フェルミレベルピニングとは

THEME 09 工場と産業 · 基礎概念Fermi Level Pinning

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フェルミレベルピニングとは、金属と半導体の接合で、界面のフェルミ準位が特定のエネルギーへピン止めされるようにそろう状態です。 金属を替えても、障壁の高さはほとんど同じままです。

教科書の式では、障壁の高さは金属の仕事関数で決まります。現実の界面では、そこに生じた準位が金属の違いを打ち消してしまいます。

金属/Ge界面はS=0.02で、障壁が金属によらない

ピン止めの強さ

金属/Ge 界面の S は 0.02、電荷中性準位は約 0.6 eV と見積もられています。バーディーン極限に近い状態です。

金属/Ge 界面では、金属の真空仕事関数によらず、ほぼ一定の¹ショットキー障壁ができます。2006 年頃からの検証で、 $S$ はバーディーン極限に近い 0.02、 $\Phi_\mathrm{cnl}$ は約 0.6 eV と見積もられました。この $\Phi_\mathrm{cnl}$ は Ge の禁制帯幅と同程度です。

結果として、Ge の伝導帯への低い障壁は極めて作りにくくなります。n-Ge には伝導帯への高い障壁による整流性が、p-Ge には価電子帯への低い障壁によるオーミック性が出ます。

界面準位が増えるほど、Sは1から0へ寝る

ショットキー障壁高さは $\Phi_\mathrm{bn} = S(\Phi_\mathrm{m} - \chi) + (1 - S)\Phi_\mathrm{cnl}$ で表され、 $S$ と $\Phi_\mathrm{cnl}$ は半導体の¹界面準位で決まると一般に考えられています。界面準位密度 $D_\mathrm{it}$ が増えるにつれて、 $S=1$ のショットキー極限から $S=0$ のバーディーン極限へ移ります。Ge のピン止めは Si と比べて圧倒的に強く、実験で求めた $\Phi_\mathrm{cnl}$ はバルク Ge の電荷中性準位に近い値です。

極薄の膜を挟むと、ピン止めが緩む

ピン止めを緩める手

Al/GeO2/Ge 接合で膜厚を増すと、n-Ge の整流性がオーミック性へ反転しました。波動関数の染み込みが減った証拠です。

FLP の起源としては、金属から半導体のギャップ内へ届く波動関数に由来する MIGS が最も妥当だと推測されています¹。この立場では、絶縁膜が Ge への波動関数の浸み出しを抑え、MIGS を減らすと解釈できます。そこで、電流が流れる程度の極薄誘電体界面層で金属と Ge を離す実験が行われました。

Al/極薄 GeO2/Ge 接合では、GeO2 の膜厚が増えるとともに n-Ge への整流性が弱まってオーミック性が得られ、p-Ge では逆に整流性が強まりました。

障壁が下がらなければ、寄生抵抗も下がらない

微細化されたデバイスでは、寄生抵抗を下げる観点からも、金属/Ge 界面の障壁の低減、つまり FLP の抑制が不可欠です¹。コンタクト抵抗 $R_\mathrm{c}$ は $\exp(\Phi_B/\sqrt{N_D})/\mathrm{Area}$ に比例するので²、障壁が下がらなければ濃度で押すことになります。

整流性とオーミック性の反転を使い、メタルソースドレイン型の Ge n-MOSFET の動作も実証されています。界面の作りが、素子の成否を左右します。

膜を挟む手も、低電子密度の金属も、抵抗と引き換え

極薄の絶縁膜を挟めばピン止めが緩み、障壁を下げられます。その代わり、挟んだ膜そのものがトンネル抵抗として加わります。膜を薄くすれば抵抗は小さいものの、ピン止めを緩める効果も弱まります。低電子密度の金属を選ぶ道は膜を挟まずに済みますが、金属の抵抗率が高く、コンタクト用の薄膜としての使い方になります。

よくある質問（FAQ）

フェルミレベルピニングとは何ですか？

金属/半導体や金属/絶縁体の接合で、界面のフェルミ準位が特定のエネルギーへピン止めされるようにそろう状態です。理想のモット・ショットキーモデルとは別のそろい方です。

どのくらい強いことがありますか？

金属/Ge 界面では S がバーディーン極限に近い 0.02 と見積もられています。金属を替えても障壁はほぼ同じ高さです。

電荷中性準位はどこですか？

金属/Ge 界面の Φcnl は約 0.6 eV と見積もられています。Ge の禁制帯幅と同程度の値です。

実際の接合はどうなりますか？

n-Ge には伝導帯への高い障壁による整流性が、p-Ge には価電子帯への低い障壁によるオーミック性が出ます。

原因は何と考えられていますか？

金属から半導体のギャップ内へ届く波動関数に由来する MIGS が、最も妥当だと推測されています。

抑える手はありますか？

極薄の誘電体界面層で金属と Ge を離す手があります。Al/GeO2/Ge では膜厚の増加とともに n-Ge がオーミック性へ反転しました。

他に道はありますか？

低電子密度の金属を使う道があります。希土類金属ジャーマナイドは、n-Ge への低い障壁を保ったまま薄くできることが分かってきています。

比較・違いを学ぶ

ショットキー障壁とは── ピン止めが動かす量
界面準位とは── ピン止めの担い手
仕事関数とは── 届きにくくなる側の量
接触抵抗率とは── 結果が出る指標

出典

2件を表示

1
応用物理第86巻第8号：西村知紀・鳥海明「金属/Ge界面におけるフェルミレベルピンニングの制御」jstage.jst.go.jp a b c d
2
日新イオン機器：イオン注入ディクショナリー「コンタクト注入」nissin-ion.co.jp ↩