金属半導体接合
固体物理学において金属-半導体接合とは、接合の一種で、金属と半導体が緊密に接触する。最も古い実用的な半導体デバイスである。金属-半導体接合は、整流作用があるものと無いものに分類される。整流作用がある金属-半導体接合はショットキー障壁を形成しており、ショットキーダイオードで用いられる。整流作用が無い金属-半導体接合はオーミックコンタクトと呼ばれる。(整流作用がある半導体-半導体接合はpn接合として知られる。)
オーミックコンタクトでは電荷がトランジスタと外部回路との間を容易に移動できるため、通常はオーミックコンタクトが望まれる。しかしショットキーダイオード、ショットキートランジスタ、金属-半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)などはショットキー障壁が用いられている。
金属-半導体接合がオーミックコンタクトとショットキー障壁のどちらなのかは、接合のショットキー障壁高さΦBに依存する。ショットキー障壁高さΦBは熱エネルギー kTよりも十分に大きい場合、半導体は金属との界面で空乏層を形成しており、ショットキー障壁としてふるまう。ショットキー障壁高さが小さい場合、半導体に空乏層は形成しておらず、オーミックコンタクトを作る。
ショットキー障壁高さの定義は、n型半導体とp型半導体とで異なる。n型では伝導帯端とフェルミ準位の差、p型では価電子端とフェルミ準位の差である。
接合の近くでの半導体のバンドのアラインメントは一般的に半導体のドーピングレベルに依存しない。よってn型とp型のショットキー障壁高さについて、理想的な場合は次の関係が成り立つ。
\Phi_{\rm B}^{(n)} + \Phi_{\rm B}^{(p)} = E_{\rm g}
ここでEgは半導体のバンドギャップである。
実際のショットキー障壁高さは界面内で一定ではない。
Metal semiconductor junction Schottky approximation.svg
ショットキー障壁についてのショットキー=モット則は、半導体の真空電子親和力(またはイオン化エネルギー)と金属の真空仕事関数の差としてショットキー障壁高さを考える。
\Phi_{\rm B}^{(n)} \approx \Phi_{\rm metal} - \chi_{\rm semi}
このモデルは真空中の2つの物質を接合する思考実験から導出され、半導体-半導体接合でのアンダーソンの法則の考えと同様のものである。
多くの半導体で程度の差はあるがショットキー=モット則が成り立つ。
ショットキー=モット模型では半導体のバンドベンディングの存在を予言するが、ショットキー障壁の高さについては全く正しくないことが実験的にわかっている。フェルミ準位のピン止めと呼ばれる現象は、バンドギャップ中の状態密度が存在する点をフェルミ準位に固定(ピン止め)する。
フェルミ準位のピン止めにより、ショットキー障壁高さは金属の仕事関数とほとんど無関係になる。
\Phi_{\rm B} \approx \frac{1}{2} E_{\rm bandgap}
ここでEbandgapは半導体でのバンドギャップのサイズである。
1947年にジョン・バーディーンは、バンドギャップ内のエネルギーを持ち電荷をもつことができる状態が半導体界面に存在すれば、フェルミ準位のピン止め現象は自然に生じると考えた。
この状態は、金属との化学結合により誘起される(金属誘起ギャップ状態)か、真空中の表面ですでに存在していた(表面状態)かのどちらかである。
この高密度な表面状態は金属から与えられた多量の電荷を吸収するため、半導体は金属の詳細な性質の影響を受けない。
その結果半導体のバンドは、金属からの影響を受けずに、(高密度なために)フェルミ準位にピン止めされた表面状態に対する位置へと曲がりを調整する。
フェルミ準位ピン止め効果は多くの商業的に重要な半導体 (Si, Ge, GaAs)で強く、半導体デバイスの設計を難しくする。
例えば、ほとんどすべての金属はn型ゲルマニウムに対して大きなショットキー障壁を作り、p型ゲルマニウムにはオーミックコンタクトを作る。
これは、価電子端が金属のフェルミ準位に強くピン止めされているためである。
これを解決するには、バンドのピン止めを取るために中間絶縁層(ゲルマニウムの場合、窒化ゲルマニウムが用いられる)を加える等のプロセスが必要である。
金属-半導体接合の整流特性は、1874年にフェルディナント・ブラウンが銅と硫化鉄半導体に接触した水銀を用いて発見した。
ジャガディッシュ・チャンドラ・ボースは1901年に金属-半導体ダイオードの米国特許を申請した。この特許は1904年に与えられた。Page:US_Patent_755840_(Bose's_Microwave_Apparatus).djvu/2
グリーンリーフ・ホイッティア・ピカードは1906年にシリコンを用いた点接触整流器の特許を与えられた。
1907年にG. W. Pierceは、ダイオードの整流特性は多くの半導体上に多くの金属をスパッタリングすることによって作られることを示した論文をフィジカル・レビューに発表した。
金属-半導体ダイオード整流器の使用は、1926年にユリウス・エドガー・リリエンフェルトのトランジスタについての3つの特許の最初の特許で金属-半導体電界効果トランジスタのゲートとして提案された。
金属/半導体ゲートを用いた電界効果トランジスタの正しい理論は1939年にウィリアム・ショックレーが発展させた。
エレクトロニクス応用での最初の金属-半導体ダイオードは、受信機に鉱石検波器が用いられたおよそ1900年に起こった。
鋭いタングステンワイヤーから構成され、先端を方鉛鉱(硫化鉛)結晶の表面に押し付けられる。
最初の大面積整流器は1926年頃に現れ、銅基板上の熱的に成長した酸化銅(I)半導体から成る。
その後、大きな金属基板上にセレン膜を蒸着し、整流ダイオードを作る。
これらのセレン整流器は、電力応用において交流電流を直流電流に変換するために用いられる。
1925年から1940年までの間、シリコン結晶に接触した鋭いタングステンワイヤーからなるダイオードが極超短波領域でのマイクロ波を検出するために実験室で作製された。
点接触整流器のための結晶ベースとしての高純度シリコン製造のための第二次世界大戦プログラムは、1942年にフレデリック・ザイツによって提案され、デュポンの実験ステーションによってうまく行われた。
金属-半導体接合の整流性の正しい方向を予言する最初の理論は、1939年にネヴィル・モットによって与えられた。
彼は半導体表面空間電荷層を通る多数キャリアの拡散電流とドリフト電流の両方の解を見つけ、およそ1948年からモット障壁として知られている。
ヴァルター・ショットキーとSpenkeは、半導体表面層で密度が空間的に一定であるドナーイオンを含めることで、 モットの理論を発展させた。
このことはモットが仮定した一定の電場を線形に減衰する電場に変更した。
金属の下のこの半導体空間電荷層はショットキー障壁として知られる。
同様の理論は1939年にDavydovにも提案された。
これは整流の正しい方向を与えたが、モット理論とショットキー-Davydov展開は、シリコン金属/半導体ダイオード整流器において間違った電流制御メカニズムと、間違った電流-電圧公式を与えることも証明した。
正しい理論はハンス・ベーテによって発展され、1942年11月23日にマサチューセッツ工科大学のRadiation Laboratory Reportで報告された。
ベーテの理論において電流は、金属-ハンド半導体ポテンシャル障壁での熱電子放出によって制限される。
このようにショットキー理論は現代の金属-半導体ダイオードの特性を正しく予言しないため、金属-半導体ダイオードの適切な名前は、ショットキーダイオードではなくベーテダイオードであるべきである。
金属-半導体接合がフェルディナント・ブラウンが行ったようにショットキーダイオードの電気的セットアップでショットキー障壁を作るためにシリコンなどの半導体上に水銀の滴を置くことで形成される場合、エレクトロウェッティングが観測され、電圧が増加すると滴は広がる。
ドーピングのタイプと半導体の密度に依存して、滴の広がりは水銀滴に与えられた電圧の大きさと負号に依存する。 この効果はショットキー・エレクトロウェッティングと呼ばれ、エレクトロウェッティングと半導体効果を効果的にリンクさせる。