【半導体工学】金属-半導体接触とは (ショットキー接触・オーミック接触)

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工学

金属-半導体接触はその名の通りに金属と半導体が接触されたものです.金属-半導体接触はその特性によってショットキー接触オーミック接触に分けられます.本記事では金属-半導体接触について解説していきます.

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金属-半導体接触

金属-半導体接触はその名の通り金属と半導体を接触させたものです.金属-半導体接触は特性によってショットキー接触オーミック接触の2種類に分けられます.ショットキー接触はダイオードのような整流作用を持ち,オーミック接触は金属同士の接触のように電流を通す性質があります.ショットキー接触とオーミック接触のどちらになるかは不純物濃度や金属の種類によります.

ショットキー接触

図1 ショットキー接触


ショットキー接触は電流が一方向のみで流れる整流作用を持つ金属-半導体接触です.ショットキー接触について図1の金属とn型半導体のショットキー接触から説明していきます (金属とp型半導体でも同様に考えることができるため省略).ショットキー接触では金属と半導体を接触させるとポテンシャルの障壁ができます.ポテンシャルの障壁ができる原理を説明します.まず金属と半導体を接触させるとフェルミ準位が一致するまで半導体から金属に電子が移動します.これによってpn接合同様にn型半導体で空乏層ができます.この空乏層により空間電荷ができるためポテンシャルが曲がり,金属側と半導体側の両方にとってポテンシャルの障壁ができます.このポテンシャルの高さ\(q\phi _B\)をショットキー障壁高さといいます.この障壁によってどちら側からもキャリア (電子)が移動しづらくなります.

ショットキー接触になる条件

ショットキー接触になるためにはポテンシャルの障壁ができる必要があります.真空準位とフェルミ準位の差を仕事関数というが,金属の仕事関数を\(q\phi_m\),半導体の仕事関数を\(q\phi_s\)とすると,障壁ができる条件は\(q\phi_s<q\phi_m\)となります.よってショットキー接触になる条件は以下のようになります.

$$q\phi_s<q\phi_m$$

順方向バイアス

順方向にバイアスをかけた場合に図2のように半導体からみた障壁のみ下がるため,拡散により半導体から金属に電子が移動することにより電流が流れるようになります.

図2 ショットキー接触とバイアス


逆方向バイアス

逆方向バイアスをかけた場合は図2のように半導体からみた障壁がさらに高くなるためキャリアがあまり移動しないため電流が流れません

ショットキー接触の応用先

ショットキー接触は以上のように整流作用を持つため,ショットキーダイオード (ショットキーバリアダイオード)に応用されます.ショットキーダイオードはショットキー接触の整流作用を用いたダイオードです.

オーミック接触

オーミック接触は順方向と逆方向の両方で電流が流れる金属-半導体接触です.ショットキー接触とは反対に図1の障壁がない場合にオーミック接触となります.

オーミック接触になる条件

ショットキー接触とは反対に,障壁ができないことが条件となるため以下のようになります.
$$q\phi_s>q\phi_m$$

オーミック接触になる別の方法もあります.通常では\(q\phi_s<q\phi_m\)ではショットキー接触になりますが,半導体の不純物を高濃度に添付すると空乏層が狭くなるため,トンネル効果によって電流が流れるようになります.この高濃度不純物によるオーミック接触もしばしば用いられます.

オーミック接触の応用先

オーミック接触は集積回路の半導体と配線をつなぐコンタクトに利用されます.

まとめ

  • オーミック接触:順方向と逆方向の両方で電流が流れる金属-半導体接触
  • ショットキー接触:電流が一方向のみで流れる整流作用を持つ金属-半導体接触
  • 仕事関数:真空準位とフェルミ準位の差
  • ショットキー障壁高さ:ショットキー接触において金属と半導体のポテンシャル障壁の高さ
  • ショットキーダイオード:ショットキー接触の整流作用を用いたダイオード

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