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一文详解肖特基接触和欧姆接触

出处:网络整理 发布于:2025-06-13 17:29:59

  一、基本概念
  1. 肖特基接触 (Schottky Contact)
  肖特基接触是指金属与半导体接触时形成的具有整流特性的接触界面,其行为类似于PN结二极管。这种接触得名于德国物理学家Walter H. Schottky。
  关键特性:
  具有非线性电流-电压特性
  存在势垒高度
  表现出整流效应(单向导电性)
  多数载流子主导的输运机制
  2. 欧姆接触 (Ohmic Contact)
  欧姆接触是指金属与半导体之间形成的非整流性接触,其电流-电压关系在正反偏压下都呈线性关系。
  关键特性:
  线性电流-电压特性
  接触电阻低
  无明显的势垒阻碍载流子运动
  双向对称导电
  二、形成机制与能带结构
  肖特基接触的形成
  功函数差异:当金属功函数(Φ?)与半导体功函数(Φ?)不同时,接触后费米能级对齐会导致能带弯曲。
  对于n型半导体:Φ? > Φ?时形成肖特基势垒
  对于p型半导体:Φ? < Φ?时形成肖特基势垒
  势垒高度:
  理论势垒高度:Φ_B = Φ? - χ? (n型),其中χ?为半导体电子亲和能
  实际势垒高度受界面态影响,通常低于理论值
  空间电荷区:半导体一侧形成耗尽层,类似于PN结
  欧姆接触的形成
  低势垒条件:
  n型半导体:Φ? ≤ Φ?
  p型半导体:Φ? ≥ Φ?
  高掺杂效应:
  通过重掺杂使耗尽层宽度极薄,载流子可通过隧穿效应通过势垒
  隧道效应主导的输运机制
  能带结构:接触界面处无明显势垒阻碍载流子运动
  三、电流传输机制
  肖特基接触的电流机制
  热电子发射理论:
  能量高于势垒的电子可越过势垒
  电流密度公式:J = AT?exp(-qΦ_B/kT)[exp(qV/nkT)-1]
  (A为有效理查德森常数,n为理想因子)
  其他机制:
  隧道效应(在高掺杂或低温下显著)
  镜像力降低效应(势垒高度随电压变化)
  欧姆接触的电流机制
  场发射(隧穿):
  重掺杂下,薄势垒允许载流子隧穿
  主导机制在低温和重掺杂情况下
  热电子场发射:
  中等掺杂时,热激发和隧穿的混合机制
  纯扩散:
  轻掺杂时,但此时通常不形成良好欧姆接触
  四、特性对比
  特性肖特基接触欧姆接触
  I-V特性非线性,整流特性线性,对称导电
  接触电阻较高很低
  形成条件功函数不匹配功函数匹配或重掺杂
  势垒高度显著(通常0.5-0.9eV)可忽略
  载流子传输热电子发射为主隧穿或热电子场发射为主
  耗尽层宽度显著极窄或不存在
  应用肖特基二极管、MESFET等器件电极互连
  五、测量与表征方法
  电流-电压(I-V)特性测量
  肖特基接触:非线性,不对称
  欧姆接触:线性,对称
  接触电阻测量
  传输线模型(TLM)常用测量比接触电阻率(ρ_c)
  C-V测量
  肖特基接触可测量势垒高度和掺杂浓度
  温度依赖性测量
  可区分热发射和隧穿机制
  六、实际应用
  肖特基接触应用
  肖特基二极管:
  快速开关速度(少子存储效应小)
  低正向压降
  应用于高频电路、电源整流等
  MESFET(金属半导体场效应):
  利用肖特基栅极控制沟道电流
  高频性能优异
  太阳能电池:
  作为收集电极
  金属-半导体结型太阳能电池
  欧姆接触应用
  所有半导体器件的电极连接:
  晶体管源/漏/栅极接触
  二极管阳极/阴极接触
  互连:
  芯片与封装之间的电连接
  接触:
  晶圆测试时需要良好欧姆接触
  七、工艺实现
  肖特基接触制备
  选择适当金属(如n-Si常用Au、Pt、Ti等)
  严格控制表面处理(去除氧化层)
  低温工艺避免互扩散
  可能的退火工艺优化界面特性
  欧姆接触制备
  材料选择:
  n-Si:Al或掺磷的Au/Sb合金
  p-Si:Al或含B的Au合金
  GaAs:AuGe/Ni合金(n型),Au/Zn合金(p型)
  重掺杂表面层:
  离子注入或扩散形成重掺杂区
  外延生长重掺杂层
  合金化工艺:
  适当温度退火形成合金界面
  控制合金深度防止结短路
  八、常见问题与解决方案
  肖特基接触问题
  势垒高度不均匀:
  原因:界面不完美、局部反应
  解决:优化表面处理,选择合适金属
  漏电流过大:
  原因:缺陷、界面态
  解决:改进清洁工艺,插入界面层
  热稳定性差:
  原因:金属-半导体互扩散
  解决:添加扩散阻挡层
  欧姆接触问题
  接触电阻过高:
  原因:掺杂不足或合金不当
  解决:提高表面掺杂浓度,优化退火条件
  表面形貌差:
  原因:合金过度或反应不完全
  解决:控制合金温度和时间
  粘附性差:
  原因:金属与半导体粘附力弱
  解决:使用粘附层(如Ti),优化沉积条件
  九、研究进展
  二维材料接触:
  石墨烯、MoS?等二维材料的肖特基与欧姆接触研究
  接触工程对器件性能的关键影响
  低电阻欧姆接触技术:
  超低电阻接触对先进CMOS技术的重要性
  新型金属体系(如稀土金属)研究
  界面工程:
  插入单原子层(如h-BN)调控肖特基势垒
  掺杂界面层技术
  非平衡接触:
  超快激光诱导的非平衡接触特性研究
  肖特基接触和欧姆接触作为半导体器件的基础要素,其理解和控制对器件性能至关重要。随着半导体技术向纳米尺度发展,接触工程的重要性愈发凸显。
关键词:肖特基

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