semiconductor es proporcional a la diferencia de la función de trabajo del metal-vacío y la afinidad del semiconductor- electrón del vacío . En la práctica, la mayoría de las interfaces de metal-semiconductor no siguen esta regla en el grado previsto. En cambio, la terminación química del cristal semiconductor contra un metal crea estados de electrones dentro de su banda prohibida . La naturaleza de estos estados de brecha inducidos por metales y su ocupación por electrones tiende a fijar el centro de la brecha de banda al nivel de Fermi, un efecto conocido como fijación de nivel de Fermi . Por lo tanto, las alturas de las barreras Schottky en los contactos metal-semiconductor a menudo muestran poca dependencia del valor de las funciones de trabajo del semiconductor o del metal, en marcado contraste con la regla de Schottky-Mott. Diferentes semiconductores exhiben esta fijación de nivel de Fermi en diferentes grados, pero una consecuencia tecnológica es que los contactos óhmicos de alta calidad (baja resistencia) suelen ser difíciles de formar en semiconductores importantes como el silicio y el arseniuro de galio .

La regla de Schottky-Mott no es del todo incorrecta ya que, en la práctica, los metales con altas funciones de trabajo forman los mejores contactos con los semiconductores de tipo p, mientras que aquellos con bajas funciones de trabajo forman los mejores contactos con los semiconductores de tipo n. Desafortunadamente, los experimentos han demostrado que el poder predictivo del modelo no se extiende mucho más allá de esta afirmación. En condiciones realistas, los metales de contacto pueden reaccionar con las superficies semiconductoras para formar un compuesto con nuevas propiedades electrónicas. Una capa de contaminación en la interfaz puede ensanchar efectivamente la barrera. La superficie del semiconductor puede reconstruirse dando lugar a un nuevo estado electrónico. La dependencia de la resistencia de contacto de los detalles de la química interfacial es lo que hace que la fabricación reproducible de contactos óhmicos sea un desafío de fabricación.

Preparación y caracterización de contactos óhmicos

La fabricación de los contactos óhmicos es una parte muy estudiada de la ingeniería de materiales que, sin embargo, sigue siendo un arte. La fabricación confiable y reproducible de contactos se basa en una limpieza extrema de la superficie del semiconductor. Dado que un óxido nativo se forma rápidamente en la superficie del silicio , por ejemplo, el rendimiento de un contacto puede depender sensiblemente de los detalles de la preparación. A menudo, la región de contacto está muy dopada para garantizar el tipo de contacto deseado. Como regla general, los contactos óhmicos en los semiconductores se forman más fácilmente cuando el semiconductor está muy dopado cerca de la unión; un dopaje alto estrecha la región de agotamiento en la interfaz y permite que los electrones fluyan en ambas direcciones fácilmente en cualquier sesgo al hacer un túnel a través de la barrera.

Los pasos fundamentales en la fabricación de contactos son la limpieza de la superficie de los semiconductores, la deposición del metal por contacto, el modelado y el recocido. La limpieza de superficies se puede realizar mediante grabado catódico, grabado químico, grabado con gas reactivo o molienda iónica. Por ejemplo, el óxido nativo de silicio se puede eliminar con una inmersión en ácido fluorhídrico , mientras que el GaAs se limpia más típicamente mediante una inmersión en bromo-metanol. Después de la limpieza, los metales se depositan mediante deposición por pulverización catódica , evaporación o deposición de vapor químico (CVD). La pulverización es un método más rápido y conveniente de deposición de metales que la evaporación, pero el bombardeo de iones del plasma puede inducir estados de superficie o incluso invertir el tipo de portador de carga en la superficie. Por esta razón, se prefiere cada vez más la CVD más suave pero aún rápida. El modelado de los contactos se logra con métodos fotolitográficos estándar como el despegue , donde el metal de contacto se deposita a través de orificios en una capa fotorresistente que luego se disuelve. El recocido posterior a la deposición de los contactos es útil para aliviar la tensión así como para inducir cualquier reacción deseable entre el metal y el semiconductor.

Debido a que los metales depositados pueden oxidarse ellos mismos en condiciones ambientales, en detrimento de las propiedades eléctricas de los contactos, es común formar contactos óhmicos con estructuras en capas. La capa inferior, en contacto con el semiconductor, se elige por su capacidad para inducir un comportamiento óhmico. La capa superior se elige por su baja reactividad. Opcionalmente, se puede utilizar una estructura de tres capas. Cuando este es el caso, la capa intermedia sirve como barrera de difusión, evitando que los metales se mezclen durante cualquier proceso de recocido.

La medición de la resistencia de contacto se realiza de manera más simple usando una sonda de cuatro puntos, aunque para una determinación más precisa, el uso del método de línea de transmisión es típico.

Tipos de contactos tecnológicamente importantes

Los contactos óhmicos modernos al silicio, como el disilicida de titanio-tungsteno, suelen ser siliciuros fabricados por CVD. Los contactos a menudo se hacen depositando el metal de transición y formando el siliciuro recociendo con el resultado de que el siliciuro puede ser no estequiométrico . Los contactos de siliciuro también pueden depositarse mediante pulverización catódica directa del compuesto o mediante implantación de iones del metal de transición seguido de recocido. El aluminio es otro metal de contacto importante para el silicio que se puede utilizar con semiconductores de tipo n o tipo p. Como ocurre con otros metales reactivos, el Al contribuye a la formación de contactos al consumir el oxígeno del óxido nativo. Los siliciuros han reemplazado al Al en gran parte, en parte porque los materiales más refractarios son menos propensos a difundirse en áreas no deseadas, especialmente durante el procesamiento posterior a alta temperatura.

La formación de contactos con semiconductores compuestos es considerablemente más difícil que con el silicio. Por ejemplo, las superficies de GaAs tienden a perder arsénico y la tendencia a la pérdida de As puede verse agravada considerablemente por la deposición de metal. Además, la volatilidad de As limita la cantidad de recocido posterior a la deposición que tolerarán los dispositivos de GaAs. Una solución para GaAs y otros semiconductores compuestos es depositar una capa de contacto de aleación de baja banda prohibida en lugar de una capa muy dopada. Por ejemplo, el propio GaAs tiene un intervalo de banda más pequeño que el de AlGaAs, por lo que una capa de GaAs cerca de su superficie puede promover el comportamiento óhmico. En general, la tecnología de contactos óhmicos para semiconductores III-V y II-VI está mucho menos desarrollada que para Si.

Material Materiales de contacto
Si Al , Al-Si, TiSi 2 , TiN , W , MoSi 2 , PtSi, CoSi 2 , WSi 2
Ge En , AuGa, AuSb
GaAs AuGe , PdGe, PdSi, Ti / Pt / Au
GaN Ti / Al / Ni / Au, Pd / Au
InSb En
ZnO InSnO 2 , Al
CuIn 1 − x Ga x Se 2 Mo , InSnO 2
HgCdTe En
C (diamante) Ti / Au , Mo / Au

Los contactos transparentes o semitransparentes son necesarios para pantallas LCD de matriz activa , dispositivos optoelectrónicos como diodos láser y energía fotovoltaica . La opción más popular es el óxido de indio y estaño , un metal que se forma mediante la pulverización catódica reactiva de un objetivo de In-Sn en una atmósfera de óxido.

Significado

La constante de tiempo RC asociada con la resistencia de contacto puede limitar la respuesta de frecuencia de los dispositivos. La carga y descarga de la resistencia de los cables es una de las principales causas de disipación de potencia en la electrónica digital de alta frecuencia . La resistencia de contacto provoca la disipación de potencia a través del calentamiento Joule en circuitos analógicos y de baja frecuencia (por ejemplo, células solares ) fabricados con semiconductores menos comunes. El establecimiento de una metodología de fabricación de contactos es una parte fundamental del desarrollo tecnológico de cualquier nuevo semiconductor. La electromigración y la delaminación en los contactos también son una limitación en la vida útil de los dispositivos electrónicos.

Referencias

Ver también