オーミック接触

オーミック接触：半導体デバイスの心臓部

はじめに

オーミック接触とは、2つの導体間の電気的接合において、電流と電圧がオームの法則に従い線形な関係を示すものを指します。整流作用がなく、電荷が容易に双方向に流れるため、半導体デバイスにおいて極めて重要な役割を果たします。本稿では、オーミック接触の基礎から、その作製・評価、そしてシリコンや化合物半導体への応用までを詳細に解説します。

オーミック接触の基礎

理想的なオーミック接触は、抵抗が小さく、電圧降下が最小限に抑えられます。これにより、デバイスの電力損失を低減し、性能を向上させることができます。一方で、線形でない電流電圧特性を示す接合は非オーミック接触と呼ばれ、pn接合やショットキー障壁などがその例です。

金属-金属接合では、酸化物などの不純物がなければ比較的容易にオーミック接触が形成されます。はんだ付けや溶接、蒸着などの様々な手法が用いられます。しかし、半導体と金属のオーミック接触形成は、技術的に高度なプロセスを必要とします。

オーミック接触形成の物理

オーミック接触とショットキー障壁は、ショットキー障壁高さに大きく依存します。ショットキー障壁とは、電子が半導体から金属へ移動する際に必要なエネルギー障壁です。オーミック接触を形成するためには、この障壁高さを低く抑える必要があります。

ショットキー＝モット則は、ショットキー障壁高さを金属と半導体の仕事関数から予測するモデルです。しかし、実際にはこの則は必ずしも正確ではなく、金属と半導体の界面での化学反応や表面状態などが障壁高さを複雑に変化させます。特に、金属誘起ギャップ状態はフェルミ準位をピン止めし、ショットキー障壁高さを決定的な要因となります。

そのため、高品質なオーミック接触の形成は、シリコンやガリウムヒ素などの主要な半導体においても容易ではありません。

オーミック接触の作製と評価

オーミック接触の作製は、材料科学における高度な技術です。半導体表面の清浄度が接触抵抗に大きく影響するため、表面処理は非常に重要です。洗浄、金属堆積、パターニング、アニーリングといった工程を経て形成されます。

洗浄には、スパッタエッチング、化学エッチング、反応性ガスエッチングなどが用いられます。金属堆積には、スパッタリング、蒸着、化学気相成長（CVD）などが用いられます。CVDは、スパッタリングに比べて表面ダメージが少なく、高品質な接触形成に適しています。パターニングにはフォトリソグラフィが用いられます。アニーリングは、金属と半導体の反応を促進し、接触抵抗を低減するのに役立ちます。

接触抵抗の測定には、四端子法や伝送線測定法などが用いられます。

技術的に重要なオーミック接触

シリコンへのオーミック接触には、シリサイド（ケイ化物）がよく用いられます。チタン・タングステン二ケイ化物などが代表的です。アルミニウムも、n型およびp型シリコンのオーミック接触として利用されます。

化合物半導体へのオーミック接触形成は、シリコンに比べて難易度が高いです。例えば、GaAsは表面のヒ素の揮発性が高いため、アニーリング温度を制限する必要があります。そのため、バンドギャップの小さい合金層を形成する手法が用いられることがあります。

透明導電膜として酸化インジウムスズ(ITO)は、液晶ディスプレイや太陽電池などで利用されます。

オーミック接触の重要性

オーミック接触の抵抗は、デバイスの周波数特性や電力損失に影響を与えます。高クロックレートのデジタル回路では、リード抵抗による電力損失が大きな問題となります。また、低周波数アナログ回路や太陽電池では、ジュール熱による電力損失が問題となります。

信頼性の高いオーミック接触の形成は、高性能な半導体デバイス開発に不可欠であり、エレクトロマイグレーションや層間剥離といった劣化現象の抑制も重要な課題です。

参考文献

Sze, S.M. (1981). Physics of Semiconductor Devices. John Wiley & Sons.
Zangwill, Andrew (1988). Physics at Surfaces. Cambridge University Press.

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