ショットキー障壁とは

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ショットキー障壁とは、金属と半導体の接合界面に形成される、キャリアに対するポテンシャルの障壁です。 この段差を越えた電子が、電流になります。金属と半導体をつなぐたびにこの段差が生まれ、電流は障壁の高さに対して指数で動くため、0.1 eV の差が桁の差になります。

障壁の高さは、界面のフェルミ準位とバンド端の差

界面のバンド

障壁の高さは、界面のフェルミ準位と半導体のバンド端のエネルギー差です。この段差を越えた電子が電流になります。

ショットキー障壁は、金属/半導体接合界面において形成されるキャリアに対するポテンシャル障壁で、その高さは界面におけるフェルミ準位と半導体のバンド端のエネルギー差¹に相当します。n 型の半導体では、伝導帯の端が界面で持ち上がります。この持ち上がりの高さが、電子から見た障壁です。障壁を越える電子の数は高さに対して指数で減るので、0.1 eV の違いが電流では桁の違いになります。

理想なら、仕事関数で高さが動く

仕事関数との関係

S=1 がショットキー極限、S=0 がバーディーン極限です。S が小さいほど、金属を替えても障壁は同じ高さにとどまります。

障壁高さは $\Phi_\mathrm{bn} = S(\Phi_\mathrm{m} - \chi) + (1 - S)\Phi_\mathrm{cnl}$ ¹と表されます。 $\Phi_\mathrm{m}$ は金属の真空仕事関数、 $\chi$ は半導体の電子親和力で、 $S$ はフェルミレベルピンニングの強さです。 $S=1$ の場合は $\Phi_\mathrm{bn} = \Phi_\mathrm{m} - \chi$ となるショットキー極限に、 $S=0$ の場合は $\Phi_\mathrm{bn} = \Phi_\mathrm{cnl}$ となるバーディーン極限に対応します。

$S$ と $\Phi_\mathrm{cnl}$ は、半導体の界面準位により決まると一般的に考えられています。界面の作りが、材料選びの結果を左右します。

界面準位が増えるほど、傾きが寝る

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¹。界面準位は、金属と半導体を接したときにギャップの中へ生じる電子の席です。席が多いほど、金属側の条件が界面へ届きにくくなります。

その起源について、応用物理の解説の著者らは、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 が最も妥当だろうと推測しています。

障壁は、コンタクト抵抗の指数の中にある

コンタクト抵抗 $R_\mathrm{c}$ は $\exp(\Phi_\mathrm{B}/\sqrt{N_\mathrm{D}})/\mathrm{Area}$ に比例します²。十分な不純物が導入された界面のコンタクト抵抗率も、 $\rho \propto A \exp(C \Phi/\sqrt{N})$ ¹ と近似されます。この式に従えば、コンタクト抵抗の低減には高い不純物濃度に加えてショットキー障壁の低減が重要になります。障壁は、そのまま抵抗の話です。

低い障壁は抵抗を下げ、整流を弱める

障壁の低い金属を選べば接触の抵抗が下がります。その代わりオフのときの漏れ電流が増え、整流の働きが弱まります。障壁を高くすれば整流性は良くなるものの、オンのときの損失が増えます。界面を作り込んで障壁を動かす手もありますが、工程が増えます。

よくある質問（FAQ）

ショットキー障壁とは何ですか？

金属と半導体の接合界面に形成される、キャリアに対するポテンシャルの障壁です。障壁高さは、界面のフェルミ準位と半導体のバンド端のエネルギー差に相当します。

どんな式で表しますか？

Φbn = S(Φm − χ) + (1 − S)Φcnl です。Φm は金属の仕事関数、χ は半導体の電子親和力です。

S とは何ですか？

フェルミレベルピンニングの強さです。S=1 がショットキー極限、S=0 がバーディーン極限に対応します。

ショットキー極限では何が起きますか？

S=1 のとき Φbn = Φm − χ になります。金属を替えれば、そのぶん障壁が動きます。

バーディーン極限では何が起きますか？

S=0 のとき Φbn = Φcnl になります。金属を替えても障壁は同じ高さにとどまります。

何が S を左右するのですか？

S と Φcnl は、半導体の界面準位により決まると一般的に考えられています。

コンタクト抵抗とどう関係しますか？

コンタクト抵抗 Rc は exp(ΦB/√ND)/Area に比例します。障壁が指数の中にあります。

比較・違いを学ぶ

フェルミレベルピニングとは── 障壁が動かなくなる現象
仕事関数とは── 式の中の $\Phi_\mathrm{m}$
接触抵抗率とは── 障壁が指数で入る指標
バンドギャップとは── 障壁が収まる幅

出典

2件を表示

1
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、応用物理第86巻第8号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 ↩