Fabricación, analisis experimental y caracterización de contactos Ohmicos y schottky

1

Fabricación, análisis experimental y caracterización de contactos Óhmicos y

Schottky Sarmiento Arellano Jc.

Dispositivos semiconductores, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla Puebla, México

[email protected]

Resumen—Se fabricaron contactos óhmicos y rectificantes utilizando la técnica de evaporación por filamento caliente para el depósito de oro y aluminio en obleas de silicio tipo p, p+, n y n+, se caracterizaron mediante curvas I-V esto con el fin de comparar los resultados teóricos con los prácticos obtenidos de estas curvas.Se realizaron mediciones transversales y longitudinales sobre cada contacto para comprobar que su respuesta no var ía.

I . IN T R O DU C C I Ó N En la actualidad los contactos óhmicos son muy

utilizados debido a la resistencia que presentan cuando se les aplica un voltaje; un contacto óhmico ideal es una unión metal semiconductor en el cual el potencial de contacto resulta prácticamente independiente de la magnitud y sentido de la corriente que circula y su valor es despreciable frente a las caídas de potencial en las zonas neutras. Como su nombre lo indica el contacto óhmico sirve para hacer contacto entre la terminar de un dispositivo como un diodo, transistor, celda solar, etc. y la terminar de la fuente de voltaje que polarice al dispositivo u otro dispositivo, el objetivo es evitar la pérdida de energía a través de dicho contacto. Por otra parte los diodos Schottky son dispositivos rectificantes que funcionan mediante la unión de un metal con un semiconductor, estos dispositivos operan a muy altas velocidades y son muy utilizados en aplicaciones de altas frecuencias por ejemplo en comunicaciones, en fuentes de potencia y sistemas digitales, entre otros. En estepráctica se utilizó la técnica de depósito físico en fase vapor (PVD) mediante filamento caliente para fabricar contactos óhmicos y rectificantes, posteriormente se caracterizaron estos contactos bajo mediciones de I-V, se analizó su comportamiento y se compraron estos resultados con los predichos mediante la teoría.

ll. M A R C O T E O RI C O

A. Contacto óhmico y rectificante:

La descripción del comportamiento de una unión metal-semiconductor a nivel microscópico se debe desarrollar tomando en consideración el potencial de trabajo de dichos materiales así como el tipo de semiconductor (tipo p o tipo n), dando como resultado dos casos principalmente.

a) Cuando b) Cuando

donde y son los potenciales de trabajo del metal y el semiconductor respectivamente. Tratándose de un semiconductor tipo p, cuando se tiene el caso a) se obtiene un diodo Schottky, y en el caso b) se obtiene un contacto óhmico. A continuación veamos el caso a) tomando como referencia la figura 1.

F igura 1. Diagrama de bandas del metal y semiconductor antes de la unión. De acuerdo al diagrama de bandas de la figura 1 podemos corroborar que ∅M<∅SC o también e∅M<e∅SC, para poder hacer esta comparación entre los potenciales de los materiales se toma como referencia el nivel de energía del electrón en el vacío representado por Evac.

mailto:[email protected]

Fabricación y caracterización de contactos óhmicos y rectificantes. J. Sarmiento Arellano

2

El nivel EFm es el nivel de fermi para el metal y EFs es el nivel de fermi del semiconductor, los niveles Evs y Ecs son el nivel de valencia y el de conducción del semiconductor respectivamente. Cabe aclarar que potencial de trabajo es la energía necesaria para poder separar un electrón ligado del material, ya sea metal o semiconductor, esta energía es la diferencia de Evac - EF, por otro lado la afinidad electrónica del semiconductor (eXs) es la energía necesaria para separar un electrón de la banda de conducción. Entonces como ∅M<∅SC esto significa que los electrones en el metal son más energéticos que los electrones en el semiconductor y cuando se llegan a unir los dos materiales como se observa en la figura 2, tenderán al equilibrio energético. Esto quiere decir que para el material completo se tendrá un único nivel de fermi.

F igura 2. Diagrama de bandas de la unión Metal-Semiconductor.

El equilibrio energético se lleva a cabo por el traspaso de electrones que se encuentran en estados energéticos de mayor energía en el metal hacia el semiconductor lo que provoca un aumento en el nivel de fermi del semiconductor y un doblamiento de las bandas de conducción y valencia del mismo, lo que se está haciendo es agregando portadores minoritarios al semiconductor y como es de tipo p (es decir sus átomos tienen una vacante) los electrones que llegan al semiconductor ocupan esas vacantes completando el enlace covalente obteniendo cerca de la interfaz metal-semiconductor una región de carga espacial, por los iones cargados negativamente llamados cargas fijas, dando como resultado un diodo Schottky. También se observa en la figura que el doblamiento de las bandas principalmente la de valencia crea una barrera

para los huecos evitando que estos se recombinen con los electrones del metal Ahora cuando se polariza la unión como se observa en la figura 3.

Polarización inversa Vo<0Polarización directa Vo>0

F igura 3. Polarización directa e inversa a la unión metal

semiconductor.

Si se tiene polarización directa, la terminal negativa de la batería se conecta al metal e inyecta electrones, los cuales viajaran hasta llegar a la interfaz metal semiconductor o región de carga espacial reduciendo esta barrera y pasan a través del semiconductor debido a que la terminal positiva de la batería está conectada al semiconductor donde existe gran cantidad de huecos, lo que termina en un flujo de electrones o un flujo de corriente. Cuando se polariza inversamente lo que se está realizando es hacer más grande la región de carga espacial. Ahora en el caso b) cuando ∅M<∅SC, primero se tiene los materiales por separado (figura 4a) y como ya sabemos los electrones en el material semiconductor son más energéticos que en el metal, debido a los potenciales de trabajo, una vez que se unen (figura 4b) nuevamente tienden al equilibrio energético, los niveles de fermi se hacen uno solo y las bandas de conducción y valencia se doblan.

F igura 4. a) Diagrama de bandas del metal y semiconductor antes de la unión.

b) Diagrama de bandas de la unión metal y semiconductor.

Lo que ocurre en este caso es que existe un traspaso de electrones del material semiconductor al metal dejando en


3

la región cercana a la interfaz metal-semiconductor una mayor ausencia de electrones o una mayor numero de huecos, obteniendo una región p+, estos huecos son cargas móviles. Nótese que la barrera que se veía para los huecos en el anterior caso no está presente en esta configuración, por lo que un aumento energía de los electrones será suficiente para poder cruzar la interfaz y recombinarse con los huecos del semiconductor. Ahora cuando se polariza la unión como se observa en la figura 5.

F igura 5. Polarización inversa y directa de la unión metal semiconductor. En polarización directa se inyectan electrones al metal los cuales viajaran a través del material hasta llegar a la unión metal semiconductor encontrando un exceso de huecos en la parte del semiconductor adyacente a la interfaz, creando una corriente eléctrica, es decir no encuentran oposición para poder fluir hasta la terminar positiva de la batería si se polariza en inversa lo que se hace es inyectar electrones al semiconductor, los cuales encontraran un exceso de huecos y no habrá oposición nuevamente, así entonces también habrá una flujo de corriente. Cualquiera que fuese la polarización para esta configuración se genera un flujo de corriente eléctrica, es por ello que a esta configuración se le denomina contacto óhmico. Se considera que una juntura MS presenta un comportamiento óhmico si el potencial de contacto resultaprácticamente independiente de la magnitud y sentido de la corriente que circula y su valor es despreciable frente a las caídas de potencial en las zonas neutras. Hasta el momento se ha descrito las características principales que ayudan a determinar si un contacto metal semiconductor es un diodo Schottky o contacto óhmico, se tomó como ejemplo el semiconductor tipo p, sin embargo para un material tipo n las configuraciones son las siguientes. Para un diodo Schottky∅M>∅SC. Para un contacto óhmico ∅M<∅SC.

La caracterización I-V deberá mostrar una gráfica de los contactos como a continuación se presenta, según sea el dispositivo desarrollado.

Al graficar las curvas I-V de los contactos óhmicos y rectificante encontraremos algo así:

F igura 7. Curvas I-V de contactos óhmicos y rectificante Vemos claramente en la figura 7 la diferencia que existe en el comportamiento del contacto rectificante frente al contacto óhmico, ya que éste último presenta una muy baja resistencia por lo que su comportamiento en voltaje es lineal frente a variaciones de corriente.

F igura 6. Polarización inversa y directa de la unión metal semiconductor.


4

I I I . M etodología A . Preparación de las muestras:

Se utilizaron 4 sustratos diferentes para los experimentos, a continuación sus características y como los llamaremos en adelante:

Sustrato 1 Sustrato n ρ=1-5Ω/cm Sustrato 2 Sustrato n+ ρ=0.001Ω/cm Sustrato 3 Sustrato p ρ=1-5Ω/cm Sustrato 4 Sustrato p+ ρ=0.001Ω/cm

Se limpiaron las obleas con el objetivo de eliminar grasas e impurezas inorgánicas y/u orgánicas en la superficie de cada uno de los substratos; el método utilizado para la limpieza fue el estándar de RCA que consistió en depositar las obleas en xileno (15 ml aproximadamente)y se colocaron en baño ultrasónico por 10 min. Posteriormente se realizó el mismo procedimiento pero con diferentes solventes (acetona, metanol y ácido fluorhídrico al 10%). Por último se enjuagaron con agua desionizada, después se realizó el secado de las obleas con pistola de nitrógeno, en cada una de las obleas se depositó por evaporación puntos de aluminio y oro con el fin de obtener contactos los cuales posteriormente se requerían analizar. Para la evaporación y depósito de los contactos se utilizó la técnica deposito en fase vapor por filamento caliente la cual consiste de un receptáculo de vidrio el cual mediante una bomba mecánica, alcanza un vacío previo, posteriormente una bomba de difusión crea el vacío requerido. Una vez evaporado el metal y solidificado sobre las obleas, se retiró el vacío y se retiró la campana así como las muestras con los contactos realizados. La imagen 3 muestra los sustratos después de la evaporación.

B . Equipos utilizados para la preparación de las muestras y para su caracter ización

Para la evaporación de los metales sobre los substratos se utilizó el sistema de evaporación del fabricante JOEL modelo JEE-420, perteneciente al CIDS (imagen 1)

Imagen 1. Sistema de evaporación marca JOEL modelo JEE-420

Para las caracterizaciones de las muetras se utilizó el sistema automatizado MDC modelo 539 (imagen 2)

Imagen 2. Sistema de caracerización I-V

Imagen 3. Muestras resultantes después del proceso de fabricación


5

V I . Resultados y discusión de resultados.

Inicialmente realizaremos los cálculos teóricos para cada muestra, esto para predecir la respuesta que se debería obtener en la caracterización de los contactos, y después compararemos estos resultados con las gráficas obtenidas en la caracterización I-V. Los metales que se utilizaron son aluminio y oro, cada una de estos hizo contacto con 4 muestras de las cuales se describen sus características a continuación, es necesario aclarar que para el depósito de aluminio sólo teníamos tres substratos, los correspondientes a muestras 1, 2 y 4: Muestra 1 Sustrato n ρ=1-5Ω/cm Muestra 2 Sustrato n+ ρ=0.001Ω/cm Muestra 3 Sustrato p ρ=1-5Ω/cm Muestra 4 Sustrato p+ ρ=0.001Ω/cm Para el análisis de todas las muestras se tiene en cuenta los siguientes parámetros:

Función trabajo del silicio, χs= 4 eV Energía banda prohibida, Eg = 1.1 eV

Concentración intrínseca, ni = 1.5 x 1010 cm-3 Contante de Boltzman a T ambiente, kT= 0.0259 eV

Carga del electrón, q = 1.602 x 10-19 C M uestra 1. Semiconductor tipo n (ρ = 1-5 Ω*cm) Si queremos la función de trabajo del semiconductor debemos encontrar los parámetros de la siguiente ecuación.

Esta ecuación se extrae del grafico de bandas de energía de la unión (figura 6). Para hallar el valor de las impurezas, inicialmente se estima el valor mediante la curva del anexo 1, este valor lo utilizamos y sobre la curva del anexo 2 hallamos el valor de la movilidad y posteriormente hallamos el valor de la concentración:

De donde podemos despejar:

Ahora se procede a hallar el valor de la posición del nivel de fermi respecto a la banda de conducción:

Finalmente el potencial del semiconductor es:

Los correspondientes diagramas de bandas de la unión metal-semiconductor para esta muestra son: F igura 8. Diagrama de bandas muestra 1 evaporada con aluminio Estrictamente el contacto debería ser rectificante ya que la función de trabajo de metal es mayor que la del semiconductor, sin embargo esta diferencia es sólo de 0,01 V, es decir 26 veces menor que energía entre la banda de conducción y el nivel de fermi, en este caso los electrones en el semiconductor tendrán la suficiente energía como para atravesar la barrera de potencial sin ningún problema y por ende la resistencia del contacto es baja, en consecuencia a esto el contacto se considera óhmico. F igura 9. Diagrama de bandas muestra 1 evaporada con oro. Notablemente el valor de la función de trabajo es mayor del metal es mayor que la del semiconductor, por lo que el contacto evidentemente es rectificante.


6

M uestra 2. Semiconductor tipo n+(ρ=0.001Ω/cm). Se repiten los cálculos, sólo que esta vez varía la resistividad por lo que la concentración igual varía, obteniendo los siguientes resultados:

Ahora se procede a hallar el valor de la posición del nivel de fermi respecto a la banda de conducción: Por el valor de concentración que se obtuvo es correcto afirmar que se trata de un semiconductor degenerado, por lo que la forma correcta de hallar el valor de la posición del nivel de fermi es mediante la integral de fermi y la gráfica del anexo 3:

Con la ayuda del gráfico del anexo 3, encontramos que:

Lo que nos indica que el nivel de fermi está por debajo de la banda de valencia una cantidad igual a:

Finalmente el potencial de trabajo para el semiconductor:

Los correspondientes diagramas de bandas de la unión metal-semiconductor para esta muestra son:

F igura 10. Diagrama de bandas muestra 2 evaporada con aluminio. En la figura 10 observamos claramente que la función trabajo del metal es mayor que la del semiconductor y tratándose de un semiconductor tipo n debía ser un contacto rectificante, sin embargo el semiconductor es

degenerado, por lo que encontraremos no sólo una región de agotamiento angosta sino también estados disponibles para que los electrones logren pasar del metal al semiconductor sin tener que sobre pasar la barrera de potencial, debido a esto tenemos por ende un contacto óhmico.

F igura 11. Diagrama de bandas muestra 2 evaporada con oro. Nuevamente tenemos el caso en el que teóricamente debería tratarse de un contacto rectificante comparando los valores de las funciones de trabajo del semiconductor y del metal, sin embargo debido a la alta concentración de impurezas dentro del semiconductor encontraremos tunelamiento del semiconductor al metal, por lo que la resistencia de la unión es muy pequeña y evidentemente tendremos un contacto óhmico. M uestra 3. Semiconductor tipo p(ρ = 1-5 Ω*cm) Si queremos hallar la función de trabajo del semiconductor debemos encontrar los parámetros de la siguiente ecuación.

Esta ecuación se extrae del grafico de las bandas de la unión (figura 6). Para hallar el valor de las impurezas, inicialmente se estima el valor mediante la curva del anexo 1, este valor lo utilizamos y sobre la curva del anexo 2 hallamos el valor de la movilidad y posteriormente hallamos el valor de la concentración:

De donde podemos despejar:


7

Ahora se procede a hallar el valor de la posición del nivel de fermi respecto a la banda de conducción:

Finalmente el potencial del semiconductor es:

El correspondiente diagrama de bandas de la unión metal (oro)-semiconductor para esta muestra es:

F igura 12. Diagrama de bandas muestra 3 evaporada con oro. Claramente vemos en la figura 12 que la altura del potencial es comparable con la energía existente entre el nivel de fermi y la banda de valencia, por lo que las funciones de trabajo del metal y del semiconductor en este caso son muy parecidas siendo así la energía de los electrones en el semiconductor es suficiente para atravesar la barrera de potencial y viceversa por lo que se trata de un contacto óhmico. M uestra 4. Semiconductor tipo p+(ρ=0.001Ω/cm). Se repiten los cálculos, sólo que esta vez varía la resistividad por lo que la concentración igual varía, obteniendo los siguientes resultados:

Ahora se procede a hallar el valor de la posición del nivel de fermi respecto a la banda de conducción: Por el valor de concentración que se obtuvo es correcto afirmar que se trata de un semiconductor degenerado, por lo que la forma correcta de hallar el valor de la posición del nivel de fermi es mediante la integral de fermi y la gráfica del anexo 3:

Con la ayuda del gráfico del anexo 3, encontramos que:

Lo que nos indica que el nivel de fermi está por debajo de la banda de valencia una cantidad igual a:

Finalmente el potencial de trabajo para el semiconductor:

Los correspondientes diagramas de bandas de la unión metal-semiconductor para esta muestra son:

F igura 13. Diagrama de bandas muestra 4 evaporada con aluminio. Nuevamente el caso en el que la diferencia entre las funciones de trabajo del semiconductor y del metal es muy pequeña por lo que la barrera de potencial es muy pequeña además tenemos además un semiconductor degenerado por lo que la resistencia del contacto es muy baja y es así como concluimos que se trata de un contacto óhmico.

F igura 14. Diagrama de bandas muestra 4 evaporada con oro.


8

En este caso tenemos claramente un contacto óhmico, debido a que la función de trabajo del metal es mayor que la del semiconductor, y tratándose de un semiconductor tipo p, el contacto es óhmico evidentemente. A continuación los gráficos obtenidos mediante el análisis I-V de los contactos semiconductor-metal (aluminio y oro respectivamente): M uestra 1. Substrato n:

F igura 8. Curva I-V de substrato tipo n con aluminio El comportamiento de la corriente corresponde a un contacto óhmico, tal como se predijo con los cálculos teóricos, sin embargo vemos que se presentan dos pendientes, una es correspondiente a la polarización directa y otra la correspondiente a la polarización inversa. La línea punteada nos indica el comportamiento ideal de la curva I-V, donde la pendiente de esta curva (en polarización directa) nos representa el inverso de la resistencia de contacto, veamos: F igura 9. Curva I-V de substrato tipo n con aluminio, en

polarización directa.

Del análisis de regresión lineal realizado a la recta de la figura 9, se encontró lo siguiente:

Pendiente (m) = 0,0174 (Ω-1)

Es decir ésta pendiente nos representa el inverso de la resistencia de contacto, a su vez esta resistencia podemos conocerla mediante la siguiente relación:

dónde: L es la longitud de la muestra, 0,04 cm A el área de los puntos de la mascarilla utilizada para la evaporación del metal en cada muestra,

la resistividad de la muestra Ahora utilizando estas expresiones y cálculos planteados en la muestra 1 obtendríamos:

Teórico

Exper imental

0,065 0,0174 4,76%

Teórico

Exper imental

11 57 9% Efectivamente vemos que la resistencia del contacto es pequeña, característica fundamental en los contactos óhmicos.

F igura 10. Curva I-V de substrato tipo n con oro. Evidentemente el comportamientoI-V del contacto de oro con silicio corresponde al de un diodo de barrera Shottky.


9

M uestra 2. Substrato n+:

F igura 11. Curva I-V de substrato tipo n+ con aluminio El comportamiento del contacto aluminio semiconductor tipo n, es el de un contacto óhmico tal como vemos en la figura, hallamos la resistencia de contacto teórica y experimental y los resultados fueron: F igura 12. Curva I-V de substrato tipo n+ con aluminio,

en polarización directa. Del análisis de regresión lineal realizado a la recta de la figura 12, se encontró lo siguiente:

Pendiente (m) = 0,6655 (Ω-1)

Ahora utilizando estas expresiones y cálculos planteados en la muestra 2 con aluminio obtendríamos:

Teórico

Exper imental

33.3 0,6655 -

Teórico

Exper imental

0,03 1,5 98%

F igura 13. Curva I-V de substrato tipo n+ con oro Tal como se esperaba debido a que se trata de un material con alta concentración de dopaje, la curva I-V nos muestra que se trata de un contacto óhmico. Los cálculos referentes a la resistencia de contacto teórica y experimental son:

F igura 14. Curva I-V de substrato tipo n+ con oro, en polarización directa.

Del análisis de regresión lineal realizado a la recta de la figura 12, se encontró lo siguiente:

Pendiente (m) = 0,6675(Ω-1)

Ahora utilizando estas expresiones y cálculos planteados en la muestra 2 con oro obtendríamos:

Teórico

Exper imental

33.3 0,6675 -

Teórico

Exper imental

0,03 1,4 78%


10

M uestra 3. Substrato p:

F igura 15. Curva I-V de substrato tipo p con oro La correspondiente curva I-V (figura 15) del contacto de oro muestra tipo p nos muestra claramente que se trata de un contacto óhmico, encontrando nuevamente dos pendientes en el comportamiento, una en la polarización inversa y otra en polarización directa. Nuevamente realizamos los cálculos de la resistencia de contacto para la polarización directa, y encontramos lo siguiente:

F igura 16. Curva I-V de substrato tipo p con oro.

Polarización directa Del análisis de regresión lineal realizado a la recta de la figura 16, se encontró lo siguiente:

Pendiente (m) = 24E-4 (Ω-1)

Ahora utilizando estas expresiones y cálculos planteados en la muestra 2 con aluminio obtendríamos:

Teórico

Exper imental

0,065 0,0024 -

Teórico

Exper imental

15 41,6 63% M uestra 4. Substrato p+:

F igura 17. Curva I-V de substrato tipo p+ con aluminio

Evidentemente tenemos el comportamiento de un contacto rectificador para el caso del substrato p+ con aluminio, hecho que contradice lo encontrado teóricamente.

F igura 18. Curva I-V de substrato tipo p+ con oro

Encontramos en el comportamiento de la curva I-V del substrato p+ con oro que tenemos un contacto totalmente resistivo, un contacto óhmico.


11

Resumiendo en una tabla los resultados obtenidos, encontramos:

Muestra Resistividad (ohm-cm)

Concentración cm-3

Metal utilizado

(V) (V) teórico Exper imental

N 1-5 10E14 Al 4,27 4,28 Ω Ω N 1-5 10E14 Au 4,27 5,1 R R N+ 0.001-0.005 10E19 Al 3,971 4,28 Ω Ω N+ 0.001-0.005 10E19 Au 3,971 5,1 Ω Ω P 1-5 10E15 Al 4,28 P 1-5 10E15 Au 4,91 5,1 Ω Ω P+ 0.001-0.005 10E20 Al 4,98 4,28 Ω R P+ 0.001-0.005 10E20 Au 4,98 5,1 Ω Ω

I V . C O N C L USI O N ES

Se logró alcanzar el principal objetivo de la práctica, fabricar contactos óhmicos y rectificantes, se realizaron mediciones de I-V de cada contacto, esto para comparar los resultados que se habían predicho mediante la teoría, se pudo comprobar que aunque estrictamente los resultados señalen algo mediante el análisis cualitativo de cada unión se pudo explicar los resultados que se encontraban en el análisis I-V, en casi todos los caso los resultados teóricos coincidieron con los experimentales, sólo en la muestra 4 evaporada con aluminio encontramos que teóricamente, y debido a que se tienen alta concentración de dopaje el contacto debería ser óhmico sin embargo se encontró que el contacto se comportaba como contacto rectificante al realizarle la curva I-V, podemos asumir que este hecho sucedió debido que fue l última muestra que se evaporo por lo que existe una gran probabilidad de que se halla crecido oxido nativo en esta muestra y halla quedado este oxido ente el substrato y metal, se puede perforar este oxido con alto voltaje o calentándolo, de modo que la corriente pueda pasar sin ningún impedimento y que el contacto se vuelva óhmico. De nuestros 8 contactos, dos se descartaron ya que se le realizaron análisis posteriores en el Hall y se encontró que hubo un error al tomar los sustratos y estos se repitieron, las muestras erróneas son las correspondientes a los contactos con aluminio en substratos de concentraciones de 1 a 5 ohm/cm. Se calcularon las resistencias de contacto para cada uno de los contacto óhmicos encontrados, estos cálculos fueron teóricos y experimentales y en el peor de los casos la resistencia más alta fue de 41,6 Ω lo que nos indica que efectivamente los contacto son totalmente resistivos.

R E F E R E N C I AS

[1] Donald A. Neamen. Semiconductor Physics and Devices.McGraw Hill.1998. [2] S. M. Sze. Physics of semiconductor devices.John Wiley & Sons.

Fabricación, analisis experimental y caracterización de contactos Ohmicos y schottky

Documents

Transcript of Fabricación, analisis experimental y caracterización de contactos Ohmicos y schottky