肖特基結的制備與勢壘測量

崔益民，陳 彥，裴 朝，潘 暉，張高龍，錢建強，李 華

（北京航空航天大學 物理教學與實驗中心，北京100191）

1 引 言

金屬－半導體接觸是固體物理和半導體技術的一個具有近百年歷史的古老研究領域．隨著科學技術的發展，該領域取得了許多進展，但是，也存在許多重要的問題有待解決．在基礎研究方面，如費米能級的釘扎機理問題；在技術應用方面，由于器件的發展提出了許多新要求，所以不斷有許多新技術和工藝尚待探索．在這個研究領域中，整流接觸和歐姆接觸是其中的2個重要的課題［1］．

鈣鈦礦氧化物具有介電、鐵電、壓電、光電、超導、巨磁電阻以及光學非線性等很多吸引人的特性與效應．盡管鈣鈦礦型氧化物的性質各異，但大部分在結構上具有很好的相容性．Sr TiO3（STO）是典型的鈣鈦礦結構氧化物，具有較高的相對電容率（300～2 000）和非常低的損耗，是應用于微電子領域中的一種高K材料，同時STO薄膜因其良好的鐵電性、介電性被廣泛應用于微波、存儲等領域［2－5］．STO 在室溫下為立方晶系結構，在300 K溫度下的晶格常量a＝0．390 5 nm．按基礎科學研究觀點，由于STO是顯示出強的電子－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．從導電性能上看，STO可以通過摻雜從絕緣體變化成n型半導體，高摻雜后可變成金屬性的導電體，如室溫下，Nb摻雜質量分數為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 金屬與半導體的兩種接觸：肖特基結和歐姆結

當1塊金屬和1塊半導體接觸，能量達到平衡時，其費米能級一定要連續．圖1為n型半導體與不同功函數的金屬接觸成結時能帶結構的變化的情況．

圖1 n型半導體與不同功函數的金屬接觸成結時能帶結構的變化情況

當金屬功函數Φm大于半導體的功函數Φs，電子從半導體流入金屬，直到平衡．此時費米能級連續通過結，這是由于接近結的半導體中的電子離開施主進入金屬的結果．這個過程在半導體接近結的部分形成耗盡層．此時離子化的施主形成了正的空間電荷區．金屬一邊接觸面形成負的表面電荷．電子繼續流動，直到雙電子層建立了足夠強的電場，阻止電子繼續運動，從而造成了在半導體一邊能帶向上彎曲，形成高的勢壘（Φm－Φs）e V［見圖1（a）］，這種結稱為肖特基結．此時由于熱運動，只有極少數電子從金屬流向半導體；相似于金屬，半導體導帶里只有極少的電子有足夠能量越過勢壘進入金屬，也就是說在平衡時二類電流相等，沒有凈電流通過結［1］．

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

3 Au與 Nb0．7%－Sr TiO3 肖特基結的制備

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氣氛保護下完成的，在沉積之前，基片采用化學清洗，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 數據分析與勢壘的計算

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時電流為10．3 m A，而在反向電壓為2 V時電流只有3．9 n A．這種不對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的整流特性．肖特基二極管中占主導的熱發射電流可表述為

式中：

其中

這里Rs是整個回路的電阻，n是理想因子，I0是飽和電流，A是界面結的面積，A＊是有效質量的Richardson常量，k是玻耳茲曼常量，Φb是肖特基結的勢壘高度，m＊＝1．3m0，m0是電子靜質量．把I－V數據代入式（1）便可得到肖特基勢壘Φb和理想因子n．假定A＊＝120 A／cm2（也就是認為電子的有效質量等于自由電子的質量）［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中完美的熱發射電流．

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．對穩定載流子濃度的肖特基二極管，C－2與V成線性關系：

這里ε（ε＝320ε0）是 NSTO的相對電容率［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確定Vbi．勢壘高度可由下式求得：

這里 Nc＝2．0×1020cm－3導帶的有效態密度［4，10］．這樣利用圖4的數據可計算得到勢壘高度Φb在100 k Hz及1 k Hz頻率下為1．56 e V及1．45 e V．

數據結果證明，制備的肖特基結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，測量結的I－V 和C－V 等特性曲線，運用相關的理論公式分析計算所制備結的勢壘高度．另外該類實驗簡單易行，重復性很好，將肖特基結的制備與物性研究結合起來，開闊科學思維，激發科研興趣，促進研究型實驗的開展．

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