崔益民，陳 彥，裴 朝，潘 暉，張高龍，錢建強(qiáng)，李 華

（北京航空航天大學(xué) 物理教學(xué)與實(shí)驗(yàn)中心，北京100191）

1 引 言

金屬－半導(dǎo)體接觸是固體物理和半導(dǎo)體技術(shù)的一個(gè)具有近百年歷史的古老研究領(lǐng)域．隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，該領(lǐng)域取得了許多進(jìn)展，但是，也存在許多重要的問題有待解決．在基礎(chǔ)研究方面，如費(fèi)米能級(jí)的釘扎機(jī)理問題；在技術(shù)應(yīng)用方面，由于器件的發(fā)展提出了許多新要求，所以不斷有許多新技術(shù)和工藝尚待探索．在這個(gè)研究領(lǐng)域中，整流接觸和歐姆接觸是其中的2個(gè)重要的課題［1］．

鈣鈦礦氧化物具有介電、鐵電、壓電、光電、超導(dǎo)、巨磁電阻以及光學(xué)非線性等很多吸引人的特性與效應(yīng)．盡管鈣鈦礦型氧化物的性質(zhì)各異，但大部分在結(jié)構(gòu)上具有很好的相容性．Sr TiO3（STO）是典型的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物，具有較高的相對(duì)電容率（300～2 000）和非常低的損耗，是應(yīng)用于微電子領(lǐng)域中的一種高K材料，同時(shí)STO薄膜因其良好的鐵電性、介電性被廣泛應(yīng)用于微波、存儲(chǔ)等領(lǐng)域［2－5］．STO 在室溫下為立方晶系結(jié)構(gòu)，在300 K溫度下的晶格常量a＝0．390 5 nm．按基礎(chǔ)科學(xué)研究觀點(diǎn)，由于STO是顯示出強(qiáng)的電子－聲子相互作用的典型的鈣鈦礦氧化物，STO是研究氧化物的表面和界面的最佳材料，其電特性可通過電子摻雜而改變，例如改變氧含量，用Nb部分替代Ti或La部分替代Sr．從導(dǎo)電性能上看，STO可以通過摻雜從絕緣體變化成n型半導(dǎo)體，高摻雜后可變成金屬性的導(dǎo)電體，如室溫下，Nb摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的NSTO電阻率約為2×10－3Ω·cm，電阻隨溫度的變化為金屬行為［6－8］．

2 金屬與半導(dǎo)體的兩種接觸：肖特基結(jié)和歐姆結(jié)

當(dāng)1塊金屬和1塊半導(dǎo)體接觸，能量達(dá)到平衡時(shí)，其費(fèi)米能級(jí)一定要連續(xù)．圖1為n型半導(dǎo)體與不同功函數(shù)的金屬接觸成結(jié)時(shí)能帶結(jié)構(gòu)的變化的情況．

圖1 n型半導(dǎo)體與不同功函數(shù)的金屬接觸成結(jié)時(shí)能帶結(jié)構(gòu)的變化情況

當(dāng)金屬功函數(shù)Φm大于半導(dǎo)體的功函數(shù)Φs，電子從半導(dǎo)體流入金屬，直到平衡．此時(shí)費(fèi)米能級(jí)連續(xù)通過結(jié)，這是由于接近結(jié)的半導(dǎo)體中的電子離開施主進(jìn)入金屬的結(jié)果．這個(gè)過程在半導(dǎo)體接近結(jié)的部分形成耗盡層．此時(shí)離子化的施主形成了正的空間電荷區(qū)．金屬一邊接觸面形成負(fù)的表面電荷．電子繼續(xù)流動(dòng)，直到雙電子層建立了足夠強(qiáng)的電場，阻止電子繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，從而造成了在半導(dǎo)體一邊能帶向上彎曲，形成高的勢壘（Φm－Φs）e V［見圖1（a）］，這種結(jié)稱為肖特基結(jié)．此時(shí)由于熱運(yùn)動(dòng)，只有極少數(shù)電子從金屬流向半導(dǎo)體；相似于金屬，半導(dǎo)體導(dǎo)帶里只有極少的電子有足夠能量越過勢壘進(jìn)入金屬，也就是說在平衡時(shí)二類電流相等，沒有凈電流通過結(jié)［1］．

如果金屬的功函數(shù)Φm小于半導(dǎo)體功函數(shù)Φs，則情況完全不同．電子將從金屬流向半導(dǎo)體，引起表面電荷積累直到平衡時(shí)費(fèi)米能級(jí)連續(xù)通過結(jié)，最終電場導(dǎo)致半導(dǎo)體的能帶下降彎曲．在這種情況下，結(jié)處無勢壘，電子通過結(jié)“來去”自由，它取決于外加電場的正負(fù)符號(hào)，這種結(jié)稱為歐姆結(jié)［1］［見圖1（b）］．

3 Au與 Nb0．7%－Sr TiO3 肖特基結(jié)的制備

用磁控濺射方法在Nb0．7%－Sr TiO3基片上制作Au薄膜接觸．所用的單晶NSTO基片單面拋光，尺寸3 mm×5 mm×0．5 mm，濺射在室溫下、0．4 Pa的Ar氣氛保護(hù)下完成的，在沉積之前，基片采用化學(xué)清洗，用鋁泊做掩膜，在基片的拋光面上，沉積出1 mm2方形電極．沉積出的金屬薄膜厚度約為200～250 nm．快速氧氣退火的溫度為750℃，時(shí)間為30 min．外連電極由金線和銀膠制作，另一電極則由在NSTO基片直接壓In構(gòu)成，電極間距大于2 mm，圖2顯示的是測量的示意圖．

圖2 測量示意圖

4 數(shù)據(jù)分析與勢壘的計(jì)算

圖3是 Au／NSTO 的I－V 特 性 曲 線，用Keithley 2400測量．在正向電壓為2 V時(shí)電流為10．3 m A，而在反向電壓為2 V時(shí)電流只有3．9 n A．這種不對(duì)稱說明肖特基勢壘在 Au／NSTO界面形成，并具有較好的肖特基結(jié)的整流特性．肖特基二極管中占主導(dǎo)的熱發(fā)射電流可表述為

式中：

其中

這里Rs是整個(gè)回路的電阻，n是理想因子，I0是飽和電流，A是界面結(jié)的面積，A＊是有效質(zhì)量的Richardson常量，k是玻耳茲曼常量，Φb是肖特基結(jié)的勢壘高度，m＊＝1．3m0，m0是電子靜質(zhì)量．把I－V數(shù)據(jù)代入式（1）便可得到肖特基勢壘Φb和理想因子n．假定A＊＝120 A／cm2（也就是認(rèn)為電子的有效質(zhì)量等于自由電子的質(zhì)量）［9－10］．利用式（1），圖3中的正向I－V曲線可得室溫下n為1．37，Φb約為1．61 eV，顯示了室溫下該肖特基界面結(jié)中完美的熱發(fā)射電流．

圖3 Au／NSTO的I－V 特性曲線

圖4是Au／NSTO在100 k Hz及1 k Hz頻率下的C－V 特性曲線，用NF ZM2353測量．對(duì)穩(wěn)定載流子濃度的肖特基二極管，C－2與V成線性關(guān)系：

這里ε（ε＝320ε0）是 NSTO的相對(duì)電容率［4］，Vbi是自建電勢，如此便可從C－2－V線的斜率得出載流子濃度，直線與電壓軸線的交點(diǎn)確定Vbi．勢壘高度可由下式求得：

這里 Nc＝2．0×1020cm－3導(dǎo)帶的有效態(tài)密度［4，10］．這樣利用圖4的數(shù)據(jù)可計(jì)算得到勢壘高度Φb在100 k Hz及1 k Hz頻率下為1．56 e V及1．45 e V．

數(shù)據(jù)結(jié)果證明，制備的肖特基結(jié)具有較高的勢壘高度，整流特性和電容特性都是非常理想的．

圖4 Au／NSTO在100 k Hz和1 k Hz頻率下的C－V特性曲線

5 結(jié)束語

本文在NSTO基片上采用磁控濺射方法制備金薄膜，并在氧氣氣氛中高溫退火，可獲得理想的肖特基結(jié)，測量結(jié)的I－V 和C－V 等特性曲線，運(yùn)用相關(guān)的理論公式分析計(jì)算所制備結(jié)的勢壘高度．另外該類實(shí)驗(yàn)簡單易行，重復(fù)性很好，將肖特基結(jié)的制備與物性研究結(jié)合起來，開闊科學(xué)思維，激發(fā)科研興趣，促進(jìn)研究型實(shí)驗(yàn)的開展．

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