金属-半导体结

在固体物理学中，金属-半导体结（metal–semiconductor (M–S) junction，M-S结）是一种电结，由金属与半导体材料紧密接触而形成。这是最古老的实用半导体器件类型。M-S结可以是整流结或非整流结。整流型的金属-半导体结形成肖特基势垒，构成的器件称为肖特基二极管；而非整流结则被称为欧姆接触。（相比之下，当今最常见的半导体器件——整流型半导体-半导体结，被称为p-n结。）

金属-半导体结对所有半导体器件的运行都至关重要。通常情况下，人们需要欧姆接触，以便电荷能够在晶体管的有效区域与外部电路之间轻易传导。然而在某些情况下，肖特基势垒也会派上用场，例如在肖特基二极管、肖特基晶体管以及金属半导体场效应管中。

## 关键参数：肖特基势垒高度

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特定金属-半导体结是欧姆接触还是肖特基势垒，取决于该结的肖特基势垒高度ΦB。对于足够高的肖特基势垒（即ΦB显著大于热能kT），半导体在金属附近形成耗尽层并表现为肖特基势垒。对于硅等材料，该值通常在0.4 eV到0.7 eV之间。对于较低的肖特基势垒高度，半导体不会形成耗尽层，而是与金属形成欧姆接触。

n型与p型半导体的肖特基势垒高度定义有所不同（分别从导带底和价带顶开始测量）。半导体在结附近的能带排列通常独立于半导体的掺杂水平，因此在理想情况下，n型与p型肖特基势垒高度之间满足以下关系：

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

其中Eg为半导体的能隙。

在实际应用中，肖特基势垒高度在整个界面上并非绝对恒定，而是会在界面表面上发生变化。

## 肖特基-莫特规则与费米能级钉扎

肖特基-莫特规则：当两种材料接触时，硅中的能带发生弯曲，使得硅的功函数Φ与银的功函数相匹配。接触后能带保持弯曲。该模型预测银对n型掺杂硅具有极低的肖特基势垒，能形成优良的欧姆接触。

肖特基势垒形成的肖特基-莫特规则（以华特·萧特基和内维尔·莫特命名）根据金属的真空功函数相对于半导体的真空电子亲和能（或真空电离能）来预测肖特基势垒的高度：

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

该模型的推导基于将两种材料在真空中接触的理想实验，其逻辑与半导体-半导体结的安德森定则密切相关。不同的半导体在不同程度上符合肖特基-莫特规则。

尽管肖特基-莫特模型正确预测了半导体中存在能带弯曲现象，但实验发现该模型对肖特基势垒高度的预测极其不准。一种被称为“费米能级钉扎”的现象导致带隙中存在有限态密度（DOS）的某一点被锁定（钉扎）在费米能级上。这使得肖特基势垒高度几乎完全不受金属功函数的影响：

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

其中Ebandgap为半导体中的能隙大小。

事实上，经验表明上述两种极端情况都不完全正确。金属的选择确实有一定影响，且金属功函数与势垒高度之间似乎存在微弱的关联，但功函数的影响程度仅为肖特基-莫特规则预测值的一小部分。

约翰·巴丁在1947年指出，如果半导体界面处刚好存在可带电的态，且其能量位于半导体的带隙内，就会自然产生费米能级钉扎现象。这些态要么是在金属与半导体直接化学键合过程中诱导产生的（金属诱导带隙态），要么是已经存在于半导体-真空界面的（表面态）。这些高密度的表面态能够吸收大量由金属提供的电荷，从而有效地将半导体与金属的具体特性屏蔽开来。结果是，半导体的能带必然会对齐到相对于表面态的特定位置，而表面态又因其高密度被钉扎在费米能级上，整个过程完全不受金属的影响。

费米能级钉扎效应在许多具有重要商业价值的半导体（如Si、Ge、GaAs）中非常强烈，因此可能成为半导体器件设计的难题。例如，几乎所有金属对n型锗都会形成显著的肖特基势垒，而对p型锗则形成欧姆接触，因为价带顶被强烈钉扎在金属的费米能级上。解决这种僵化问题需要额外的工艺步骤，例如添加中间绝缘层以解除能带钉扎（在锗的情况下，使用氮化锗）。

## 历史

金属-半导体接触的整流特性由卡尔·布劳恩于1874年使用金属汞接触硫化铜和硫化铁半导体时发现。贾格迪什·钱德拉·博斯于1901年为金属-半导体二极管申请了美国专利。该专利于1904年获批。

G·W·皮卡德（Greenleaf Whittier Pickard）于1906年获得了一项使用硅的点接触整流器专利。1907年，乔治·W·皮尔斯（George W. Pierce）在《物理评论》上发表论文，展示了通过在多种半导体上溅射多种金属所制成的二极管的整流特性。1926年，利林菲尔德在其三项晶体管专利的第一项中，提出将金属-半导体二极管整流器用作金属半导体场效应管的栅极。使用金属/半导体栅极的场效应管理论由威廉·肖克利于1939年提出。

最早在电子学应用中出现的金属-半导体二极管可以追溯到1900年左右，当时猫须整流器被用于无线电接收机中。它们由尖锐的钨丝（呈猫须状）组成，其尖端压在方铅矿（硫化铅）晶体表面上。第一个大面积整流器出现于1926年左右，由在铜基底上热生长的氧化亚铜半导体组成。随后，硒薄膜被蒸镀到大型金属基底上以形成整流二极管。这些硒整流器过去（现在依然）应用于电力中的交流电到直流电的转换。在1925年至1940年间，实验室制造了由接触在硅晶体底座上的尖锐钨金属丝组成的二极管，用于探测特高频范围内的微波。1942年，弗雷德里克·塞茨（Frederick Seitz）提出了一项在二战期间制造高纯度硅作为点接触整流器晶体底座的计划，并由E·I·杜邦公司的实验站成功实施。

第一个正确预测金属-半导体结整流方向的理论由内维尔·莫特于1939年提出。他求解了多数载流子穿过半导体表面空间电荷层的扩散和漂移电流（该层自1948年左右起被称为莫特势垒）。华特·萧特基与斯彭克（Spenke）通过引入在半导体表面层中浓度在空间上恒定的施主离子，扩展了莫特的理论。这将莫特所假设的恒定电场改变为线性衰减的电场。金属下方的这种半导体空间电荷层被称为肖特基势垒。尽管它给出了正确的整流方向，但后来的研究也证明，莫特理论及其肖特基-达维多夫扩展在预测硅金属/半导体二极管整流器的限流机制和电流-电压公式方面是错误的。正确的理论由汉斯·贝特发展，并于1942年11月23日的一份麻省理工学院辐射实验室报告中提出。在贝特的理论中，电流受限于越过金属-半导体势垒的电子热发射。因此，金属-半导体二极管的恰当名称应为贝特二极管，而非肖特基二极管，因为肖特基理论未能正确预测现代金属-半导体二极管的特性。

如果像布劳恩那样，将一滴金属汞液滴放置在半导体（如硅）上形成金属-半导体结，从而在电气设置中构建肖特基二极管的肖特基势垒，就可以观察到电湿润现象，即液滴会随着电压的增加而铺展。液滴的铺展程度取决于施加在汞滴上的电压大小和极性，同时受到半导体中掺杂类型和浓度的影响。这种效应被称为“肖特基电润湿”，有效地将电润湿与半导体效应联系了起来。

在1953年至1958年间，富勒（Fuller）和迪岑伯格（Ditzenberger）研究了杂质在硅中的扩散。1956年，米勒（Miller）和萨维奇（Savage）研究了铝在单晶硅中的扩散。

1957年，贝尔实验室的弗罗施（Frosch）和德里克（Derick）发明了第一个硅氧化物栅极晶体管。1956年，理查德·贝克（Richard Baker）描述了一些分立的二极管钳位电路，以防止晶体管进入饱和状态。这些电路现在被称为贝克钳。其中一种钳位电路使用单个锗二极管钳位硅晶体管，其电路配置与肖特基晶体管完全相同。该电路依赖于锗二极管具有比硅二极管更低的正向压降。

肖特基二极管（也称为肖特基势垒二极管）在理论上已被提出多年，但直到1960年至1961年间，基于阿塔拉（Atalla）和康（Kahng）的研究才首次在实际上得以实现。他们在1962年发表了研究成果，并将其器件称为具有半导体-金属发射极的“热电子”三极管结构。它是最早的金属基极晶体管之一。阿塔拉在HP Associates与罗伯特·J·阿彻（Robert J. Archer）继续进行肖特基二极管的研究。他们开发了高真空金属薄膜沉积技术，并制造出了稳定的蒸镀/溅射接触，他们的成果于1963年1月发表。这项工作在金属-半导体结和肖特基势垒研究领域是一项重大突破，因为它克服了点接触二极管中固有的多数制造问题，使制造实用的肖特基二极管成为可能。

1967年，贝尔实验室的罗伯特·科温（Robert Kerwin）、唐纳德·克莱恩（Donald Klein）和约翰·萨雷斯（John Sarace）申请了一项利用多晶硅层取代铝栅极的专利。

## 相关

- 肖特基势垒

## 外部链接

- Metal-semiconductor junction band diagrams