金属半導体接合

金属-半導体接合：オーミックコンタクトとショットキー障壁

金属と半導体が直接接合した構造を、金属-半導体接合と呼びます。これは、最も古くから実用化されている半導体デバイスの基本構造です。接合の性質は、電荷の移動のしやすさによって大きく異なり、大きく分けて2つのタイプに分類されます。

1. オーミックコンタクト:

電荷が金属と半導体の間を容易に移動できる接合です。トランジスタなどのデバイスでは、外部回路との接続部として広く用いられ、スムーズな電流の供給を確保するために理想的な接合です。

2. ショットキー障壁:

金属と半導体の間に電位障壁（ショットキー障壁）が形成され、電荷の移動が制限される接合です。整流作用を示し、ショットキーダイオードやショットキートランジスタなどのデバイスに利用されます。

ショットキー障壁高さ

オーミックコンタクトとショットキー障壁のどちらが形成されるかは、ショットキー障壁高さ（ΦB）に依存します。ΦBが熱エネルギー(kT)よりも十分に大きい場合、半導体表面に空乏層が形成され、ショットキー障壁として機能します。逆にΦBが小さいと、空乏層は形成されず、オーミックコンタクトになります。

ΦBはn型[半導体]]とp型半導体で定義が異なり、n型では伝導帯端とフェルミ準位の差、p型では価電子帯端とフェルミ準位の差で定義されます。理想的には、n型とp型のショットキー障壁高さの和は半導体の[[バンドギャップ]に等しくなります。

ΦB(n) + ΦB(p) = Eg

ただし、実際のΦBは界面で均一ではなく、複雑な要因によって影響を受けます。

ショットキー＝モット則とフェルミレベルピニング

ショットキー＝モット則は、ショットキー障壁高さを金属の仕事関数と半導体の電子親和力の差で近似的に表す経験則です。

ΦB(n) ≈ Φmetal - χsemi

このモデルは単純化されたモデルであり、実際のショットキー障壁高さを正確に予測できません。実際には、フェルミレベルピニングと呼ばれる現象が観測されます。これは、半導体界面に存在する高密度な表面準位がフェルミ準位を固定し、ショットキー障壁高さを金属の仕事関数から切り離す現象です。結果として、ショットキー障壁高さはバンドギャップの半分程度になります。

ΦB ≈ Eg/2

フェルミレベルピニングは、多くの半導体で観測され、半導体デバイス設計上の課題となっています。

歴史

金属-半導体接合の整流作用は、1874年にフェルディナント・ブラウンによって発見されました。その後、ジャガディッシュ・チャンドラ・ボース、グリーンリーフ・ホイッティア・ピカード、ジョージ・ワシントン・ピアースらによって研究が進められ、鉱石検波器やセレン整流器など、様々なデバイスが開発されました。

1939年、ウィリアム・ショックレーが金属-半導体接合を用いた電界効果トランジスタの理論を発表し、現代の半導体デバイスの基礎を築きました。また、ネヴィル・モット、ヴァルター・ショットキー、Spenke、Davydovらが金属-半導体接合の理論的解明に貢献しました。特に、ハンス・ベーテによる理論は、金属-半導体接合での電流輸送機構を正確に説明しています。

金属-半導体接合は、ショットキーダイオードなどの重要なデバイスの基礎であり、現代のエレクトロニクス技術に不可欠な要素です。その特性を理解することは、半導体デバイスの設計開発において非常に重要です。また、ショットキー・エレクトロウェッティングなど、新たな研究も進められています。

もう一度検索