什么叫欧姆接触(欧姆接触方法有几种)[通俗易懂]

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与金属半导体的欧姆接触是指接触处存在纯电阻，电阻越小越好，这样当器件工作时，大部分电压降在有源区而不是接触面。因此，其I-V特性呈线性，斜率越大，接触电阻越小，直接影响器件的性能指标。

欧姆接触在金属加工中应用广泛，实现欧姆接触的主要措施是对半导体表层进行掺杂或引入大量复合中心。

欧姆接触是指不产生明显的附加阻抗，不显著改变半导体中的平衡载流子浓度。

形成条件：

为了形成良好的欧姆接触，有两个先决条件:

(1)金属和半导体之间的势垒高度低。

(2)半导体掺杂了高浓度的杂质(N≥10 exp 12cm-3)

前者能增加界面电流中的热激发；后者使半导体的耗尽区变窄，电子有更多的机会直接隧穿，同时Rc电阻降低。

前者能增加界面电流中的热激发；后者使半导体的耗尽区变窄，电子有更多的机会直接隧穿，同时Rc电阻降低。

如果半导体不是硅晶体，而是其它能隙较大的半导体(如GaAs)，很难形成欧姆接触(没有合适的金属可用)，需要在半导体表面掺杂高浓度杂质，形成金属-n+-n或金属-p+-p结构。

良好的欧姆接触还应具有以下主要特性:

(1)可再生的低比接触电阻；

(2)如果均匀接触半导体界面，界面相中会出现平面同质性；

(3)光滑的表面形态；

(4)高温下的热稳定性；

(5)抗氧化；

(6)良好的附着力；

(7)工艺易于实现；

(8)良好的机械性能。

欧姆接触理论欧姆接触和肖特基接触

金属半导体接触分为欧姆接触和肖特基接触。在理想情况下，金属与半导体的接触呈现小电阻，其电压降可以忽略不计。另一方面，肖特基接触具有类似于pn结的整流特性。在没有合金化的情况下，金属-半导体接触通常是肖特基接触，其整流特性的主要原因是金属-半导体界面的肖特基势垒。欧姆接触和肖特基势垒接触是金属和半导体在特定条件下形成的接触。一般金属和半导体的功函数是不一样的[1]。当金属和半导体的接触体系达到平衡时，任意两个接触固体的费米能级(或者严格地说，化学势)必然相等。费米能级与真空能级之差称为功函数。接触金属和半导体的功函数不同，分别命名为φM和φS。当两种材料接触时，电子会从低功函数(高费米能级)的一侧流向另一侧，直到费米能级达到平衡。因此，功函数低的材料会带一点正电荷，而功函数高的材料会带一点负电荷。最终的静电势称为内置场，记为Vbi。这种接触电势将发生在任何两个固体之间，并且是诸如二极管整流现象和热电效应的潜在原因。内建场是半导体连接处能带弯曲的原因。金属中不会出现明显的能带弯曲，因为它们的短屏蔽长度意味着任何电场都只存在于接触面之间的极小距离处。

欧姆接触

当金属与N型半导体接触时，形成欧姆接触或肖特基势垒。以N型半导体为例，金属与半导体界面的能带如右图所示。

与金属N型半导体接触时，如果金属的功函数大于半导体的功函数，导体表面会形成一个正空电荷间区，其中电场方向会从内部指向表面，使半导体表面的电子能量高于内部，能带向上弯曲，从而形成表面势垒。在势垒区空之间的电荷主要由电离的施主形成，电子浓度比体内小得多，所以是高阻区，常称为势垒层。如果金属的功函数小于半导体的功函数，那么在金属-半导体接触处会形成一个电子势阱，即形成一个电子浓度高于体中电子浓度的高导区，称为反势垒层。

测量

欧姆接触的接触界面总有一个附加电阻，即金属与半导体的界面电阻。接触区通常包括金属层、金属-半导体界面和半导体结。在实践中，会引入各种寄生电阻。为了消除测试中使用的探针和金属之间的电阻，可以将电流和电压探针分开，并在测试中使用高阻抗数字电压表。然而，诸如界面下的电流弯曲、边缘电流聚集、电流扩散以及工艺中的污染或损坏等附加电阻是无法完全避免的。这些附加电阻和两个接触点之间的体电阻将占测量的总电阻值的相当大的比例，甚至可能超过接触电阻值。为了准确测量接触电阻p值，需要建立一个准确的测量电阻值的模型。

无论如何测试具体的接触电阻，都是在一定的恒定电流下，测量一些接触点之间的电压，得出各自的电阻。然后根据不同的物理模型，从总电阻中去除各种寄生电阻，最终得到具体的接触电阻。

常用比接触电阻测试方法

1.Cox和Strack方法:Cox和Strack在研究GaAs材料的欧姆接触时给出了一种测试方法。测试结构是在半导体外延表面制备四个不同半径的圆形电极，在半导体重掺杂衬底表面制备一个大面积电极。测试结构是纵向测试，缺点是不能测试电阻小的欧姆接触电阻。

2.库普查尔法:库普查尔测试InP材料欧姆接触时，是用四个半径相同的圆形电极排成一条直线来测量的，也叫四探针法。测量电流是横向的，测量不准是它的缺点，但有使用方便的优点。

3.开尔文法:通过扩散或离子注入制备交叉桥，形成四端结构。这种方法准确度高，但准备麻烦。

4.圆形电极TLM法:它是一种TLM测试结构，电极是同心圆形的，测试是水平的，所以制备方法简单，因为它不需要隔离。但是要求电极的方阻很低，参数的计算方程也很复杂。

5.矩形电极TLM方法:矩形TLM(传输线方法)结构是提取欧姆接触参数和评估欧姆接触制备质量的有效和简单的方法。它是由肖克利于1964年提出的，后经Murrman、Wdman、Berger等改进。它已成为测试欧姆接触电阻率的主要方法，并得到广泛应用。其制备和测试简单，结果准确，但测试结构需要隔离。本文用这种方法提取欧姆接触的比接触电阻。

制备

欧姆接触制备是材料工程中研究得比较充分的部分，但是未知的剩余并不多。重复和可靠的接触准备需要非常干净的半导体表面。例如，由于自然氧化物会在硅表面快速形成，接触性能对制备的细节非常敏感。

存在问题

但是在详细制作M-S欧姆接触时，为了使接触良好，降低接触电阻，往往需要在金属与半导体接触后进行退火处理，这会带来一些问题。对于广泛使用的金属电极材料al，当al-Si接触体系在N2气体中加热到475℃时，几分钟后，Al就能穿过其表面薄薄的自然氧化层，到达Si表面，与Si扩散并很好地融为一体，可获得良好的欧姆接触。但如果用al在浅n-p结或浅p-n结上做欧姆接触，就容易导致一个很大的缺点——毛刺，会使p-n结击穿或短路(这是由于Al和Si原子在接触面上相互扩散不均匀造成的)；解决这个问题的一种方法是在金属铝中加入少量的硅来抑制退火过程中的毛刺。

在现代集成电路技术中，Al不能完全满足要求。因为在IC工艺中，欧姆接触形成后，还需要500oC以上的其他工艺步骤，Al-Si接触体系无法承受这样的高温处理，很难满足热稳定性的要求。因此，难熔金属(Mo，Ta，Ti，W)的硅化物常被用来制作ic中的欧姆接触，可以达到很高的温度稳定性。不仅如此，这种硅化物还可以提高欧姆接触的性能。例如，对于最广泛使用的金属硅化物TiSi2，在通过热处理Si上的Ti膜形成TiSi2的过程中，半导体表面上的薄Si层将被消耗，因此Si晶片表面上的缺陷和一些污染将被去除，从而可以获得清洁、平坦和良好的欧姆接触。因此，难熔金属的硅化物是一种良好的欧姆接触金属材料。

改进措施

除了高掺杂和引入复合中心实现欧姆接触的措施外，由窄带隙半导体构成的慢变结也可以实现与宽带隙半导体的欧姆接触。比如用MBE技术制作的n-InAs/n-GaAs或n-Ge/n-GaAs异质结就是很好的欧姆接触。

而Si GaAs器件及其IC欧姆接触技术已经比较成熟，但在p型ⅲ-ⅴ半导体上制作欧姆接触并不容易，因为p型ⅲ-ⅴ半导体(如p-AlGaAs)在退火或in 空气体中比n型半导体表面更容易氧化。此外，许多宽带隙半导体(如CdS、AlN、SiC、GaN)的欧姆接触在技术上还不成熟。原因是这些半导体的自补偿效应(即大量晶体本征缺陷对施主杂质或受主杂质的自发补偿效应)非常严重。它们是所谓的单极半导体，很难改变它们的电阻率，更难改变它们的型号，因为它们想用高掺杂来获得欧姆。这里可行的方法是加一层高掺杂(同类型)的窄带隙半导体，形成异质结，实现欧姆接触。

重要性

与接触电阻相关的RC时间常数将限制器件的频率响应。引线充放电:高时钟速率数字电子设备能量耗散的主要原因。接触电阻导致能量耗散(如太阳能电池)，在低频和由不常见的半导体制成的模拟电路中表现为焦耳热。金属接触制备方法的建立是任何新兴半导体技术发展的重要组成部分。金属的电迁移和分层也是电子器件寿命的限制因素之一。