半导体―金属接触特性测试技术

半导体—金属接触特性测试技术杜卓同（1）功函数（2）半导体亲和势（能）（3）欧姆接触与肖特基接触（4）肖特基接触势垒（1）功函数功函数(workfunction)又称逸出功，在固体物理中被定义成：把一个电子从固体内部刚刚移到此物体表面所需的最少的能量。半导体功函数：真空中静止电子的能量与半导体费米能级的能量之差。单位：eV/电子伏特紫外光电子能谱（UPS）基本原理就是光电效应：紫外光外层价电子自由光电子（激发态分子离子）原子的反冲能量EMmra122*电子结合能电子动能能量关系可表示：rkbEEEhv紫外光电子能谱（UPS）紫外光电子能谱（UPS）开尔文探针法（Kelvinprobeforcemicroscopy-KPFM）探针的参考电极(功函数已知)与样品组成振动式平板电容C，由于两电极的功函数不同而产生的接触电势差等效为：当探针相对样品振动时，电容C的改变就会产生位移电流：对样品外加一补偿电压使位移电流为零，此时的补偿电压值就是样品与探针的功函数之差。Fig.2ElectronicenergylevelsofthesampleandAFMtipforthreecases:(a)tipandsampleareseparatedbydistancedwithnoelectricalcontact,(b)tipandsampleareinelectricalcontact,and(c)externalbias(Vdc)isappliedbetweentipandsampletonullifytheCPD开尔文探针法（Kelvinprobeforcemicroscopy-KPFM）不存在电子发射和收集过程，避免测量本身引起表面态的变化。测量精度高，对样品表面无破坏。需要高真空环境，对探针的性能有较高要求。半导体亲和势半导体导带底部到真空能级间的能量值，它表征材料在发生光电效应时，电子逸出材料的难易程度。电子亲和势越小，就越容易逸出。𝐸0𝐸𝐶𝐸𝐹𝐸𝑉WIW=I+𝐸𝑔−(𝐸𝐹−𝐸𝑉)由紫外光谱等方法可以测出禁带宽度，由UPS可测出导带底相对于费米能级的位置。半导体亲和势W=I+𝐸𝑔−(𝐸𝐹−𝐸𝑉)欧姆接触与肖特基接触(a)(b)(c)Energybanddiagramforn-typesemiconductor-metalcontacts:(a)Schottkycontact;(b)Ohmiccontact;(c)InjectingOhmiccontactχΦVacuumlevelΦmΦm-χMetalSemiconductorVacuumlevelΦmχΦχΦm-MetalSemiconductorχΦVacuumlevelΦmΦm-χMetalSemiconductorPockels效应是一种一次电光效应，指的是：平面偏振光沿着处在外电场内的压电晶体的光轴传播时发生双折射现象，且两个主折射率之差与外电场强度成正比。Pockels效应测试01(x,y)(x,y)arcsin(x,y)IEI304132nrdPockels效应测试Au/CZT/AuPockels效应测试Pt/CdT/Pt600VIn/CdTe/Pt600V对于形成肖特基接触的CdTe晶体，其内电场在从阳极（In电极）到阴极（Pt电极）显著的逐渐降低。这一现象是由于阳极的肖特基接触势垒所产生的反向电流使得空穴注入半导体，使得正空间电荷在阳极开始聚集。Pockels效应测试（4）肖特基接触势垒I-V法基于热电子发射机制。所谓热电子发射机制，指的是由于热运动，部分电子获得足够高的能量，半导体导带中的电子也可靠热运动越过势垒进人金属;同样金属中电子也可越过势垒进人半导体。无外加电压时两者达到平衡，当加上正向偏压V时，电子从半导体一侧见到的势垒变为𝛷𝑏-V，因而从半导体至金属的电子流增加,故产生从半导体至金属的净电子流。电流密度与电压关系如下：。故lnJ~V的关系是一直线,由此直线外推至V=0处可求得𝐽0,如果A*已知,便可求出𝛷𝑏。这样求出的势垒高度,包括了电象力效应、隧道效应以及其它因素的影响。J=𝐴∗𝑇2𝑒−𝑞𝛷𝑏/𝑘𝑇𝑒𝑞𝑣/𝑘𝑇=𝐽0𝑒𝑞𝑣/𝑘𝑇𝐴∗=4𝜋𝑚∗𝑞𝑘3/ℎ3（4）肖特基接触势垒如果A*未知,可测量不同温度下的I一V特性。ln(𝐽0/𝑇2)~1/T关系,按上式是一直线。由其斜率可求势垒高度,其截距则为lnA*。C-V法（4）肖特基接触势垒由此可见,1/𝐶2--V关系是一直线。将此直线外推至l/𝐶2=0。,得截距𝑉𝑖。则势垒高度可由下式求出由C-V法（4）肖特基接触势垒Vi=−0.53VT=298K𝑉0=0.16𝑉𝛷𝑏=0.76𝑉C-V法（4）肖特基接触势垒在I-V测试中，电流依赖于界面结构，接触的横向不均匀性使整流特性变差，而且电流中还包含热电子发射以外的电流，这些都导致计算出来的结果与实际偏差很大。在C-V方法中，电容对于空间电荷区内的势垒涨落不敏感，会屏蔽空间电荷区的边界，并且此方法是在整个接触面上计算势垒高度的，而通过界面的电流与势垒高度成指数关系，因此它对界面处的势垒分布非常敏感。对于能带弯曲不均匀的界面以及空间电荷，不同方法计算出来的势垒高度是不同的。（4）肖特基接触势垒（4）肖特基接触势垒同步辐射光电子能谱法（SRXPS）同步辐射光电子能谱法（SRXPS）可以直接测算势垒高度而不受金属-半导体接触界面的缺陷以及缺陷引起的空间电荷区变化的影响。在超高真空条件下对晶片进行原位金属沉积，根据金属沉积前后芯能级的偏移来计算势垒高度。接触势垒高度的计算公式为，式中，ΦB,p为接触势垒高度，EB为镀金金属后芯能级，EV-C为芯能级与价带顶的距离。CVBPBEE,以CdZnTe晶体为例，利用同步辐射光电子能谱分别测量清洁的CdZnTe晶片和蒸Au后的晶体表面内层Cd4d芯能级和价带结构费米边ThephotoemissionspectraofcleanCdZnTe(110)surfacewithoutAuThephotoemissionspectraofcleanCdZnTe(110)surfacewithAu在CdZnTe(110)上得出EB和EV-C分别为11.377eV和10.639eV。所以Au与CdZnTe(110)面的理想肖特基接触势垒ΦB,p为0.74eV。（4）肖特基接触势垒同步辐射光电子能谱法（SRXPS）谢谢！