金屬-半導體結

在固體物理學中，金屬-半導體結（metal–semiconductor (M–S) junction，M-S結）是一種電結，由金屬與半導體材料緊密接觸而形成。這是最古老的實用半導體器件類型。M-S結可以是整流結或非整流結。整流型的金屬-半導體結形成肖特基勢壘，構成的器件稱為肖特基二極體；而非整流結則被稱為歐姆接觸。（相比之下，當今最常見的半導體器件——整流型半導體-半導體結，被稱為p-n結。）

金屬-半導體結對所有半導體器件的運行都至關重要。通常情況下，人們需要歐姆接觸，以便電荷能夠在電晶體的有效區域與外部電路之間輕易傳導。然而在某些情況下，肖特基勢壘也會派上用場，例如在肖特基二極體、肖特基電晶體以及金屬半導體場效應管中。

## 關鍵參數：肖特基勢壘高度

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特定金屬-半導體結是歐姆接觸還是肖特基勢壘，取決於該結的肖特基勢壘高度ΦB。對於足夠高的肖特基勢壘（即ΦB顯著大於熱能kT），半導體在金屬附近形成耗盡層並表現為肖特基勢壘。對於矽等材料，該值通常在0.4 eV到0.7 eV之間。對於較低的肖特基勢壘高度，半導體不會形成耗盡層，而是與金屬形成歐姆接觸。

n型與p型半導體的肖特基勢壘高度定義有所不同（分別從導帶底和價帶頂開始測量）。半導體在結附近的能帶排列通常獨立於半導體的摻雜水平，因此在理想情況下，n型與p型肖特基勢壘高度之間滿足以下關係：

$$\Phi_{\rm B}^{(n)} + \Phi_{\rm B}^{(p)} = E_{\rm g}$$

其中Eg為半導體的能隙。

在實際應用中，肖特基勢壘高度在整個界面上並非絕對恆定，而是會在界面表面上發生變化。

## 肖特基-莫特規則與費米能級釘扎

肖特基-莫特規則：當兩種材料接觸時，矽中的能帶發生彎曲，使得矽的功函數Φ與銀的功函數相匹配。接觸後能帶保持彎曲。該模型預測銀對n型摻雜矽具有極低的肖特基勢壘，能形成優良的歐姆接觸。

肖特基勢壘形成的肖特基-莫特規則（以華特·蕭特基和內維爾·莫特命名）根據金屬的真空功函數相對於半導體的真空電子親和能（或真空電離能）來預測肖特基勢壘的高度：

$$\Phi_{\rm B}^{(n)} \approx \Phi_{\rm metal} - \chi_{\rm semi}$$

該模型的推導基於將兩種材料在真空中接觸的理想實驗，其邏輯與半導體-半導體結的安德森定則密切相關。不同的半導體在不同程度上符合肖特基-莫特規則。

儘管肖特基-莫特模型正確預測了半導體中存在能帶彎曲現象，但實驗發現該模型對肖特基勢壘高度的預測極其不准。一種被稱為「費米能級釘扎」的現象導致帶隙中存在有限態密度（DOS）的某一點被鎖定（釘扎）在費米能級上。這使得肖特基勢壘高度幾乎完全不受金屬功函數的影響：

$$\Phi_{\rm B} \approx \frac{1}{2} E_{\rm bandgap}$$

其中Ebandgap為半導體中的能隙大小。

事實上，經驗表明上述兩種極端情況都不完全正確。金屬的選擇確實有一定影響，且金屬功函數與勢壘高度之間似乎存在微弱的關聯，但功函數的影響程度僅為肖特基-莫特規則預測值的一小部分。

約翰·巴丁在1947年指出，如果半導體界面處剛好存在可帶電的態，且其能量位於半導體的帶隙內，就會自然產生費米能級釘扎現象。這些態要麼是在金屬與半導體直接化學鍵合過程中誘導產生的（金屬誘導帶隙態），要麼是已經存在於半導體-真空界面的（表面態）。這些高密度的表面態能夠吸收大量由金屬提供的電荷，從而有效地將半導體與金屬的具體特性屏蔽開來。結果是，半導體的能帶必然會對齊到相對於表面態的特定位置，而表面態又因其高密度被釘扎在費米能級上，整個過程完全不受金屬的影響。

費米能級釘扎效應在許多具有重要商業價值的半導體（如Si、Ge、GaAs）中非常強烈，因此可能成為半導體器件設計的難題。例如，幾乎所有金屬對n型鍺都會形成顯著的肖特基勢壘，而對p型鍺則形成歐姆接觸，因為價帶頂被強烈釘扎在金屬的費米能級上。解決這種僵化問題需要額外的工藝步驟，例如添加中間絕緣層以解除能帶釘扎（在鍺的情況下，使用氮化鍺）。

## 歷史

金屬-半導體接觸的整流特性由卡爾·布勞恩於1874年使用金屬汞接觸硫化銅和硫化鐵半導體時發現。賈格迪什·錢德拉·博斯於1901年為金屬-半導體二極體申請了美國專利。該專利於1904年獲批。

G·W·皮卡德（Greenleaf Whittier Pickard）於1906年獲得了一項使用矽的點接觸整流器專利。1907年，喬治·W·皮爾斯（George W. Pierce）在《物理評論》上發表論文，展示了通過在多種半導體上濺射多種金屬所製成的二極體的整流特性。1926年，利林菲爾德在其三項電晶體專利的第一項中，提出將金屬-半導體二極體整流器用作金屬半導體場效應管的柵極。使用金屬/半導體柵極的場效應管理論由威廉·肖克利於1939年提出。

最早在電子學應用中出現的金屬-半導體二極體可以追溯到1900年左右，當時貓須整流器被用於無線電接收機中。它們由尖銳的鎢絲（呈貓須狀）組成，其尖端壓在方鉛礦（硫化鉛）晶體表面上。第一個大面積整流器出現於1926年左右，由在銅基底上熱生長的氧化亞銅半導體組成。隨後，硒薄膜被蒸鍍到大型金屬基底上以形成整流二極體。這些硒整流器過去（現在依然）應用於電力中的交流電到直流電的轉換。在1925年至1940年間，實驗室製造了由接觸在矽晶體底座上的尖銳鎢金屬絲組成的二極體，用於探測特高頻範圍內的微波。1942年，弗雷德里克·塞茨（Frederick Seitz）提出了一項在二戰期間製造高純度矽作為點接觸整流器晶體底座的計劃，並由E·I·杜邦公司的實驗站成功實施。

第一個正確預測金屬-半導體結整流方向的理論由內維爾·莫特於1939年提出。他求解了多數載流子穿過半導體表面空間電荷層的擴散和漂移電流（該層自1948年左右起被稱為莫特勢壘）。華特·蕭特基與斯彭克（Spenke）通過引入在半導體表面層中濃度在空間上恆定的施主離子，擴展了莫特的理論。這將莫特所假設的恆定電場改變為線性衰減的電場。金屬下方的這種半導體空間電荷層被稱為肖特基勢壘。儘管它給出了正確的整流方向，但後來的研究也證明，莫特理論及其肖特基-達維多夫擴展在預測矽金屬/半導體二極體整流器的限流機制和電流-電壓公式方面是錯誤的。正確的理論由漢斯·貝特發展，並於1942年11月23日的一份麻省理工學院輻射實驗室報告中提出。在貝特的理論中，電流受限於越過金屬-半導體勢壘的電子熱發射。因此，金屬-半導體二極體的恰當名稱應為貝特二極體，而非肖特基二極體，因為肖特基理論未能正確預測現代金屬-半導體二極體的特性。

如果像布勞恩那樣，將一滴金屬汞液滴放置在半導體（如矽）上形成金屬-半導體結，從而在電氣設置中構建肖特基二極體的肖特基勢壘，就可以觀察到電濕潤現象，即液滴會隨著電壓的增加而鋪展。液滴的鋪展程度取決於施加在汞滴上的電壓大小和極性，同時受到半導體中摻雜類型和濃度的影響。這種效應被稱為「肖特基電潤濕」，有效地將電潤濕與半導體效應聯繫了起來。

在1953年至1958年間，富勒（Fuller）和迪岑伯格（Ditzenberger）研究了雜質在矽中的擴散。1956年，米勒（Miller）和薩維奇（Savage）研究了鋁在單晶矽中的擴散。

1957年，貝爾實驗室的弗羅施（Frosch）和德里克（Derick）發明了第一個矽氧化物柵極電晶體。1956年，理察·貝克（Richard Baker）描述了一些分立的二極體鉗位電路，以防止電晶體進入飽和狀態。這些電路現在被稱為貝克鉗。其中一種鉗位電路使用單個鍺二極體鉗位矽電晶體，其電路配置與肖特基電晶體完全相同。該電路依賴於鍺二極體具有比矽二極體更低的正向壓降。

肖特基二極體（也稱為肖特基勢壘二極體）在理論上已被提出多年，但直到1960年至1961年間，基於阿塔拉（Atalla）和康（Kahng）的研究才首次在實際上得以實現。他們在1962年發表了研究成果，並將其器件稱為具有半導體-金屬發射極的「熱電子」三極體結構。它是最早的金屬基極電晶體之一。阿塔拉在HP Associates與羅伯特·J·阿徹（Robert J. Archer）繼續進行肖特基二極體的研究。他們開發了高真空金屬薄膜沉積技術，並製造出了穩定的蒸鍍/濺射接觸，他們的成果於1963年1月發表。這項工作在金屬-半導體結和肖特基勢壘研究領域是一項重大突破，因為它克服了點接觸二極體中固有的多數製造問題，使製造實用的肖特基二極體成為可能。

1967年，貝爾實驗室的羅伯特·科溫（Robert Kerwin）、唐納德·克萊恩（Donald Klein）和約翰·薩雷斯（John Sarace）申請了一項利用多晶矽層取代鋁柵極的專利。

## 相關

- 肖特基勢壘

## 外部連結

- Metal-semiconductor junction band diagrams